1.1 論文研究背景 

港口是一個國家對外開放的窗口，是綜合運輸通道上的一個重要的節(jié)點，是國內(nèi)外貿(mào)易往來的重要樞紐。1978 年改革開放以后，中國港口進(jìn)入了高速發(fā)展期。新世紀(jì)伊始，全國掀起了新一股港口建設(shè)和發(fā)展的熱潮。隨著國家將港口管理權(quán)限下放，沿江沿海城市紛紛提出“以港立市”、“國際化大港口”等口號，許多港口出臺了宏偉的發(fā)展計劃。港口的建設(shè)數(shù)量、規(guī)模、吞吐量以驚人速度增長，中國港口格局初步形成，并且躋身世界港口大國的行列。2003 年是中國港口具有重要意義的一年，港口集裝箱吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于世界增長速度，總量達(dá)到 4800 萬 TEU，超過美國，躍居世界第一。同年，港口完成貨物吞吐量 26 億噸，一舉躍居世界第一。2005 年上海港貨物吞吐量達(dá)到 4.43 億噸，同比增長 16.7﹪，首次超過新加坡港，成為世界第一大港。2010 年年末，上海港全年貨物吞吐量達(dá)到 6.5 億噸，連續(xù)四年收獲世界第一；集裝箱吞吐量突破 2900 萬 TEU，也首次超過新加坡港，榮登世界首位。直到 2010 年年底，中國已擁有沿海億噸大港 22 個，成為世界上擁有億噸港口最多的國家。回首 2001 年，全球集裝箱吞吐量排名前十位的港口中，中國大陸僅有上海港和深圳港名列其中。而到 2008 年，中國大陸港口已經(jīng)占據(jù)了“半壁江山”，它們分別是上海港、深圳港、廣州港、寧波-舟山港、青島港。事物的質(zhì)變是由量變引起的，當(dāng)量變達(dá)到一定程度時,就會發(fā)生質(zhì)變。以中國港口發(fā)展而言，量的積累已經(jīng)達(dá)到了一個驚人的程度，港口的吞吐量不斷高增長。但是，吞吐量并不是港口追求的最終目標(biāo)，世界大港不等同世界強(qiáng)港。要建設(shè)世界強(qiáng)港，必然要面臨港口功能拓展、港口可持續(xù)發(fā)展、港口產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等命題。只有這樣，中國的港口才能實現(xiàn)從量變到質(zhì)變，從世界大港邁向世界強(qiáng)港。 

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1.2 論文研究的目的和意義

煤炭是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)能源之一，煤炭港口是煤炭在運輸過程中的重要中轉(zhuǎn)站。由于煤炭的特點，煤炭港口一直在向?qū)I(yè)化和大型化轉(zhuǎn)變。如何提高煤炭港口裝卸作業(yè)效率、減少船舶在港時間已成為近年來煤炭港口面臨的普遍問題。本文通過運用運籌學(xué)的混合整數(shù)規(guī)劃模型，對研究對象煤炭港口的泊位等港口資源進(jìn)行優(yōu)化配置。本文的研究目的是通過建立船舶在港最短時間模型，在作業(yè)過程中對港口資源進(jìn)行合理的調(diào)度，從而提高煤炭港口的裝卸作業(yè)效率，進(jìn)一步提高港口的服務(wù)水平。近年來，隨著我國港口的快速發(fā)展，港口行業(yè)之間的競爭日趨激烈。為了使港口更具有競爭力，各大港口紛紛想方設(shè)法提高自身的裝卸作業(yè)效率。提高煤炭港口的裝卸作業(yè)效率的方法主要有兩個方面：第一個是增加港口的資源，包括泊位、堆場空間、裝卸設(shè)備等；第二個是對現(xiàn)有的港口資源進(jìn)行合理的有效的調(diào)度。對于一個已建港口而言，泊位、堆場空間相對固定，裝卸設(shè)備也不能無限的增加，因為這關(guān)系到技術(shù)參數(shù)和成本的問題。所以對現(xiàn)有的港口資源進(jìn)行合理的調(diào)度，從而提高裝卸作業(yè)效率，已成為當(dāng)下煤炭港口的主要研究。港口調(diào)度是保證港口生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)計劃組織實施而進(jìn)行的一系列指揮、協(xié)調(diào)、控制、監(jiān)督等活動的總稱。港口調(diào)度工作的質(zhì)量直接影響到港口裝卸的效率，做好港口調(diào)度工作是港口生產(chǎn)企業(yè)成功的關(guān)鍵所在。 

