Y形分叉复式航道船舶交通调度分析

Y形分叉复式航道船舶交通调度分析

赵,龙

青岛港湾职业技术学院

摘要：为了解决复合船舶中存在的船舶交通碰撞问题，将Y形双端航线模型抽象为天津港双港的原型。根据船舶交通流的特点和航行规则，定义了影响船舶交通的三个重要区域，并构建了主航线，路线入口的辅助通道和导航模式分布模型、交通通道主体、辅助通道交通流转换模型和Y通道通道合并模型。作为目标函数，我们构建了一个复合船舶调度模型的数学模型，并设计了相应的遗传算法。基于双进路线仿真数据，利用Matlab进行了仿真实验。通过对航行连续性、安全性和调度效率的分析，验证了模型的有效性和算法的有效性，并对VTS进行了验证。

关键词：复式航道；船舶交通；调度优化；遗传算法

1、引言

双型航线是指在同一航线的设计断面上具有两种或两种以上不同航运深度的航线，主要用于解决目前单向或双向航线无法满足船舶交通流量随港口增加而增加的问题。天津港已于1月1日正式开通双型航道，2014年，解决了小型船舶占据航道的问题，并适应了船舶更大发展的需求。双型航线是一种“硬件”上先进的船舶运输组织方式，但在许多航线上存在许多复杂船舶的交叉点，严重影响了船舶的安全和效率。目前天津港仍处于人工调度阶段，需要科学合理的调度手段，从“软实力”入手，提高港口航运安全和运营效率。

港口船舶调度主要是为了调度特定港口在一定时间内进港的船舶，使船舶能够安全高效地进港并完成港口工作。根据航线类型目前的路线分为单向通道、双向通道和双通道。建立了基于公平性和安全性的单向航道船舶调度数学优化模型。对于双向航道，我们使用模拟退火算法为海上高桥地区的双向航道设计了一个混合整数线性规划模型。通过分析双通道中的船舶交通流，建立了船舶调度的数学模型，考虑了不同于船舶等待时间长度的船型优先级，并构建了船舶调度优化的数学模型，并且船舶的分类不完全符合当前港口双路航线的规则。a类大型船舶的船舶设置在一个方向，而其余船舶在主通道中为双向。

我国国内外关于港口港口调度优化的论文较少。由于双型航道的航行环境越来越复杂，船型也越来越大，因此有必要对双型航道进行交通优化研究。

天津港是我国双复线的第一个港口，大多数学者对其运输系统、航行风险和通过能力进行了研究。在分析各种研究报告的前提下，sonatake在分析各种报告的前提之下，介绍了天津港的两种导航系统：建立了时间系统和控制线、缓冲区和警戒区，Lee Shindo模拟了之前通过Flexsim软件为天津港复合航线建立的船舶路径规划。在本文中，我们评估了在航行过程中可以看到的船只穿越的遭遇情况。鉴于道路交通风险的分析和预测，估计和评估了通过天津港的风险，并基于地理分布评估了网格路由的风险。

2、复式航道船舶交通问题描述

2.1导航和导航模式的分配

为了航行到辅助航线的主入口，船舶和导航模式是分布式的。从天津港的航行规则可以看出，船舶有必要根据船型、船长、船舶宽度等共同决定是否在主航道或小船航道上航行，并且在主通道中航行的船舶是基于在该方向和另一方向上行进的另一船舶的船型和宽度的航行模式。也就是说，有必要确定单向或双向导航。基于上述问题，该调度模型可以确定合理的进港和离港船舶的调度顺序和航行模式，并提前计算每艘船到达船舶每个关键区域的时间，避免船舶可能出现在航线每个地方的相遇阶段。本研究的目的是提高导航系统的安全性和效率，并减少船舶调度过程中在港口的等待时间。

