集装箱船配载系统设计研究

分类号密级

UDC 学校代码 10497

学位论文

题目集装箱船配载系统设计研究

英文题目Study on Stowage System of Container ship

研究生姓名 叶孟阳

姓名周瑞平职称教授学位 博士

指导教师

单位名称武汉理工大学 邮编430063申请学位级别硕士学科专业名称轮机工程

论文提交日期2009.5 论文答辩日期2009.5

学位授予单位武汉理工大学日期

答辩委员会主席评阅人

2009年5月

独创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：日期：

关于论文使用授权的说明

本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

签名：导师签名：日期：

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摘 要

集装箱船作为三大主流船型(散货船、集装箱船、油船)之一，不仅有巨大的市场需求，而且我国拥有明显的竞争优势，是我国走向世界第一造船大国进程中重点发展的一种船型。同时随着技术不断的进步，集装箱船的发展趋势主要体现在双壳化、大型化、快速性、多用途化、使用年限增长、环保和自动化程度提高等几个方面。

装载计算软件已经在许多船舶上使用，可保证船舶强度不受损伤、保证船舶具有适度的稳性与适当的吃水差，对编制配载图的基本要求提供快速、科学的计算数据与图形参数，这无疑对保证船舶安全、提高船舶营运的经济效益起着重要的作用。而对于集装箱船，其装载计算主要也是借鉴其他船舶装载软件的计算方法，计算流程来进行的，但这种传统的开发方式在集装箱配载中需要进一步优化和改进，主要表现在：

集装箱船由于其受风面积大这一特点，其稳性计算比其他船舶多了最大风压倾侧力矩对应的静倾角；集装箱的货物编排相对复杂，给总纵强度的计算增添了难度；集装箱船的装卸，由于涉及到箱位、箱型和货物种类等，要求软件应能进行智能识别等，并自动完成排水量、吃水差、稳性力臂等的计算；集装箱装载相对与其他船舶，要求能够输出其BAY位配载图、输出其配载的详细清单数据表等。

基于此，集装箱装载计算软件的开发难度相对要高，开发流程相对要复杂，开发周期相对要长、工作量相对会较大。文章介绍的装载计算软件是基于Visual Basic语言和Microsoft Access数据库系统，以一艘618TEU多用途集装箱船为实例进行开发的，并在该船上得以应用。主要完成的内容有：

1)集装箱船的发展概括及其配载的特点和要求；

2)基本计算理论的介绍和应用；

3)Visual Basic语言和Microsoft Access数据库的介绍和应用；

4)三次样条曲线的基本理论和应用；

5)软件数据库系统结构及组成、集装箱配载与识别模块、完整稳性计算

模块、强度计算模块、货物重量计算模块、船舶数据库系统管理模块、

数据打印与图形输出模块的开发以及生成安装文件的方法等；

6)618TEU多用途集装箱船的实例计算。

关键词：集装箱船、BAY位图、稳性、强度、装载计算软件

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Abstract

Container vessel, As one of the three main formats of ship(Bulk carrier、container vessel、Oil tanker), has not only been needed greatly in the market, but is also a great advantage for our country, so it has been the major and very important format of ship we develop to make our county to be the greatest shipbuilding country. At the same time, as the technology continues to progress, the trends of development of the Container vessel are mainly embodied in the double-hull, larger, faster, multi-purpose, life growth, environmental protection and improvement of automation and so on.

The Loading Computer has been used in a number of ships, which could ensure ship’s strength from the injury, enable the ship with an appropriate stability and trim, and provide fast, scientific calculations and graphics parameters according to the requirements for compiling stowage plans. All of these undoubtedly ensure the safety of the ship and play an important role in improving the economic benefits of the operation of the ship. As for the container ship, the load calculation methods and procedures mainly depend on that from other type of ship’s loading computer, but the traditional software development methods for the containers need to further optimize and improve. The main reflected in the following:

Due to its large wind area, the stability calculation of the containers involves the static heeling angle corresponding to maximum wind heeling moment; as arrangement of the cargo container complex, result in more difficulty in calculation of longitudinal strength; in the loading and unloading operation, which refer to container slot, model and the types of goods, etc. so the software should be able to identify the way of loading and unloading, container model and location intelligently, and automatically complete the displacement, trim, arm of stability, etc. Compare with other types of ship, container load is required to give BAY Picture and a detailed list of stowage data, and so on.