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第二章 相關(guān)研究文獻(xiàn)綜述 

 

2.1 煤炭概述 

煤的主要化學(xué)成分為固定碳、揮發(fā)物（一氧化碳、氫、氮、磷、硫、沼氣等）及灰分等。煤的種類通常以含揮發(fā)物和固定碳的多少，可分為褐煤、泥煤、煙煤、無煙煤四類。 煤的特性主要是會產(chǎn)生可燃性爆炸氣體、自燃性、自熱性與凍結(jié)性等。 煤炭的運輸和積載應(yīng)使用適合裝運煤炭的交通工具。在裝煤之前還應(yīng)徹底清掃交通工具，嚴(yán)禁把易燃物和爆炸物品與煤同裝；不一樣煤種不能混裝；煤與錳礦石不能混裝；煤炭也不可與含硫礦石、鋁鹽、氨酸鉀混裝；不可把溫度達(dá) 35℃以上的煤炭裝進(jìn)運輸工具。 為了防止煤凍結(jié)，冬季待卸煤的含水量不可超過 5％。防止煤凍結(jié)的防凍劑有食鹽、生石灰、石墨、氯化鈣等。由于使用防凍劑來防凍，不僅費用很高，而且因加入不可燃燒物質(zhì)以后，會增加煤的灰分和降低煤炭質(zhì)量。所以要防止煤的凍結(jié)，最好的方法是控制煤的含水量。 嚴(yán)禁在通風(fēng)口附近或可能積聚煤氣的地方使用明火和吸煙。工作人員在進(jìn)入運輸工具時應(yīng)佩戴防毒面具并且需要有專人陪同，時刻注意安全。在運輸過程中應(yīng)時常對煤炭進(jìn)行表面通風(fēng)，及時排除可燃、有毒、易爆炸氣體。在運輸過程中每天應(yīng)按時測溫，當(dāng)溫度達(dá)到 40℃至 45℃時，要增加測溫次數(shù)。當(dāng)溫度達(dá) 60℃時要采取更加有效的通風(fēng)辦法。溫度若再升高，還需往煤里注入蒸汽或者二氧化碳?xì)狻?nbsp;

