課程設(shè)計—集裝箱碼頭

1、集裝箱碼頭課程設(shè)計姓名：班級：學院：摘 要本文研究的是集裝箱碼頭堆場的叉車管理問題，通過對叉車的指派問題和行走的最短路徑問題的研究，達到科學的安排叉車裝卸作業(yè)的目的。使用Excel辦公軟件，科學的分析和建模，成功解決以上物理運籌學的問題，得到最佳的生產(chǎn)分派方案。讓人們認識到Excel強大的計算功能，也更加能熟練操作Excel，為以后的學習和工作打下基礎(chǔ)。更認識到管理的數(shù)字化和科學化可以使物流運作中有限資源得到合理的計劃、組織與分配，有效的協(xié)調(diào)和控制，達到最佳效益和效率。關(guān)鍵字：集裝箱碼頭叉車管理，指派問題，最短路徑問題，物流運籌學，Excel第一章 引言集裝箱叉車是集裝箱碼頭的常用裝卸機械，主

2、要用于吞吐量不大的綜合性碼頭進行集裝箱的裝卸、堆垛、短距離搬運、車輛的裝卸作業(yè)，是一種多功能機械，具有機動性靈活、通用性好、應(yīng)用廣泛、性能可靠、造價低廉等特點。因此，在集裝箱堆場中，對叉車的管理顯得十分重要，在叉車數(shù)量有限的情況下，如何分配作業(yè)，如何安排叉車的移動路線，最大限度使叉車的作用最大化，成了本次課程設(shè)計研究的課題。我們選取了兩個問題研究，一個是叉車所在處到各箱區(qū)的指派問題，另一個是叉車行走的最短路徑問題。這些都屬于物流運籌學的研究范疇。傳統(tǒng)的研究都建立在復(fù)雜的公式和大量的基礎(chǔ)上，無形中增加了研究的難度，也容易出現(xiàn)誤差。如果我們用熟悉的Excel來做，那么需要做的僅僅是在Excel表格

3、中建立能夠完全描述問題的模型而已，剩下的計算就由計算機代勞，大大減低了計算的難度。在科學計算上，使用Excel可以進行變量求解、假設(shè)分析、規(guī)劃求解等，提供了強大的表格計算功能、靈活的數(shù)據(jù)庫管理功能、多方面的數(shù)據(jù)分析功能。本文詳細介紹了應(yīng)用Excel在物流運籌學中建模及求解的方法，通過例題進一步掌握運籌學有關(guān)方法原理、求解過程，提高學生分析問題和解決問題能力。第二章 叉車所在處到各箱區(qū)的指派問題1.指派問題介紹在物流活動中經(jīng)常遇到各種性質(zhì)的指派問題（Assignment problem），有n項目運輸任務(wù)，恰好有n輛車可以承擔這些運輸任務(wù)，由于車型，載重，路線以及司機對道路的熟悉程度等方面的不同

4、，效率也不一樣，于是產(chǎn)生了應(yīng)指派哪輛車去哪里完成哪項運輸任務(wù)，使總效率最高（或者路程最短，或時間最短）的問題，這類問題稱為指派問題。需要說明的是：指派問題實際上是一種特殊的運輸問題。其中出發(fā)地是人，目的地是工作。只不過，每一個出發(fā)地的供應(yīng)量都為1（因為每個人都要完成一項工作），每一個目的地的需求量都為1（因為每項工作都要完成）。 指派問題的假設(shè):（1）被指派者的數(shù)量和任務(wù)的數(shù)量是相同的 （2）每一個被指派者只完成一項任務(wù) （3）每一項任務(wù)只能由一個被指派者來完成 （4）每個被指派者和每項任務(wù)的組合有一個相關(guān)成本 （5）目標是要確定怎樣進行指派才能使得總成本最小2.算例某集裝箱碼頭有6處地方提供

5、裝卸用叉車，現(xiàn)要為6個箱區(qū)提供裝卸服務(wù)，叉車存放處與箱區(qū)之間的距離見下表，試擬定分派方案表2-1 叉車存放處與箱區(qū)之間的距離叉車所在處箱區(qū)一二三四五六1518249623561232395975916033749706142424556058624753539504936404369250507061403.建模設(shè)Xij為指派人員i去做工作j（i，j1,2,3,4) 0 if第i臺叉車不作業(yè)于j箱區(qū)Xij 1 if 第 i臺叉車作業(yè)于j箱區(qū)目標函數(shù)：Min Z= 51X11+82X12+49X13+62X14+35X15+61X16+.+40X66約束條件：X11+X12+X13+X14+X1

6、5+X16=1X21+X22+X23+X24+X25+X26=1X31+X32+X33+X34+X35+X36=1X41+X42+X43+X44+X45+X46=1X51+X52+X53+X54+X55+X56=1X61+X62+X63+X64+X65+X66=14. Excel求解過程簡單的手工計算當然也是能找出最優(yōu)答案，有一種快捷的求解方法：匈牙利方法（Hungarian Method），但如果把例子改為40個叉車所在地去完成40個箱區(qū)的裝卸任務(wù)，那手工計算就有一定的難度了。如果我們用熟悉的Excel來做，那么需要做的僅僅是在Excel表格中建立能夠完全描述問題的模型而已，剩下的計算就由計

