本文是一篇物流管理论文，本文对不同业务场景、不同研究角度下的化学品船舶运输业务相关的优化问题进行了详细总结与综述。针对本文研究的不定期船舶业务下带时间窗及特殊约束的多舱化学品船队运输调度问题，分别从问题分析与描述、问题模型构建、算法设计、算例分析等几个方面进行重点研究。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
在全球化发展的背景下，化学品物流运输采用的方式很多，包括公路运输（道路运输）、水路运输、铁路运输和航空运输。海上运输段在全球石油贸易物流中占据着毋庸置疑的重要地位。在我国，大量的化学品进出口业务刺激了化学品海上物流的需求，根据国家统计局数据显示，我国 2018 年化学品及有关产品出口额达 1674.7 亿美元，化学品及有关产品的进口额达 2236.4 亿美元。以原油及成品油为例，根据国家统计局统计年鉴数据[1]如图 1-1 显示，过去十年我国原油进口量及成品油出口量呈上升趋势。原油进口金额在 2014 年甚至超 2000 亿美元，近几年交易金额也基本在 1000 亿美元以上。
图 1-1 2007-2017 年我国原油进口量及金额/成品油出口量及金额
随着行业竞争的加剧，经营化学品船的巨头 Stolt-Nielsen 在其 2019 年第三季度财政报表中也着重强调了由于市场原因正常运营的船舶不断涌入化学品船市场，造成的后果就是运力过剩、运费不断下降带来的收益减少。市场竞争让越来越多的企业开始重视缩减成本。不少化学品承运企业为了提高营收，平衡高额的运输成本，会在不影响合同订单执行的前提下，根据市场需求和船队情况，承接一定的市场订单来增加营收，这种不定期化学品海上运输业务会涉及很多决策问题，这些决策都将直接影响着化学品海上运输的成本。对资源进行有效调度，科学地进行决策优化是化学品企业提高服务水平的同时降低业务成本的一个有效手段。此外，化学品大多为危险品，危险品运输需要考虑多种条件要求，对安全运输有着较高的要求，一旦发生运输事故其带来的风险成本是极其高昂的。利用科学的技术手段充分考虑化学品特性及多种运输要求，更有利于制定安全高效的船舶运输调度计划。
.............................
1.2 课题来源
本课题来源于企、事业单位委托项目：化学品船智能货物配载系统研究。
1.2.1 国内外相关研究现状
化学品海上运输调度相关的决策问题很多，根据研究角度、目标选取的不同，会衍生出很多不同的优化问题。本文所研究的化学品船舶运输调度问题旨在为一支船队的每一艘化学品船舶选择最佳的市场订单组合并制定相应的最佳航线，优化目标为最大化订单收益的同时最小化运输成本。因此该问题侧重于订单选择、指派以及及航线规划，而并未考虑风险成本及船舶变速等方面因素，相较于注重风险控制和注重船舶航速控制的运输调度优化研究，在模型设置上就有很大的不同，不同优化角度下的化学品海上运输业务相关的优化调度问题将在第二章节详细介绍，本节仅针对本文所研究的基于订单选择的化学品船舶运输调度问题做详细的相关研究现状分析。
根据相关研究所采用的优化算法分类，本节从精确算法研究和启发式算法研究两方面分别论述，此外，考虑到船舶运输调度问题与取送货车辆路径规划问题有一定的相似性，对车辆取送货问题中的类似研究进行研究综述，并讨论了两种问题研究的异同点。
1.2.2化学品船舶运输调度问题研究
从 20 世纪 50 年代开始，海上运输就引起了学术研究人员的兴趣。而在化学品物流优化领域，国内大部分研究集中于危险化学品内陆运输包括车辆安全监控、危化品车辆路径规划等等，在海上物流方面的研究较少。国外关于化学品海上运输优化的问题研究起步相对较早。通过谷歌学者数据库对同时包含“运筹优化”和“化学品海上运输”关键字的文献进行检索并统计研究数量，从图 1-2 中不难看出 1989 年至 2019 年上旬，有关化学品运输调度优化的相关研究文献数量增势明显。
图 1-2 谷歌学者库同时含“化学品海上运输”、“运筹优化”的文章数量趋势图
.........................