Based on these, the container loading computer development is relatively difficult, the process is rather complex, the development cycle is relatively long, and the workload will be relatively larger. In this paper, the load calculation software is based on the Visual Basic and Microsoft Access database system; take a multi-purpose container ship 618TEU as example to develop, and the loading

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software has been used. In this article, we are focused on the contents as the following：

Summary of the development of container ships and their loading characteristics and requirements;

The introduction and application of Basic calculation theory;

Visual Basic and The introduction and applications of Microsoft Access databases;

The basic theory of Cubic spline curve and application;

The structure and composition Software database system, container loading and identity module, intact stability calculation module, strength calculation module, cargo weight module, database system management module, the development of print and graphics data output module, the generation of installation documents, and so on.

The calculation of 618TEU multi-purpose container ship.

Key words: Container Vessel、BAY Picture、Stability、Strength、Loading Computer

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目 录

摘 要..............................................................I ABSTRACT..........................................................II 第1章 绪论. (1)

1.1论文研究背景 (1)

1.2研究的目的与意义 (2)

1.3国内外集装箱船配载的研究现状 (2)

1.3.1国外的研究情况 (2)

1.3.2国内的研究情况 (5)

1.3.3目前研究存在的主要问题 (6)

1.4研究内容 (7)

第2章 集装箱船运输和配载 (8)

2.1概述 (8)

2.1.1集装箱的概念及分类 (8)

2.1.2集装箱运输 (8)

2.2集装箱船分类和结构特点 (9)

2.2.1分类 (9)

2.2.2结构特点 (9)

2.3坐标系和箱位表示法 (10)

2.3.1坐标系 (10)

2.3.2箱位表示法 (11)

2.4配载过程 (11)

2.4.1配载的概念 (11)

2.4.2 配载图制订过程 (11)

2.5集装箱船配载的一般要求 (12)

第3章 集装箱船性能计算 (15)

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3.1船舶浮态数据的计算 (15)

3.1.1船舶重量和重心 (15)

3.1.2船舶排水量和浮心位置 (16)

3.1.3吃水差和吃水的计算 (18)

3.2船舶稳性的计算 (20)

3.2.1集装箱船的稳性特点 (20)

3.2.2初稳性高度的计算 (21)

3.2.3横摇周期和横摇角的计算 (21)

3.2.4船舶稳性力臂计算 (23)

3.2.5船舶稳性衡准 (24)

3.3船舶强度的计算 (25)

3.3.1船舶重量分布曲线 (26)

3.3.2船舶浮力分布曲线 (28)

3.3.3船舶剪力和弯矩的计算 (29)

3.3.4船舶纵向强度衡准 (30)

第4章 系统设计及其实现的关键技术 (32)

4.1系统总体设计 (32)

4.2系统关键技术分析 (33)

4.2.1 样条插值计算研究 (33)

4.2.2 集装箱智能配载与优化 (37)

4.3软件实现 (39)

4.3.1 船舶装载计算软件数据结构及其组成 (39)

4.3.2 集装箱配载与识别模块 (41)

4.3.3 完整稳性计算模块 (43)

4.3.4 强度计算模块 (44)

4.3.5 货物重量计算模块 (47)

4.3.6 船舶数据库系统管理模块 (47)

4.3.7 数据打印与图形输出模块 (48)

第5章 软件界面设计及计算实例 (50)

5.1软件主要功能 (50)

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5.2软件界面设计 (50)

5.3软件调试与打包安装 (56)

5.4实例计算与分析 (56)

5.4.1 计算实例 (56)

5.4.2 结果分析 (57)

第6章 结论与展望 (62)

参考文献 (64)

致 谢 (67)

攻读硕士学位期间发表的论文及科研项目 (68)

