近年来,由于我国日益完善的集装箱港口硬件设施,集装箱吞吐量快速增长,港口堆场的作业效率成为制约其发展的重要瓶颈。集装箱运输过程中,由于船舶到港、交通状况、集卡运输、天气变化等不确定性因素,会造成集装箱堆场运营中存在大量的翻箱作业。并且随着我国港口堆场轨道式龙门吊的广泛采用,堆场堆高不断增加,翻箱率也将更高。因此,研究有效减小码头翻箱率的方法变得越发迫切。本文首先针对预约交箱机制下集装箱堆场箱位优选问题,提出了交箱次序与箱位分配的图表示法,基于图表示提出了压箱量和龙门吊大车行驶距离的期望的求解方法。在此基础上构建了基于图的集装箱堆场出口箱位优选模型,优化堆场龙门吊行车成本和压箱量。考虑图表示模型特点开发了禁忌搜索算法,利用图表示特性缩小搜索空间和优选搜索方向,提高了收敛速度。实验表明,提出的算法能够在合理的时间内获得满意解,较确定性模型减少堆场作业成本20%以上。本文接着针对集装箱混堆模式堆场出口收箱作业调度易受干扰问题,首先提出了出口收箱序列的干扰识别与扰动度量方法；然后构建了考虑关联扰动影响的出口箱位分配干扰管理模型,利用箱位偏离目标优化干扰影响,利用压箱量和龙门吊行驶距离目标优化收箱作业成本；考虑干扰恢复求解的不均衡性特点,设计了基于局部加速的禁忌搜索算法,利用局部搜索邻域控制搜索方向和范围,提高收敛效率。实验表明：干扰管理模型较重调度节约干扰成本10%以上。本文最后针对集装箱港口进口提箱的翻箱落位优选问题,开发了基于虚拟路径的三阶段启发式算法,首先利用启发式规则生成翻箱落位初始可行方案,然后利用阻碍箱的虚拟翻箱构建虚拟移箱路径,构建移箱路径冲突集合,在此基础上建立虚拟移箱路径的组合优化0-1规划模型,并开发了进化求解算法。实验表明,提出的启发式算法求解效果较OH算法改进20%以上。