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點，是國內外貿易往來的重要樞紐。1978 年改革開放以后，中國港口進入了高速發展期。新世紀伊始，全國掀起了新一股港口建設和發展的熱潮。隨著國家將港口管理權限下放，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展計劃。港口的建設數量、規模、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遠領先于世界增長速度，總量達到 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到 6.5 億噸，連續四年收獲世界第一；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，中國大陸港口已經占據了“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。事物的質變是由量變引起的，當量變達到一定程度時,就會發生質變。以中國港口發展而言，量的積累已經達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，世界大港不等同世界強港。要建設世界強港，必然要面臨港口功能拓展、港口可持續發展、港口產業規劃等命題。只有這樣，中國的港口才能實現從量變到質變，從世界大港邁向世界強港。 

.....

 

1.2 論文研究的目的和意義

煤炭是我國經濟發展的重要基礎能源之一，煤炭港口是煤炭在運輸過程中的重要中轉站。由于煤炭的特點，煤炭港口一直在向專業化和大型化轉變。如何提高煤炭港口裝卸作業效率、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的混合整數規劃模型，對研究對象煤炭港口的泊位等港口資源進行優化配置。本文的研究目的是通過建立船舶在港最短時間模型，在作業過程中對港口資源進行合理的調度，從而提高煤炭港口的裝卸作業效率，進一步提高港口的服務水平。近年來，隨著我國港口的快速發展，港口行業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法提高自身的裝卸作業效率。提高煤炭港口的裝卸作業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、裝卸設備等；第二個是對現有的港口資源進行合理的有效的調度。對于一個已建港口而言，泊位、堆場空間相對固定，裝卸設備也不能無限的增加，因為這關系到技術參數和成本的問題。所以對現有的港口資源進行合理的調度，從而提高裝卸作業效率，已成為當下煤炭港口的主要研究。港口調度是保證港口生產企業的生產計劃組織實施而進行的一系列指揮、協調、控制、監督等活動的總稱。港口調度工作的質量直接影響到港口裝卸的效率，做好港口調度工作是港口生產企業成功的關鍵所在。 

....

 

第二章 相關研究文獻綜述 

 

2.1 煤炭概述 

煤的主要化學成分為固定碳、揮發物（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生可燃性爆炸氣體、自燃性、自熱性與凍結性等。 煤炭的運輸和積載應使用適合裝運煤炭的交通工具。在裝煤之前還應徹底清掃交通工具，嚴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 35℃以上的煤炭裝進運輸工具。 為了防止煤凍結，冬季待卸煤的含水量不可超過 5％。防止煤凍結的防凍劑有食鹽、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以后，會增加煤的灰分和降低煤炭質量。所以要防止煤的凍結，最好的方法是控制煤的含水量。 嚴禁在通風口附近或可能積聚煤氣的地方使用明火和吸煙。工作人員在進入運輸工具時應佩戴防毒面具并且需要有專人陪同，時刻注意安全。在運輸過程中應時常對煤炭進行表面通風，及時排除可燃、有毒、易爆炸氣體。在運輸過程中每天應按時測溫，當溫度達到 40℃至 45℃時，要增加測溫次數。當溫度達 60℃時要采取更加有效的通風辦法。溫度若再升高，還需往煤里注入蒸汽或者二氧化碳氣。 

...........

 