2.2Y形分叉复式航道船舶调度优化数学模型

影响双向路线调度的因素有很多。以天津港双港为基础，抽象出Y型双端航线模型，如图4所示。构建模型时，假设：

（1）该船申请进出口，引航员和拖船立即准备就绪。

（2）假设到达锚地的时间是进港船只的应用程序调度时间。

（3）假设港口的出生率是足够的，因此，模型中的出生分配问题领先于船舶调度问题。因此，每艘船舶在调度前都有一个定义，并且没有考虑船舶装运前后的订单。

（4） 进港船舶计划启动的起始时间为起锚点至登船船舶计划启动停止的起始时间，起锚点到出港即第29个舷梯浮场的终止时间。

（5） 本文主要考虑了船舶航行过程中交通流的影响，没有考虑夜间出发时产生的涡流对船舶的影响。

（6） 小型船舶航道的水深满足小型船舶的需求，主航道在恒定调度期内不考虑水深对进闭船航行时间窗的限制。

2.3一致性功能

由于调度模型的目标函数是船舶的最小等待时间，因此适应度函数是目标函数的倒数。

2.4其他遗传算子

选择算子采用轮盘算法，交集算子采用两点交叉法，变异算子采用两点变异法。

3、模型及算法验证

本文通过仿真实验验证了模型的合理性和算法的有效性，仿真实验包括船舶和港口数据。船舶数据由天津VTS收集。如图：

3.1初始种群

遗传算法中的染色体采用四层整数编码，即染色体上的每个基因根据船号、进出方向、航行模式和泊位位置四层信息代表一艘船。整个染色体由预定血管的所有基因位置随机排列，初始化的物种组是基于物种组的数量随机生成的。例如，10121003120，表示由三艘船组成的染色体调度序列，对于1011基因位置，编号1的船只是它从港口出发，以主通道的单向航行模式出发。由染色体表示的调度计划根据船号从1到3依次调度。

3.2修复算子

在实际调度过程中，停泊在两个相同浴场的船舶遵循先验/后向原理，因此染色体必须通过随机生成的种群或交叉点和突变来修复，以确保相应调度方案的可行性。具体地说，它检查同一个浴槽是否在调度队列中来回服务于两艘船，如果存在，它确定调度序列中的两艘船是在前还是在后，否则替换染色体中与这两艘船对应的基因位置并完成修复。

3.3目标函数

建立模型的目的是使船舶能够等待调度，以便能够安全快速地进出双回路航线，从而使船舶港口的等待时间之和最小，即目标函数为从每艘船的调度开始时间起，应用调度时间之差和最小。

3.4模拟实验

调度实验模拟了40艘船的进出。显示了一个由程序构建的GUI界面，下图列出了前20艘船的调度数据，调度属性从左到右依次为船号、类型、锚、浴和应用程序调度时间。从船舶到港口的时间间隔遵循负指数分布，应用时间基于该规则计算（单位：分钟）。算法参数设置为：种群大小为100，交叉概率为0.95，突变概率为0.05，种群世代槽为0.9，最大遗传代数为200代。如图所示，在左上角的二维坐标图中，实线表示种群最优目标值演化曲线，星形为每一代种群目标值的平均值。最佳解决方案往往在80代左右较为温和。经过200代计算，40艘船的总等待时间为518分钟，平均等待时间为13分钟。

4、调度方案高效性验证

VTS管理人员在重复通道中采用的最优调度序列和FCFS（预到达服务，按申请顺序的顺序调度）和出站反向方法（对于在一定时间内申请调度的船舶），我们首先估计调度计划的效率。

5、结语

在总结双海航行规则重要要素的基础上，通过对复杂复杂水域船舶交通流碰撞的分析，抽象出一个简化的Y形双端航道模型，并在保证船舶航行安全的前提下，建立了简化的Y分叉双通道船舶调度数学模型。针对该模型设计了一种自适应遗传算法。通过模拟40艘船舶的进出，该模型和算法计算出的最优染色体调度序列可以有效地分配船舶的航行模式，在航行各个水域时，可以避免在航线复杂的水域形成危险相。可以提高双向航行的安全性和效率。

参考文献：
[1]海港总体设计规范[S]. 北京：交通运 输部出版社，2013.

[2]王金涛 .基于单向航道的船舶调度优化模型与算法 研究[D].  大连：大连海事大学，2014.

[3]陈向.复式航道条件下的港口船舶调度优化[D]. 大 连：大连海事大学，2017.