环状航线中集装箱选择和配积载问题联合优化研究

Features of a container affect the stowage of ships; consequently, the cost of operating ships is affected. By far, the studies on stowage planning mainly focus on how to make stowage plans for given containers so as to minimize costs. We treat the problem from a new perspective - profit maximization. In order to maximize the profit, we consolidate container selection and stowage planning together and optimize them as a whole. This project will investigate how to select containers and conduct stowage under three scenarios: single port, circular route, and stability constrained. In extant literature, multiple ports only comprise a line; the circular route in our project is a generalization of linear routes. We propose three research problems: (1) container selection and stowage planning in a single port; (2) container selection and stowage planning in a circular route; and (3) container selection and stowage planning in a circular route with stability consideration. This project will analyze the characteristics of these problems and optimize them through mathematical models, branch-and-bound, branch-and-cut, and meta-heuristics. The ultimate goal of this project is to achieve algorithm innovation and provide solutions for the industry.

集装箱的属性（航段、重量）影响船舶的配积载，从而影响运输成本。已有配积载的研究均集中于如何配积载给定的若干集装箱以最小化成本。从最大化利润的角度，我们扩展配积载问题的研究视角，将集装箱选择和配积载这两个上下游问题联合起来，做整体优化。本项目分别解决单港口、环状航线、考虑稳性三种情况下如何选择集装箱、如何装卸集装箱的问题。已有文献中多港口问题一般假设单向航线，本项目中的环状航线是单向航线的一般化形式。本项目提出（1）单港口下集装箱选择和配积载联合优化问题；（2）环状航线中集装箱选择和配积载联合优化问题；（3）确保船舶稳性的环状航线集装箱选择和积载联合优化问题。我们将分析三个问题的结构特点，拟尝试从数学模型、分支限界、分支切平面和启发式算法多个角度进行优化求解，力争在算法上取得创新，并为航运企业的运营决策提供理论和实践支持。

航运中的服务运作管理对航运企业的经济利益和发展有重要影响。中国航运公司数量众多，但在经营管理和服务素质上水平不高。最近5年，国内排名最前的中远集运的平均毛利率水平落后于马士基航运10%以上。本项目围绕集装箱码头操作问题开展研究，研究的第一部分问题为集装箱选择和配积载联合优化问题，具体包括两个四问题：1）单港口下集装箱选择和配积载联合优化问题；2）线性航线中集装箱选择和配积载联合优化问题；3）环状航线中集装箱选择和配积载联合优化问题；4）确保船舶稳性的环状航线集装箱选择和配积载联合优化问题。第二部分研究以堆栈数目最小化为目标的集装箱配积载问题，具体包括两个子问题：1）线性航线下集装箱船舶配积载所用堆栈最小化问题；2）环状航线下集装箱船舶配积载所用堆栈最小化问题。第三部分研究提箱顺序不确定的集装箱预翻箱问题，具体包括两个子问题：1）分组视角下提箱顺序不确定集装箱预翻箱问题；2）时间窗视角下提箱顺序不确定集装箱预翻箱问题。项目团队分析了这些问题的特征，提出了一些特性和结论，对部分问题建立了整数规划模型，并设计了贪心算法和基因算法。计算实验表明，项目团队提出的算法性能优异。项目累计发表SCI论文3篇，EI论文2篇，培养硕士研究生7名，指导的学生获得上海大学本科生学术论坛二等奖（2019）。随着无人化码头的大力发展，类似于本项目的智能算法可以由机器精准实现。在优化算法的辅助下，现代化无人码头的效率将会极大提升。考虑到中国集装箱港口的吞吐量，预期将会带来极其可观的经济效益。