基于现代物流管理理念的集装箱船舶配载系统的应用研究

《基于现代物流管理理念的集装箱船舶配载系统的应用研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于现代物流管理理念的集装箱船舶配载系统的应用研究（54页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、引 言 一、 选题背景 1、集装箱船舶配载研究的现状 70年代以前的第一、二代集装箱船的箱位容量均在2000TEU以下，当时船舶的稳性、吃水差和强度的计算一般由人工完成，集装箱配载图也由人工填制，工作效率很低。80年代初出现了2000TEU以上的第三代集装箱船舶，在运用传统的手工方法已难以胜任编制集装箱配载要求的情况下，不少计算机厂商推出了集装箱船专用计算机。80年代后期和90年代先后开发了通用计算机运行于DOS环境和WINDOWS环境下的集装箱配载计划辅助系统。这些计算机配载系统的研究和开发为船舶的稳性、吃水差、弯矩、扭矩和局部强度等性能的全面校核奠定了良好的基础。从90

2、年代开始，随着微型计算机技术的发展和广泛应用，集装箱船舶配积载系统技术和应用也得到了新的进展。纵观世界船舶配积载系统情况，集装箱船舶配积载系统正处于自动与手动交替使用的交互式配积载方式阶段。其基本程序是根据船舶静力学的基本原理，按相关集装箱船舶运输规则的要求，对船舶的装载情况进行校核计算并显示结果。校核流程一般为：积载—计算浮态—计算稳性—计算强度，逐步校核并判断。在配载过程中，一般先自动配载，再进行人工干预配载，这样交互进行。这主要是因为船舶配积载十分复杂，要考虑货物装卸的先后，到什么港装什么货，大件不压小件等等因素，这些都需要经过人工配积载才能达到要求。当然，也有部分系统还基于神经网络专家

3、系统提供一系列的配载建议，它需要建立知识库，并建立规则，研究的目的主要是寻求一种满足既定约束条件下，倒箱最少、作业高效的装载方案。在软件实现方面，以智能决策支持系统作为系统框架，利用面向对象的Windows编程技术，综合利用数据库技术、网络技术等计算机领域的新成果，从而使系统具有操作直观方便、数据查询快捷、智能化程度高等特点。 2、集装箱船舶配载研究的发展趋势 尽管集装箱船舶配积载问题的研究已经有30多年的历史，但由于问题的复杂性，配积载问题的许多方面仍没有得到很好的解决，可以说集装箱船配积载还停留在半自动化阶段。目前，利用人工智能领域和计算机科学领域的最新成果，建立智能积载系统，有望使该

4、问题的研究跨上一个新的台阶。随着单一运输向现代物流的不断发展，对集装箱船上配积载系统的研究已不再是个单纯的货物运输技术问题，而有必要上升到运用现代物流管理理念对它进行研究与探讨的新高度。现代物流的发展趋势是信息化、自动化、网络化、智能化、柔性化。传统集装箱船上配载已不再适应这种形势的发展，而依靠数据库技术、电子订货系统（EOS）、电子数据交换（EDI）、快速反应（QR）、自动识别系统、货物自动跟踪系统、计算机通讯网络技术、专家系统、弹性制造系统（FMS）等技术支撑下的新型配积载系统才能满足现代物流发展的需要。置于现代物流管理理念下集装箱船上配载，在供应链管理的应用方面，现在正处于一种从原来单纯

5、的配载技术向物流节点管理的过渡转型阶段。 二、课题研究的目的与意义 1、课题研究的目的 通过对传统集装箱配载系统特点的分析，我们可以知道，在集装箱船舶运输中，船舶配载系统的完善与否是能否充分发挥集装箱运输优势的一个重要环节，它对保证船舶、货物安全以及保证船期有着重要的作用。同时配载结果的表现形式—配载图也是装卸公司装船、卸船以及发生货损货差时要求索赔、划分责任的重要依据。同时，本课题从现代物流的观点来分析现代物流管理理论对集装箱配载系统提出的新要求，从而得到结论，作为现代物流与供应链中一个重要节点的集装箱船上配载，它更是兼备物流的运输、储存、配送之功能。因此，把集装箱配载系统的研

6、究上升为对实用物流技术研究是一项具有重要现实意义的工作。 为适应现代物流发展的需要，处于物流节点上的集装箱配载应具备以下两方面的功能。一方面，从配载的内部要求而言，一套先进实用的操作管理软件应该是基于丰富的操作管理经验和先进的IT技术推出的，通过先进的技术平台和各种优化算法，它能够确保船舶安全、经济，货物质量完好，实现动态实时、自动计划和检测、智能回放和预演、用户报表自定义等目标。而且，系统本身应体现适当的先进性，同时兼顾满足可能发生的手工和应急处理的需要，并具有流程合理、功能完善、使用方便、运行可靠等功能；另一方面，从供应链管理来看，基于现代数据交换平台和定位、信息系统上的配载系统管理在现

7、代物流中需发挥主动性和柔性化服务，在物流发展的信息化、自动化、智能化等方面发挥其应有的作用。因此，从内、外部整体上看，符合现代物流发展需要的集装箱船配载系统是物流方改善自身管理水平、提高客户满意度、增强时常竞争力的可靠保障。本研究正是基于集装箱船配载系统如何来满足这两方面功能的需要而展开的。 2、课题的研究意义 1）有利于提高集装箱船舶技术管理水平 现代集装箱船舶的大型化和高效化给提高船舶运输生产效率提供了可能，但船、岸工作人员能否适应现代大型集装箱船舶的运输管理要求则成为船舶的效益优势能否得到充分发挥的关键，解决人—机之间不相适应的矛盾在于提高船岸集装箱配载人员的技术管理手段和技术

8、管理水平，提高人员的工作效率和工作质量。 2）优化集装箱船舶的配载方案 集装箱船舶的航行性能、结构、货物单元形态和配载方式均与其他船舶不同，尽管在传统的集装箱配载有一些理论方法和配载手段，其中也包括在实践中积累的可贵的经验，但许多已不能满足物流的发展需要。解决这些问题的根本出路还在于从理论上解决配载方案的优化和智能化。研究优化集装箱配载的理论方法是本课题的重点之一，同时也为自动配载、智能配载系统的建立提供一种算法模型。 3）充分发挥集装箱船舶配载在物流管理中的作用 柔性化、信息化、自动化、智能化已成为21世纪现代物流的发展趋势，作为现代物流与供应链中一个重要节点的集装箱船上配载，它在现

