自动化集装箱码头是一个无人环境下多子系统高度协调的复杂系统,其资源的优化研究涉及管理学、运筹学、信息科学、港口工程等许多相关领域,是带有复杂约束的多阶段、多目标难点问题,其对各子系统之间的耦合相对于传统集装箱码头更为敏感,对泊位、岸桥、AGV、场桥、堆场等核心资源的有效管理有着更高的要求,其优化调度更是要求站在系统集成的角度来考虑。本课题正是以自动化集装箱码头核心资源的优化利用为研究对象,以集成思想为指导,在结合其生产作业特征的基础上,建立了自动化集装箱码头生产调度的集成优化框架,并以运筹学为理论基础,以计算机模拟及智能算法为技术手段,建立了面向自动化集装箱码头生产调度的集成优化模型,并针对问题特点和模型特征,提出面向集装箱码头生产流程全局问题的优化算法,进一步完善了面向自动化集装箱码头生产优化调度的理论与方法,同时也为实际的码头管理者提供指导。本文的研究成果有以下几点:(1)建立了面向自动化集装箱码头生产调度的集成优化框架本文首先从自动化集装箱码头的系统构成特性方面出发,对其信息物理构成、系统核心要素以及系统特性三个方面进行了全面的分析;然后以集成思想为指导,并在结合其生产作业特征的基础上,对自动化集装箱码头生产调度的集成进行了理论层次的分析,包涵了生产调度的集成原理、集成分析方法以及集成优化模式三大模块;最后再对自动化集装箱码头工艺流程中涉及到的泊位子系统、岸桥子系统、AGV子系统、堆场子系统和场桥子系统调度中的问题进行了详细的分析和描述,对系统中各子系统内部元素以及子系统与子系统之间的关系进行了讨论,包括系统中各效率特征元素的获取、表示及评价,最终建立了自动化集装箱码头生产调度的集成优化框架。(2)建立了自动化集装箱码头岸线资源的集成优化模型本文通过对船舶和岸桥分配的关联关系分析以及泊位分配中存在的时空冲突分析,对目前一般采用Meisel等~([1])和Elwany等~([2])提到的公式中用最大岸桥数量_ir~(max)来预估船舶装卸时间的方法进行了分析,并通过采用船舶i在周期t可分配岸桥数量r_(it)来代替_ir~(max)的策略改善了船舶装卸时间预估的合理性和精确性;然后运用数学规划理论,建立了最小化船舶等待惩罚时间、装卸惩罚时间、岸桥转换惩罚时间为目标的连续泊位-时变岸桥集成优化模型,并基于泊位、岸桥分配中的时空冲突特性,设计了基于时空冲突分析的启发式遗传算法。(3)建立了考虑船舶稳性约束的岸桥调度优化模型,并在此基础上完成了岸桥干扰指数α的评估分析本文通过对船舶装卸过程中岸桥调度的问题特征进行分析和描述,以箱组为任务单位建立了最小化最大完工时间为目标的岸桥优化调度模型,该模型在一般岸桥调度模型的基础上建立常被忽略的船舶纵稳性约束,并对船舶纵稳性约束进行了论证分析;然后设计了启发式遗传算法和k-遗传算法来求解该模型,并通过数值试验验证了模型和算法的有效性;最后,在此优化调度模型的基础上,通过大规模数值模拟试验对船舶装卸时间预估公式(1-1)中的岸桥干扰指数α进行评估分析。(4)建立了自动化集装箱码头堆场资源的集成优化模型本文首先对自动化集装箱码头堆场作业特点以及进出口箱在堆场的流动特征进行了分析和描述,通过将箱区作业平衡优化目标转为约束的方法建立了以最短运输距离为目标的箱区分配上层模型,以确定周期内所有船舶箱区的分配以及船舶不同箱类在各箱区的分配量;然后在上层模型的基础上,建立了装卸、集疏运过程场桥最小化移动距离为目标的箱区内贝位分配下层模型,解决了进出口箱箱区内贝位的分配以及集装箱箱区内二次转运的贝位分配问题;最后设计了最大值最小值区间取值遗传算法和启发式算法分别来解决上下层模型,通过将下层模型启发式算法与上层模型求解算法不同方式的组合,设计了解决堆场资源集成优化的嵌入式和串联式仿真流程。(5)建立了自动化集装箱码头“岸桥-AGV-堆场”的双向作业集成优化模型本文通过对自动化集装箱码头进出口箱在船舶与堆场之间箱流特点的分析和描述,建立了箱流在各装卸节点的任务关系以及相应的任务时间关系;然后在假设进出口箱堆场堆存位置已知的情况下建立了以多岸桥最小完工时间为目标的“岸桥-AGV-场桥”的集成调度优化模型,并在此基础上,进一步将进出口箱堆存位置的决策问题集成到“岸桥-AVG-场桥”的模型中,建立了“岸桥-AGV-堆场”的集成优化模型;最后,结合集装箱在岸桥和箱区装卸节点所表现的时间特性,设计了“最短路径”和“最早获得时间”两种启发式遗传算法进行求解。本论文的研究正是针对当前自动化集装箱码头优化调度中的不足,进一步建立和完善了自动化集装箱码头集成调度优化理论和方法,为自动化集装箱码头装卸系统优化调度理论提供研究支持,同时也为目前或将来自动化集装箱码头管理者提供指导。