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第1章 绪论

1.1论文研究背景

集装箱运输是五十年代出现的将货物装在集装箱内，以集装箱作为一个货物集合单元，进行装卸运输的现代化运输方式，包括船舶运输、铁路运输、公路运输以及这几种运输方式的联合运输。集装箱运输是运输业发展的必然趋势，它具有装卸效率高，工人劳动强度低，保证货物运输安全与质量，节省包装费用，减少货物运输费用，有利于组织多种运输方式的综合联运等优势，其很多优点是散、杂货运输方式不可比拟的。

配载是集装箱海上运输的一个重要环节，在西方国家及香港地区称为策划。它主要解决船舶在不同港口装卸集装箱时，在遵循配载基本原则和保证船舶稳性和强度的基础上，确定集装箱在船上的具体位置，以此形成集装箱装卸顺序，减少中途港倒箱作业，提高船舶运输效率。它是集装箱营运过程中的一个核心环节，对保证船舶安全、货物安全以及保证船期有着重要作用[1][2]。

如何确定集装箱在船舶上的合理配载、降低营运成本、提高集装箱运输效率及市场竞争力，一直是航运业致力追求的目标。传统的配载方法是人工完成，如上个世纪70年代的一、二代集装箱船，其箱位容量均在2000TEU以下；80年代初，出现了2000TEU以上的第三代集装箱船。而80年代后期，集装箱船大型化的限度以能通过巴拿马运河为标准，箱数增加到4400TEU的称为第四代；德国最先建造的可装载4800TEU的集装箱船，船长与船宽比为7-8，使船舶的复原力增大，被称为第五代集装箱船；此后，1996年春最多可装载8000TEU的RehinaMaersk号集装箱船，又拉开了第六代集装箱船的序幕。目前，可装载10000TEU以上的集装箱船已开工建造，12000-15000TEU的集装箱船已完成了建造设计，载运量高达15500TEU，甚至18000TEU以上的超巨型集装箱船也在设计之中。运用传统手工方法很难胜任编制集装箱配载计划的要求，目前，许多国家研究机构都致力于计算机配载系统的研发。虽然较成熟的配载软件已经问世，但由于商业及知识产权保护等原因，有关配载问题公开发表的文献并不多，而且不涉及核心算法。由此可见，对配载方法进行新的研究、尝试开发集装箱船配载系统是很有必要的，同时也是具有重要的理论价值和现实意义。

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1.2研究的目的与意义

在集装箱船配载过程中，要根据船舶的装载量、货源的种类、港口情况及到港顺序等，充分发挥集装箱船的装载能力和装卸效率、保证船体强度、货物运输质量、适度的稳性和吃水差等。集装箱配载的特点是装箱多、箱型存在差异、位置变动幅度大、受风面积大、性能计算复杂等。装载仪就是要利用计算机为驾驶员提供集装箱配载服务，实现配载过程的优化等。

针对这些特点，通过对集装箱船配载理论和方法的深入研究，建立基于优化方法的集装箱计算机配载系统的优化计算模型和函数，并求得配载方案的优化解；通过学习船舶静力学的知识，研究三次样条插值算法及在船舶配载计算软件中的应用，利用船舶稳性、强度的计算方法和Visual Basic程序语言与Microsoft Access数据库系统等工具，将建立的集装箱配载优化模型程序化、模块化，给予软件智能识别功能以方便用户的配载，完成对集装箱装载计算软件的开发；在实船上应用以验证软件的计算精度和可靠性，设计简洁、友好的操作界面，对软件打包生成可安装程序。该系统能提高集装箱船的配载效率，为集装箱船运输提供安全保障，提高营运的经济效益和船舶管理的自动化水平，实现软件的商业价值。

1.3国内外集装箱船配载的研究现状

1.3.1国外的研究情况

自70年代初，国外航运公司和研究机构开始研究集装箱的配载问题。目的是要寻求一种在满足既定约束条件下倒箱最少、作业高效的装载方案。从目前收集到的国际上数十篇文章对集装箱的配载问题研究，从方法上可以归纳如下6类：

1）随机模拟方法（Probabilistic Simulation Method）

随机模拟方法即蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，是一种应用广泛的系统模拟技术，它利用随机数或某种概率现象模拟现实问题，实验性地求得其解。从而对现实问题进行分析或做出预测。蒙特卡罗法应用范围非常广泛，无论是国内还是国外很多领域都运用这种方法。