9、代物流的作用已渐趋明显，特别是在减少集装箱货运事故提高集装箱的安全性、加强与客户的合作程度、提供客户的柔性化服务等方面均大有用武之地。 三、本研究的主要工作 本研究的主要工作包括： 1）分析目前集装箱船舶配载的特点、要求以及存在的主要问题； 2）提出集装箱船舶配载方案的优化模型及其求解方法、自动配积载系统的设计思路； 3）提出在现代物流管理中如何发挥集装箱配载作为供应链节点的作用； 4）在配载系统和集装箱用户之间建立电子数据交换平台，以满足运输企业、集装箱用户和相关部门的数据交换与信息整合的自动化处理的需要。 第一章 集装箱船舶配载的特点与要求

10、 1.1 集装箱船舶配载的特点 集装箱船上配载必须根据船舶的具体要求，结合船舶、货物、航线、港口的实际情况，把一定数量的具体集装箱安排在船舶的具体箱位中，并满足保证船舶性能、货物质量、航线制约、港口作业等多方面的要求。因此，集装箱船上配载是一项多目标优化的系统工作，与一般船舶比较，由于集装箱和集装箱船舶在结构、运输形式等方面有着自身的特点, 使得其配载与一般船舶具有不同的特点。 1.1.1 集装箱船舶装载的箱容量与船舶净载重量的相互制约 集装箱的箱位容量，通常是指船舶的标准箱（TEU，Twenty Equivalent Unit）容量，即集装箱船舶所能承载的最大标准集装箱的数量，箱

11、位容量是表示集装箱船舶大小的重要标志。同时，从集装箱船舶的载货重量能力来看，它也要受到船舶净载重量的限制，即所装运的集装箱重量不能超过船舶在具体航次中能够装运货物重量的最大限量。 集装箱船舶的最大箱容量是在特定的条件下设计的，并不是在任何情况下均能承载它的最大箱容量及充分利用它的净载重量。与普通杂货船不同的是：集装箱船舶所能装载的最大箱位容量与船舶净载重量是相互制约的。一方面，集装箱的数量多少和装载重量，受船舶箱位容量及净载重量的限制；另一方面，由于集装箱船舶的1/3~1/2箱位是配置在甲板上的，在利用船舶箱容量，特别是利用甲板上的箱位时，会导致船舶重心提高，影响船舶的稳性，有时甚至形成负的

12、初稳性高度。因此，为了获得合适的稳性，不得不以大量的压载水来改善船舶的稳性。在杂货船和散货船上，为了提高船舶的净载重量，必须排空压载水；而在集装箱船上，为了要装载更多的货运量，需要充分利用集装箱的箱位容量，又必须在压载水舱内大量灌注压载水，这又使集装箱船舶不能充分利用它的净载重量。总之，对于集装箱船舶而言，要充分利用它的箱位容量和净载重量是一对相互制约的矛盾的统一。 1.1.2 集装箱船舶对稳性的要求较一般杂货船舶更加严格 由于集装箱船舶经常在甲板上装载数量较多的集装箱，故其重心高度比一般货船高，且水线以上受风面积大，对船舶稳性更为不利。另外，在装卸时由于左右重量的不均衡将使船舶产生较大的

13、横倾，这为集装箱船舶的横倾限制所不允许。为了保证船舶的安全，必须使其具有足够的稳性。所以，对集装箱船舶提出的稳性衡准要求，较一般杂货船更加严格，这在我国《海船法定检验技术规则》（以下简称《法定规则》）和《IMO稳性规则》即“IMO关于适合各种类型船舶的完整稳性规则（A.749（18）”中均有具体规定。在我国《法定规则》中，对装载集装箱的专用和非专用船舶，除要求其满足对普通船舶稳性的各项基本衡准指标要求外，还提出了两项稳性的特殊衡准要求。而《IMO稳性规则》则对于船长大于100M的集装箱船舶和其他具有可观外漂或大的水线面面积的货船，建议采用6项完整稳性的衡准要求，以代替《IMO稳性规则》对各种类

14、型船舶完整稳性基本衡准要求中除天气衡准以外的前6项要求。 但是，集装箱船舶的稳性又不能过大，如GM过大，船舶横摇周期过短，又会使甲板上的集装箱具有较大的加速度，从而对集装箱本身的强度及坚固设备和绑扎索具的受力带来严重不利的影响，甚至使集装箱移动、倒塌。可以看出，对集装箱船舶提出的稳性上限要求具有其特别的实际意义。 1.1.3 集装箱船舶配载应综合考虑箱位要求，保证货、箱质量，船舶安全 1）特殊箱装载问题 在各种集装箱的配载要求上，危险品箱、冷藏箱、平台箱等的特殊装载要求必须予以特别考虑。 危险货集装箱应配置在远离机舱、热源及船员生活、工作区，且便于监视和抛弃，又有良好的通风的安全处所

15、。同一船舶常常有些货舱的设计决定了不容许装载任何危险货箱，另一些货舱的设计仅限于配载《国际危规》定义的几类危险货箱。因此，在为集装箱船舶选配大量仅限于舱内配载的危险货集装箱时，必须考虑船舶的这一限制条件。同时，应按箱子内的危险货物的正确学名或联合国编号，查阅《国际危规》，确定不同危险品集装箱之间的具体隔离要求，严格配装。 冷藏集装箱装船后多数需要船舶电站连续提供电源。受船舶电站容量和电源插座位置的限制，每一集装箱船所能承运的冷藏集装箱最大数量和装箱位置通常是确定的，不能任意配置。 平台集装箱只能配置于舱内或甲板上最高一层，它的上面不能再堆积任何集装箱。此型集装箱由于经常装大件设备，所以配

16、载时还应按超长、超宽或超高箱进行配位。 2）普通箱的装载问题 普通箱在船上配置问题可以看作是箱子的三维位置优化问题，其主要考虑点可用图1-1表示。 船舶稳性问题 减少压载水，充分利用船舶装载能力 垂向位置 卸货港顺序，避免捣箱事故 局部强度、允许堆积负荷保证问题 40英尺箱、20英尺箱的混载问题 普通箱在船上 三维位置 轻、重箱装载问题 吃水差问题 纵向位置 船舶纵向强度问题 港口作业，加快装卸作业 同一个卸货港箱子的左右平衡 横向强度问题 横向位置 扭转强度问题 图