7、算機代勞，大大減低了計算的難度，Excel的“規(guī)劃求解”還是采用“單純形法”來求解。第一步：把數(shù)據(jù)輸入表中，上半部為數(shù)據(jù)，下半部為模型，紫色陰影部分為可變單元格。第二步：在單位格B24中輸入=Sumproduct(C4:H9,C14:H19),公式Sumproduct計算的是兩矩陣中各個相對應(yīng)元素乘積的和，再按Enter鍵，該單元格為0。第三步：選擇單元格，輸入公式，計算總和,公式SUM計算的是一個范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)求和。(1) 在單元格I14中輸入=SUM(C14:H14)，選中復(fù)制，按住Ctrl+Shift+Enter,鼠標拖動，再按ENTER鍵，可以同理得出I15:I19(2) 在單元格C20

8、中輸入=SUM(B18:G18) ，選中復(fù)制，按住Ctrl+Shift+Enter,鼠標拖動，再按Enter鍵，可以同理得出D20:H20第四步：加載規(guī)劃求解工具：“工具”“加載宏”勾選“規(guī)劃求解”“確定”第五步：選擇“工具”中的“規(guī)劃求解”彈出對話框(1) 設(shè)置目標單元格：B12，選擇“最小值”項，因為我們要求解的是所有的叉車到箱區(qū)總最短距離，從而使工作效率達到最大(2) 設(shè)置可變單元格：C14:H19,最終結(jié)果將出現(xiàn)在可變單元格中(3) 添加約束條件：I14: I19=1，表示每處的叉車只能對應(yīng)一處堆場C20:H20=1,表示每處堆場只能由一處叉車進行裝卸作業(yè)C14:H19,bin表示二進

9、制，結(jié)果不是O就是1，這樣就避免了小數(shù)的出現(xiàn)第六步：在“規(guī)劃求解”對話框中，單擊“選項”按鈕，出現(xiàn)“規(guī)劃求解選項”對話框，選擇假定非負，單擊“確定”第七步：在“規(guī)劃求解參數(shù)”中的選擇“求解”，出現(xiàn)以下對話框點擊報告中的運算結(jié)果報告（具有整數(shù)約束條件的問題無法生成敏感性報告和極限值報告）然后點確定按鈕就在excel中生成了相應(yīng)的報告，如圖：此時，可變單元格中也已生成了我們需要的結(jié)果5結(jié)果分析應(yīng)該指派叉車所在處1到箱區(qū)五進行裝卸服務(wù)叉車所在處2到箱區(qū)二進行裝卸服務(wù)叉車所在處3到箱區(qū)一進行裝卸服務(wù)叉車所在處4到箱區(qū)三進行裝卸服務(wù)叉車所在處5到箱區(qū)四進行裝卸服務(wù)叉車所在處6到箱區(qū)六進行裝卸服務(wù)最終可以

10、使得叉車所行走的總距離最短，為2456變形經(jīng)常會遇到指派問題的變形，之所以稱它們?yōu)樽冃?，是因為它們都不滿足平衡指派問題所有假設(shè)之中的一個或者多個。一般考慮下面的一些特征：（1）有些人并不能進行某項工作（相應(yīng)的Xij0）;（2）雖然每個人完成一項任務(wù)，但是任務(wù)比人多(人少事多);（3）雖然每一項任務(wù)只由一個人完成，但是人比任務(wù)多（人多事少）；（4）某人可以同時被指派給多個任務(wù)（一人可做幾件事）；（5）某事可以由多人共同完成（一事可由多人完成） ；（6）目標是與指派有關(guān)的總利潤最大而不是使總成本最小。例如將上題中的箱區(qū)六去掉，問題改為：6處地方提供裝卸用叉車為5個箱區(qū)提供裝卸服務(wù)，叉車存放處與箱區(qū)

11、之間的距離見下表，試擬定分派方案表2-2 叉車存放處與箱區(qū)之間的距離叉車所在處箱區(qū)一二三四五151824962352323959759133749706142455605862475395049364069250507061我們同樣可以用EXCEL求解，按上題的方法輸入模型和變量，在目標函數(shù)單元格C21輸入=SUMPRODUCT(C4:G9,C13:G18)，選擇單元格H13:H18 C19:G19，輸入公式，計算總和。至此，與不變形的指派問題是一樣的。變形的指派問題不同之處在于規(guī)劃求解中的約束條件，有些小小的改動。點擊報告中的運算結(jié)果報告（具有整數(shù)約束條件的問題無法生成敏感性報告和極限值報告

