考慮碳排放的港口裝卸設備路徑物流優(yōu)化問題

1、考慮碳排放的港口裝卸設備路徑物流優(yōu)化問題第 1 章 緒論1.1 研究背景港口作為連接海陸的重要橋梁，它的作用是無可替代的，同時它的工作效率將決定公司運營成本的高低與服務質量的好壞。因此，有必要針對港口的運營進行深入分析與研究，抵抗越來越激烈的市場競爭，并且確保它的流暢性與時效性。在日益激烈的市場競爭中，港口必須提高服務水平，以吸引更多的客戶，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展打下良好的基礎。在日益追求運輸成本降低和時效保障的背景下，集裝箱運輸已經(jīng)成為了全球最主要的運輸方式，占據(jù)了全球運輸?shù)?60%左右。同時，集裝箱運輸對于港口運營商而言，也產(chǎn)生了很多新的標準與要求。隨著集裝箱運輸?shù)某叽?、型號不斷改變，運營商面

2、臨著不斷優(yōu)化的問題，同時現(xiàn)有的港口基礎設施大部分已經(jīng)固定，運營商基本上只能在現(xiàn)有的基礎上實現(xiàn)港口裝卸設備路徑或數(shù)量的優(yōu)化，提升其運作效率。對于港口企業(yè)而言，碼頭服務水平和作業(yè)效率直接決定了港口在全球市場上的競爭力和發(fā)展空間。因此提升服務水平和效率是港口面臨的關鍵問題。除此之外，碼頭服務水平與效率很大程度上決定了船舶在港停留時間的長短。再者，現(xiàn)有港口所有裝卸設備由于受到價格控制，很難大規(guī)模進行采購，因此難以通過增加裝卸設備數(shù)量而提升工作效率。港口現(xiàn)階段主要的裝卸設備包括岸橋、龍門吊和集卡，通過它們之間的相互協(xié)調控制與調度能夠實現(xiàn)港口的裝卸效率提升與成本降低。因此，在裝卸設備數(shù)量與配置相對一定的條

3、件下，針對港口裝卸設備之間的協(xié)調調度將是提升裝卸效率與降低成本的關鍵因素。另一方面，在過去的幾十年里，環(huán)境污染和碳排放減排已成為全球性問題。交通運輸行業(yè)產(chǎn)生溫室氣體排放量占據(jù)全球總排放量 20%，是全球溫室氣體排放重要來源之一1。港口由于擁有大量的裝卸設備導致每天都會產(chǎn)生很大的碳排放量。國際海事組織最新數(shù)據(jù)表明，2012 年全球航運業(yè)的碳排放量為 7.96 億噸，占全球碳排量約 2.2%，相比于 2007 年航運業(yè)碳排量 8.85 億噸，減少約 0.6%2。然而，國際海事組織指出假如航運業(yè)的碳排量不加控制，到 2050 年碳排量將以50%-250%的比例增長。因此，如何降低碳排量成為了港口企業(yè)

4、關心的問題。.1.2 研究意義港口是一個構成復雜，功能眾多，操作流程繁瑣的動態(tài)生產(chǎn)系統(tǒng)，因此港口內部有一系列因素直接或間接影響港口的碳排量，包括選用的操作工藝系統(tǒng)，員工素質，裝卸機械的操作過程和裝卸設備折舊情況等。以港口裝卸作業(yè)而言，港口可以通過優(yōu)化裝卸設備的路徑方案，加強港口內裝卸設備的協(xié)調，從而實現(xiàn)港口整體物流優(yōu)化，降低碳排放和處理污染物費用，提升運營商的利潤空間和競爭力。除此之外，港口由于其自身所處地理的位置、土地資源等的原因，不能進行無限地進行擴張、增加裝卸設備的數(shù)量和擴建大量的運輸?shù)缆?。因此，港口必須在現(xiàn)有的裝卸設備基礎上科學優(yōu)化低碳港口的路徑方案。與此同時，集裝箱運輸在全球運輸中占