17、1-1 普通箱三维箱位选择考虑要素 1.2 集装箱船舶配载应满足的要求 1.2.1 充分利用船舶集装箱箱位容量和船舶净载重量 为了能提高集装箱船的营运经济效益，和普通货船不同的是，集装箱船存在一个如何充分利用船舶装箱容量的问题。表征集装箱船装箱容量的大小，通常可从以下几个方面来衡量：①标准箱容量(TEU)；②20英尺集装箱容量；③40英尺集装箱容量。此外还有承运特殊集装箱的容量，集装箱船要承运特殊性质的集装箱往往要受到许多条件的限制，如承运冷藏箱时，其数量要受到船舶供电电源的限制；承运超限集装箱可能需要占用两个或更多的箱位，因此这时的装箱数就达不到集装箱船装箱容量的指标。弄清楚本

18、船的装箱容量，对于能否承运更多的集装箱非常重要，否则就会出现箱位不够而必须退箱或浪费箱位的现象。当航次40英尺集装箱的数量超过船舶40英尺集装箱容量，而此时20英尺集装箱箱位有富裕时，可以及时通知船公司或代理，要求将多出的40英尺集装箱货物改换成20英尺集装箱装载；当航次冷藏箱数量超过船舶冷藏箱容量时，可以依据装货港条件，超容量冷藏箱数量，冷藏箱运费和箱位富裕情况等资料进行技术经济论证，研究是否能承租于甲板上的流动电站集装箱，用以向超容量的冷藏箱提供电源，以增加船舶承载冷藏箱的能力。另外在装货港箱源充足的条件下，选配超限集装箱或其他特殊集装箱箱位时，应尽量减小承运此类集装箱所引起的箱位损失数量

19、。 集装箱的稳性特点决定了其压载水使用的必要性，这使得集装箱船在完成集装箱运输任务的同时，必须将不能产生经济效益的压载水从一港运往另一港，造成运力和能源的浪费。为此，要求我们在保证人员、船舶和货物安全的条件下，寻求最优的船舶配载方案，尽量减少压载量，提高船舶的集装箱载重量和减少船舶航行阻力。因此，努力提高集装箱船舶配载计划的编制水平，合理确定不同卸货港轻重集装箱在舱内和舱面的分配比例，减少用于降低船舶重心高度所需打入的压载水，是充分利用集装箱船载重能力的主要措施。同时，还应合理确定航次油水补给方案。集装箱船由于航速快，每日消耗的油水重量大，中途挂靠港口又较多，因此在航线箱源充足的情况下应重视

20、航次油水补给方案的经济论证，当船公司因减少油水储备而增加的装箱数量收取运费所获利益超过因采取中途港油水补给所引起的一切额外费用支出时，则应选择在中途港补给油水的方案，这当然是属于配载之外的问题。 1.2.2 满足集装箱船舶稳性要求 集装箱船舶的稳性既要足够，又能保证船舶具有适当的横摇周期。为了使得集装箱船舶稳性合适的范围，主要通过以下几种途径获得： 1）控制舱内和舱面所装集装箱的重量处于合适的比例范围； 2）在堆装高度上采用轻重箱的组合方案； 3）利用计算机配载软件按预配方案输入，进行稳性预算，在演算基础上，根据情况进行调整； 4）利用压载水的打进或排出来调整船舶重心高度，从而达到

21、调整船舶稳性的目的。 1.2.3 满足集装箱船舶强度和吃水差的要求 对于船舶的纵向强度和吃水差，由于两者都是船上重量的纵向分布情况决定的，所以在配载时应统筹兼顾。通常可以采用以下一些方法：合理配置各排集装箱重量，宜在船中部配装一些重量较大的集装箱；合理安排各卸货港集装箱的箱位，适当分装于不同的箱排处；通过合理压载来改善船舶纵向受力、吃水差状态并满足航行对最小吃水及吃水差的要求；利用配载软件对实际装载状态的总纵强度和吃水差、首尾吃水予以校核。 在保证船舶扭转强度和横向强度方面，应做到各排集装箱横向上箱重均匀分布，各压载舱及其他舱室载荷重量也应左右对称分布。在确定集装箱的垂向箱位时，应当保证

22、舱内和甲板上每列集装箱总重分别不超过其装箱底座上的允许堆积负荷，以满足船舶局部强度的要求。 1.2.4 满足集装箱船舶箱位配置及其堆装要求 集装箱船舶的配载既要满足特殊箱（如危险货集装箱、冷藏集装箱、平台集装箱等）的装载要求，也要满足普通箱的装载要求。在普通箱的装载上，要考虑40英尺箱、20英尺箱的装载问题，在许多集装箱船上，有只能装载20英尺箱的箱位、只能装载40英尺箱的箱位和可以交替装载20英尺箱、40英尺箱的箱位三种。当20英尺箱、40英尺箱混装时，一个基本原则是，40英尺箱上面不可配装20英尺箱，而20英尺箱上能否配装40英尺箱则视箱位的具体结构而定。在轻、重箱装载问题上，要做到重

23、箱在下，轻箱在上；强结构的在下，轻结构的在上；避免出现重箱压轻箱现象。 1.2.5 满足集装箱装卸顺序和快速装卸要求 集装箱船通常中途挂靠一个以上港口，且往往多线作业，装卸同时进行，港口作业机械效率很高，船舶在港停泊时间短。因此，合理选配箱位，满足集装箱装卸顺序和快速装卸要求，对确保船舶安全准班，减少不必要的港口费用支出具有重要意义。一方面，编制集装箱配载计划时，要对船舶在整个航线的挂靠顺序、各挂靠港箱源情况、船舶舱盖形式、港口管理规定等进行综合考虑，避免或尽量减少中途港发生捣箱现象；另一方面，要考虑集装箱泊位各装卸桥装卸时间均匀分配和装卸桥自动吊具、大车沿岸移动时间等问题，以满足船舶快速

24、装卸的要求。 第二章 现代物流管理对集装箱船舶配载系统的要求 2.1 传统集装箱船舶配载的过程与方法 2.1.1 集装箱船舶的配载过程 集装箱船配积载通常需要经历下列几个过程： 1） 编制集装箱船“航次订舱单” 航次订舱单是船公司航（箱）运部门或其代理根据货主的托运申请为特定船舶具体航次分配待运集装箱的清单。该清单通常按不同卸港、重量和不同箱类型列出，对特殊箱有必要的备注。 2） 编制集装箱船配积载计划 编制集装箱船配积载计划通常的做法是借助于计算机，在船公司或其代理、装卸公司以及集装箱船船长、大副共同参与下，依靠传

