2025年COR SCI2区，泊位分配、岸桥分配与引航调度的集成规划，深度解析+性能实测

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1.摘要

港口物流在提升全球贸易效率中发挥着至关重要的作用，其核心作业包括泊位分配、岸桥分配与引航调度。传统方法往往将这些环节独立处理，导致资源利用效率低下、运营成本上升以及船舶在港停留时间延长。针对上述问题，本文提出了一种能够同时优化泊位分配、岸桥分配与引航调度的集成规划框架。针对实际应用中遇到的计算复杂性问题，设计了一种结合专用泊位分配启发式规则与问题特定算子的自适应大邻域搜索（ALNS）元启发式算法。

2.问题描述与数学模型

港口包含多个供船舶靠泊的港池、位于外海的多个锚地，以及一条双向航道。船舶在进港与离港作业中，需通过该航道往返于锚地与泊位之间，因此航道通行能力对港口运营具有关键作用。此外，在港口运营过程中，引航站对航道内船舶的航行有严格规定。为确保安全及船舶间适当间距，通常需为船舶分配引航员引导其通过航道。

本文研究集装箱港口泊位分配、岸桥作业曲线与引航服务的一体化优化，考虑航道容量、岸桥与泊位资源及引航员工时等约束，以最小化进港等待、离港延误及引航相关成本。模型基于船舶全流程作业特征，采用QC作业曲线分配岸桥，假设引航员与岸桥同质、泊位离散且船舶信息已知。

3.求解方法

所提算法采用三阶段嵌套式 ALNS 元启发式框架，依次解决引航调度、泊位服务顺序和岸桥分配问题。第一阶段根据引航员数量与任务需求生成引航班次，暂不考虑泊位与装卸延误；第二阶段依据装卸效率制定各泊位船舶作业顺序；第三阶段利用 CPLEX 求解岸桥分配方案。三阶段完成后，统一更新引航任务、装卸作业及船舶靠离泊时间，确保方案整体可行，并计算总成本，通过模拟退火进行全局评估。

初始解构建

初始解生成仅针对进、离港任务制定引航员班次，暂不考虑泊位与岸桥约束。算法按任务时间顺序，将任务依次尝试插入各可行班次位置，计算包含延误、交通及派遣在内的加权成本，选择插入成本最低的位置分配任务。

阶段1：引航班次调度

在不考虑泊位与岸桥资源的前提下，将进港与离港引航任务分配给引航员，目标是生成可行的任务序列，最小化引航员派遣成本与引航等待时间。生成引航班次后，将结果传递至第二阶段进行泊位排序与岸桥分配，并计算当前方案总成本作为后续优化基准。

为产生新解，破坏算子从现有班次中移除一组任务并存入任务池。设计了四种删除策略：随机删除、贪心删除、最大延误删除和基于泊位相关性删除。

修复算子将任务重新插入，确保可行性并优化效率，包括随机插入、贪心插入和后悔插入。

阶段2：泊位调度规划

基于第一阶段生成的引航班次，假设岸桥资源充足，将每个班次视为整体进行泊位分配，船舶装卸时间按最快可行模板计算简化模型、集中优化泊位分配。方法通过调整引航班次的输入顺序，结合泊位分配规则生成不同方案，并在同一班次内严格遵循任务执行顺序，确保船舶作业衔接与资源不冲突。在多个可行泊位的情况下，依次采用四条启发式规则筛选最佳泊位：最早可靠泊时间优先、空闲时段较短优先、与前序船舶时间距离较近优先和剩余总空闲时间更少优先。

为提升解的多样性与质量，采用随机交换和重定位算子调整班次顺序。

阶段3：确定岸桥（QC）分配

在引航和泊位方案已确定的基础上，阶段3将岸桥分配作为独立子问题处理。目标是在合理分配岸桥资源的同时更新相关作业时间，最小化所有到港船舶的总延误成本，该阶段通过 CPLEX 精确求解，以获得最优的岸桥分配方案。

$$[{\mathrm{SP}}_{\mathrm{QC}}]\mathrm{Minimize}\sum _{i\in V}{c}_i^d(\sum _{t\in T}{\phi }_{it}t-E_i)$$

自适应机制

自适应机制通过动态调整破坏与修复算子的得分和权重，结合轮盘赌选择提高优质算子被选概率；接受准则采用模拟退火，在高温阶段增强探索、低温阶段强化收敛，用来平衡全局搜索与局部优化，提升优解获取率。

4.结果展示

5.参考文献

[1] Xiao L, Laporte G, Sun P, et al. The integrated planning of berth allocation, quay crane assignment, and pilotage scheduling[J]. Computers & Operations Research, 2025: 107201.

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