集装箱船舶配载优化问题研究文献综述

1. 文献综述：

对集装箱船舶的配载问题的研究，主要是为了解决海洋运输中，在港口装载集装箱时，遵循装船的基本原则，同时保证船舶在航行中的稳定性，结合力学原理，确定待装船集装箱在船上的摆放位置。不仅需要保证船舶的稳定性、重心、吃水差、强度等要求，同时要保证尽可能高的经济效益。

3.1国外文献总结

集装箱船舶配载问题目前主要研究的是如何在集装箱船的船舱中合理分配各集装箱的位置，以减少在各港口的倒翻箱次数。由于问题中的约束条件较复杂，且近年来随着世界贸易的发展，集装箱船的装载能力不断提高，因此需要系统地分析多约束下的集装箱船舶配载问题。对于集装箱的配载方法，最早在1980年代就有学者进行了研究，并在当时开发出了船舶配载系统。

Shields^[13](1984)结合当时的一些经验，利用构建好的模型，开发出了自动配载系统CAPS，该系统能够模拟航线运行，给出可选择的配载方案，以达到模拟计划人员进行自动配载的功能。Botter和Brinati^[14](1992)建立了0-1规划模型以解决集装箱船舶配载问题，该由于模型考虑的限制因素过多，该模型十分庞大，求解难度也相应增加，导致一般的数学规划方法无法求出解，实用性不强。为简化问题，减小模型求解难度，Avriel^[16][17](1998)提出了忽略船舶重量稳定性约束，以求出最少倒翻箱次数为目标的0-1规划模型，变量个数较之前有所减少，在启发式算法中提出了动态箱位分配法，同时证明了该问题是个NP-hard难度问题(2000)。随后，Ding和Chou^[28](2015)在此基础上又提出了新的启发式算法，建立了一个不考虑船舱的模型，该模型使用了悬挂式算法的部分规则和结论，在只有港口信息的前提下，该模型给出的结果优于Avriel提出的启发式算法，更具有应用灵活性。Wilson^[20][21][22](1997-1999)降低问题难度，采用分布策略，第一步先分配船舱，第二步选定船舱中的位置。该方法从组合优化的原理出发，考虑船舶的力学约束，使用启发式算法和禁忌搜索算法来计算集装箱的装载位置。但由于数学规划求解问题时的效率较低，该方法不适用于求解大规模的问题。且由于是分步求解，改方法得出的只是减少倒翻箱次数的局部最优解，并非全局最优解。在以上基础上，Tierney^[12](2014)把集装箱配载优化问题定义为了K-shift问题，并证明了Avriel的研究中的无船舱约束的问题为NP难度。并以压舱盖倒箱问题为切入点，对包含甲板约束的问题进行了研究，同时证明了其研究问题和原问题的难度都是NP难度。Delgado^[26](2012)设计了一个两阶式算法，即将船舶配载优化问题拆分成了两个问题，第一个问题是主贝位的分配，为线性规划问题，第二个问题是箱位的具体分配，利用贪婪算法。主贝位分配问题的结果为箱位分配问题的输入数据。模型同时也将集装箱的不同型号纳入了考虑。Ambrosino^[24][25](2004-2006)将船体的体积和装船时间纳入考虑，目标函数为最小的装船时间。同时他设计了一种三阶段的启发式算法来求解问题，第一步将船体划分为几个大致位置，将集装箱规划到不同位置，第二步使用0-1规划为集装箱分配具体的slot位置。第三步使用交换算法调整区域位置。然而该方法仅能计算出最小装船时间，对倒翻箱次数没有进行限定，实际应用性也教差。Dubrovsky^[18](2002)等人提出了紧凑编码的遗传算法，将船体的稳定性约束作为目标函数的惩罚函数，以此来求解集装箱船舶配载优化问题。

3.2国内文献总结

在我国，集装箱运输的起步比较晚，且起初集装箱船的运输规模较小，因此，我国对集装箱船的配载问题研究也起步较晚。直到1990年代初，我国集装箱运输的从业人员才意识到集装箱配载优化的重要性，由此展开了一系列研究。

王照宁^[1](1994)提出了将信息管理系统和专家决策相结合，以此来解决现代集装箱船中的自动配载问题，提出了一种对装船方法如何设计和实现的建议。该研究的意义在于，其结合已有经验，给出了符合目标要求的算法，为之后的研究给出了很好的问题框架，也给之后的专家设计装配方法提供了明晰的思路。之后，段成华^[3](2004)设计了一种0-1规划模型，该模型以单个航船多个港口问题中的最小倒翻箱次数为目标函数，但没有考虑船体的稳定性，在大规模配载问题中不具有实用性。在杨星和纪永青^[4](2002)的方法中，使用线性规划，将集装箱按照船体重心约束进行配载，保证了集装箱船的稳定性。卫家骏^[6](2009)又考虑了集装箱船仅在出发港进行装载，在其余若干港口仅进行卸载的情况，该模型使用经过改进过后的最优适应法，以船体的重心稳定性作为约束条件，以最小装卸时间作为目标函数。之后卫家骏^[5](2012)又提出了另一种方法来优化集装箱船舶的配载，该方法使用了禁忌搜索算法以及混合蚁群算法，优化了集装箱在船上的slot位置。

参考文献

[1]王照宁.集装箱船舶自动配载系统管理模型的建立与研究[J].大连海运学院学报,1994(02):70-74.

[2]刘世宁,卫家骏.集装箱船舶自动配载的实现[J].大连海运学院学报,1993(03):347-351 346.