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2.2 港口調(diào)度問題

針對港口調(diào)度問題，國內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行了深入的探討，但由于從整體優(yōu)化的角度來分析問題較為復(fù)雜，所以國內(nèi)外學(xué)者一般都從各作業(yè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化來進(jìn)行研究，主要有泊位調(diào)度、岸橋調(diào)度、堆場內(nèi)資源優(yōu)化等方面。近年來，泊位分配的研究已經(jīng)從單獨研究泊位調(diào)度轉(zhuǎn)變?yōu)椴次?岸橋聯(lián)合調(diào)度，這種研究是把泊位-岸橋看成一個整體，他們之間相互影響、相互制約，這樣更符合碼頭的實際情況。泊位調(diào)度是指港口為到港船舶安排指定的泊位使其可以停靠。泊位是港口資源的一個重要組成部分，對港口的裝卸作業(yè)效率有重要的影響，國內(nèi)外許多學(xué)者都開展了對港口泊位調(diào)度的研究，并且取得了顯著的成果。 Imai（1997）等針對泊位調(diào)度問題，提出了動態(tài)分配模型以及靜態(tài)分配的啟發(fā)式算法，并使用拉格朗日松弛法對模型進(jìn)行了求解，建立起基于船舶優(yōu)先服務(wù)權(quán)的碼頭泊位分配模型，證明了使用拉格朗日松弛法不能在規(guī)定時間內(nèi)尋找問題的最優(yōu)解，并最終使用遺傳算法求解問題[1]。Harris（2008）構(gòu)建了改良煤炭港口生產(chǎn)力的仿真模型。運用精益生產(chǎn)的理念，通過建立 12 種仿真模型，對泊位和駁船等設(shè)備設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化配置[2]。Monaco（2007）等以船舶總在港時間最短為目標(biāo)，建立起連續(xù)泊位動態(tài)分配模型，最終對動態(tài)分配模型進(jìn)行求解[3]。Lai 和Shih（1992）針對泊位分配問題提出了啟發(fā)式算法，考慮了在不同標(biāo)準(zhǔn)下的不同的分配方案[4]。 國外的學(xué)者大多都是針對國外的某些港口的特定情況展開泊位調(diào)度問題的研究，并在此基礎(chǔ)上建立模型，其中的約束條件、目標(biāo)函數(shù)與國內(nèi)港口的實際情況有一定的差別。 劉光（2008）將到港全部船舶總在港時間最短為目標(biāo)，建立起碼頭泊位作業(yè)模型，并使用多目標(biāo)粒子群算法求解模型[5]。楊海東（2007）把船舶進(jìn)港順序一共分為九種，并以這九種進(jìn)港順序作為泊位分配的先決條件，同時以全部船舶在港時間最短為目標(biāo)，求得最優(yōu)的船舶進(jìn)港次序以及泊位的利用和分配，并且對此進(jìn)行了模擬分析[6]。張燕濤（2005）在離散的泊位前提下建立模型，以所有船舶總在港時間最短為目標(biāo)，并使用遺傳算法求解模型[7]。黃曉鳴和徐小義（1996）用排隊論的方法計算港口最佳的泊位數(shù)量，用于評估碼頭泊位的建設(shè)情況[8]。陳俊豪和孫士寅（1988）使用線性規(guī)劃中的“運輸問題”及其特例“分配問題”，對泊位調(diào)度問題進(jìn)行深入探討，提出了泊位調(diào)度的目標(biāo)，并由此確定相應(yīng)的約束條件，將泊位分配的問題轉(zhuǎn)變成單目標(biāo)線性規(guī)劃問題[9]。

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第 3 章 煤炭碼頭基本設(shè)施及裝卸作業(yè)流程簡介 ......... 12 

3.1 煤炭碼頭及特點 .... 12 

3.1.1 煤炭裝卸特點 .... 12 

3.1.2 煤炭碼頭布局特點 ........... 13 

3.2 煤炭碼頭基本設(shè)施........ 14 

3.3 煤炭碼頭裝卸作業(yè)工藝與實務(wù) .......... 18 

第 4 章 考慮潮汐因素的煤炭碼頭優(yōu)化調(diào)度模型 ......... 22 

4.1 影響煤炭碼頭泊位調(diào)度的因素分析 ......... 22 

4.2 潮汐變化特點及其對碼頭作業(yè)的影響 ..... 26 

4.3 船舶在港停時 ........ 26

4.4 XX 煤炭碼頭泊位能力分析 ........ 27

4.5 XX 煤炭碼頭泊位調(diào)度存在問題分析 ....... 28 

4.6 模型基本假設(shè)條件........ 29

4.7 考慮潮汐因素的泊位優(yōu)化調(diào)度模型 ......... 31 

第 5 章 基于 XX 煤炭碼頭的算例分析 .... 33 

5.1 XX 煤炭碼頭概況 .......... 33 

5.2 進(jìn)港船舶數(shù)據(jù) ........ 33 

5.3 船舶入泊時間窗 .... 35

5.4 基于 Cplex 的算例分析 ....... 38 

 

第五章 基于 XX 煤炭碼頭的算例分析 

 

