铁水联运港口核心作业计划的优化

　　随着“一带一路”倡议的提出，我国与其他国家的国际贸易得到了迅速发展。集装箱运输作为一种先进的现代化运输方式，具有方便、快捷、节能、安全、环保等优势。在当前国际贸易形势下，集装箱运输在国际贸易中的货物运输方面发挥着越来越重要的作用。集装箱铁水联运作为集装箱运输中重要的组成部分，将铁路运输的优势和水路运输的优势较好地结合起来，成为现阶段迅速崛起的运输方式。铁水联运港口作为集装箱铁水联运的主要发生场所，其运营效率和生产效率对铁水联运港口的运作有着至关重要的影响。同时，铁水联运港口中的作业不仅涉及传统的集装箱港口的作业，还涉及铁路集装箱中心站的作业，故铁水联运港口的作业更加复杂。因此，合理地确定铁水联运港口各个作业的作业计划，对提高整个铁水联运港口的运营效率和生产效率具有重要的意义。
　　本书的研究对象为铁水联运港口的核心作业计划，研究重点为核心作业计划优化，并深入地分析与研究了铁水联运港口核心作业计划优化的理论与方法。本书研究的主要内容如下。
　　（1） 铁水联运港口及其核心作业的界定。首先，通过与传统的集装箱港口进行对比，对铁水联运港口进行了界定。其次，分析了铁水联运港口的功能布局、作业模式以及作业流程等方面，对本书研究的铁水联运港口的布局模式进行了确定。最后，根据进出口集装箱作业流程的描述，确定了铁水联运港口的核心作业的构成以及其核心作业计划。
　　（2） 铁水联运港口核心作业计划优化总体框架的建立。通过对铁水联运港口核心作业计划优化问题的简要分析，构建了铁水联运港口核心作业计划优化的总体框架；并在总体框架的基础上，分析了优化问题的约束条件、决策变量和优化目标，简单地描述了铁水联运港口核心作业计划优化问题的模型构建，从而为接下来的核心作业计划优化问题的研究提供了理论依据。
　　（3） 考虑岸桥操作的集装箱船舶配载计划优化研究。在铁水联运港口核心作业计划优化的总体框架下，通过分析船舶的结构、船舶的稳性和强度约束以及配载原则，在传统的配载计划优化问题的基础上考虑了岸桥操作对配载计划的影响，构建了以最小化集装箱在所有港口的停留时间以及最小化集装箱的总移动次数为目标的多目标优化模型，并根据模型的特点，设计了基于新的编码方式的遗传算法求解模型，即根据集装箱的属性、装卸船作业的策略以及岸桥的操作策略对染色体进行编码。此外，利用算例对模型和算法进行了验证。
　　（4） 考虑配载计划的铁路运输箱和公路运输箱混合堆存的箱位指派研究。在铁水联运港口核心作业计划优化的总体框架下，通过分析铁水联运港口的堆存模式、堆存原则以及铁路运输箱和公路运输箱的到达特点，在考虑集装箱船舶配载计划的同时考虑了铁路运输箱和公路运输箱的到达特点以及混合堆存的特点，构建了以堆存过程中压箱数最小为目标的出口集装箱箱位指派模型。为了有效地对模型进行求解，首先利用马尔可夫链对公路运输箱的到达顺序进行预测，从而确定公路运输箱的到达顺序，其次利用启发式算法对箱位指派模型进行求解，最后利用算例对模型和算法进行验证。
　　（5）“堆场—铁路作业区”集装箱双向同步装卸作业计划优化研究。在铁水联运港口核心作业计划优化的总体框架下，通过分析轨道吊、集卡和轮胎吊的操作特点，在考虑了进出口集装箱同步装卸、集卡堵塞、轨道吊和轮胎吊的走行时间、轨道吊间的安全距离等多个实际约束条件的基础上，构建了以装卸作业总完成时间最短为目标的“轨道吊—集卡—轮胎吊”混合整数规划模型，并且为了求解模型，设计了改进的多层遗传算法，即在传统的多层遗传算法中引入均衡操作以及解决集卡堵塞问题的集卡走行时间浮动比例。此外，利用算例对模型和算法进行了验证。
　　开展铁水联运港口核心作业计划优化的研究，不仅可以丰富集装箱多式联运运输组织以及铁水联运港口作业组织等领域的基础理论，为铁水联运港口的规划、建设以及运营管理提供理论支撑，还可以实现对铁水联运港口配载、堆存和装卸作业计划的优化，从而使得集装箱在铁水联运港口有序、畅通、高效地运转，达到铁水联运港口运营管理的科学化和调度决策的最优化，对铁水联运港口有着广泛的工程应用价值。
　　在本书写作过程中，参考了很多学者的论著、观点，在此一并表示感谢。此外，感谢我的师长、父母、家人和朋友，你们的支持促使我能一路向前，顺利完成著作。
　　感谢国家自然科学基金项目（52202394）的资助。
　　由于笔者能力有限，书中难免有不妥之处，恳请各界读者批评指正。
　　
　　常祎妹
　　2024年1月

　　本书以铁水联运港口核心作业计划为研究对象，以核心作业计划的优化为研究点，对铁水联运港口核心作业计划优化的理论及方法展开研究。本书主要内容包括：绪论、国内外研究综述、铁水联运港口核心作业计划优化的总体框架、考虑岸桥操作的集装箱船舶配载计划优化研究、考虑配载计划的铁路运输箱和公路运输箱混合堆存的箱位指派研究、“堆场—铁路作业区”集装箱双向同步装卸作业计划优化研究、结论与展望。
　　本书可供交通运输及相关专业的本科生、研究生使用，也可供从事集装箱运输和多式联运的相关人员参考。
　　

