集裝箱碼頭物流系統(tǒng)的基于仿真的優(yōu)化方法研究.pdf

1、由于集裝箱運(yùn)輸具有高貨運(yùn)質(zhì)量、高運(yùn)輸效率和便于多式聯(lián)運(yùn)等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界最先進(jìn)的運(yùn)輸組織形式。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與對(duì)外貿(mào)易的不斷擴(kuò)大以及集裝箱在運(yùn)輸中的廣泛應(yīng)用，我國(guó)沿海各港口集裝箱吞吐量大幅增長(zhǎng)，如何對(duì)港口集裝箱物流系統(tǒng)進(jìn)行更加合理有效的規(guī)劃，最大限度地發(fā)揮其作業(yè)能力，是目前急待解決的問(wèn)題，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。當(dāng)前對(duì)于集裝箱碼頭的研究多使用基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法，但是，集裝箱碼頭是由若干相互制約的動(dòng)態(tài)要素所構(gòu)成的多環(huán)節(jié)復(fù)雜隨機(jī)

2、系統(tǒng)，很難通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行完整描述。也有部分學(xué)者采用仿真方法對(duì)集裝箱碼頭展開(kāi)研究，但是，計(jì)算機(jī)仿真僅能對(duì)給定的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，無(wú)法提供進(jìn)一步的輔助決策功能。因此，本文試用基于仿真的優(yōu)化(SBO)方法對(duì)集裝箱碼頭物流系統(tǒng)中的若干問(wèn)題展開(kāi)優(yōu)化研究。雖然同傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法相比，基于仿真的優(yōu)化方法擁有能夠更加準(zhǔn)確地描述復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，但是，它的應(yīng)用也存在著難點(diǎn)，集中表現(xiàn)在計(jì)算代價(jià)過(guò)大，運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這也是限制該方法應(yīng)用和發(fā)展的主要

3、原因。為解決上述問(wèn)題，本文以集裝箱碼頭物流系統(tǒng)作業(yè)優(yōu)化為背景，按照仿真模型的建立，仿真模型的驗(yàn)證，以及基于仿真的優(yōu)化方法的應(yīng)用三個(gè)步驟，從規(guī)劃層面到操作層面針對(duì)集裝箱物流系統(tǒng)的資源規(guī)劃與調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究，并對(duì)降低基于仿真的優(yōu)化方法的計(jì)算代價(jià)的方法進(jìn)行了相應(yīng)的探索與研究，具體研究工作如下：
　　 (1)分別對(duì)基于仿真的優(yōu)化方法和集裝箱碼頭物流系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述。對(duì)基于仿真的優(yōu)化方法，介紹了其發(fā)展歷史與分類、應(yīng)用現(xiàn)狀與難點(diǎn)

4、以及未來(lái)的發(fā)展方向。針對(duì)集裝箱碼頭物流系統(tǒng)，分別介紹了仿真技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)和基于仿真的優(yōu)化技術(shù)在集裝箱碼頭物流系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題中的應(yīng)用情況和主要成果。
　　 (2)利用面向?qū)ο蟮碾x散事件建模方法構(gòu)建了一個(gè)包括船舶、錨地、泊位、岸橋、堆場(chǎng)龍門(mén)起重機(jī)、內(nèi)部集卡、外部集卡和大門(mén)系統(tǒng)等在內(nèi)的集裝箱碼頭整體作業(yè)系統(tǒng)的仿真模型，充分考慮了模型中的諸多隨機(jī)因素。
　　 (3)在規(guī)劃層面提出了應(yīng)根據(jù)不同時(shí)段的裝卸任務(wù)量來(lái)進(jìn)行集卡動(dòng)態(tài)配置。運(yùn)用

5、仿真模型與優(yōu)化算法相結(jié)合的基于仿真的優(yōu)化方法對(duì)集裝箱碼頭動(dòng)態(tài)集卡配置問(wèn)題進(jìn)行了求解，實(shí)驗(yàn)表明，求得的集卡配置數(shù)量在保證碼頭作業(yè)效率的前提下，減少了內(nèi)部集卡的平均等待時(shí)間，提高了集卡的利用率，降低了現(xiàn)實(shí)作業(yè)中對(duì)集卡資源的浪費(fèi)。
　　 (4)針對(duì)基于仿真的優(yōu)化方法的計(jì)算代價(jià)過(guò)大的問(wèn)題，通過(guò)將基于MPI消息傳遞標(biāo)準(zhǔn)的并行集群計(jì)算方法引入算法求解過(guò)程，設(shè)計(jì)了基于仿真的并行遺傳算法，大大減少了算法的運(yùn)算時(shí)間，提高了運(yùn)算性能。
　　

6、 (5)在規(guī)劃層面研究了在分散堆存策略下集裝箱碼頭的進(jìn)出口箱區(qū)規(guī)劃的問(wèn)題。介紹了問(wèn)題的背景，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了描述，采用基于仿真的遺傳算法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了求解。為了解決基于仿真的優(yōu)化方法的計(jì)算代價(jià)過(guò)大的問(wèn)題，分別采用了并行計(jì)算和案例檢索兩種方法，用以減少算法的計(jì)算時(shí)間，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這兩種方法在降低計(jì)算代價(jià)方面的有效性。
　　 (6)研究了集裝箱碼頭具體操作層面的集裝箱岸橋的調(diào)度問(wèn)題。考慮到問(wèn)題中的諸多隨機(jī)因素，仍然使用基于仿真的優(yōu)

7、化算法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解，分別采用遺傳算法、粒子群算法和模擬退火算法作為其上級(jí)優(yōu)化器，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了求解。針對(duì)三種不同的優(yōu)化算法作為基于仿真的優(yōu)化中的上級(jí)優(yōu)化器的情況，對(duì)它們的應(yīng)用性能進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　 (7)在操作層面研究了為減少裝船作業(yè)中的倒箱次數(shù)而在堆場(chǎng)提前進(jìn)行的集裝箱預(yù)倒箱問(wèn)題。建立集裝箱預(yù)倒箱問(wèn)題的整數(shù)規(guī)劃模型，設(shè)計(jì)了一種二元編碼方式的多階段遺傳算法對(duì)其進(jìn)行了求解。引入混亂系數(shù)的定義來(lái)作為問(wèn)題的目標(biāo)評(píng)價(jià)值，設(shè)計(jì)了算法