第 2 章 相关知识与理论
2.1 化学品海上运输介绍
在详细描述本文所研究的化学品船舶运输调度问题之前，需要进一步了解我国的化学品海上运输业务。本节首先将从介绍化学品海上运输业务开始，介绍化学品海上运输的供应链结构，重点介绍本文所研究的化学品船舶运输调度问题的业务背景——不定期化学品船舶运输模式。其次，对化学品运输调度问题网络结构进行分析。最后介绍化学品船舶及货物，介绍船-货不兼容及货-货不兼容约束的由来。
2.1.1 化学品海上运输业务
在我国，以石油、天然气等为基础原料的化工产业集群大多分布在西部，而其输出产品的销售地和下游深加工企业又多集中在东部沿海地带。我国 5000 余种化工原料产销分布不均，几乎 95%以上需要异地运输，“产销分离”决定了“危化物流”需求的紧俏。此外，我国原油产量和原油加工量不断增长，煤化工、天然气、油页岩化工发展速度加快，其产品多为液体和气体。根据国家统计局数据[1]显示，我国 2018 年硫酸产量 9129.7 万吨，纯碱产量 2620.5 万吨，乙烯产量1841 万吨，农药产量 374.1 万吨。经过多年的高速发展，中国的主要危化品生产量均居世界前列，这些危化品产能的过剩则进一步加剧了对物流仓储的巨大需求。而放眼全球，化学品海上运输业务则是全球化贸易重要的一环。分布全球各地的各大化学品主要生产中心例如位于中东的世界规模的化学品加工企业，通常需要向世界各地的下游制造商出口大量的化学产品。这种深海贸易运输便是很多大型化学品运输承运商的主营业务。大型化学品运输承运商拥有着多种型号的多舱化学品运输船舶，并依据各化学品公司的订单需求，安排船舶穿梭于各大化学品港口之间完成运输任务。
.............................
2.2 化学品船舶运输调度问题类型及应用研究
上节介绍了化学品船舶运输业务的几种不同的业务模式。无论是在哪种运输业务模式下，承运商都需要对自身资源进行合理调度。对于化学品航运企业而言，运输业务相关的优化问题很多，例如航线开发、航线配船、船队运营以及船舶调度等等，且涉及战略规划、战术规划以及运作优化三个不同的管理决策层次，不同层次下的优化问题隶属关系如下图 2-4 所示：
图 2-4 不同决策层次下的优化问题
............................
第 3 章 问题描述及模型构建 ......................................... 32
3.1 化学品船舶运输调度问题描述 ........................................ 32
3.1.1 问题分析 ................................. 32
3.1.2 问题描述 ..................................... 33
第 4 章 算法研究及改进策略 .................. 49
4.1 粒子群算法 ..................................... 49
4.1.1 粒子群算法设计 .................................. 49
4.1.2 参数设置 ................................... 54
第 5 章 实验结果及对比分析 ....................... 61
5.1 算例介绍及数据说明 ........................................... 61
5.2 实验设计 ..................................... 64
第 5 章 实验结果及对比分析
5.1 算例介绍及数据说明
本文采用的实验算例有两个，根据港口的分布情况可分为国际运输调度算例和国内运输调度算例。
（一）国际化学品船舶运输调度算例
国际化学品船舶运输调度算例的数据为文献[8]的案例数据。其背景是一个大型航运公司面临的规划问题，该公司在亚洲地区经营着一支由多舱化学品液货船队。船队整合了全球分销服务，通过从该公司的深海船队计划转运，将货物重新分配到该地区的各个卸货港。该公司船队通过与该地区制造商的长期货运合同及现货市场需求，为该地区日益增长的化学品运输市场提供服务。订单所涉及的港口分布较广，港口数量较多。相较于国内的化学品海运业务而言，订单不具备地区流向性质。此外，受国际港口距离普遍较远的影响，国际化学品船舶运输调度问题的调度周期更长。
国际化学品船舶运输调度案例的数据涉及 36 个港口，10 艘多舱化学品液货船舶，订单数为 79 笔，其中待选择市场订单 42 笔，船舶运输速度设置为 13 海里/小时。具体数据可查阅文献[8]。
（二）国内化学品船舶运输调度算例
国内化学品船舶运输调度算例数据根据国内行业分析报告、国内化学品船舶及港口实际作业数据生成。国内航线规划算例的背景是从事国内短期化学品散货运输的化学品承运商所面临的规划问题。业务涉及港口主要分布于国内沿海，涉及天津、大连、青岛、宁波、舟山、漕泾、惠州等多个主要的内贸散装液体化学品业务挂靠港口。由于国内港口间距离相较于国际航线更短，从事内贸的化学品海运业务的周期相较较短。
..................