第1章　绪论 1
1.1　研究背景 1
1.2　研究目的和意义 13
1.3　研究内容和结构框架 15
 1.3.1　研究内容 15
 1.3.2　结构框架 17
1.4　主要创新点 19
1.5　小结 20

第2章　国内外研究综述 21
2.1　集装箱船舶配载计划优化 21
2.2　堆存资源优化 25
2.3　装卸作业计划优化 33
2.4　研究现状评述 38
2.5　小结 39

第3章　铁水联运港口核心作业计划优化的总体框架 40
3.1　铁水联运港口的界定 40
 3.1.1　铁水联运港口概述 40
 3.1.2　铁水联运港口的功能 41
 3.1.3　铁水联运港口的作业设备 42
3.2　铁水联运港口的布局及作业流程 44
 3.2.1　铁水联运港口布局及作业模式 44
 3.2.2　铁水联运港口集装箱作业流程 48
 3.2.3　铁水联运港口布局模式的确定 51
3.3　铁水联运港口核心作业的界定 54
 3.3.1　集装箱装船作业 54
 3.3.2　集装箱堆存作业 56
 3.3.3 “堆场—铁路作业区”集装箱装卸作业 56
3.4　铁水联运港口核心作业计划优化问题的基本内容 57
 3.4.1　考虑岸桥操作的集装箱船舶配载计划优化问题 58
 3.4.2　考虑配载计划的铁路运输箱和公路运输箱混合堆存的箱位指派问题 59
 3.4.3 “堆场—铁路作业区”集装箱双向同步装卸作业计划优化问题 60
3.5　铁水联运港口核心作业计划优化问题的基本描述 60
 3.5.1　约束条件的基本描述 60
 3.5.2　决策变量的基本描述 62
 3.5.3　优化目标的基本描述 63
3.6　小结 65

第4章　考虑岸桥操作的集装箱船舶配载计划优化研究 66
4.1　考虑岸桥操作的集装箱船舶配载计划优化问题的研究思路 67
 4.1.1　优化前提 67
 4.1.2　问题描述 70
4.2　考虑岸桥操作的集装箱船舶配载计划优化模型 71
 4.2.1　模型假设 71
 4.2.2　符号与变量 71
 4.2.3　目标函数 73
 4.2.4　约束条件 74
4.3　考虑岸桥操作的集装箱船舶配载计划优化模型求解 78
 4.3.1　染色体编码 79
 4.3.2　适应度函数与选择操作 85
 4.3.3　交叉操作 86
 4.3.4　变异操作 86
 4.3.5　终止条件 87
 4.3.6　惩罚因子的引入 87
4.4　算例分析 88
 4.4.1　算例基本情况 88
 4.4.2　结果分析 89
4.5　小结 103

第5章　考虑配载计划的铁路运输箱和公路运输箱混合堆存的箱位指派研究 104
5.1　考虑配载计划的铁路运输箱和公路运输箱混合堆存的箱位指派问题的研究思路 105
 5.1.1　优化前提 105
 5.1.2　问题描述 109
5.2　考虑配载计划的铁路运输箱和公路运输箱混合堆存的箱位指派模型 109
 5.2.1　模型假设 109
 5.2.2　符号与变量 110
 5.2.3　目标函数 111
 5.2.4　约束条件 111
5.3　考虑配载计划的铁路运输箱和公路运输箱混合堆存的箱位指派模型求解 114
 5.3.1　公路运输箱到达序列的预测 115
 5.3.2　箱位指派求解算法 119
5.4　算例分析 121
 5.4.1　算例基本情况 121
 5.4.2　结果分析 121
5.5　小结 127

第6章 “堆场—铁路作业区”集装箱双向同步装卸作业计划优化研究 128
6.1 “堆场—铁路作业区”集装箱双向同步装卸作业计划优化问题的研究思路 128
 6.1.1　优化前提 128
 6.1.2　问题描述 132
6.2 “堆场—铁路作业区”集装箱双向同步装卸作业计划优化模型 132
 6.2.1　模型假设 132
 6.2.2　符号与变量 133
 6.2.3　目标函数 135
 6.2.4　约束条件 135
6.3 “堆场—铁路作业区”集装箱双向同步装卸作业计划优化模型求解 138
 6.3.1　染色体编码 140
 6.3.2　适应度函数以及选择操作 140
 6.3.3　交叉操作 141
 6.3.4　变异操作 142
 6.3.5　均衡操作 142
 6.3.6　集卡走行时间的处理 143
 6.3.7　终止条件 143
6.4　算例分析 144
 6.4.1　算例基本情况 144
 6.4.2　结果分析 146
6.5　小结 149

第7章　结论与展望 151
7.1　研究结论 151
7.2　研究展望 152

附录A  相关数据 154

参考文献 161

　　本书以铁水联运港口核心作业计划为研究对象，以核心作业计划的优化为研究点，对铁水联运港口核心作业计划优化的理论及方法展开研究。本书主要内容包括：绪论、国内外研究综述、铁水联运港口核心作业计划优化的总体框架、考虑岸桥操作的集装箱船舶配载计划优化研究、考虑配载计划的铁路运输箱和公路运输箱混合堆存的箱位指派研究、“堆场—铁路作业区”集装箱双向同步装卸作业计划优化研究、结论与展望。
　　本书可供交通运输及相关专业的本科生、研究生使用，也可供从事集装箱运输和多式联运的相关人员参考。