考虑不确定性的港口资源调度问题研究

Container terminals frequently encounter a variety of uncertainties. However, few studies have yet considered the uncertainties, while most existing literatures focus on the deterministic counterparts, pursuing the efficiency and ignoring the immune capacity to uncertainties. Centering around the tactical berth planning and yard planning, this project takes into consideration several kinds of uncertainties, including the calling of unscheduled vessels, the delay and deviation of scheduled vessels, the breakdown of quay and yard cranes and so on, and attempts to handle this problem from reactive and proactive perspectives. The existing research on uncertainties generally treated the time as a resource, and added a time buffer between two successive vessels occupying the same berthing lines so as to fight against the uncertainty of the arrival and processing time of vessels. Due to the fact that the space, i.e., the berthing line is also a resource and can increase the adjustment room for successive vessels, this project plans to combine time and space together to construct a robust model in order to obtain better solutions. Based on the constructed mathematical models, some properties associated with the models are indentified so that properties-dependent solution methods can be developed, which are capable of solving large-scale problems and fit the practical requirements.

集装箱码头运作经常遇到各种不确定因素，但是把不确定性因素纳入港口资源调度的研究才刚刚起步,而当前研究主要围绕确定性问题展开，关注计划的效率，忽略计划抵抗不确定风险的能力。本项目围绕策略层面的泊位计划和场地计划，把计划外船舶临时入港，岸桥、场桥失效，计划内船舶到港时间和作业时间变动等不确定因素考虑进来，从被动应对和主动处理两个维度展开研究。已有的关于不确定性的研究往往把时间作为一种资源，增加同一位置上前后相邻两船舶的时间间隔，以应对船舶到港时间和作业时间的不确定性，很少从空间的角度进行考虑。本项目将尝试从时空两个维度同时进行考虑，增加船舶的错位调整空间，以期获得更优解。在构建的应急调度模型和鲁棒调度模型的基础上挖掘问题特征，设计基于问题特征的能支持大规模算例的求解算法，以提高现实生产的运作效率。

本项目研究考虑不确定性的港口资源调度问题，其最大的特色在于从不同角度构建数学模型应对参数不确定性，目前已经发表或录用了25篇论文，其中14篇被SCI检索，开发了两套企业应用软件。具体成果包括：（1）针对泊位和场地联合调度计划，采用重调度的方式从行为感知的角度，研究了岸桥失效情况下的泊位和岸桥应急调度问题；（2）针对泊位调度计划，从提前预防的角度构建了两阶段期望值模型，研究了同时考虑船舶到港时间和船舶作业时间不确定性的泊位鲁棒调度问题；（3）针对场地和场桥联合调度计划，从提前预防的角度构建了关于两船缓存空间的非线性规划模型，研究了同时考虑船舶到港时间和船舶作业时间不确定性的场地和场桥联合鲁棒调度问题；（4）基于类似的建模思想和算法设计思路，研究了批量规模与机器调度问题、物流运输网络设计与优化调度问题、人道主义物流问题、无人仓库物流小车调度问题等；（5）关于求解算法，不仅设计了适用于求解较小规模问题的分支定界、分支定价、基于Benders割、动态规划等精确算法，同时设计了能够求解大规模实际问题的基于次梯度、基于规则的启发式方法；（6）除了理论研究外，本项目为华为海思半导体有限公司开发了《仓库流水作业看板系统》和《无人仓库机器人协调控制系统》，当前这两个系统都成功应用于该企业，助力我国企业向工业4.0转变升级。