5、有重要部分，其碳排放處理成本占據(jù)總運營成本的 30%-60%。因此，通過裝卸設備之間的相互協(xié)調，優(yōu)化集裝箱裝卸設備的路徑方案，降低港口碳排放量，具有重要的理論和實踐意義。港口作業(yè)是一系列的相互影響、相互聯(lián)系的操作過程。我國集裝箱港口隨著自動化、智能化等技術的發(fā)展，已能夠實現(xiàn)兼顧生產(chǎn)效率和低碳的目標。港口從裝卸設備硬件和人員培訓等方面采取措施能夠較容易降低港口碳排量，但是如何從港口的運營角度入手，探討港口的裝卸設備的低碳路徑優(yōu)化，則需要更加深入的研究。從有限的研究可得，集裝箱碼頭裝卸設備路徑優(yōu)化問題屬于 NP-hard 問題,主要建立單個影響因素最小化的目標，如最小化移動路徑、最小化等待時間等。

6、其次，計算機仿真技術也處于相對初級的階段。因此，本文將從裝卸設備管理層面上入手，實現(xiàn)了設備之間的協(xié)調優(yōu)化，運用啟發(fā)式算法求解低碳路徑的近似最優(yōu)解，能夠實現(xiàn)在不大幅度降低系統(tǒng)工作效率的基礎上降低裝卸設備的碳排量。在一定程度上促進了區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，為集裝箱碼頭低碳優(yōu)化提供一定的理論和實踐指導。.第 2 章 港口調度與碳排放相關理論2.1 港口概述港口作為連接陸路運輸和海路運輸?shù)闹匾修D扎和樞紐，其主要負責給集裝箱船舶提供停靠、裝卸的作業(yè)地方，為裝卸的集裝箱提供臨時的堆存場所或者轉換的工作場所，同時也是船公司與貨主進行交接的場所。港口的平面分布圖如圖2-1 所示。根據(jù)港口運輸環(huán)境的差異，將港口平面布

7、局劃分為陸地平面布局和海域平面布局。陸地平面布局主要包括碼頭前沿、運輸?shù)缆贰⒏劭谶M出關大門、堆場、維修中心、進出關檢查設施、生活和生產(chǎn)輔助建筑區(qū)和外部運輸通道等。海域平面布局主要包括泊位、進出港航道、停留水域、回旋水域、港池和拋錨地等平面布局。港口作為一個復雜的動態(tài)操作系統(tǒng)，集裝箱裝卸操作的完成需要各種環(huán)節(jié)的相互協(xié)調與合作。港口具有大量的裝卸設備，裝卸任務的完成需通過大型裝卸設備與大規(guī)模的生產(chǎn)運輸相互合作才能完成。因此，通過港口的合理布局和各項工作相互協(xié)調，能有效的縮短港口作業(yè)時間，提升集裝箱運輸效率，降低企業(yè)運營商的成本，實現(xiàn)綠色低碳港口的建設。.2.2 港口能源與碳排放概述在環(huán)境成本和能源

8、成本與日俱增的今天，綠色港口、低碳港口的建設已經(jīng)成為國內港口運營商重視的環(huán)節(jié)，其能夠決定港口在全球市場中的地位與競爭力。因此，加強港口低碳建設，實現(xiàn)綠色港口、生態(tài)港口的建設，改進裝卸工藝系統(tǒng)的不足，不僅僅是響應國家的號召，同時也是市場競爭和港口持續(xù)發(fā)展的要求。國內現(xiàn)階段集裝箱港口在運營生產(chǎn)過程中，裝卸設備消耗的能耗占據(jù)其總能耗的 80%左右。裝卸設備的能耗形式主要是電力和燃油，但是基于實現(xiàn)港口低碳排放的目標，港口現(xiàn)階段裝卸設備基本上都采用電力系統(tǒng)進行操作。裝卸設備消耗電力的實體主要包括：岸橋、用電力的輪胎式龍門吊、軌道式龍門吊等；裝卸設備消耗燃油的實體主要包括：耗油的輪胎式龍門吊、叉車、跨運車

9、、底盤車、集卡等。除此之外，港口內其它輔助設備也會產(chǎn)生能耗，如照明燈、辦公室能耗、維修車間照明與維修等。.第 3 章 港口龍門吊低碳路徑優(yōu)化問題.183.1 引言 .183.2 問題描述 .183.3 算法設計 .233.4 算例求解 .243.5 本章小結 .28第 4 章 港口集卡低碳路徑優(yōu)化問題.294.1 引言 .294.2 問題描述 .294.3 算法設計 .364.3.1 遺傳算法的基本原理 .364.3.2 集卡路徑優(yōu)化的遺傳算法流程設計 .384.4 算例求解 .404.4.1 算例數(shù)據(jù)來源 .404.4.2 算例分析 .424.5 本章小結 .44第 5 章 總結與展望.45