25、真、计算机网络等现代化通信手段进行文件传递，并经历预配、初配和审核三个过程才能完成。 l 预配过程 集装箱船的预配工作是由船公司配积载部门、船舶代理或船上大副承担。其任务是将航次订舱单上所列的每一只集装箱，按照集装箱箱位选配原则，满足装卸顺序和快速装卸等要求，在集装箱船的行箱位图总图上作一大致安排。首先，配载人员将订箱单进行清理、分类，分成不同港序、不同尺寸以及特殊箱；再者，对特殊箱定位，如危险品箱、冷藏箱及超高、超宽箱定位，然后考虑普通箱，满足装卸港序、船舶强度、稳性的要求，强度体现在沿船长方向上的箱子分布情况而稳性体现在甲板、舱内箱子的分配上，最后绘制船舶预配积载图。该图所确定的航次装

26、载方案通常需在计算机上专用装载计算系统上作粗略核算，以保证船舶各项指标符合要求。该图绘制后需及时送交集装箱装卸公司。 l 初配过程 集装箱装卸公司掌握着航次装船集装箱的动态，并负责这些货箱在码头的聚集并安排在堆场的箱位。为保证集装箱装船过程有序而快速，在装船前装卸公司通常需要将装船集装箱按一定顺序安排于码头特定的堆场上，并编制集装箱装箱顺序表。装卸公司的集装箱配载员根据装箱集装箱在堆场上的堆码情况，在既满足船舶预配积载计划的总体要求，又能减少码头堆场集装箱作业量的条件下，借助于集装箱计算机装载计算系统，在集装箱船的行箱位总图和行箱位图上按规定格式填入详细的集装箱数据。 l 审核过程 集

27、装箱船的初配积载计划在集装箱装船作业开始前送交集装箱船长和大副作全面审核。船长和大副对初配积载计划按照集装箱箱位选配的基本原则以及满足装卸顺序和快速装卸要求，结合航线状况、本船航次油水的配置和消耗、船舶的装载特性、途中各挂靠港口的作业特点等内容，并保证船舶和货物的运输安全的条件下，在船舶计算机上利用集装箱装载计算系统进行船舶各项性能指标的全面核算。如对初配积载计划有任何修改意见，船方应通过代理或直接与装卸公司协商解决。只有经船长和大副核准并签字后，该初配计划才能作为知道船舶装箱作业的正式积载计划。 3） 编制集装箱实配积载文件 集装箱积载计划在装箱过程中会因某些原因需要作一些修改。船舶装箱

28、完毕后，由船舶理货员依据现场记录负责绘制集装箱实配积载图，船上大副负责进行实际装载条件下船舶稳性、强度、吃水和吃水差的核算。实配积载文件内容通常包括： l 全船行箱位总图（封面图） l 各行箱位图； l 集装箱装船统计表； l 船舶稳性、强度和吃水核算结果。 2.1.2 传统集装箱船舶配载的方法 在传统集装箱船舶配载过程中，配载人员先是将订箱单按不同港序、特殊箱和40英尺、20英尺的排箱顺序进行清理、分类，然后，按照先特殊箱后普通箱的配箱原则，将航次订舱单上所列的每一集装箱，按照集装箱箱位选配原则，满足装卸顺序和快速装卸等要求，在集装箱船的行箱位图总图上做一大致安排。在此过程中，为

29、了方便于配箱的需要，通常要对集装箱做多次的排序，如第一次按照“主排序码：卸箱港；次排序码：危险品箱；次次排序码：冷藏箱。”的顺序排列，即按后卸港箱在前，先卸港箱在后；同一卸箱港箱中危险品箱在最前面，冷藏箱随后，非危险品箱和非冷藏箱在最后。在此情况下，按照危险品箱和冷藏箱的选择箱位原则，完成危险品箱和冷藏箱的特殊箱装载操作。第二次按照“主排序码：卸箱港；次排序码：20ft/40ft箱；次次排序码：箱重。”的顺序排列，然后完成普通箱的装载操作。 在完成全部集装箱的装载后，要对装载情况进行检查，检查主要问题包括：在满足装卸顺序和快速装卸等要求的条件下集装箱总体分布是否合理；特殊箱（危险品箱、冷藏箱

30、、平台箱等）是否满足箱位选择要求；20英尺箱和40英尺箱的混装有无问题；是否存在捣箱、40英尺箱子一半腾空现象；各行箱位横倾力矩是否小于要求值（扭转强度问题）等。在现有的条件下，这些查核往往停留在人工状态，受配载人员的工作成效和技能经验影响较大。 在完成以上工作后，根据船上实际加载燃润油、淡水等情况，在相应的油水舱内输入油水资料，然后制定压载方案，以计算船舶稳性、强度和吃水差等结果，这一步出现配载软件前由人工计算完成，而现在多由配载技术系统完成，不管怎样，其计算原理是相同的。接着，根据把计算结果与规则、规范中规定的衡准指标或船舶设计中提供的要求值相比较校核，如有不符，重新调整集装箱的位置分配

31、或压载水方案，直至满足要求为止。 综合以上分析，传统集装箱船舶配载的方法可以用图2-1表示： 船舶稳性计算 开始 满足规则否？ 积载状态选择 否 船舶信息输入 强度计算 是 满足规则否？ 油水信息输入 否 集装箱信息输入 是 输出结果，打印配积报告和配积载

32、图 压载水调整 结束 集装箱积载、压载水调整 图2-1传统集装箱船舶配积载系统流程图 2.1.3 计算机配载的软件实现 计算机配载的软件实现，根据集装箱船舶的配载特点和人工配载的基本过程，研制开发计算机配载系统。该系统由计算机系统、打印机、UPS电源、应用软件包等组成。主要功能和过程包括： 1）信息输入 在主菜单下选择菜单按钮即可完成船舶信息、航次信息、装卸信息、计算使用规范选择、航区选择、干舷选择、油水舱装载信息输入等。 2）集装箱装载 单个集装箱信息输入与显示，即单个集装箱类型、尺寸、高度、重量、重心、

