随着我国“一带一路”倡议以及区域全面经济伙伴关系协定的深入推进,亚洲区域一体化进程迅速加快,区域内的航运需求保持较快增长。然而由于近洋航线准入门槛较低,越来越多的班轮公司在这一区域加大运力投放,运力过剩的情况非常严重。因此,如何通过科学合理地安排船期、控制航速以及优化航线布局来降低企业经营成本,从而在激烈的区域市场竞争中生存和发展,成为了近洋集装箱班轮企业亟待解决的问题。通过系统归纳和分析当前有关船期设计、航速优化以及航线设计等问题的研究成果,可以得出当前涉及班轮运输时间窗的研究还比较匮乏。然而在实践中,班轮运输时间窗对于集装箱班轮船期安排、航速控制以及航线调整的影响是巨大的。为此,本文针对近洋集装箱班轮运输特性,进行了以下几个方面的研究:首先,研究了带港口时间窗的集装箱班轮船期设计和航速优化问题。针对给定的班轮运输航线,考虑到在近洋航线运营的船舶在港口装卸时间较短以及港口时间窗周期性的特性,以航线每周总经营成本最小化为目标建立了混合整数非线性规划模型,并利用整数规划技巧将港口时间窗的非线性约束转化一个可以将非可行解排除的线性约束,从而获取一个等价的混合整数线性规划模型。其次,研究了考虑货运需求时间窗的集装箱班轮船期设计和航速优化问题。考虑到货运需求时间窗和集装箱OD运输时间对船期和航速的影响,针对给定的近洋班轮运输航线,将大客户的靠港时间偏好转化为软时间窗约束,并将集装箱OD实际运输时间与市场标准运输时间的差异产生惩罚或收益来设计船期和优化航速,建立了以航线每周总经营成本最小化的混合整数非线性规划模型;对模型中的分段函数进行线性化处理,并利用基于绝对误差ε最优的外逼近算法逼近目标函数中的幂函数,从而获取一个混合整数线性规划模型。然后,在前述研究的基础上,将环绕式航线挂靠港口顺序优化纳入建模,提出了带港口时间窗的航线优化设计和航速优化相结合的建模方法,建立了一个以航线每周总经营成本最小化的混合整数非线性规划模型,同时优化环绕式航线的挂靠港口顺序、航线各航段的航速、船舶到港时间、航线配船数量以及各集装箱OD运输需求的运输路径。先利用罚函数法将港口时间窗约束转化为一个分段函数添加到目标函数中并进行线性化处理,再利用基于相对误差ε最优的外逼近算法逼近目标函数中的幂函数,从而将原模型近似地转化为一个混合整数线性规划模型。最后,在上述研究的基础上,将模型的航线适用类型范围拓展到钟摆式航线以及混合式航线,将每个港口在一个往返航次中可以挂靠两次且同一航段可在去程和回程方向上同时存在的情况在建模中实现,建立了一个以航线每周总经营成本最小化的混合整数非线性规划模型。利用整数规划技巧、罚函数法以及基于相对误差ε最优的外逼近算法将其近似地转化为一个混合整数线性规划模型。对上述四个问题分别用实例验证了模型和算法的有效性,并进行了一系列的数值实验。敏感性分析的结果表明:在船期设计和航速优化问题中,港口时间窗和货运需求时间窗都会影响航线的总经营成本、各航段航速和船舶到港时间;由于近洋航线的航程较短,当集装箱班轮公司面对各种因素的变化时,航线配船数量调整的余地不大。在带港口时间窗的环绕式航线优化设计和航速优化问题中,较高的燃油价格或较低的港口效率会导致较高的总成本,但它们的变化几乎不会引起环绕式航线的最优挂靠港口顺序的变化;随着港口时间窗限制的放松,可以有更好的挂靠港口顺序来降低环绕式航线的总经营成本。在带港口时间窗的钟摆式航线优化设计和航速优化问题中,航线的最优挂靠港口顺序可能会随着燃油价格的上涨而发生变化;随着港口时间窗限制的放松,可能会存在更好的挂靠港口顺序有效地降低总经营成本;当港口装卸效率降低时,通过增加航线配船数量的方式能有效降低钟摆式航线的总经营成本;当集装箱货物需求减少时,通过跳过某些港口减少挂靠次数的方式能有效降低钟摆式航线的总经营成本。