蒙特卡罗法利用的随机数靠计算机来产生，所以它也属于计算机模拟。计

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算机模拟在海洋工程中应用广泛，而且呈不断上升趋势，在众多的数学方法中，模拟对大型、复杂、交互比较困难的系统来说是一种非常实用的工具。用在配载中的概率模拟方法首先应用经典的模拟技术，产生即定航线满足要求的多个方案；然后通过多段航程的航行模拟对产生的方案进行比较和评估并选出最优方案[3][4]。最有代表性的是Shields提出并应用于APL(American President Lines)的CAPS系统(Computer-Aided Preplanning System)。CAPS是一个由多个模块组成的软件包，系统将船舶、集装箱和港口作为软件单元，利用此模型设计一些与配载计划人员思考问题相似的算法，并利用Monte Carlo随机模拟技术产生各种不同的配载方案，然后依据一系列标准对各种方案进行评估，配载人员可从中选择最优方案。

CAPS中包含的主要模块有稳性计算模块、数据统计模、配载模块和港口数据模块。CAPS采用的配载策略是将具有相同特征的集装箱作为一个组，分别在船上选择相应的位置。而对于一个箱组的配载采创建一个可行位置的集合[5][6]。

2）决策支持系统(Decision Support System)

该系统为配载人员提供一种强有力的辅助配载工具，它是以信息技术为手段，应用管理科学、计算机科学及有关学科的理论和方法。为管理者做出正确决策提供帮助，但不代替决策者进行决策的人机交互信息系统（装载仪）。

决策支持系统不是产生一个完全自动的配载计划及对某个问题给出确定的结果，而是在配载的过程中为配载人员提供各种性能数据和历史资料，为完成配载提供参考。它充分发挥了计算机在计算和数据处理方面的精确性和快捷性，结合配载人员的经验大大加快了配载的过程，从而使他们有更多时间进行智能性比较高的工作。决策支持系统是目前在集装箱船上应用最多的系统[7]。

3）启发示算法（Heuristics Algorithm）

启发式算法是一种经常使用的方法，针对于工程中大量的无法或很难作数学描述的问题，或是虽能用数学描述，但却很难用现有的方法和机器来计算的问题。有些复杂问题要放弃寻找最优解而采用提供近优解的方法，建立在经验或判断的基础上产生相关问题的一个好解的方法称为启发式算法。它没有固定的算法描述，构造策略完全由具体工程问题决定，方法比较灵活，所求的解一般不是全局的最优解，但可以满足工程实际应用的要求，是工程中应用较多的求解复杂优化问题的方法，一般能被工程实际认可。

在实际配载中，启发式算法的应用主要采用人工配载的经验作为启发式规则进行编码，产生配载计划。其主要由以下几人所做的研究工作而发展起来。

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1969年，Webster和Van Dyke首次将计算机应用于集装箱配载问题中，把人工配载经验做为启发式算法与计算机进行交互来随机地产生配载方案。由于该算法忽略了很多约束条件，最终在商业中没有获得广泛的实际应用，却开辟了使用计算机进行配载的先河。

1988年，Martin[8]等人提出堆场取箱作业的启发式装载方法，在假设条件下进行观察、分析研究、建立模型。经研究发现对装载效率的影响，并确定装载准则重要性次序为：门式起重机到相邻截面的位少；门式起重机取箱作业时倒箱次数最少；门式起重机移动距离最少；岸边装卸桥移动最少。

1993年,Avriel[9]等人将船舶配载问题看成一个二维堆垛问题，以各个港口倒箱数最少为目标建立的单一Bay挂靠多个港口配载模型，并设计了一个悬挂启发式算法。

集装箱的配载问题属于组合优化问题，而确定性算法主要是线性规划、整数规划和动态规划等传统算法。它只能解决小规模问题，因此大多运用启发式算法和各种智能搜索方法来解决配载的问题。

4）数学规划模型（(Mathematical Programming Approach）

数学规划模型实际是将集装箱船舶配载问题描述为一个最优化问题。

1978年，Soctt和Chen[10]建立了满足最小压载、最大装箱的优化模型。他们在动态整数规划的基础上提出限界分配方法，并用此法将集装箱配到集装箱船舶特定的箱位上去。