12、）然后點確定按鈕就在excel中生成了相應(yīng)的報告即應(yīng)指派 叉車1到箱區(qū)五進行裝卸服務(wù)叉車2到箱區(qū)二進行裝卸服務(wù)叉車3到箱區(qū)一進行裝卸服務(wù)叉車5到箱區(qū)四進行裝卸服務(wù)叉車6到箱區(qū)三進行裝卸服務(wù)最終可以使得叉車所行走的總距離最短，為245第三章 叉車行走的最短路徑問題1.最短路徑問題介紹在實際生產(chǎn)和生活中，很多問題的求解可以歸納為最短路徑的問題，如兩地之間的管道鋪設(shè)，線路安排，道路修筑，運路選取等；再如工廠布局，設(shè)備更新等問題也可以轉(zhuǎn)化為最短路徑的問題。最短路問題的假設(shè) （1）網(wǎng)絡(luò)中選擇一條路,始于某源點終于目標地（2）連接兩個節(jié)點的連線叫做邊（允許任一個方向行進），?。ㄖ辉试S沿著一個方向行進） （

13、3）和每條邊相關(guān)的一個非負數(shù)，叫做該邊的長度 （4）目標是為了尋找從源到目標地的最短路2.算例某叉車在處，現(xiàn)需移到處進行裝卸作業(yè)，他需要通過中間幾個站點連接到達最終目的地，各點之間的距離如圖所示，找出叉車行走的最短路徑，以達到節(jié)約成本的目的。圖3-1 最短路徑節(jié)點圖3. Excel求解過程用EXCEL來求最短路徑的原理是：令變量為0或1，即如果最短路徑通過該節(jié)點，則設(shè)變量為1，不通過則為0，除起點和終點外，每個中間點的進出權(quán)數(shù)和是0，起點的進出權(quán)數(shù)是1，終點是-1，目標函數(shù)是各邊權(quán)數(shù)和對應(yīng)變量乘積的和。于是我們可以得到一組等式約束，通過求解可以得到最短路徑。第一步：所有數(shù)據(jù)輸入表中如圖，其中左

14、邊藍色部分為數(shù)據(jù)，右邊紫色陰影部分為變量：第二步：在單元格C18:C24，輸入公式，計算節(jié)點進出和。(1)在單元格C6中輸入目標函數(shù)計算公式=SUMPRODUCT(D3:D15,E3:E15)，公式SUMEPRODUCT計算的是兩矩陣中各個相對應(yīng)元素乘積的和，再按ENTER鍵，該單元格為0。(2)節(jié)點的進出和=該節(jié)點的流出量-該節(jié)點的流入量例如節(jié)點2可以流向節(jié)點3,4,5，但只能選擇一條路走，流入節(jié)點2的路也只有節(jié)點1，所以每個中間點的進出權(quán)數(shù)和是0，依次類推。節(jié)點1是總流出節(jié)點，所以起點的進出權(quán)數(shù)是1。節(jié)點7是總流入節(jié)點，不再流出，所以終點的驚出權(quán)數(shù)是-1。第三步：設(shè)置規(guī)劃求解參數(shù)（1）設(shè)置

15、目標單元格C26，因為要求的是最短路徑問題，所以選擇“最小值”項（2）設(shè)置可變單元格E3:E15,最終結(jié)果將出現(xiàn)在可變單元格中（3）設(shè)置約束條件：C18:C24=E18:E24,表示步驟二的進出權(quán)數(shù)約束；E3:E15=二進制，代表了整數(shù)規(guī)劃的思想，令變量為0或1，即如果最短路徑通過該節(jié)點，則設(shè)變量為1，不通過則為0第四步：點擊“求解”按鈕，得到如圖所示結(jié)果，圖中變量1就是最短路徑通過的節(jié)點。 運算結(jié)果報告4.結(jié)果分析叉車通過的節(jié)點順序為1-3-6-7，總最短路程是70。第五章 結(jié)論通過這次課程設(shè)計，學會了通過建立模型解決集裝箱碼頭堆場叉車的相關(guān)問題，同樣的堆場和安排，有了統(tǒng)一的運籌規(guī)劃，可以節(jié)

16、約巨大的時間，提高叉車的工作效率，從而得到更多的利潤。在物流運作活動中，僅靠簡單定性分析已難以適應(yīng)現(xiàn)代物流管理的要求，特別是一些與數(shù)量有關(guān)的決策，如指派問題，最短路徑問題，設(shè)備的合理使用等，客觀上要求轉(zhuǎn)變決策上數(shù)字模糊、量化不清的局面，代之以管理的數(shù)字化和科學化。使物流運作中有限資源（物資、人力、時間、信息等）得到合理的計劃、組織與分配，有效的協(xié)調(diào)和控制，達到最佳效益和效率。在分析問題、設(shè)置變量時要有清晰的思路，同時對問題的分析、建模，鍛煉了我們的思考能力，同時提高了分析和建模的能力。使我們更加了解的Excel強大的計算功能，也更加能熟練操作Excel。為以后的學習和工作打下基礎(chǔ)。同時，我了解到，傳統(tǒng)的運籌學手工計算不是解決問題的最好方法，計算機是20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，.隨著計算機的廣泛應(yīng)用，人類社會生活的各個方面都發(fā)生了巨大的變化。應(yīng)用計算機軟件，解決物流運籌