33、垂向坐标、箱位号、箱格顺序号、使用人代码、始发港、到港、货主、备注说明等信息；清除所有集装箱；卸载某指定挂靠港集装箱；快速装卸单个箱和全部集装箱；显示全部装船集装箱清单；修改、恢复单个箱信息。 3）纵倾及稳性计算 可分别满足CCS规范和IMO规范对稳性计算的要求，进行配载后船舶排水量、型排水体积、重心位置、浮心位置、自由液面惯性矩、初稳性高度、横摇周期、横摇角等静水力性能主要指标以及最大静稳性力臂及对应角、稳性曲线消失角、浸水角、风压倾侧力臂、稳性衡准数、横摇加速度衡准数等大倾角稳性计算，并用图表及曲线显示。 4）总纵强度校核 迅速、方便地根据船舶配载的要求计算船上任一配载和空载状态下

34、船体指定部位的静水弯矩及静水剪力，并显示其最大许用值，也可计算因货物装载不均匀而产生的扭矩、稳性及水力性能的有关数据，并绘制出静水切力与弯矩曲线。 5）文件存取 选择主菜单下保存按钮，可保存已装载工况的积载情况；选择主菜单下旧状态按钮，即可打开所保存各种已装载工况的积载情况。 6）打印功能 主菜单下选择报告打印按钮，即可打印本次积载过程报告的封面、重量总结表、油水装载情况总结表、纵倾及稳性计算图表、强度计算图表、集装箱装载清单、集装箱Bay图等。 2.1.4 集装箱船舶的稳性、吃水差和强度的校核 2.1.4.1集装箱船稳性的计算和校核 首先，确定船用坐标系，以船舶中纵剖面、中横剖

35、面和龙骨基线平面的交点为坐标原点O，并以三个平面相互的交线分别设为x、y、z轴，分别从船首垂线、船中纵线和船底龙骨基平面起算确定船舶、集装箱等的位置。 1）货物重量和货物重心计算 设第i行、j列、k层箱位上的集装箱重量为P ijk，i= 1,2,…u; j=1,2, …w; k=1,2, …v。分别从船首、左舷和舱内第一行、第一列和第一层起算，设船上共有C只集装箱。 全船集装箱总重量P： （2-1） 货物重心纵向位置XP：XP=（）/ P （2-2） 货物重心垂向位置ZP：ZP =（）/ P （2-3） 货物重心横向位置Y

36、P：YP=（）/ P （2-4） 2）船舶其他重量及其重心高度的求取 设空船排水量为△0，空船重心距基线高度Z0，重心纵向坐标X0，纵向坐标为0；各油水舱载荷量和船舶常数的总重量G，其合重心的纵向、横向和垂向坐标分别为Xg, Yg, Zg；船舶压载水重量为BW，其合重心的纵向、横向和垂向坐标分别为Xb, Yb, Zb；船舶排水量为△。 3）船舶合重心位置的计算 X = （2-5） Y = （2-6） Z = （2-7） 4）在此基础上，计算船舶稳性

37、各项衡准指标，然后根据我国《法定规则》对装载集装箱船舶稳性的衡准要求进行校核，校核集装箱船舶的稳性流程图见图2-2。 信息输入 集装箱要素 压载水要素 船舶燃润油要素 船舶淡水要素 船舶常数要素 船员、供应品等要素 空船要素 计算与绘图 重心坐标（X、Y、Z） 船舶总重量△ 查船舶资料，获取相关参数 自由液面修正 计算初稳性高度GM、不同横倾角下的复原力臂GZ 风压倾侧力臂lf

38、 绘制静稳性曲线图 绘制动稳性曲线图 横摇角、进水角修正 最小倾覆力臂lh.min 结果 校核 最大静稳性力臂 初稳性高度 稳性衡准数 风压静倾角 稳性消失角 极限静倾角 我国《法定规则》对装载集装箱船舶稳性的衡准指标要求 K≥1 ≤min{12゜,θim} ≥55゜ ≥30゜ ≥0.20m ≥0.30m 图2-2 集装箱船舶稳性计算校核流程图 2.1.4.2 集装箱船舶吃水、吃水差的计算和核准 1）根据船舶排水量△，船舶重心纵向坐标X，以及查船舶资料得到

39、的船舶平均吃水dm，漂心距船中距离Xf，浮心距船中距离XB和厘米纵倾力矩MTC等，计算吃水差t、首吃水dF和尾吃水dA。 t = （2-8） df=dm＋－ （2-9） da= dm－＋ （2-10） 2）对船舶吃水的要求 可根据上海船舶运输研究所对远洋船舶的纵向浮态衡准要求（综合考虑国际海事组织IMO浮态衡准）进行核准(LBP：船舶两垂线间长)： 最小平均吃水dM.min：dM min≥0.02LBP+2 (m) （2-11） 最小平

40、均吃水dF min： dF min≥0.025LBP (m) （LBP≤150m） （2-12） dF min≥0.012LBP+2 (m) （LBP﹥150m） （2-13） 且实践证明，船舶最小吃水需保证螺旋桨沉深比在0.5以上，船首盲区需小于2倍船长。 3）对船舶吃水差的要求 当船舶资料提供最佳纵倾图谱或允许的吃水差限值曲线时，则要求船舶无论在港内作业中，还是在航行中，均应严格使吃水差保持在上下限允许的范围内。若船舶不具备这方面的资料，船舶工作人员应不断总结实践经验，得出船舶在不同装载状态下的合适纵倾值，并保证船舶处于该种状态，以使航行阻力

41、最小，所耗主机功率最小，从而节省燃料，提高经济效益。 2.1.4.3 集装箱船舶的总纵强度校核 校核集装箱船舶的总纵强度状况必须计算剪力和弯矩沿着船长方向的分布及其最大值，与具体位置的允许的剪力和弯矩值相比较，得到该位置实际剪力和弯矩占允许值的百分比，从而判断船舶总纵强度情况。 分析船体所受到的总纵弯矩时，将船体所受的弯矩M(x)分为静水弯矩Ms(x)和波浪弯矩Mw(x)，同样N(x)也分为静水剪力Ns(x)和波浪剪力Nw(x)。 M(x) = Ms (x) + Mw(x) （2-14） N(x) = Ns (x) + Nw(x)