1984年，Aslidis[11]将集装箱配载问题简化为一个“P”（Problem）问题进行研究。即假设在各个港口，船舶只有装载而没有卸载或者只有卸载没有装载的情况之一，以倒箱数量最少为目标建立0-1规划模型，再根据一些启发式算法将集装箱分配到具体的箱位上。

1992年，巴西人R.C.Botter和M.A.Brinnati[12]提出了完整配载模型。但由于模型考虑的因素太多、规模十分庞大，不是一般的数学规划方法可以求解的。

从1999年到2005年间，许多人对集装箱船配载问题进行深入的研究取得很多成就。如Wilson的配载两步法、Avriel的基于图着色问题的启发式算法、Ambrosino的主配载图计划问题和日本人Akio与Kaxuya的整数规划模型等。由于配载问题的复杂性，无法在可行的时间内求解，因此如何把数学规划模型与现代启发式算法相结合，是配载问题研究的方向之一。

5）专家系统（Expert Systems）

以计算机技术在配载中的应用研究，近年来取得了惊人的发展。该模型是

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把专家系统人工智能领域的成果应用到船舶配载中，建立一系列原型系统。尽管这方面的研究还没有完全成熟，但预计该系统研究将有非常光明的前景。

八十年代Dilingham建立基于规则的集装箱配载专家系统，该系统用Turbo--Prolog语言开发而成。整个原型系统只用2200行语句，给出管理的详细建议；数据库不仅能完成配载工作，而且还能追踪集装箱的位置；系统具有很强的交互能力，操作人员可以随时中断系统并可以修改程序提供的方案[13]-[15]。

6）模拟进化算法（Evolutionary Computation Algorithm）

模拟进化算法源于达尔文的生物进化论。目前，应用最为广泛的是遗传算法 GA（Genetic Algorithm），它包括三部分：遗传计算、遗传编程和遗传学习。遗传算法在理论界和工程界都是研究的热点并在工程中的应用己日趋成熟。

1997年，Todd和Sen将遗传算法应用到实际配载中，提出了一个多准则完全编码遗传算法。2002年，Pher与Gergo针对完全编码方法的缺点，采用不保存整个集装箱船配载的完整布局，只保存沿线挂靠港装卸操作后箱位中变化的部分，从而大大减少搜索空间并提高了算法的效率。预计以神经网络和遗传算法等为代表的人工智能和软计算方法在配载中的应用将成为研究的热点[16][17]。

1.3.2国内的研究情况

我国集装箱运输的起步较晚，始于70年代初，且多为改装的小型船且吨位较小，所以对配载问题的研究比国外要晚得多。到80年代末，我国才陆续有些学者意识到配载研究的重要性，才开始对计算机配载系统进行研究。

1987年，蒋诗新介绍了集装箱船舶配载系统的分析过程和设计思想、模块划分与设计以及集装箱船舶稳性计算的数学模型。

1993年，徐东平提出以人工配载知识与经验为基础，模拟人工处理方式，建立集装箱船配载模型，并给出了部分配载算法；同年，刘世宁、卫家俊介绍集装箱船配载的特点及人工配载的过程，完成了集装箱船自动配载专家系统[18]-[20]。

1994年，王照宁提出用信息管理系统和专家系统相结合，采用由低级向高级转化的研究方法，建立了一个集装箱船自动配载系统管理模型；同年，邱文昌指出用计算机产生同一集装箱船在相同航次货运任务条件下，应用系统工程的方法，建立了船配载计划的评价指标体系[21]-[23]。

1995年，司智荣介绍了在Foxpro环境下开发集装箱船配载计算机辅助管理的方法。同年，王宇和邢月华使用VB3.0和MS- Access在Windows3.1上开发建

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立了集装箱码头生产作业计划决策支持系统[24][25]。

1998年，顾宣炎、周瑞平介绍了计算机辅助集装箱船舶配载的软件实现。同年，杨宏利用Visual Basic开发了集装箱船辅助排箱与配载软件。1999年，周瑞平、肖志强使用Visual Basic编制了集装箱船舶配载计算软件，并给出了一个计算算例[26]-[28]。

