1、第 卷第 期重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）：基于港口环境效益的岸电与泊位联合分配优化研究闵德权，张志铎，张伟航（大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连）摘要:船舶在港口靠泊期间利用岸电来满足船舶的用电需求,是减少船舶辅机排放的有效措施。以港口供应链整体利益最优为目标,提出了一种兼顾岸电使用成本和环境效益的岸电分配与泊位分配协同优化方案,从而减少岸电系统的使用成本,减少碳排放提高环境效益。基于连续泊位状态分析,在港口提供不同功率情况下,采用多目标遗传优化算法对模型进行求解,确定满足岸电使用成本最小和港口环境效益最大的相对较优解集。最后考虑两种碳税收状况下的排
2、放成本确定最优方案,将优化方案与基础方案进行比较证明模型的有效性,证实模型在靠泊时间和岸电使用不同偏好下具有较好的适用性。关 键 词:交通运输工程;泊位分配;岸电分配;环境效益中图分类号:U 6 9 2.3文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-0 6 9 6(2 0 2 3)0 1-0 8 3-0 8O p t i m i z a t i o no fJ o i n tA l l o c a t i o no fS h o r eP o w e ra n dB e r t hB a s e do nE n v i r o n m e n t a lB e n e f i t o fP o r
3、 tM I ND e q u a n,Z HANGZ h i d u o,Z HANG W e i h a n g(S c h o o l o fT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g,D a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y,D a l i a n1 1 6 0 2 6,L i a o n i n g,C h i n a)A b s t r a c t:I t i sa ne f f e c t i v em e a s u r e t or e d u c et h ee m i s
4、 s i o no fs h i psa u x i l i a r ye n g i n et om e e t t h ed e m a n do fs h i pse l e c t r i c i t yb yu s i n gs h o r ep o w e r d u r i n gb e r t h i n g i np o r t.I no r d e r t oo p t i m i z e t h eo v e r a l l b e n e f i t s o f p o r t s u p p l y c h a i n,as y n e r g i s t i co
5、p t i m i z a t i o ns c h e m eo f s h o r ep o w e rd i s t r i b u t i o na n db e r t ha l l o c a t i o nc o n s i d e r i n gb o t ht h ec o s to f s h o r ep o w e ru s ea n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sw a sp r o p o s e d,s oa st or e d u c et h eu s ec o s to fs h o r ep o w e
6、rs y s t e m,r e d u c ec a r b o ne m i s s i o n sa n di m p r o v ee n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s.B a s e do nc o n t i n u o u sb e r t hs t a t ea n a l y s i s,w h e nt h ep o r tp r o v i d e dd i f f e r e n tp o w e r,t h e m u l t i-o b j e c t i v eg e n e t i co p t i m i z a t
7、 i o na l g o r i t h m w a su s e dt os o l v et h e m o d e la n dd e t e r m i n e t h e r e l a t i v e l yo p t i m a l s o l u t i o ns e t t h a tm e t t h em i n i m u mc o s t o f s h o r ep o w e ru t i l i z a t i o na n dt h em a x i m u me n v i r o n m e n t a l b e n e f i t so f t h
8、ep o r t.F i n a l l y,t h eo p t i m a l s c h e m ec o n s i d e r i n gt h ee m i s s i o nc o s tu n d e r t w oc a r b o nt a xc o n d i t i o n sw a sd e t e r m i n e d.T h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h eo p t i m i z e ds c h e m ea n dt h eb a s i cs c h e m ep r o v e st h ev a l i
