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第 28 卷 第 1 期2023 年 2 月工业工程与管理Industrial Engineering and ManagementVol.28 No.1Feb.2023考虑多种污染气体排放的集装箱码头泊位-岸桥-集卡集成调度优化王丹，李丹阳，赵利昕，徐卉，黄肖玲，范厚明（大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026）摘要:在对集装箱码头的核心作业过程进行分析的基础上，建立了基于船舶在港延迟时间最短和多种污染气体排放最少的泊位-岸桥-集卡的集成调度优化模型，并设计了一种基于量子局部搜索的非支配排序遗传算法（QNSGA-）。最后以某港口为例进行了实证分析，并将QNSGA-算法与非支配排序算法（NSGA-）和多目标粒子群优化算法（MOPSO）进行了比较。结果表明：QNSGA-算法在帕累托边界的完整性、分布均匀性和收敛性方面均得到了显著提高；港口区域产生的污染物排放量与延迟时间之间存在负相关关系，如果港口盲目追求高服务效率，将导致港口地区污染物排放量的大量增加。关键词:集装箱港口；集成调度；污染物排放；量子局部搜索；非支配排序遗传算法中图分类号:F550 文献标识码:AOptimization of Container Terminals Integrated Scheduling of Berths，Quay Crane and Internal Trucks Considering Pollutant EmissionsWANG Dan，LI Danyang，ZHAO Lixin，XU Hui，HUANG Xiaoling，FAN Houming（Transportation Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian，Liaoning 116026，China）Abstract:Based on the analysis of the core operation process of the container terminal，the integrated scheduling optimization problem of berths，quay cranes and internal trucks in container terminals considering pollutant emissions was put forward，which minimized the cost of ship delay time in port and the cost of port emissions.A quantum non-dominated sorting genetic algorithm based on quantum behavior（QNSGA-）was designed to solve the problem.Finally，an empirical analysis of one port was carried out as an example，and QNSGA-was compared with the non-dominated sorting genetic algorithm（NSGA-）and the multi-objective particle swarm optimization algorithm（MOPSO）respectively.The results show that the QNSGA-has significantly improved the completeness of the Pareto boundary，the uniformity of the distribution，and the convergence of the algorithm.In addition，there is a negative correlation between the pollutant emissions and the delay time.If the port blindly pursues high service efficiency，it will lead to a great increase in pollutant emissions in the port area.Key words:container terminal;integrated scheduling;pollutant emissions;quantum local search;non-dominated sorting genetic algorithm文章编号：1007-5429（2023）01-0131-13DOI：10.19495/ki.1007-5429.2023.01.015收稿日期：2021-03-31基金项目：国家社会科学基金资助项目（20VYJ024）;辽宁省社会科学基金资助项目（L18BGJ001）;大连市科技创新基金项目（2020JJ26GX033）作者简介：王丹（1980），湖北鄂州人，副教授，博士，主要研究方向为港口管理。E-mail：。-131第 28 卷 王丹，等：考虑多种污染气体排放的集装箱码头泊位-岸桥-集卡集成调度优化1 引言 随着我国港口吞吐量的不断增加，港口生产建设对海洋、陆域的环境影响日益凸显。进出港、在港停泊的船舶以及港区作业都会产生大量的空气污染。基于此，2018年交通运输部制定了 深入推进绿色港口建设行动方案（20182022年），计划在20202022年，每年建成一批资源集约高效、生态环境清洁友好、运输组织科学合理的港口，示范带动全国绿色港口的建设。可见，对于中国这样的港口发展大国来说，如何在提高经济利益和保护环境之间取得平衡已经成为一个刻不容缓的问题。