基于航道與泊位資源協(xié)調(diào)調(diào)度的船舶交通優(yōu)化

張新宇, 郭子堅(jiān), 王金濤, 林 俊(. 大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真和控制交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 606； . 大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 603)

基于航道與泊位資源協(xié)調(diào)調(diào)度的船舶交通優(yōu)化

張新宇1,2, 郭子堅(jiān)2, 王金濤1, 林 俊1
(1. 大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真和控制交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026； 2. 大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

將港口航道與泊位資源協(xié)調(diào)利用，可最大限度地提高港口運(yùn)營效率。對此，以所有船舶總在港時(shí)間和等待時(shí)間最少為目標(biāo)，建立基于單向航道的多目標(biāo)船舶調(diào)度優(yōu)化模型。根據(jù)港口不同區(qū)域的交通流特征，建立初始化約束、流量轉(zhuǎn)換約束、時(shí)隙分配約束和泊位沖突消解約束等多個(gè)約束模型。設(shè)計(jì)多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行求解，并設(shè)計(jì)有針對性的模擬場景進(jìn)行驗(yàn)證；以港口某一繁忙時(shí)段的20艘船舶為例，進(jìn)行調(diào)度試驗(yàn)。最終得到8個(gè)Pareto最優(yōu)解和2個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)解：總調(diào)度時(shí)間為2.618 6 h，添加懲罰后總等待時(shí)間為23.012 4 h。結(jié)果表明:該模型及算法給出的調(diào)度方案能有效提高船舶的調(diào)度效率。

水路運(yùn)輸； 單向航道； 船舶調(diào)度優(yōu)化； 多目標(biāo)遺傳算法； 時(shí)隙分配； 流量轉(zhuǎn)換

海上運(yùn)輸是目前國際貨物運(yùn)輸中最主要的方式，其服務(wù)質(zhì)量很大程度上受港口對船舶進(jìn)出港服務(wù)效率的影響。目前關(guān)于船舶進(jìn)出港調(diào)度的研究主要側(cè)重于航道流量和泊位分配中的單一方面，而對于兩者協(xié)調(diào)調(diào)度的研究相對較少。

在航道通過能力方面：邵俊崗等[1]運(yùn)用排隊(duì)論對港口通過能力進(jìn)行了綜合評估；李子強(qiáng)[2]通過分析交通流，對航道通過能力進(jìn)行了研究；代君等[3]運(yùn)用船舶領(lǐng)域模型對港口受限航道通過能力的計(jì)算方法進(jìn)行了探討。這些研究針對的是靜態(tài)模型，不能反映動(dòng)態(tài)交通情況。此外，張瑋等[4-6]分別針對蘇北大運(yùn)河、長江三峽和葛洲壩的單向航段進(jìn)行了規(guī)劃研究，研究重點(diǎn)是通航閘口管制，無須考慮航道通過時(shí)間，并不適用于單向航道的船舶調(diào)度問題。

在航道使用效率方面：徐國裕等[7]根據(jù)船載自動(dòng)識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)提供的與船舶航行安全相關(guān)的資料，以泊位遠(yuǎn)近、船舶大小、船舶類型和船舶吃水等因素為權(quán)重，提出了單向水道船舶進(jìn)出港最佳排序模式；LLOYD等[8-9]對保持安全水域空間、構(gòu)建整合系統(tǒng)和減少排序沖突給予了充分關(guān)注；OZGECAN等[10]采用多種排隊(duì)模型分析了伊斯坦布爾海峽的狹長水道內(nèi)船舶航行的風(fēng)險(xiǎn)和效率，并針對水道中突發(fā)的交通阻塞問題進(jìn)行了多種中斷排隊(duì)優(yōu)化。PULUGURTHAL等[11]從航道流量角度進(jìn)行了船舶調(diào)度優(yōu)化，側(cè)重于航道的運(yùn)輸效率，忽略了船舶進(jìn)入泊位的作業(yè)效率。

在模型求解方面：李平等[12]將遺傳算法和混合優(yōu)化策略應(yīng)用到了求解集裝箱港口的泊位調(diào)度問題中；KAP等[13]以船舶因延誤離港而導(dǎo)致的罰金與因不合理停泊導(dǎo)致的額外搬運(yùn)集裝箱費(fèi)用之和最小為目標(biāo)，提出了一種基于模擬退火算法的泊位分配模型；CHUANG等[14]設(shè)計(jì)了模糊遺傳算法求解航線調(diào)度優(yōu)化模型，可為船舶航線調(diào)度問題提供輔助支持。

綜上所述，目前關(guān)于船舶進(jìn)出港調(diào)度的研究主要側(cè)重于航道容量和泊位分配中的單一方面，在實(shí)際的港口調(diào)度中，船舶進(jìn)出港管理效率較低。對此，以航道為切入點(diǎn)，協(xié)調(diào)泊位資源，構(gòu)建多目標(biāo)港口船舶調(diào)度優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)適于求解的多目標(biāo)遺傳算法，并設(shè)計(jì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 問題描述