42、 （2-15） 其中M(x) = = （2-16） N(x) = （2-17） q(x) 称为负荷，数值上等于沿船长方向各点的重力w(x)和浮力b(x)的差值，即： q(x) = w(x) － b(x) （2-18） 1）静水剪力和静水弯矩 只要给出静水中重量分布曲线ws(x)中和浮力分布曲线bs(x)，就可以按式（2-18）解出分布载荷qs(x)： qs(x) = ws(x) － bs(x) （2-19） 重量曲线ws(x)应根据空船重量曲线和各种装载所对应的曲线

43、绘制而成。通常，先用近似方法绘制空船船体的重量曲线w0(x)，然后在迭加油水重量曲线wg(x)、压载水重量曲线wf(x)和货物（集装箱）重量曲线P(x)。即： ws(x) = w0(x) + wg(x) + wf(x) + P(x) （2-20） 浮力曲线bs(x)应根据相应装载实际平衡位置，采用逐步逼近法求得。先用公式（2-8）（2-9）（2-10）计算出首尾吃水，再利用邦戎曲线求出相应于该吃水线时的浮力曲线，继而求得排水体积V1和浮心纵向坐标Xb1，若所得结果与给定的派水体积V0和重心坐标Xg相差较大时，则需进行第二次近似计算，求出新的排水体积V2和浮心纵向坐标Xb2

44、，如此反复进行，直至满足下述精度： ≤ 0.1% （2-21） ≤ 0.5% 求出船体平衡位置后，再根据邦戎曲线得到每一理论站号上的浸水面积Awi，各理论站距的浮力为（γ为排开水的密度）： b(i) = γ δLbp （2-22） 为了求解剪力和弯矩的方便，根据集装箱的纵向分布情况对全船沿船长方向划分若干个站点，并以集装箱区域的前端剖面作为0号 (n=0)，该处弯矩为Ms(0)，01行箱位后端剖面为1号(n=1) ，该处弯矩为Ms(1)，03行箱位后端剖面为2号(n=2) ，该处弯矩

45、为Ms(2)，依次类推，机舱范围作为一个整体看待。并假设船体按照上述站点划分后各分段的长度位xi。然后利用公式（2-16）（2-17）（2-18）计算静水剪力Ns (x)和静水弯矩Ms (x)。 2）波浪剪力和波浪弯矩 计算波浪剪力和波浪弯矩，一般均取波浪为坦谷波（以半径为R的圆，沿直线滚动，圆周上任一点的轨迹）为研究对象，并取波长等于船长L（此状态为船体受力最不利状态）。将坦谷波曲线置于静吃水线上，可采用逐次逼近的方法求出船体在波浪上的平衡位置，其迭代公式为： xwi,k+1 = xwi,k + + (－) (2-23) 式中， xwi,k为第k次迭代所求得的波浪表面坐

46、标；Fa为静水中的中横剖面浸水面积；Vk为第k次迭代所求得的船体排水体积；xb,k为第k次迭代所求得的浮心纵向坐标。 根据波浪表面积，由邦戎曲线可得每个站距上的横剖面浸水面积，将它减去静水中的相应浸水面积，就得到波浪附加浸水面积。将其一次积分就得到剪力，二次积分就得到弯矩，即： N(x)=－γ (2-24) M(x)=－γ (2-25) 最后，应用辛普生方法可求得上式的数值解。 3）集装箱船舶总纵强度校核流程图 根据以上分析，集装箱总纵强度校核流程图可设计为如图2-3所示： 空船重量曲线

47、w0 油水重量曲线wg 重量曲线W 邦戎曲线及其他原始数据 集装箱重量曲线p(x) 由吃水求浸水面积Fwi（采用插值法） 压载水重量曲线wf(x) 用数值积分求排水体积Vk 和浮心纵向坐标xbk 逐次逼近计算吃水和吃水差 检查平衡位置，是否符合条件： V - Vk≤0.005V, xg - xbk ≤ 0.001L 否 是 波峰或波谷在船中种 静水状态 静水剪力NS和静水弯矩MS 波浪剪力

48、Nw和波浪弯矩Mw 实际剪力N和实际弯矩M 船体各段实际剪力N和实际弯矩M占允许剪力N’和允许弯矩M’的比例是否小于100% 否 是 符合要 求，结束 图2-3 集装箱船舶总纵强度校核流程图 2.2 现代物流管理对集装箱船舶配载系统的要求 2.2.1 在操作性方面 集装箱船配积载不仅是集装箱运输管理工作中的重要环节，同时也是现代物流中关键性环节之一，它的工作成效直接关系到集装箱营运管理、码头经营管理效率的高低，同时也会影响到整个物流体系的共同利益。仅在这一点上，就

49、集装箱船配积载内部操作而言，它应满足现代物流的自动化、合理化、最优化的发展趋势。由于它具有编制过程复杂、数据处理量大、限制条件多、要求迅速完成等特点，集装箱船配积载一直被认为是一项既重要又颇有困难的工作。近年来，随着计算机应用技术的不断发展，为提高集装箱船配积载效率，集装箱船公司及其代理公司和集装箱码头装卸公司都在努力探索和研究集装箱船配积载辅助软件，并相继开发出一些基于Windows操作系统下的配积载软件。这些软件采用可视化窗口界面编程工具设计，利用窗口、表格、图像、文件等工具帮助配积载人员选择集装箱箱位，并具有核算集装箱船舶稳性、强度和吃水差等性能数据的功能。虽然这些软件在一定程度上减轻了

50、船港间集装箱配积载人员的劳动强度，但也明显存在着一些局限性，比如： 1）自动化程度不高。配载最终还是要依赖于人类经验知识，一个典型的例子就是箱位的选配尚需人工脑力作业，它们不能很好地处理配积载过程中所涉及到的那些不规范的经验性知识，从而影响了配积载准确性和快速性； 2）配载方案本身存在较大的盲目性。在配载不能做到依据一定的优化方案，有目标性地进行集装箱的选择与配装。传统的配载只能被动地接受货物，只停留在配载—调整—再配载的操作阶段； 3）缺乏配载方案的评估系统。最终的配积载方案的优劣尚存未知，更不要谈及与最优化方案的距离如何。这在很大程度上，影响了现代物流优势的发挥与相关效益的提高。

