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原文传递复杂通航环境下海港泊位和航道调度模型及算法

论文题名：	复杂通航环境下海港泊位和航道调度模型及算法
关键词：	港口运作;泊位分配;航道调度;通航限制
摘要：	随着贸易全球化的快速发展，海运需求不断攀升，世界上许多海港都在超负荷运转。由于旺盛的船舶货运需求与有限的港口泊位和航道通过能力间存在不平衡，海港交通拥堵问题日益严峻，船舶滞港现象时有发生，泊位和航道服务效率成为制约港口发展的瓶颈。而限于地形地貌条件等因素，大多数海港的港池和锚地布置在不同区域，航道由这些区域所共享，导致复杂的船舶通航环境。为此，针对现阶段港口实际运营中的难题，本文研究复杂通航环境下海港泊位和航道调度问题，研究成果可为港口运作管理提供理论指导和科学依据。　　首先，本文研究了单向航道港口泊位分配与船舶排序集成调度问题，重点考虑单向通航限制下船舶交替排队进出港口的影响，兼顾船舶异质航速、船舶安全航行间距、泊位与船舶匹配约束、大型船舶乘潮进出港口及多港池多锚地分布等现实因素，以所有船舶在港停留时间加权和最小为目标，构建了混合整数线性规划模型。针对问题特点，设计自适应大邻域搜索算法进行求解，并改进了算法的邻域搜索算子。为评估算法求解质量，提出一个集划分模型，并通过列生成算法来求解该模型以获得原问题解的下界。基于京唐港实地调研数据设计数值实验，验证了所提出算法的实用性。　　其次，考虑到大多海港的航道宽度仅可满足小型船舶的双向通航，而一些大型远洋船舶需占用整条航道（就宽度而言）进出港口，本文研究了双向航道港口的泊位和航道调度问题。在预知中长期泊位分配计划的基础上，从短期视角出发，提出了滚动计划方法，以统筹考虑船舶的准确进出港信息和港口资源的最新状况，进而对现有计划实时调整和改进。在滚动计划中，为充分利用港口资源，一些大型船舶需在减载后移泊至其他浅水泊位，以腾出有限深水泊位供其他大型船舶使用；当船舶因不可抗力因素而滞留港口时也需移泊至其他闲置泊位靠泊。针对该问题，本文构建了数学模型，提出了基于列生成的启发式算法，并设计几种加速技术来改进算法表现。通过同截断列生成算法、行列生成算法及港口现实调度方案对比，验证了所提出列生成算法的实用性。　　最后，为应对恶劣天气和设备故障等不确定性因素对船舶抵港时间和货物装卸时间的影响，研究了不确定环境下复式航道港口泊位和航道调度问题。复式航道包含多条可供不同吃水和船宽的船舶进出的航道，可视为双向航道的扩展。本文将该问题构建为一个两阶段随机规划模型。在第一阶段，考虑船舶抵港和装卸时间的不确定性，决策船舶的泊位分配计划；在第二阶段，针对每个情景分别制定航道运作计划，决策船舶的航道选择、拖轮指派及进出港排序计划。为有效求解模型，设计了Benders分解算法和基于阶段分解的启发式算法，并提出几种方法来改进算法表现。通过重建原模型为一组基于情景的模型，获得了原问题解的下界。数值实验结果验证了所提出算法的实用性，展示了集成决策模型的益处。
作者：	刘保利
专业：	管理科学与工程
导师：	李志纯
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2022