2000年，邱文昌、吴善刚在Windows环境下用C语言编制了一套集装箱船舶的配载系统。该系统是在可视窗口中用手工配箱和用计算机辅助计算来实现集装箱配载[29]。

2002年，王鸿鹏运用知识推理技术设计了集装箱船自动配配载专家系统，但目前只开发了一部分模块；同年，杨星、季永青以最适度稳性和最少压载量为目标，对集装箱船配载问题进行研究[30][31]。

2005年，王晓、陈海燕提出合理确定集装箱码头装船顺序的算法；樊铁成、马孜等利用Rareto遗传算法，以倒箱量最少、装箱量最多为目标，提出了堆场装船顺序最优解决方案[32][33]。

2005年，张维英以集装箱船全航线配载智能优化研究为主线，提出了系统解决集装箱全航线配载的策略和方法，使用智能优化算法与技术，对配载及其相关问题进行了研究；2007年，张维英，林焰，纪卓尚研究了集装箱船全航线Bay位排箱优化模型。建立了全航线单一Mixed2 Bay位基于倒箱数量最少的优化模型，并使用隐式图启发式搜索策略寻找优解[34][35]。

国内的研究机构主要有708研究所、上海规范所、广州船检、武汉理工大学等六家单位从事船舶配载研究工作。总体来说，国内学者对配载问题的研究多集中在决策支持系统方面，重点是从满足船舶稳胜、浮态和结构强度等方面对配载问题进行研究。

1.3.3目前研究存在的主要问题

由于配载问题的复杂性，至今还没有完全自动化的配载系统出现，甚至没有哪一种理论模型能提供完整解决问题的希望。目前，集装箱船舶配载研究还存在以下问题：

（1）传统的集装箱配载过程是分析航次任务，按经验进行配载、校核、调整、再配载的模式进行；而计算机辅助配载涉及的因素多、计算过程人为干预过多且智能化程度不高。

（2）集装箱船自动配载只是对船舶局部的配载研究，如只针对压载水系统

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配载等，而没有实现集装箱船的自动配载。

（3）配载系统(配载仪)的自学习能力不高，这增加了配载人员的工作量。

1.4研究内容

（1）根据影响配载过程的因素，研究与集装箱船配载有关的稳性、浮态、和强度的计算与校核方法，相关的计算数据应满足规范的要求。

（2）用样条插值加密点拟合曲线。在实际编程计算过程中（排水体积等），需进行船舶曲线的拟合，才能算出水线与船舶首尾曲线的交点，用样条插值加密点拟合船体曲线等多条曲线。

（3）编写船舶性能计算系统程序。该系统主要包含三大模块：输入模块、处理模块和输出模块。输入模块指船舶结构参数数据的输入(包括货物、行李、备用品、燃润油、淡水及压载水等)；处理模块是船舶性能计算系统的核心，包括浮态和初稳性计算、完整稳性计算、稳性衡准计算、完整稳性校核及强度校核；输出模块主要是计算结果的显示、图形显示和结果的打印。

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第2章 集装箱船运输和配载

2.1概述

2.1.1集装箱的概念及分类

集装箱（Container）是具有一定强度、刚度和规格，专供周转使用的大型装货容器，是运输包装货或无包装货的成组工具（容器）的总称。

为了适应装运不同种类货物的需要，出现了不同类型的集装箱。其中，按用途不同可划分为：通用干货集装箱（Dry Cargo Container）、保温集装箱（Keep Constant Temperature Container）、散货集装箱（Bulk Container）、罐式集装箱（Tank Container）和台架式集装箱（Platform Based Container）等；按集装箱的制造材料可划分为：钢集装箱、铝集装箱、不锈钢集装箱和玻璃钢集装箱等；按集装箱结构可划分为：内柱式与外柱式集装箱、折叠式与固定式集装箱、预制骨架式与薄壳式集装箱等；按外部规格尺寸分为（常用的）：按结构分为：20英尺标准箱：外尺寸为：20ft×8ft×8.06ft(长×高×宽)；