51、知识工程学科的迅速发展，为解决复杂的集装箱船配积载问题开辟了崭新的思路。目前各种专家智能系统在诸如医疗诊断、气象预报、故障诊断等领域中得到广泛的应用，并起着巨大的作用。针对目前集装箱船舶和码头配积载中箱位选择尚需利用人工经验知识作业的问题，设计了基于知识推理技术的集装箱船自动配积载专家系统，为提高集装箱船配积载的智能化水平，探索知识工程理论在集装箱运输管理问题上的应用已成可能。 集装箱船舶配载涉及诸多的随机因素，同时，满足配载有关衡准要求和其他要求的配载方案也有多个，在这些可行性方案中选取一个符合一定优化程度的最优方案是集装箱配载设计所追求的目标。同时集装箱船配载的优化目标又涉及船舶

52、强度、稳性、装载能力和吃水差等多个方面，是一个多目标的优化问题。为此，我们在分析集装箱配载中目标因素的基础上，利用线形规划（线性优化）寻求目标函数最优值的方法来解决这个问题。 集装箱船配载方案的评估也是许多学术界专家一直努力解决的问题。船舶配载的好坏，直接关系到船舶营运过程中的安全性和经济性。建立一种船舶配载方案模糊评价方法，从而为船舶配载提供参考。该种评价方法的关键是建立船舶配载评价的标准集。衡量船舶配载方案好坏的指标较多，现取对安全性和经济性影响最大的初稳性高度、纵向最大弯矩和纵倾作为评价指标。船舶的初稳性高度，不是简单的越大越优或越小越优指标，因而不能直接地应用求指标相对优属度的公式进

53、行计算，需要做特殊的处理。单从安全性考虑，初稳性高度越大越有利；但初稳性高度的增大会加剧摇摆，因而对应某种装载状况的最佳初稳心高度，应该是规范允许的范围内的一个值。该值的获取可以是专家经验或统计资料分析，也可以通过优化得出。以该最优值为界，大于该值为越小越优指标，小于该值为越大越优指标。对于纵倾，实验表明，略带尾倾对快速性有利，因而有一个最佳尾倾值，此问题的处理同初稳性高度相同。而对于纵向最大弯矩值则越小越优指标。在实践中，船舶装载状况很多，对每一种装载状况的评价标准也应有所不同，也就是说评价标准是同具体装载状况相联系的。 2.2.2 在管理性方面 现代物流是指物质资料从供应者向需要者的物

54、理性转移，是创造时间性、场所性价值的经济活动。它是以给顾客提供优质的服务为目标，以信息技术为支撑，以交通运输为主要手段，通过供应链的概念将物流各环节整合在一起，这种整合不仅使企业内部的物流过程作为一个系统进行统一考虑，而且对物流过程的优化涉及到社会供应的各个环节，这种优化最显著的特征是借助于计算机网络技术的应用。 作为现代物流管理供应链一个节点的集装箱船上配载，在实现物流管理的战略目标方面应发挥其应有的作用，并且，这种作用已显得越来越重要且明显。在物流管理的战略目标的实现的角度看，集装箱船上配载系统区别于传统的集装箱配载系统的特点可归纳为以下几个方面： 1）提供最安全的保障 在整个物流过

55、程中，集装箱船上配积载具有管理时间长，海上运输条件特殊，特别是它兼备运输、储存、配送多项功能之特点。因此，作为集装箱货主，为了最大限度控制成本，获得最佳服务，他们现在对整个运送过程及方式感兴趣，他们要求物流方按照约定要求全面、有效地控制货物送达的时间、数量和质量。而提供最安全的保障是这些服务中最基本要求。只有建立在安全的基础上，服务的质量、成本的降低、风险的规避、良好的信誉等等才有保证。正如前面已经论述，保证货物的质量是集装箱船上配积载的基本原则，而这也正是现代物流对集装箱船上配积载提出的要求。 2）缩短物流管道 这意味着寻找减少周转时间和存货的办法，存货可以出现在供给链中的不同节点上，当

56、然也包括在集装箱船上配积载中。存货的作用是当供给链出现问题引起需求波动时，用作缓冲。这些存货增加了总供给链的长度，而零库存的原则要求在顾客与供应商之间的紧密配合，以减少对存货的依赖。在服务需求趋向小批量、多样化和多元化、个性化的情况下，零库存是物流服务货主需要发展专业化、个性化和柔性化的服务项目之一。 3）增加物流管道的透明度 管道的透明度是指知道什么时候、什么地方、多少数量的货物以及在供应管道中的可以达到的目的地。传统上的集装箱配载，这些信息对于货主是不清楚的，最多只是明白部分属于自己企业范围的信息，供给管道中的瓶颈与过多的存货不易发现。不良的管道透明度会导致不良的供给链控制。为达到完美

57、的供给链控制，掌握管道的实时信息是必需的。现代物流着眼于运输流程的管理合理化和信息化，通过建立数据库、物流管理中心使作业与服务变得公开和透明，有利于适应生产的节奏、产品销售的计划，构成服务质量的组成部分。 4）物流系统化管理 传统上，物流只是作为功能性的部门。当今，物流已被看成对主业具有很大影响作用。这种转变是由于经济的全球化趋势，导致供给链的延长，企业不得不把物流系统整合起来管理，以联接市场的供需双方，系统中某一部分的决策，会影响整个系统的运作。仓储现代化要求高度机械化、自动化、标准化，运输现代化要求建立综合运输体系。集装箱船上配积载同样应该被置于整个物流系统中进行组织管理。通过供应链的

58、概念建立起对企业供产销全过程的计划和控制，从整体上完成最优化的生产体系设计和运营，在利用现代信息技术的基础上，实现了货物流、资金流和信息流的有机统一，降低了社会生产总成本，使供应链各方最终达到皆赢的战略目的。 通过以上分析，我们已经知道现代物流管理中的集装箱配载系统区别于传统配载系统的特点和要求，采用比较分析方法，现具体列表2-1说明如下： 表2-1 现代物流管理中的集装箱船舶配载系统与传统配载系统之区别 研究项目 传统配载系统 满足现代物流管理需要的配载系统 是否与客户共享配载信息资源 否 是 提供客户服务 简单、单一 具体，柔性化服务 客户对箱位

59、的跟踪 船位查询 船位跟踪 追求利润 追求部门利润 追求共同利润，实现双赢 满足客户需求 基本需求 深层次需求 与客户的关系 零散型，关系较松散 伙伴型，关系紧密 我们可以得出结论，集装箱配载系统为适应现代物流管理发展的需要，就必须充分利用计算机网络技术，全面规划供应链中的物流、信息流、资金流，通过应用GPS定位技术、EDI技术、POS数据读取系统等技术，构建统一的集装箱、货物、航线与商务等电子数据交换平台，建立与主要港口、代理、货主以及海关、银行、保险、商检等部门之间的横向联网系统，为货主提供方便快捷的信息服务，为推动物流业实现标准化和信息化。在物流的交易条件、技

