[发明专利]一种提高集装箱船舶稳定性和岸桥作业效率的配载方法

摘要

本发明提供一种提高集装箱船舶稳定性和岸桥作业效率的配载方法。首先确定装船出港的集装箱数量、集装箱尺寸、集装箱重量、船箱位数量和集装箱的到港站；其次确定每个集装箱所堆放的船箱位的决策变量；再建立船舶稳定性和岸桥作业效率的目标函数及其约束条件；利用启发式算法预分配船箱位；再进一步确定每一个集装箱具体堆放的船箱位，对集装箱进行装船配载。本发明的配载方法是针对配载计划的难以兼顾最佳稳定性和最少倒箱数以及制定过程耗时长的问题提出的，充分考虑实际制定配载计划所需满足的船舶性能、船舶结构、箱型尺寸及港口作业等约束条件，以最小化船舶稳定性偏差和卸船作业过程中倒箱作业数为目标，以得到箱位分配结果。

主权项

一种提高集装箱船舶稳定性和岸桥作业效率的配载方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定装船出港的集装箱数量、集装箱尺寸、集装箱重量、船箱位数量和集装箱的到港站；所述不同尺寸的集装箱包括20英尺通用集装箱、40英尺通用集装箱和40英尺超高集装箱；步骤2：确定每个集装箱所堆放的船箱位的决策变量：将每个集装箱分配的船箱位用贝、行、层的三维坐标表示；步骤3：建立船舶稳定性和岸桥作业效率的目标函数及其约束条件，该目标函数用以表征待配载的船舶横向各贝位间集装箱重量分布均匀性指标、每个贝位内纵向各行间集装箱重量分布均匀性指标、上下相邻两个集装箱的重量差指标之和最小，即船舶稳定性偏差最小化，该目标函数的约束条件包括：装船集装箱总数为装船出港的集装箱数量、每个集装箱只能存放于船上的一个船箱位、每个船箱位最多放置一个集装箱、40英尺集装箱只能存放在船舶的偶数贝、20英尺的集装箱只能存放在船舶的奇数贝内、20英尺的集装箱不能堆放在相邻偶数贝已存放40英尺集装箱的奇数贝内、20英尺的集装箱不能放在40英尺的集装箱上面、堆放在上层船箱位的集装箱的到港站早于堆放在下层船箱位的集装箱的到港站、甲板下超高箱的最大堆放高度不超过甲板的位置；步骤4：利用启发式算法预分配船箱位，即为各到港站的各尺寸属性的集装箱划分待配载船舶上的装载区域；步骤4.1：统计要到达各到港站的集装箱的总数并计算要到达各到港站的集装箱需占用的船箱位数量；步骤4.2：从船首开始，以船舱内的双贝位为单位，给各到港站的集装箱集合分配舱内的船箱位，直到所有的舱内贝位分配完毕：步骤4.2.1：按照到港站先后循环的顺序给各到港站的集装箱集合分配舱内的船箱位，同时更新各到港站未分配船箱位的集装箱数量；步骤4.2.2：为下一个到港站的集装箱集合分配舱内双贝位，直到当前到港站未分配船箱位的集装箱数量为零或者当前到港站未分配船箱位的集装箱数量小于两个连续贝位内的船箱位数，则不再为该到港站的集装箱集合分配舱内贝位；步骤4.3： 从船首开始，以甲板上各贝位的层为单位，为各到港站的集装箱集合分配甲板上的船箱位，分配时需满足上层到港站不晚于下层到港站；步骤4.3.1：按照到港站先后循环的顺序为各到港站的集装箱集合分配甲板上的船箱位，同时更新各到港站未分配船箱位的集装箱数量；步骤4.3.2：分配完甲板上所有贝位的第一层船箱位后，返回船首开始分配甲板上所有贝位的上一层船箱位，直到所有到港站的集装箱都分配了船箱位，在分配过程中，若当前层集装箱的到港站晚于下层集装箱，则选择后续贝位的相应层；步骤4.4：在已分配的船箱位区域内，以贝位中的层为单位，按照从船首至船尾且从甲板最上层到舱内最下层的顺序分别为各到港站所属的40英尺超高集装箱划分箱区，且相邻贝位需要同时有可用箱位；步骤4.5：在已分配的船箱位区域内，以贝位中的层为单位，按照从船首至船尾且从甲板最上层到舱内最下层的顺序分别为各到港站所属的40英尺通用集装箱划分箱区，且相邻贝位需要同时有可用箱位；步骤4.6：在已分配的船箱位区域内，将剩余未分配的船箱位全部分配给20英尺通用集装箱；步骤4.7：判断舱内满层堆放的贝位中是否存在满层堆放的40英尺超高集装箱，是，则将最上层的40英尺超高集装箱移至对应贝位甲板上的最底层堆放，甲板上的集装箱依次上移一层；步骤5：利用改进差分进化算法确定每一个集装箱具体堆放的船箱位，即船箱位分配结果；步骤5.1：设差分种群个体的维数为D，即装船集装箱的总数m，每一维表示集装箱堆放的船箱位，设定种群规模NP=3×D，变异参数F，交叉概率因子CR，最大迭代次数Gmax；步骤5.2：将已分配的船箱位的集合按照对应的到港站和尺寸类别划分为3×p个子集，p为到港站个数，各船箱位均由六位整数组成，其中前两位表示船箱位的贝位号，中间两位表示船箱位的行号，后两位表示船箱位的层号；用一维索引值对每个子集内的船箱位进行排序编号，从1开始升序编码，编码的优先级规则是：贝位为第一优先级，顺序为由船尾至船首；层为第二优先级，顺序为由舱内最底层至甲板的最上层；行为第三优先级，顺序为由船中间行依次交替至左右两边行；即从船首贝位的底层中间行开始对已分配的船箱位进行排序，依次完成行、层和贝的编号，直至所有已分配的箱位排序编号结束；步骤5.3：将装船集装箱集合按照到港站和尺寸类别划分为3×p个子集，并依次由各子集内的集装箱来构成差分种群个体内的元素；步骤5.4：对差分种群进行差分迭代循环；步骤5.4.1：变异操作：在差分种群中取三个互异的船箱位作为父代序列的个体，并对父代序列中的元素进行线性变异运算，得到差分种群的变异个体序列；步骤5.4.2：交叉操作：以设定的交叉概率CR从差分种群的变异个体序列中选择集装箱位元素，其他船箱位元素的从父代个体序列中选择，来得到子代试验个体序列，并将得到的子代个体序列内的船箱位元素按照数值大小进行排序，按照该排序将集装箱映射到已编号的各船箱位即得到一组集装箱的船箱位分配结果；步骤5.4.3：选择操作：根据产生的子代个体序列以及船舶稳定性和岸桥作业效率的目标函数，计算该子代个体序列对应的船箱位序列的船舶稳定性和岸桥作业效率的目标函数值，并与父代个体序列的船舶稳定性和岸桥作业效率的目标函数值进行比较，选择目标函数值较小的个体进入下一代种群进行迭代；返回步骤5.4.1，当达到最大迭代次数，迭代结束；步骤5.5：选择当前种群中船舶稳定性和岸桥作业效率的目标函数值最小的个体序列，将以一维索引值表示的各集装箱具体堆放的船箱位转换回以贝位号、行号和层号表示的船箱位，得到各集装箱具体堆放的船箱位；步骤6：根据确定的每一个集装箱具体堆放的船箱位对集装箱进行装船配载。