集裝箱船全航線配載智能優(yōu)化研究.pdf

1、集裝箱運(yùn)輸具有“快速、安全、質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉”的優(yōu)勢(shì)，在世界范圍內(nèi)得到了飛速發(fā)展，已成為世界各國(guó)交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的重要標(biāo)志及保證國(guó)際貿(mào)易的最優(yōu)運(yùn)輸方式.配載是集裝箱運(yùn)輸過程的一個(gè)核心環(huán)節(jié)，目的是尋求一種在滿足既定約束條件下倒箱最少、作業(yè)高效的裝載方案，是集裝箱碼頭作業(yè)規(guī)劃的重要組成部分.配載的優(yōu)劣直接關(guān)系到集裝箱海上運(yùn)輸?shù)陌踩院徒?jīng)濟(jì)性，如何在眾多可行的方案中尋求一種相對(duì)最優(yōu)的配載方案，以保證船舶安全、降低運(yùn)輸成本、提高營(yíng)運(yùn)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是

2、航運(yùn)業(yè)致力追求的主要目標(biāo)之一. 由于配載問題是帶有復(fù)雜約束的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題，隨著船舶載箱量增加和掛靠港口數(shù)量增多，問題的規(guī)模變得十分龐大，問題的解決也變得更為復(fù)雜.國(guó)內(nèi)外許多專家在此領(lǐng)域作了許多有益的探索，也提出了許多解決問題的方法，但到目前為止，還鮮有解決配載問題的完整模型.作者在深入集裝箱碼頭調(diào)研及查閱大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，探討了集裝箱船配載的特點(diǎn)、要求、過程及問題的復(fù)雜性，以集裝箱船全航線配載研究為主線，使用智能優(yōu)化算

3、法與技術(shù)，對(duì)全航線配載及其相關(guān)問題進(jìn)行研究，提出了求解配載問題的一些新方法. 大多數(shù)船在一個(gè)航次中要掛靠多個(gè)港口，編制配載計(jì)劃時(shí)，要有全航線的整體觀念，要對(duì)船舶在整個(gè)航線的掛港順序和各港的箱源情況進(jìn)行綜合考慮，所以在一個(gè)碼頭配載時(shí)，必須考慮其對(duì)后續(xù)港口裝卸的影響.由于在制訂當(dāng)前碼頭配載規(guī)劃時(shí)，后續(xù)港口箱量信息還不能確定，給當(dāng)前碼頭配載規(guī)劃帶來困難.為了解決這個(gè)問題，本文提出利用預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)后續(xù)港口的箱量信息，為船舶全航線配載提供

4、數(shù)據(jù)支持，在此基礎(chǔ)上建立全航線預(yù)配和Bay位排箱優(yōu)化模型，使用配載評(píng)價(jià)模型對(duì)配載方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及優(yōu)選. 首先應(yīng)用支持向量機(jī)理論建立了后續(xù)港口箱量信息預(yù)測(cè)模型.分析影響航次箱量的因素，建立全航線航次箱量預(yù)測(cè)指標(biāo)體系，對(duì)后續(xù)港口的箱量信息進(jìn)行預(yù)測(cè).SVM模型適用于小樣本、高維預(yù)測(cè)問題，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性及泛化能力，為集裝箱船航次箱量這樣一個(gè)小樣本、多影響因素預(yù)測(cè)問題提供了一種新的有效方法. 建模是系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)，由于配載問題

5、的復(fù)雜性，單純使用一種方法無法很好地滿足系統(tǒng)建模要求.本文在對(duì)問題分析的基礎(chǔ)上，將配載問題分解為預(yù)配和Bay位排箱兩個(gè)子問題，分別建立子問題的優(yōu)化模型，并構(gòu)造相應(yīng)的算法，然后再組合成為原問題的解，可降低問題求解難度和時(shí)間復(fù)雜度. 預(yù)配主要是將裝載港的集裝箱按類型、尺寸及目的港組成同類箱組，以同類箱組為處理單元，依據(jù)一定的優(yōu)化目標(biāo)將其分配到船舶不同Bay位上.預(yù)配階段以全航線倒箱數(shù)量最少、不同目的港箱占用Bay位數(shù)量最少為優(yōu)化目標(biāo)

6、，以滿足總縱強(qiáng)度和縱向吃水差要求等為約束條件建立模型，將同類箱組在船上的布局問題看成是超尺寸裝箱問題，采用基于二叉搜索樹的最優(yōu)匹配裝箱算法求解配載問題.預(yù)配完成集裝箱在船上的縱向布置. Bay位排箱是將已分配到各個(gè)Bay位的集裝箱以一定的規(guī)則指派到特定箱位上去，實(shí)現(xiàn)集裝箱在船上的橫向及垂向布置.根據(jù)Bay位中集裝箱目的港和重量屬性不同，分別建立了單一目的港Bay位排箱優(yōu)化模型和多目的港箱Bay位排箱優(yōu)化模型.單一目的港Bay位排

7、箱以船舶重心高度最優(yōu)及橫傾力矩最小為優(yōu)化目標(biāo)建模，將箱位分配看成是指派問題，采用禁忌搜索算法求解.多目的港Bay位排箱以全航線倒箱數(shù)量最少為目標(biāo)，采用隱式圖搜索算法求解.實(shí)例模擬結(jié)果表明，此系列模型可以得到適合于實(shí)際問題的優(yōu)化配載方案。 配載問題面臨的經(jīng)常是一個(gè)由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，而滿足配載有關(guān)衡準(zhǔn)要求和其他要求的方案也有多個(gè).在優(yōu)化階段確定的配載方案只滿足少量的優(yōu)化指標(biāo)，為了綜合評(píng)價(jià)配載方案的優(yōu)劣，在

8、多個(gè)配載方案中選擇總體最優(yōu)的方案，基于安全性和經(jīng)濟(jì)性建立了配載方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用粗集數(shù)據(jù)分析理論，對(duì)多個(gè)配載方案數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，去掉冗余的決策變量或?qū)傩?，然后?yīng)用多目標(biāo)、多層次系統(tǒng)模糊評(píng)價(jià)模型，對(duì)配載方案進(jìn)行優(yōu)選. 出口堆場(chǎng)的取箱作業(yè)關(guān)系到裝船的效率及裝船的穩(wěn)定性，是與配載密切相關(guān)的一類問題，經(jīng)過優(yōu)化的堆場(chǎng)Bay作業(yè)規(guī)劃能夠大大提高裝船的效率，可為配載優(yōu)化提供較好的基礎(chǔ)，本文建立了集裝箱堆場(chǎng)門式起重機(jī)小車取箱作業(yè)優(yōu)化模型

9、.采用最小生成樹算法確定小車取箱作業(yè)順序，此模型可以為出口集裝箱實(shí)際取箱作業(yè)規(guī)劃提供理論依據(jù). 本研究對(duì)配載方案選擇采用的是全航線總體最優(yōu)的方法，這種統(tǒng)籌全局的配載策略以全航線總的經(jīng)濟(jì)效益及安全性為目標(biāo)，避免單純追求當(dāng)前港口的優(yōu)化而給后續(xù)港口裝卸帶來困難，是一種比較先進(jìn)的理論模型.這一理論模型包含港口箱量信息預(yù)測(cè)、配載方案產(chǎn)生和配載方案評(píng)價(jià)三個(gè)核心內(nèi)容，其中又以配載方案產(chǎn)生模型最為關(guān)鍵.預(yù)測(cè)模型能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)后續(xù)港口特定航次