对于集装箱港口而言，船舶进出港及在港停泊期间会产生污染物排放，是港口大气污染的主要来源。除此之外，岸桥与集卡作为核心作业设备，也是码头产生NOx、SOx、CO2、PM等污染气体的主要来源。在港口作业的过程中，船舶到达指定的泊位后，由岸桥提供集装箱装卸服务，集卡为装卸的集装箱提供水平运输服务。这些装卸和运输设备的调度问题，不仅影响到船舶在港停留时间的长短，也决定了港口内部产生污染物的数量。因此，如何在保证集装箱码头作业效率、缩短船舶在港延迟时间的基础上进一步减少港区的污染气体排放已经成为建设绿色港口的核心关键问题之一。基于此，本文提出了考虑多种污染气体排放的集装箱码头泊位-岸桥-集卡集成调度问题。2 文献综述 2.1集装箱码头设备的集成调度方面从 PARK 和 KIM1首次提出泊位分配问题开始，对于集装箱码头装卸调度的研究已经有了较多的成果。如：针对泊位和岸桥的协调调度，建立了船舶在港时间最短或码头作业成本最小的优化模型2；针对动态岸桥泊位问题，建立了船舶作业时间最短与岸桥数变化最小的优化模型3-5；考虑到船舶的优先权与偏好位置，制定船舶离港延迟惩罚成本模型6-8；还有学者将潮汐因素引入到泊位岸桥的调度模型中9。对于集卡与岸桥集成调度问题，考虑到卸载集装箱间的优先权、堵塞、岸桥相互干扰等现实约束，部分学者采用遗传算法与贪婪算法相结合的算法10、神经网络以及仿真优化11、改进了的粒子群算法12进行求解。对于集装箱码头，泊位、岸桥以及集卡是最重要的资源，虽然研究成果很多，但大部分都是针对泊位分配与岸桥调度的联合优化，或者是岸桥与集卡的调度，将泊位分配、岸桥与集卡的集成调度相结合的相关研究还比较少。2.2考虑污染物排放的集装箱码头调度方面随着绿色港口理念的兴起，港口的排放问题已经吸引了一些研究者的关注，但是针对集装箱码头的集成调度问题来探讨碳排放和节能减排的研究十分有限。GIOLIAS等13将燃油消耗引入到泊位分配问题中，通过缩短船舶在港等待时间来减少燃油消耗。DU等14为了减少船舶在航行期间排放，考虑到港口与航线之间的协调关系，对船舶航行期间的CO2、NOx、SOx的排放进行分析，将泊位分配模型转化为混合整数二阶锥模型来求解。LANG和VEENSTRA15把船舶到港时间视为决策变量，用线性回归方法来简化燃油消耗和航行速度的非线性 函 数，并 采 用 模 拟 仿 真 方 法 进 行 求 解。ALVAREZ 等16采用离散事件模拟工具来解决泊位分配和速度控制优化模型，结果表明该方法能够节约燃油用量并提高码头效率。VENTURINI等17将一个港口泊位分配问题扩展到多港口分配问题，通过优化不同港口之间的船舶航速来缩短运营总时间和减少燃油消耗。有一部分文献为了实现时间与能源消耗的平衡，建立了延迟时间最短与能源能耗最少的双目标优化模型18-19。WANG等20从碳税率的角度分析了单一碳税率和线性碳税率对泊位岸桥调度优化的影响。综上所述，多数研究针对集装箱码头的调度问题建立了船舶在港延迟时间最短或服务成本最小的优化模型；随着港口污染问题日益严重，也有一部分学者将燃油消耗与碳排放考虑到模型中。在码头运营中，影响港口及周边环境的污染气体不仅包括CO2，还有其他有害气体。综合考虑多种大气污染的研究很少，且针对泊位分配、岸桥和集卡的集成调度相结合的联合优化研究也很少。故本文在综合考虑NOx、SOx、CO2、PM等多种污染气体排-132第 1期工 业 工 程 与 管 理放的基础上，将泊位分配、岸桥和集卡的调度有机结合起来，建立了船舶延迟成本最小和港口排放成本最小的双目标优化模型，力图最大限度地缩短船舶延迟时间并减少整个服务过程中的各种污染气体排放，实现港口资源调度优化和可持续发展之间的平衡。此外，本文设计了基于量子局部搜索的非支配排序遗传算法（QNSGA-），并通过实例分析验证了该优化模型及算法的合理性和有效性。3 问题描述 集装箱港口的泊位分配、岸桥分配以及集卡调度是相互关联的。船舶在港时间取决于岸桥完成时间，岸桥完成时间是由岸桥作业时间和非作业时间组成，其中岸桥非作业时间就是岸桥等待集卡时间。岸桥等待集卡时间与船舶靠泊位置和分配给岸桥的集卡数量均有关系：若船舶停靠在最优靠泊位置上，则会缩短集卡的运输时间与被等待的时间，反之则会延长集卡的运输时间与被等待的时间；若是分配给岸桥的集卡数量过少，会造成岸桥等待集卡的时间过长，反之则会造成集卡等待岸桥的时间过长。鉴于泊位分配、岸桥分配以及集卡调度这3个环节的紧密相关性，应该对其进行联合调度优化。其次，港口的污染物排放主要由3部分组成，分别是船舶靠港前、船舶在港期间以及港口作业设备（岸桥和集卡）所造成的排放。船舶靠港前，若是船舶以最低航速驶入港口，会减少船舶在航行过程中产生的污染物排放，但是会使船舶到港时间较晚，进而产生船舶延迟现象；若是船舶以最快的航速驶入港口，能缩短船舶的延迟时间，但在航行期间会造成大量的污染物排放。船舶在港期间和港口设备的污染物排放主要取决于集卡与岸桥的作业时间，若是增加给每条船舶分配的岸桥与集卡数量，船舶总延迟时间会缩短，船舶在港停留的排放会减少，但港口设备产生的污染物排放有可能增加；如果给该艘船舶分配的岸桥或集卡数量太少，船舶总延迟时间和船舶在港停留的排放均会延长，也会产生较多的岸桥等待集卡时间或集卡等待岸桥的时间，故港口设备造成的污染物排放也不一定减少。综上所述，在集装箱码头进行调度的过程中，应该将泊位、岸桥和集卡的分配问题与污染物的排放问题有机结合起来，充分考虑两者之间的相互关系，以实现既能降低污染物的排放，又能最大程度缩短船舶的延迟时间。基于此，研究问题描述如下。如图 1 和图 2 所示，船舶从距离港口码头的20海里处作为航行起点，通过调节船舶航速来调整到达港口的时间与航行过程中的排放。若是泊位上有空闲位置，则可以进行直接靠泊；若是无空闲位置，需要等待一段时间，靠泊后港口分配一定数量的岸桥与集卡为该船舶服务，直到船舶上的所有集装箱全部装卸完成。若是船舶实际离港时间大于该船的预计离港时间，就会产生延迟时间；反之，则不会产生船舶延迟。