集装箱码头是海陆货物运输的重要节点，在整个运输过程中是货物最大的集散地。它利用自身的空间资源（泊位、堆场、仓库、锚地）和设备资源（装卸设备、运输设备等）对集装箱货物进行装卸和运输等操作，为货主和集装箱船提供服务。面对不断增长的港口货物吞吐量、有限的空间资源、以及服务导向性码头的激烈竞争，各大港口都致力于码头运作的科学管理和优化。研究如何合理使用集装箱堆场有限的空间和设备资源，提高集装箱码头的作业效率同时为客户提供最优质的服务具有很强的现实意义。为了提高集装箱堆场的空间资源利用率和设备效率，本文首先针对出口集装箱客户送箱时间窗分配问题进行了研究。基于对港口出口集装箱送箱时间的分析，综合考虑码头闸口处作业量平衡及堆场空间资源利用率两个影响港口整体服务质量的因素，在一个滚动计划周期上建立数学模型为出口集装箱分配送箱时间窗。通过数值试验证明，该模型能显著降低闸口作业不平衡量，缩短送箱集卡在闸口排队等待服务的时间；同时减少出口集装箱装船之前在堆场滞留时间，提高堆场资源利用效率。在出口箱送箱时间窗分配问题的研究基础上，本文研究了出口集装箱在确定性条件下的堆区堆位分配问题。分析如何为进场出口集装箱分配堆位，优化初始堆存状态；以最小化未来装船操作时的翻箱次数，保证相关堆场机械作业效率为优化目标，最大程度地保证装船系统的流畅性为约束条件；通过综合考虑装船操作中需要考虑的因素：箱重和卸货港，按照目的港远的、箱重较重的出口箱先装船的思路；提出了基于箱重和卸货港双重因素的启发式箱位分配策略。算例表明，相比与传统的出口集装箱堆场堆位决策策略，该新策略能有效降低装船作业过程中的翻箱率。最后本文研究了如何优化客户取箱车辆到港的时间序列，来降低取箱作业中的翻箱次数。通过设计一套有效的激励惩罚机制，间接控制客户取箱车辆到达的不确定性，进而降低由该不确定性带来的翻箱操作次数。在此基础上，建立数学模型，设计了启发式算法求解该问题，数值试验结果表明，通过合理的设计奖惩机制以及涉及的参数，可以在保证码头和客户双方利益的前提下，达到减少取箱作业中期望翻箱次数的目的。并且通过进一步的敏感性分析证明，随着集装箱堆垛层数的增加，新机制对于减少期望翻箱次数的作用更加显著。