40英尺标准箱：外尺寸为：40ft×8ft×8.06ft(长×高×宽)。

目前，国际船运集装箱中通常都采用20ft和40ft的两种规格。为了使计算和营运量计算的统一化，把20ft的作为一个计算单位（TEU），而把40ft的集装箱作为两个计算单位[36]。

2.1.2集装箱运输

集装箱运输是将多种多样的杂货装在集装箱内，既可利用水路运输，也可通过铁路、公路等多式联运方式。可以提高装卸效率、有利于机械化操作、消除繁重的体力劳动，减少货物的损失并加快车船周转、降低运输成本。集装箱运输可实现“门到门”的服务：即直接把发货人的仓库货物运送到收货人的仓库（中途如需更换车、船时，无须将货物从箱内取出换装），是物质装备基础较强、技术较先进的现代化运输方式。

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2.2集装箱船分类和结构特点

2.2.1分类

集装箱船是上个世纪50年代后期发展起来的一种新型以集装箱为装运单位的货船。当前的集装箱船舶主要有：吊装式（LoLo ）、滚装式（RoRo ）和浮动式（Floating Container ）等几种类[37]。每一类又可分为几种，具体如下：

(1)吊装式集装箱船包括：集装箱两用船、半集装箱船和全集装箱船；

(2)滚装式集装箱船包括：多层甲板滚装船、尾角跳板滚装船和滚装/吊装两用船；

(3)浮动式集装箱船包括：普通载驳货船、海峰式载驳货船和双体载驳货船。 目前，集装箱船最主要的类型是吊装式集装箱船。这类船舶多数不设装卸设备，利用岸上高效的集装箱装卸桥将集装箱吊进、吊出完成装卸作业。本文所述的均为吊装式全集装箱船，其结构如图2-1所示：

图2-1 集装箱船结构和Bay 位图 2.2.2结构特点

集装箱船的结构特点为：

(1)单层平直甲板，宽舱口且与货舱同宽

国际标准集装箱的强度设计要求达能承受堆码八层满载箱的负荷，因此集装箱船货舱内没有必要设置多层甲板来减小上层箱对下层箱的负荷量。同时，一般货物集装箱具有自身的封闭性可满足隔离要求，因此不需要设置中间甲板。为了实现直上直下的装卸，集装箱船都采用大舱口形式（一般舱口宽度可达船

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宽的70%一90%）。

(2) 双层体船壳结构

为弥补单层甲板和长大货舱开口设计对船体结构强度的不利影响，集装箱船体通常采用双层侧壁、双层底横舱壁的双层体船壳结构，以增强船舶总纵强度、横强度和扭转强度。同时该结构也为船舶提供了大容量的压载舱室，以适应船舶空载或舱面装载大量集装箱时调整船舶重心高度的需要。

(3) 舱内垂直导轨和舱面固定设备设置

为方便装卸和防止集装箱发生移位，在舱内设计了由角钢立柱、水平桁材和导箱轨组成的箱格导轨。实现通过集装箱自动吊具导轨的导槽，使集装箱顺利进出货舱和对集装箱的系固。

(4) 采用尾机型或肿后机型

机舱设置在船尾或偏尾部，也就是在船体形状变化较大部位设置机舱，使船中部形变较小的部位形成集装箱装载区，以提高船舶的舱位利用率。

2.3坐标系和箱位表示法

2.3.1坐标系

为准确地表示每个集装箱在船上的位置和船舶性能计算，同时便于计算机管理和有关人员正确辨认，人们定义了集装箱船坐标系如下图：

图2-2 船舶坐标系及行、列、层与坐标轴的关系

集装箱船坐标系定义行(Bay)、列(Row)和层(Tier)分别与坐标轴X 、Y 、Z 相对应，即X 坐标表示具有相同Bay 位的集装箱集合；Y 坐标表示具有相同Row 位的集装箱集合；Z 坐标表示具有相同Tier 位的集装箱集合。

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2.3.2箱位表示法

目前，集装箱船箱位代码编号是按ISO9711-1:1990标准规定。以集装箱在船上呈纵向布置为前提，把每个箱位用6位数字坐标进行三维定位。

(1) 行号（Bay number排在前两位）：自船首向船尾，在纵剖面图上船舶横剖面的序列号，用2位阿拉伯数字表示。标明装20ft箱的箱位上依次用01、03、05……奇数表示；40ft箱所在的位置用偶数表示。