船舶調(diào)度的目的是在遵循航道管理規(guī)則和保證港口水域通航安全的條件下，使船舶盡快、盡量多地通過航道，減少船舶延誤。對于單向航道，在港口繁忙的情況下，港口船舶調(diào)度的核心問題是泊位和航道資源的優(yōu)化配置。交通量的大小受船舶進(jìn)出港初始狀態(tài)、同向船舶的安排協(xié)調(diào)、進(jìn)出流量的安排控制以及泊位沖突消解等因素的制約。因此，港口船舶調(diào)度問題是典型的NP-Hard (Non-deterministic Polynomial-time Hard)問題。

2 模型建立

2.1概念解釋

1) 單向航道：同一時(shí)間只允許同一個(gè)方向通航的航道。

2) 時(shí)隙分配：這里的一個(gè)時(shí)隙指從一艘船舶開始進(jìn)出港到下一艘船舶開始進(jìn)出港的時(shí)間間隔。

3) 流量轉(zhuǎn)換：船舶進(jìn)港流量和出港流量的協(xié)調(diào)。

2.2模型假設(shè)

1) 港口已做好船舶靠泊作業(yè)計(jì)劃，船舶交通管理中心負(fù)責(zé)港口船舶進(jìn)出港調(diào)度。

2) 天氣對港口船舶調(diào)度沒有影響，拖船和引航員充足且能準(zhǔn)時(shí)到位。

2.3船舶調(diào)度模型建立

2.3.1目標(biāo)函數(shù)的建立

港口方和船方在船舶調(diào)度過程中的利益訴求不同。單純從時(shí)間的維度考慮，港口方希望所有船舶完成調(diào)度的時(shí)間最短，而船方則希望各自船舶在港的等待時(shí)間最短。這里根據(jù)兩利益方關(guān)心的問題，構(gòu)建多目標(biāo)目標(biāo)函數(shù)Min[F,W]

(1)

Min(bi-t0i)

(2)

式(1)～式(2)中：F為所有船舶完成進(jìn)出港的最少總時(shí)間；W為修正后所有船舶等候進(jìn)出港的最少時(shí)間總和；bi為第i艘船舶進(jìn)/出港開始時(shí)刻;fi為第i艘船舶進(jìn)/出港結(jié)束時(shí)刻;t0i為船舶i進(jìn)入報(bào)告線的時(shí)刻;s為報(bào)告線與航道入口間的距離;si為理論上第i艘船舶的泊位與航道入口間的距離;vi為理論上第i艘船舶從進(jìn)入航道到抵達(dá)泊位處的平均速度;b0為上一時(shí)間段內(nèi)最后一艘船舶進(jìn)港(出港)開始時(shí)刻;f0為上一時(shí)間段內(nèi)最后一艘船舶進(jìn)港(出港)結(jié)束時(shí)刻;h0為本階段第一艘船舶與上一階段最后一艘船舶的安全時(shí)間間隔。

式(1)表示本階段所有船舶完成進(jìn)出港所使用的總時(shí)間最少；式(2)表示所有船舶等候進(jìn)出港時(shí)間總和最少。這里的船舶等候進(jìn)出港時(shí)間指船舶實(shí)際使用的進(jìn)出港時(shí)間與理論上船舶最快進(jìn)出港時(shí)間的差值，即船舶在港浪費(fèi)的時(shí)間成本。

2.3.2船舶調(diào)度模型約束的建立

IOi=(0,1)i=1,2,3,…,n

(3)

Rij=(0,1)i=1,2,3,…,n

(4)

Bij=(0,1)i=1,2,3,…,n

(5)

Berthim=(0,1)i=1,2,3,…,n

(6)

(7)

(bi-b0-h-Bijh1)×[1-(IOi-IO0)2]≥0

i=1,2,3,…,n

(8)

(fi-f0-h-Bijh1)×[1-(IOi-IO0)2]≥0

i=1,2,3,…,n

(9)

(10)

fi-bi-pi≥0i=1,2,3,…,n

(11)

(12)

(13)

(IOi-IOj)2≥0i

(14)

(bi-bj+MRij-h-Bijh1)×[1-

(IOi-IOj)2]≥0i

(15)

[-bi+bj+M(1-Rij)-h-Bijh1]×[1-

(IOi-IOj)2]≥0i

(16)

(fi-fj+MRij-h-Bijh1)×

[1-(IOi-IOj)2]≥0i

(17)

[-fi+fj+M(1-Rij)-h-Bijh]×[1-

(IOi-IOj)2]≥0i

(18)

(1-Berthin)+M(1-IOi)>0t=bi

(19)

