国际贸易量的快速增长和集装箱船舶的大型化趋势,对集装箱码头的集港效率和服务能力提出了更高的要求。一方面,大型集装箱船挂靠的码头作业量和作业强度增大,另一方面,大量送箱集卡高峰时间集中在集装箱码头闸口及堆场排队等待作业,消耗了大量的能源,排放了大量的CO2及污染气体,迫切需要应对和解决。因此,本文围绕考虑能耗的集装箱码头出口箱作业系统优化问题展开研究。首先,针对集卡不规律到达而导致的码头闸口与堆场拥挤问题,提出按船舶预约的集港模式,以外部送箱集卡在闸口和堆场排队等待时怠速行驶能耗和场桥空转时能耗最小为目标,建立集卡送箱预约优化模型。该模型利用两级排队网络描述集卡在闸口和堆场的排队过程,在考虑集卡车队和码头双方利益的情况下,确定每艘到港船舶的集港时间窗和预约份额。设计模拟退火-遗传算法求解优化模型,并以大连集装箱码头为例,对模型和算法的有效性进行了验证。结果表明:集卡送箱预约优化模型可以大幅减少集卡在闸口和堆场的排队等待时间,降低场桥空转期间的能耗。其次,针对送箱集卡多码头调度的低能耗、高效化要求,及为解决集卡不规律到达导致码头拥挤问题而提出的集卡预约集港机制,以最小化送箱集卡怠速等待能耗和移动能耗为目标,构建港外堆场对多码头送箱集卡调度模型。设计改进的蚁群算法对该模型进行求解,得到按时间段划分的港外堆场对多码头集卡低能耗送箱方案,通过数值试验验证了所构建模型和算法的有效性。结果表明:考虑能耗和预约机制的送箱集卡多码头调度方案所需集卡数量少、工作时间短,兼顾了集装箱码头集卡送箱作业低能耗和高效的要求。再次,针对集装箱码头出口箱箱位分配与场桥调度协同优化问题,采用分区域平衡策划方法进行场地策划,考虑场桥间安全距离和场桥作业量均衡约束,以最小化送箱集卡在堆场等待时间和场桥非装卸作业能耗为目标,构建箱位分配与场桥调度协同优化模型,设计了模拟退火-遗传算法进行求解。通过数值实验验证了模型和算法的有效性,对比分析表明:本文设计的模拟退火-遗传算法收敛性优于遗传算法;构建的调度优化模型具有优越性,能够在集卡等待时间相差不大情况下,降低场桥能耗;采用分区域平衡策划方法得到的贝位分配方案和场桥调度方案优于传统场地策划方法,可以有效减少集卡的等待时间,降低场桥非装卸作业能耗。最后,针对集装箱码头向自动化发展过程中的双小车岸桥与AGV联合调度问题,考虑AGV续航时间、双小车岸桥中转平台容量和堆场缓冲支架容量约束,以岸桥的能耗最小为第一阶段模型的优化目标,以AGV运输过程的能耗最小为第二阶段目标建立两阶段优化模型;设计枚举法求解第一阶段模型,改进遗传算法求解第二阶段优化模型。以洋山四期自动化集装箱码头为例进行实验分析,针对不同船舶在港总装卸时间和AGV配置原则进行实验,验证了模型和算法的有效性,结果表明:以最小化能耗为目标的双小车岸桥与AGV联合调度可在岸桥主小车不延误的前提下,显著减少AGV的配置数量。研究成果不仅丰富和拓展了集装箱码头运营管理领域研究的相关理论,也可为集装箱码头公司及集装箱运输、仓储等企业的相关决策提供参考。