2.2 港口調度問題

針對港口調度問題，國內外許多學者都進行了深入的探討，但由于從整體優化的角度來分析問題較為復雜，所以國內外學者一般都從各作業環節的優化來進行研究，主要有泊位調度、岸橋調度、堆場內資源優化等方面。近年來，泊位分配的研究已經從單獨研究泊位調度轉變為泊位-岸橋聯合調度，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，對港口的裝卸作業效率有重要的影響，國內外許多學者都開展了對港口泊位調度的研究，并且取得了顯著的成果。 Imai（1997）等針對泊位調度問題，提出了動態分配模型以及靜態分配的啟發式算法，并使用拉格朗日松弛法對模型進行了求解，建立起基于船舶優先服務權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定時間內尋找問題的最優解，并最終使用遺傳算法求解問題[1]。Harris（2008）構建了改良煤炭港口生產力的仿真模型。運用精益生產的理念，通過建立 12 種仿真模型，對泊位和駁船等設備設施進行優化配置[2]。Monaco（2007）等以船舶總在港時間最短為目標，建立起連續泊位動態分配模型，最終對動態分配模型進行求解[3]。Lai 和Shih（1992）針對泊位分配問題提出了啟發式算法，考慮了在不同標準下的不同的分配方案[4]。 國外的學者大多都是針對國外的某些港口的特定情況展開泊位調度問題的研究，并在此基礎上建立模型，其中的約束條件、目標函數與國內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，建立起碼頭泊位作業模型，并使用多目標粒子群算法求解模型[5]。楊海東（2007）把船舶進港順序一共分為九種，并以這九種進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，求得最優的船舶進港次序以及泊位的利用和分配，并且對此進行了模擬分析[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，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量，用于評估碼頭泊位的建設情況[8]。陳俊豪和孫士寅（1988）使用線性規劃中的“運輸問題”及其特例“分配問題”，對泊位調度問題進行深入探討，提出了泊位調度的目標，并由此確定相應的約束條件，將泊位分配的問題轉變成單目標線性規劃問題[9]。

..........

 

第 3 章 煤炭碼頭基本設施及裝卸作業流程簡介 ......... 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 煤炭碼頭基本設施........ 14 

3.3 煤炭碼頭裝卸作業工藝與實務 .......... 18 

第 4 章 考慮潮汐因素的煤炭碼頭優化調度模型 ......... 22 

4.1 影響煤炭碼頭泊位調度的因素分析 ......... 22 

4.2 潮汐變化特點及其對碼頭作業的影響 ..... 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 煤炭碼頭泊位調度存在問題分析 ....... 28 

4.6 模型基本假設條件........ 29

4.7 考慮潮汐因素的泊位優化調度模型 ......... 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 進港船舶數據 ........ 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，設計底標高-12.5 米，核準 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。由于規模和對卸船效率的要求問題，采用的是間歇式卸船設備。碼頭經常需要進行煤炭過駁作業，所以在碼頭前沿有排放過駁皮帶機。前沿卸船皮帶 3 條，碼頭生產流程共 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的兩側，高架皮帶機上行走的堆存機械可同時在兩側作業。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械主要有帶斗橋吊、皮帶機、斗輪堆取料機、裝卡機、裝船機等等，流動機械主要有斗車、推扒機、挖掘機等等。 煤炭碼頭配備噴灑除塵系統、污水再處理系統、通信等配套設施，建立了比較完整的電子現場監控、貨運業務、生產流程控制、物資倉庫管理、設備管理、辦公自動化等計算機管理系統。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，如果大船在對應時間可以靠泊，以“1”作為標記，不可以靠泊就以“0”作為標記。  

.........

 

結論

 

隨著中國經濟的快速發展，國內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效率，縮短船舶在港停時對于港口的重要性。 當前國內外學術界對于港口調度的研究集中在泊位調度、裝卸機調度、堆場內資源優化、各環節集成優化等方面，而較少涉及到討論在潮汐作用影響下的泊位調度。論文首先介紹了煤炭港口的裝卸資源以及裝卸作業流程，接著分析了影響港口作業效率的因素。 XX 煤炭碼頭是位于珠江邊的一個專業煤炭碼頭，在到港船舶大型化發展的趨勢影響下，潮汐作用已成為提升碼頭業務能力的關鍵因素。論文通過分析中國沿海潮汐分布特點，指出 XX 煤炭碼頭屬于不規則半日潮港，一天 24 小時以內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，高潮發生在一個已知的時間頻率（TF）約12 小時，因此，論文假設 TF 為常數；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。結合以上假設，論文所考慮的問題就是在一定的時間間隔TF 內的一系列固定的系泊時間的泊位分配問題。

.........

參考文獻(略)