(2) 列号（Row number排在中间两位）：从船舶横剖面上排列的序号，用2位阿拉伯数字表示。有两种标号方法：一种是自左舷端向右依此标明：01、02……；另一种是从中间的左右分标，左舷为单号，由中线向左编为：01、03、05……，中线向右舷编双号：02、04、06……，若中剖面上存放一列，以00表示。

(3) 层号（Tier number后两位表示层号）横剖面图上竖向排列的序号，编号方法分甲板和仓内两种。一种是从舱内底层算起，一直往上推到甲板顶层，如舱底第一层为01，向上依次为02，03……；另一种是舱内和甲板分开编号，舱内层号数前加“H”，从舱底算起为Hl，H2，H3……，甲板上层号数前加“D”，从甲板底层算起为Dl，D2，D3……。

显然，全船每个箱位都与箱位坐标实现了唯一的一一对应关系[38]。

2.4配载过程

2.4.1配载的概念

集装箱的配载是指把船公司和租船人承揽的集装箱，装载在所属的集装箱船上，根据集装箱配载的基本原则和不同性质，合理选配箱位并绘制集装箱船预配图的一项工作。配载是集装箱船舶营运的中心环节，而合理的配载对于保证船舶安全、准班、充分利用船舶装载能力和最大限度地提高船舶营运效益等起重要的作用。

2.4.2 配载图制订过程

集装箱船配载主要经历预配、实配、审核三个过程。配载结果是以图的形式表示，即预配图、实配图和最终图。实配图和最终图都是以预配图为基础的，

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其编制过程有以下几个程序：

预配：由船公司的集装箱配载中心根据船舶航次订舱情况，编制船舶航次在某装载港的集装箱预配图，然后将此图直接送给集装箱装卸公司或用传真、电传和EDI(Electronic Data Interchange)等方式发送给船舶代理，再由代理转交给港口集装箱装卸公司。

实配：集装箱装卸公司的码头船长或集装箱配载员，根据预配图和码头进箱堆积的情况，在不违反预配图提出的配载原则下编制集装箱实配图。

审核：待集装箱船靠泊后，码头配载员持实配图上船并交给大副审查，经船方同意后签字认可，装卸公司就按实配图对船舶进行集装箱装载。

配载图：装箱完毕由理货员按实际装箱情况，编制最终配载图[39]。

2.5集装箱船配载的一般要求

集装箱船配载是一个复杂的综合性问题。预配过程对于集装箱船配载至关重要的，其中需要全面考虑集装箱船的配载要求。这不仅涉及船舶（稳性、纵向强度和浮态等）的航行安全、运输质量和营运效益，而且还考虑码头装卸工艺和操作方式，使码头能合理、有序、有效地组织生产，提高系统的工作效率。一般地，在集装箱配载计算时应考虑如下因素：

(1) 保证船舶具有良好的稳性以及充分地利用箱位

船舶稳性是指船舶受外力(如风力、浪涌)作用而发生倾斜，当外力消失后自动回到原来平衡位置的能力，它是衡量航行安全的最重要指标。由于集装箱船多在甲板上配载大量的集装箱，其重心高度很高，因此稳性的矛盾显得尤为突出。甲板上的大量装载导致水线面上的受风面积较大，海船稳性规范对稳性的要求更高。

(2) 保持船舶适当的浮态（吃水差）

吃水差是指船舶艉艏吃水的差值，适当的吃水差可以使船舶具良好的航行性、节省燃油并充分发挥主机功率。如果船舶吃水差为负值（首吃水差）就会造成螺旋桨产生空泡和主机功率利用率下降，但尾吃水差也不宜过大，这样会增加船舶的吃水减少装载量并影响航速。

集装箱船一般采用尾机型导致尾部较重，故要适当地将一些重箱装在船首的箱位上；在同一港口货物集中地配载，也会造成较大的尾吃水差，因此，同一条船在不同的港口和码头配载时对吃水差的要求是不同的。

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