基于集中托管策略的集装箱码头堆场多资源分配与调度问题研究

Because of the increasing throughput of terminals and the improvement of operation efficiency at quay side, the operations at yard side become the new bottleneck in the terminals. Yard consignment is a strategy to reserve some dedicated storage area for a container group. Based on this strategy, we will study the multi-resource allocation problem at the tactical level and multi-resource scheduling problem at the operational level. For the resource allocation problem, we will study the joint storage allocation and yard crane deployment problem, and develop a Branch & Price algorithm based on Dantzig–Wolfe decomposition method. For the resource scheduling problem, we will study joint truck, yard crane scheduling and sub-block selection problem, and develop a hybrid intelligent algorithm based on multi-stage decomposition method. At last, due to the uncertainties in container terminals, this project will develop the corresponding models and algorithms for the resource allocation and scheduling problem. The results of this project could help the port operators to make better use of the resources in the yard, and improve the performance of the container terminals of China.

随着集装箱码头吞吐量的增加以及岸边作业效率的提升，堆场逐渐成为码头运作中新的瓶颈。集中托管策略（Consignment Strategy）是指在堆场中为每组集装箱分配其专属的若干堆存空间，从而提升码头作业效率。基于该策略，本项目拟分别研究码头计划层面的多资源分配问题和操作层面的多资源调度问题。在资源分配方面，拟建立堆存空间和场桥分配集成优化模型，并设计基于Dantzig–Wolfe分解的分支定价(Branch & Price)算法进行求解。在资源调度方面，拟建立集卡、场桥调度和子箱区选择集成优化模型，并设计基于多阶段分解的混合智能求解算法。最后，针对码头中的各种不确定因素，拟在确定性模型和算法的基础上，建立资源分配和调度问题的随机规划模型和仿真优化算法。通过本项目的研究，可以有效的利用堆场中的各种资源，提高我国现有集装箱码头的运作效率，从而提升其在全球航运市场中的优势地位。

为提升集装箱码头作业效率，本项目基于集中托管策略分别研究了计划层的多资源分配问题和操作层的多资源调度问题。在多资源分配方面：1）建立了堆存空间和场桥分配集成优化模型，并设计基于DW分解的Diving算法求解；2）研究了考虑集装箱延迟转运下的箱量分配与场桥分配集成优化问题，并设计Benders分解算法求解；3）考虑到作业设备碳排放的影响，研究了关于泊位、岸桥和集卡集成分配多目标优化问题，并设计NSGA-II算法求解。在多资源调度方面：1）建立了岸桥调度与箱区分配的集成优化问题模型，并设计基于PSO和邻域搜索算法的混合启发式算法求解；2）针对自动化码头中AGV和ALV两种不同类型车辆运作特点，建立了对应的车辆调度和存储分配集成优化模型，并设计基于PSO和贪婪搜索的启发式算法求解；3）研究了基于框架桥的自动化集装箱码头岸桥和场桥集成调度问题，并设计了PSO算法求解。最后，针对码头中的各种不确定因素研究了：1）考虑需求不确定和道路拥堵下的子箱区与箱量分配集成优化问题，建立了两阶段随机规划模型并设计改进Benders分解算法求解；2）作业时间不确定下的岸桥调度问题，建立了两阶段随机规划模型并设计基于仿真优化的PSO算法求解；3）考虑需求不确定和货物延期的支线船船型优化问题，建立了模型并设计随机动态规划算法求解。通过本项目的研究，可以有效的利用集装箱码头中的各种资源，提高我国现有码头运作效率，从而提升其在全球航运市场中的优势地位。