基于系统复原式策略的集装箱码头运作干扰管理

As a highly dynamic complex system, container terminal involves various types of disruptions (e.g., delay of vessel arrival, breakdown of handling equipment) which affect its operations to a great extent. In real-world daily operations, disruption management highly relies on the operators' experience. Nevertheless, experience-oriented management only works well for minor disruptions and small-scale operating system, and is suitable for reactive responses for particular disruption events. This research project proposes both pro-active and re-active disruption management frameworks for terminal operations based on system resilience strategy. First, a quantitative assessment framework for measuring the resilience of terminal operating systems, especially the integrated berth and quay crane system, will be proposed. Secondly, a reactive disruption management approach will be developed for the optimal disruption recovery under two disruption contexts. Finally, based on the proposed system resilience strategy, this project will also build a pro-active disruption management model considering both forward and backward stages. Overall, this project aims to develop mathematical optimization models and algorithms for efficient disruption management of container terminal operations, with the objective of providing theoretical and application support for terminal operators managing disruptions in the real world.

集装箱码头是一个动态性很强的复杂系统，码头作业常常受到诸如船期延误、设备故障等许多干扰事件的影响。在实际作业中，对码头运作的干扰管理主要依赖于工作人员的以往经验。然而经验式的干扰管理一般只能应用于系统扰动较小的干扰事件和小规模的作业系统，且只能满足被动式的应急管理需求。本项目基于系统复原式的干扰管理策略，对码头作业系统的干扰管理模型及算法进行科学研究。具体内容包括：首先，构建码头作业系统复原性能的定量评估指标，并提出相应的泊位-岸桥联合系统的复原性能评估框架；其次，针对码头作业系统外部和内部两类不同的干扰事件，提出干扰事件发生和发展过程中的码头作业反馈式应急响应模型；最后，基于所提出的系统复原式策略，建立“前馈-反馈”两阶段的主动式码头作业干扰管理模型。本项目旨在构建有效的码头作业干扰管理模型及算法，为码头工作人员应对干扰事件做出理论和优化模型上的决策支持。

集装箱港口作业常常受到诸如船期延误、设备故障等许多干扰事件的影响，实际的干扰管理依赖于经验丰富的操作人员，缺乏科学的决策支持。本项目基于系统复原式的干扰管理策略，对码头作业系统的干扰管理模型及算法进行科学研究。首先，从被动式干扰管理的角度，本项目采取适应性调度方法，对集装箱码头泊位和岸桥调度提出了实时干扰恢复理论方法，以原始计划目标的调正和恢复成本的最小化为双目标建立混合整数优化模型，采用了基于Squeaky Wheel Optimization的启发式算法，探索了延迟船舶数量、损坏岸桥数量、速遣船舶数量等因素对于结果的影响。其次，从主动式干扰管理的角度开展了集装箱转运港战术层面泊位及堆场协同分配研究，提出了主动式调整支线船舶进港时间从而来平衡岸侧作业分布策略，并开发了混合整数线性规划模型，并基于模型的结构特点从而利用Danzig-Wolfe技巧重新调整模型，提出了高效的列生成算法。第三，本项目开展了集装箱转运港拥堵情形下的支线规划及调度研究，针对拥堵港口的远洋航线同支线转运的问题，开展了系统性规划支线服务网络的理论方法；开发了一个混合整数规划模型，并针对模型结构性质，采用Danzig-Wolfe方法提出了列生成模型，以及改进的定向列生成算法和列生成-启发式混合算法。最后，本项目将干扰管理策略拓展至航线规划及调度，并针对北冰洋航线开展运营运风险分析及应急管理模型研究；本项目针对集装箱运输过程中的各种干扰风险，量化分析了北极航线上集装箱运输的各项干扰与恢复成本。同时，考虑了船舶航速的在集装箱运输营运成本中的重要影响，建立了新的北极航线集装箱运输营运成本模型，为北极航线面临的干扰风险的量化分析方法提供了一定的借鉴。综上，本项目为港口运作的干扰管理开发了一系列高效的数学优化模型及算法，为实际港口开展干扰管理及调度提供了理论决策支持。本项目的研究工作在Transportation Research Part B、Part E等交通物流主流期刊上发表了8篇SCI期刊论文。