9、d i t yo f t h ep r o p o s e dm o d e l,a n dc o n f i r m st h a t t h ep r o p o s e dm o d e lh a sg o o da p p l i c a b i l i t yu n d e rd i f f e r e n tp r e f e r e n c e so fb e r t h i n gt i m ea n ds h o r ep o w e ru s e.K e yw o r d s:t r a f f i ca n d t r a n s p o r t a t i o ne n
10、 g i n e e r i n g;b e r t ha l l o c a t i o n;s h o r ep o w e rd i s t r i b u t i o n;e n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s 引 言为了维持工作生活需要船上在停泊期间使用辅助发电机发电提供动力排放大量的污染物。船舶在靠泊期间使用发电机生成的碳排量占港口总排碳量的 左右，是影响港口及所在城市空气质量的重要因素。如何控制和减少污染物排放，实现航运和港口的可持续发展，是一个迫切需要解决和研究的问题。岸电（），是一种通过岸线电网而不是辅助柴油发动机向船舶供电的减排措
11、施，可以有效降低船舶靠泊期间的排放和噪声减少港口的 收稿日期：；修订日期：第一作者：闵德权（），男，上海人，教授，博士，主要从事交通运输管理方面的研究。：排放成本，由于其适用于任何大小船舶，同时减少各种空气污染物的优点而被广泛应用，特别是可再生资源提供岸电。然而，由于岸电使用成本高，这就带来了一个问题：考虑经济效益和环境效益的权衡，是否为靠泊船舶分配岸电，如何分配，对随机到岸船舶分配哪个泊位。因此为了解决此问题，提出了一种兼顾经济效益和环境效益的岸电分配与泊位分配的协同优化问题的解决方法。国内外许多学者在岸电方面进行了研究，其中 等考虑了政府制定补贴计划下的岸电部署问题，通过裁剪标注算法证明补
12、贴计划产生了巨大的环境和健康效益；证明了不同的港口使用岸电的污染物排放有所不同，使用清洁能源为岸电提供电能能够更有效地减少污染物的排放；等提出政府为港口和航运公司提供岸电建设补贴越有效，这些公司收回成本的速度就越快；等针对集装箱码头复杂、随机的操作过程；提供了一种考虑到岸船舶随机性的岸上电力系统所需功率的确定方法；等为了实现岸上电源总成本与船舶碳排放之间的权衡，强调了电价对最优配置的重要性。大多岸电文献是关于岸电政策，岸电配置等方面进行了研究，关于港口如何进行岸电分配，提高岸电利用效率，减少岸电使用成本的研究尚缺。在泊位分配方面现有论文众多，其中焦小刚等考虑了泊位需要定期维护的特征，以船舶周转
13、时间最小为目标建立了混合整数线性规划模型并用 种启发式算法和 验证其有效性；等研究了船闸和码头协同调度问题（）首次考虑了集装箱船舶的离散泊位分配和系泊问题调度的约束，设计了基于禁忌搜索的多阶最优拟合算法进行求解；等引入了实际码头的复杂布局引入了空间约束，限制了船舶的系泊和离港，构建了混合整数规划模型并用启发式算法进行验证；等研究了船舶泊位动态连续分配问题，采用两阶段程序求解，第 阶段使用启发式生成可选的船舶放置序列，第 阶段使用（改进的蛙跳算法）来求解验证 具有潜力在集装箱码头处理；张雯钰等研究泊位调度的服务基础上，考虑了 客户服务优先权因素，建立了具有船舶服务优先权的多目标数学规划模型，并用
14、结合邻域搜索的模拟退火算法求解；等考虑了潮汐和水深的连续泊位分配、吊车调度和分配的问题，用粒子群算法进行求解；那广哲考虑了码头服务船舶的总成本，针对问题特征设计了禁忌搜索算法求解；等在 问题中考虑了河道流量和潮汐的约束，基于集合划分重构送完基础上，提出了列生成求解方法。以往有关泊位分配的文献主要以船舶在港口成本最小为目标。然而，船舶泊位分配和岸电分配的协同优化相关的文献尚缺。岸电能有效的减少船舶在泊位的污染物排放，减少排放成本的特点，因此岸电的使用前景很大。由于船舶泊位分配对岸电分配和利用率影响较大。因此，在连续泊位下考虑船舶的泊位分配，研究船舶是否分配岸电以及如何分配是十分必要的。针对这一问
15、题，提出一个港口对岸电使用不同偏好下的兼顾环境和成本的一种协同优化方案，使用 算法进行求解，证明模型的有效性，最后考虑不同碳税定价下的排放成本得出最优解。问题描述基于连续泊位分配问题基础上，考虑对船舶的岸电分配。船舶在港口的流程如图，船舶到达港口后先在锚地等待，如果有空闲泊位港口安排船舶靠泊，同时安排装卸设备对船舶进行装卸作业和考虑是否为该船舶分配岸电，如果没有空闲泊位船舶在锚地进行等待，船舶完成装卸作业后离开港口，船舶的靠泊位置和靠泊时间对岸电的使用成本和船舶排放影响很大，所以如何对船舶进行泊位分配对岸电的使用效率有很大的关系。研究的重点包括 个部分：）船舶在港口的操作过程。）船舶岸电的环境
16、效益。）岸电分配和泊位分配的协同优化。图 船舶在港口的操作流程 重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷在船舶靠泊作业过程中，由船舶辅助发动机消耗燃料提供电能，产生污染物和噪音。港口使用岸电可以有效的减少船舶污染物的排放。其中当船舶未分配岸电时，必须使用辅助发电机对船舶进行供电。柴油消耗量如式（）：（）（）式中：为船舶 柴油消耗量；为船舶辅机负载系数；为船舶 的发动机功率；为船舶的辅机柴油消耗率；为船舶 在泊位工作时间。辅助发电机的排放量如式（）：（）式中：为船舶 污染物排放量；为污染物排放系数。当船舶分配岸电后，船舶消耗电量如式（）：（）式中：为船舶 所消耗的电量。协同优化模型建立为了解决为哪个船舶分配岸电以及随机到达船舶分配到哪个泊位，使成本最小，环境效益最大，本节提出了一种协同优化模型。模型假设条件）航道有足够的宽度和深度提供航行，所以不需要考虑潮汐问题。）船舶的到达时间已知，不考虑天气、事故等对船舶的干扰。）所有抵港船舶均已改装或配备岸电连接装置，泊位能为所有的船舶提供岸电。符号说明 决策变量：当，表示船舶 在泊位工作时由岸电提供用电；：当，表示船舶 的位置在