5.1 XX 煤炭碼頭概況 

煤炭碼頭前沿岸線總長度為 527 米，擁有兩個 3.5 萬噸級的泊位，設(shè)計底標(biāo)高-12.5 米，核準(zhǔn) 7 萬噸級靠泊能力。碼頭前沿較狹窄，主要用于安放卸船岸機(jī)。由于規(guī)模和對卸船效率的要求問題，采用的是間歇式卸船設(shè)備。碼頭經(jīng)常需要進(jìn)行煤炭過駁作業(yè)，所以在碼頭前沿有排放過駁皮帶機(jī)。前沿卸船皮帶 3 條，碼頭生產(chǎn)流程共 1274 條。 煤炭堆場由大片夯實的平地組成，形狀為長條型，寬度約為堆存機(jī)械臂長的兩倍左右。堆場以兩塊為一組，分別安排在高架皮帶機(jī)的兩側(cè)，高架皮帶機(jī)上行走的堆存機(jī)械可同時在兩側(cè)作業(yè)。堆場一共分為 0-9 號堆場，堆存量約為 70 萬噸。 煤炭碼頭使用的大型裝卸機(jī)械主要有帶斗橋吊、皮帶機(jī)、斗輪堆取料機(jī)、裝卡機(jī)、裝船機(jī)等等，流動機(jī)械主要有斗車、推扒機(jī)、挖掘機(jī)等等。 煤炭碼頭配備噴灑除塵系統(tǒng)、污水再處理系統(tǒng)、通信等配套設(shè)施，建立了比較完整的電子現(xiàn)場監(jiān)控、貨運業(yè)務(wù)、生產(chǎn)流程控制、物資倉庫管理、設(shè)備管理、辦公自動化等計算機(jī)管理系統(tǒng)。考慮到吃水相差不大的大船要求的靠泊水深相差不大，論文選取了某月的潮汐表，并選取了吃水分別為 13.2 米，13 米，12.8 米，12.5 米，10.8 米，10.5米，10.4 米，10 米的大船作為計算的對象，其中吃水 10.8 米以下（包含 10.8米）的大船在本月的任何時段都可以靠泊。在時間窗中，如果大船在對應(yīng)時間可以靠泊，以“1”作為標(biāo)記，不可以靠泊就以“0”作為標(biāo)記。  

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結(jié)論

 

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)港口的競爭日趨激烈。論文基于這個背景，闡述了提高裝卸作業(yè)效率，縮短船舶在港停時對于港口的重要性。 當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對于港口調(diào)度的研究集中在泊位調(diào)度、裝卸機(jī)調(diào)度、堆場內(nèi)資源優(yōu)化、各環(huán)節(jié)集成優(yōu)化等方面，而較少涉及到討論在潮汐作用影響下的泊位調(diào)度。論文首先介紹了煤炭港口的裝卸資源以及裝卸作業(yè)流程，接著分析了影響港口作業(yè)效率的因素。 XX 煤炭碼頭是位于珠江邊的一個專業(yè)煤炭碼頭，在到港船舶大型化發(fā)展的趨勢影響下，潮汐作用已成為提升碼頭業(yè)務(wù)能力的關(guān)鍵因素。論文通過分析中國沿海潮汐分布特點，指出 XX 煤炭碼頭屬于不規(guī)則半日潮港，一天 24 小時以內(nèi)分別有兩個高潮和兩個低潮。對于滿載的大船來說，一般的安全靠泊水深必須要超過大船吃水的 10﹪。所以當(dāng)大船的吃水超出了這個范圍，大船只能在錨地拋錨等待，直到潮水提供了足夠的水深才能靠泊碼頭，即特定的時間窗口。論文利用了潮汐的一些特性來簡化問題。首先，高潮發(fā)生在一個已知的時間頻率（TF）約12 小時，因此，論文假設(shè) TF 為常數(shù)；其次，由于大船的卸貨時間比其可行的系泊時間長得多，因此，論文近似地把一條大船在每個高潮時期的可行系泊時間作為一個固定的時間點。結(jié)合以上假設(shè)，論文所考慮的問題就是在一定的時間間隔TF 內(nèi)的一系列固定的系泊時間的泊位分配問題。

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參考文獻(xiàn)(略)