60、术装备、单证文件、法律环境和管理手段等方面推行统一的国际标准，对物流全过程进行适时的监控和跟踪管理。最终使得供应链成员能够及时有效地获取需求信息并及时响应，以满足运输企业、集装箱用户和相关部门的数据交换与信息整合的自动化处理需求，为充分发挥作为现代物流环节的作用打下基础。 第三章 集装箱船舶配载优化设计与自动配积载系统研究 3.1 集装箱船舶配载优化设计目标研究 编制集装箱船配积载计划过程中，积载人员在熟悉集装箱船舶和货箱资料的基础上，不仅要考虑船舶稳性、强度和吃水差指标要求，还要考虑如何最大限度地利用船舶箱位容量同时又尽可能减少倒箱；另

61、外还须考虑集装箱在码头的堆存情况。概括起来需综合考虑下列因素： 1）货箱因素。包括航次订舱箱量，航次订舱总重量，航次装卸港，箱子特征（如箱类、箱号、重量、尺码等），场箱位。 2）船舶因素。包括船舶类型、船长、型宽、吃水载重量、舱室重心位置、静水力参数等船舶性能数据和总箱位、甲板箱位、舱内箱位、20ft.箱位、40ft.箱位、特殊箱位等箱位分布资料。 3）安全因素。包括稳性、纵向强度、局部强度、吃水差及系固要求等。 4）其他因素。包括危险箱、冷藏箱、超尺度箱等特殊箱装载要求；中途港货箱顺利卸载要求；便于装卸要求，缩短船舶在港停泊时间要求等。 上述因素在集装箱船配积载过程中相互关联，相

62、互影响，相互矛盾，使得配积载计划编制变成复杂的多目标组合优化问题。其中大量复杂因素之间的关系不可能完全由数学方法建立优化模型来解决，它在很大程度上还需依赖于经验性知识的分析与推理。知识工程学科的发展正使人们的注意力从数据处理转移到知识处理上来，谋求将那些具有不确定性的知识以约定的形式表示在计算机中，利用各种知识推理技术建立相应的专家系统。 3.1.1 关于集装箱船最适度稳性的探讨 在第二章中已经论及集装箱船必须具有合适稳性的重要意义。合适的船舶稳性必须满足两方面的要求。一方面，要求船舶保证满足船舶稳性衡准的各项要求。当然，即使当船舶稳性在满足稳性衡准要求时，船长也应保持适当的谨慎。IM

63、O关于《所有类型船舶的完整稳性规则》前言部分的第3款指出：“在本规则指定的全过程中，人们认识到鉴于船舶的类型和大小及其营运和环境上的状况多样性，防止船舶稳性事故的安全问题一般来说尚未解决。特别是，海上航行船舶的安全涉及到复杂的、至今尚未得到适当调查和了解的流体力学现象。” 在该规则的2.3.1款中还指出：“不论在何种情况下，符合稳性衡准既不能确保不会倾覆也不解除船长的责任。因此，船长应注意到该年的季节、天气预报和航行区域，谨慎行事并发挥良好的船艺，还应根据当时情况采取航速和航向方面的适当措施。”另一方面，适当的稳性应保证船舶具有合适的横摇周期，并要求能减小绑扎设备的受力。在这方面，对于集装箱船

64、舶来说，集装箱绑扎系统的初稳性高度设定值是一个很重要的技术数值。船厂根据这一设定值来计算集装箱绑扎设备的受力，从而确定绑扎方式、绑扎设备的数量和设备的安全负荷的要求值。船舶绑扎系统是按照初稳性高度的设定值设计的。当船舶的初稳性高度超过该值时，就可能使绑扎设备的受力超过设计负荷。从这一角度出发，对集装箱船舶稳性的要求可以理解成在保证足够的前提下尽量保持较小的范围。 1）集装箱船稳性的允许范围 船舶初稳性高度是满足船舶稳性衡准最基本的条件，同时考虑集装箱绑扎设备的受力等对船舶稳性要求也体现在初稳性高度设定值上，因此，对集装箱船舶稳性的合适范围的要求可以体现在对初稳性高度GM合适值的要求上。

65、（1）对集装箱船舶最小稳性的要求 从我国《法定规则》对集装箱船舶的稳性衡准要求可以看出，核算全面稳性必须分别核算船舶的初稳性、大倾角稳性及动稳性。为了核算的方便，实践中可以采用临界稳性高度GMc核算法，只要在某装载状态下的初稳性高度GM ≥ GMc，则集装箱船舶的稳性一定会同时满足《法定规则》基本稳性衡准和特殊稳性衡准的各项要求。GMc可以从船舶稳性报告书中的GMc曲线图查得，如资料中没有该曲线图，可以自行绘制。值得注意的是，临界稳性高度GMc只是根据《法定规则》的有关稳性要求得出的最低标准。在实践中，必要时可根据具体情况考虑一定的安全余量§GM，即保证船舶实际初稳性高度GM满足：GM ≥G

66、Mc＋§GM。 （2）对集装箱船舶最大稳性的要求 实践中，多以船舶的横摇周期来检验和判断船舶稳性的优劣。我国《法定规则》中提供的横摇周期Tθ与初稳性高度的GM0关系式为： Tθ = 0.58f ( s ) (3-1) 式中：B为船舶型宽( m )； KG0为所核算装载状态下船舶重心距基线高度( m )；GM0为所核算装载状态下船舶未经自由液面修正的初稳性高度( m )，f为根据船宽吃水比确定的系数。 实践中广泛为船员采用的一个经验公式是： Tθ = ( s ) (3-2) 式中：B为船舶型宽( m )； GM0为所核算装载状态下船舶未经自由液面修正的初稳性高度( m )，C为横摇周期系数，其值与船舶大小、形状及重量分布等因素有关。对于不同类型的船舶，C的值约在0.64～0.94，平均值取0.8，一般船舶空载/压载时取值较大，满载时可取较小的值。另外，长宽比（L/B）和船长（L）大，而宽吃水比（B/d）小 的船，如集装箱船舶，取值一