10、5.1 主要研究成果 .455.2 主要創(chuàng)新點 .455.3 未來研究方向 .46第 4 章 港口集卡低碳路徑優(yōu)化問題4.1 引言隨著全球化危機的加劇，全球各地港口的集裝箱吞吐量都受到影響，國際間港口之間的競爭也越來越激烈，國內集裝箱港口面臨的壓力也越來越大。隨著低碳港口;口號的提出，各國港口采取污染物處理或裝卸設備優(yōu)化等措施，降低溫室氣體的排放，從而為全球氣候變化做出一份貢獻。當船舶靠岸后，需要岸橋負責集裝箱吊取，集卡完成其水平運輸，龍門吊完成堆場內的堆碼操作，三者調度作業(yè)構成了復雜的港口調度系統(tǒng)。因此，集裝箱港口的調度優(yōu)化是一個復雜的優(yōu)化問題，很難實現(xiàn)整體的優(yōu)化?，F(xiàn)有的研究主要集中針對單個

11、環(huán)節(jié)或者若干環(huán)節(jié)的優(yōu)化。其中，集卡的優(yōu)化是其重要的構成部分，集卡負責港口的水平運輸，是決定港口裝卸作業(yè)效率和碳排放量大小的關鍵因素之一。因此，集卡的路徑優(yōu)化不僅僅能夠直接決定港口工作效率和運營成本的高低，同時也會直接影響港口碳排放量的高低。因此，考慮碳排放的集卡路徑優(yōu)化研究具有非常重要的理論意義與實踐意義。集卡的路徑問題，現(xiàn)階段國內外學者的研究主要集中在以下幾個方面：（1）總成本最?。喊ㄍ瓿蛇\輸操作的各個環(huán)節(jié)總成本最小；（2）集卡配置數(shù)量最小：完成港口內的裝卸操作的集卡數(shù)量最??；（3）總路徑最短：集卡完成裝卸任務所行走的總路徑最短；（4）總時間最短：集卡完成所有的裝卸任務的總時間最短。從

12、現(xiàn)有的研究中可以得出，集卡考慮碳排放量最小的路徑優(yōu)化問題研究較少。因此，本文研究考慮碳排放量的集卡路徑優(yōu)化問題，能為綠色港口建設提供指導性意見，降低港口的運營成本和提供市場競爭力，同時為港口制定集卡裝卸任務計劃提供建議。.總結港口集裝箱運輸行業(yè)已經(jīng)成為全球最重要的運輸業(yè)，保證全球物流的通暢。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，港口集裝箱的吞吐量日益增長，港口的工作任務不斷增加，因此港口的碳排放量也是與日俱增。隨著氣候變化加劇，綠色港口、低碳港口的建設已經(jīng)成為國內港口建設的重點。港口碳排放最主要的來源是港口裝卸設備的裝卸或搬運的碳排放，包括：岸橋、集卡和龍門吊三個方面。集卡負責港口前沿與堆場之間的集裝箱水平運

13、輸，龍門吊負責堆場內部的集裝箱堆碼和裝卸工作。集卡和龍門吊的高效運作是保證港口完成裝卸任務的關鍵，同時也是港口實現(xiàn)綠色港口和低碳港口建設的關鍵。本文基于港口的布局、基礎設施等，分析國內外建設綠色港口和低碳港口的現(xiàn)狀，提出能耗與碳排放兩者之間的關系，同時系統(tǒng)闡述國內外針對集卡和龍門吊路徑優(yōu)化的研究的現(xiàn)狀，從而對集卡和龍門吊的工作流程進行分析，分別建立考慮碳排放的路徑優(yōu)化模型。首先是龍門吊，針對龍門吊的裝卸搬運過程，分析龍門吊碳排放的構成因素，建立以碳排放最小化為目標的路徑優(yōu)化模型，同時針對龍門吊移動路徑的特點設計移動策略和模擬退火算法，最后通過模擬退火算法求解龍門吊低碳移動路徑的近似最優(yōu)解。其次是集卡，針對集卡的運作流程，分析集卡產(chǎn)生碳排放的環(huán)節(jié)，建立以集卡碳排放最小化的為目標的路徑優(yōu)化模型，系統(tǒng)設計了遺