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原文传递散货港口装船作业计划与船舶交通组织协同优化

论文题名：	散货港口装船作业计划与船舶交通组织协同优化
关键词：	散货港口;装船作业计划;船舶交通组织;协同优化;混合启发式算法
摘要：	装船作业计划和船舶交通组织作为散货港口最重要的两个作业阶段，对于提高散货港口整体运营效率至关重要。由于船舶交通组织阶段涉及航道、港池、港口通航规则等限制因素较多，装船作业计划阶段涉及装船设备作业限制、装船作业工艺流程复杂，以传统的人工经验方式分别编制装船作业计划方案和船舶交通组织方案，难以提高散货港口整体运营效率。尤其是对于多港池受限航道的散货港口，随着日益增长的散货运输需求，对其整体运营效率提出了更高要求。因此，本文以多港池受限航道的散货港口为研究对象，研究散货港口装船作业计划与船舶交通组织协同优化问题。考虑到上述两个阶段协同优化涉及因素较多，本文采取先分阶段优化后协同优化的思想，即先分别研究船舶交通组织优化问题和装船作业计划优化问题，再研究两个阶段协同优化问题，主要开展了以下研究工作：　　(1) 针对多港池受限航道通航效率较低的问题，提出了一种多港池受限航道的船舶交通组织优化方法。首先，基于多港池受限航道的特征，抽象出了一种多港池受限航道模型。从宏观和微观角度分析了多港池受限航道内各水域船舶交通冲突特征，构建了航道入口水域交通流时隙分配、单/双向连接水域交通流转换、多港池入口水域交通流协调以及港池水域交通流冲突消解的约束。然后，在此基础上，考虑船舶乘潮、船舶航行连续性、港口通航规则等约束，建立了以所有船舶的调度时间最小和等待时间最小为目标的多目标混合整数规划模型，并设计了非支配排序遗传-禁忌搜索算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ and Tabu Search algorithm，NSGA-Ⅱ-TS)对模型进行求解，获得最优的船舶交通组织方案。在算法求解过程中，提出了通航模式合理性和同一泊位先离后靠修复策略，以避免不可行解的产生。最后，以黄骅煤炭港区航道为例进行仿真实验，验证了模型和算法的合理性与有效性。该方法可有效提高港口航道通航效率。　　(2) 针对散货港口装船设备作业冲突导致装船作业工艺流程频繁中断的问题，提出了一种散货港口装船作业计划优化方法。首先，分析了单取单装作业模式的装船作业工艺流程，确定了取料机和装船机作业冲突特征。在此基础上，考虑同一轨道/不同轨道取料机作业、同一轨道装船机作业、装船方案、装舱顺序以及堆场到泊位运输距离等约束，构建了以最小化最大装船作业完成时间为目标的混合整数规划模型，并设计了基于启发式逻辑的 Benders 分解算法(Heuristic Logic-based Benders Decomposition algorithm， HLBBD)求解该模型，获得最优的装船作业计划方案。将原问题分解为装船方案和装船设备分配的主问题，以及优化装船作业的子问题。然后，为克服最优割平面有效性较低的特点，设计了启发式策略，使子问题每次迭代产生多个最优割平面并引入主问题中。最后，以黄骅煤炭港区一、二期码头为例进行仿真实验，验证了模型和算法的合理性与有效性。该方法可有效提高散货港口装船作业效率。　　(3) 针对散货港口整体运营效率较低的问题，提出了一种散货港口装船作业计划与船舶交通组织协同优化方法。首先，从散货港口系统内部和外部条件分析了装船作业计划与船舶交通组织协同影响因素，确定了两者协同的约束条件。然后，在上述(1)和(2)中相关约束的基础上，考虑了堆垛容量、泊位分配、装船作业工艺流程可达性、泊位-装船机-取料机分配以及下一艘船舶的装船作业准备时间等约束，构建了以所有船舶的等待时间最小和装船作业完成时间最小为目标的多目标混合整数规划模型。基于该模型的特点，设计了非支配排序遗传-变邻域搜索算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅱ and Variable Neighborhood Search algorithm，NSGA-Ⅱ-VNS)对模型进行求解，获得最优的装船作业计划与船舶交通组织协同方案。在算法求解过程中，除了考虑提出的通航模式合理性修复策略外，还提出了同一艘船舶调度顺序合理性和泊位-装船机-取料机分配合理性修复策略，以避免不可行解的产生。最后，以黄骅煤炭港区航道和一、二期码头为例进行仿真实验，验证了模型和算法的合理性与有效性。该方法可有效地兼顾航道通航效率和装船作业效率的同时，提高散货港口整体运营效率。
作者：	李俊杰
专业：	交通信息工程及控制
导师：	张新宇
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022