式(7)為船舶i開始調(diào)度時(shí)刻必須晚于船舶i預(yù)計(jì)到達(dá)航道入口的時(shí)間; 式(8)～式(10)為保證模型的連續(xù)性構(gòu)建的初始化約束； 式(11)～式(14)為流量轉(zhuǎn)換約束，主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)出港船舶的流量在時(shí)間上的轉(zhuǎn)換； 式(15)～式(18)為時(shí)隙分配約束，用于協(xié)調(diào)先后調(diào)度的2艘船舶同向航行時(shí)的安全問題，主要考慮安全時(shí)間間隔、船舶的先后次序和泊位遠(yuǎn)近；式(19)為泊位沖突消解約束，保證任意一艘進(jìn)港船舶調(diào)度開始時(shí)刻，其將要停靠的泊位是空閑的。

3 算法設(shè)計(jì)

遺傳算法具有較好的并行計(jì)算能力，是在多目標(biāo)優(yōu)化領(lǐng)域應(yīng)用最成功的算法之一。這里針對港口船舶調(diào)度設(shè)計(jì)遺傳算法進(jìn)行求解。為模型設(shè)計(jì)的多目標(biāo)遺傳算法流程圖見圖1。

4 實(shí)例驗(yàn)證

使用MATLAB 2010b設(shè)計(jì)港口船舶調(diào)度多目標(biāo)遺傳算法程序，基于MATLAB GUI實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化。對某港口某天某時(shí)段的船舶進(jìn)行調(diào)度試驗(yàn)，模擬20艘船舶(14進(jìn)6出)準(zhǔn)備時(shí)刻的間隔服從λ=20的負(fù)指數(shù)分布規(guī)律的場景。準(zhǔn)備時(shí)刻是指只要泊位和航道條件允許，即可調(diào)度船舶的時(shí)刻；航行距離是指航道起點(diǎn)與泊位間的距離。模擬數(shù)據(jù)的船舶信息見表1。

圖1 多目標(biāo)遺傳算法流程圖

假設(shè)上一階段最后一艘船舶的進(jìn)出港開始時(shí)刻為07:00。表2給出了上一階段最后一艘船舶的相關(guān)信息。

表2 上一階段最后一艘船舶信息

泊位是碼頭集團(tuán)按照申請預(yù)先分配完成的，且泊位的條件都滿足要?？看暗囊?。表3給出了本階段調(diào)度開始時(shí)刻泊位的空閑和占用狀態(tài)，模擬數(shù)據(jù)假設(shè)共有18個(gè)泊位。

表3 泊位開始時(shí)刻的空閑和占用狀態(tài)

將上述數(shù)據(jù)讀入程序進(jìn)行運(yùn)算，參數(shù)為:種群大小200,代溝0.9,交叉概率0.95,變異概率0.05,最大遺傳代數(shù)200。運(yùn)行結(jié)果見圖2?？煽闯龉灿?個(gè)Pareto最優(yōu)解，20艘船舶調(diào)度完成所用總時(shí)間為2.618 6 h，添加懲罰后的總等待時(shí)間為23.012 4 h；種群在不斷尋優(yōu)，并在200代以內(nèi)收斂。

8個(gè)Pareto最優(yōu)解見表4。在總調(diào)度時(shí)間的方向上，最優(yōu)解為2.618 6 h，此時(shí)總等待時(shí)間的適應(yīng)度值為24.776 7 h。在總等待時(shí)間方向上，最優(yōu)解為23.012 4 h，此時(shí)總調(diào)度時(shí)間為2.698 5 h。這符合多目標(biāo)遺傳算法結(jié)果的特點(diǎn)：當(dāng)一個(gè)目標(biāo)改進(jìn)時(shí),另一個(gè)目標(biāo)會(huì)相應(yīng)地衰退。由于船舶準(zhǔn)備調(diào)度時(shí)刻比較集中，因此雖然能增加船舶可調(diào)度時(shí)間段，但同時(shí)也會(huì)造成船舶等待時(shí)間延長。

對于單向航道，航道上的船舶不能對遇，在進(jìn)行流量轉(zhuǎn)換前必須保證航道上沒有船舶，進(jìn)而會(huì)消耗較多的時(shí)間。因此，理論上對于較長的單向航道而言，流量轉(zhuǎn)換的次數(shù)越少，所有船舶完成調(diào)度所用時(shí)間就越短。8個(gè)Pareto最優(yōu)解的調(diào)度方案都只進(jìn)行3次流量轉(zhuǎn)換，大大提高了船舶的調(diào)度效率。

每個(gè)Pareto最優(yōu)解代表一個(gè)調(diào)度方案，經(jīng)檢驗(yàn)，8個(gè)Pareto最優(yōu)解均符合以上約束，可保證船舶的安全。在實(shí)際應(yīng)用中，若港口追求總調(diào)度時(shí)間最短，可選用第1目標(biāo)值較小的調(diào)度方案Pareto1；若兼顧每艘船舶的等待時(shí)間，可選用第2目標(biāo)值較小的調(diào)度方案Pareto8。

表4 Pareto 最優(yōu)解

5 結(jié)束語

研究了基于單向航道和泊位資源協(xié)調(diào)調(diào)度的船舶交通管理問題，建立了以所有船舶總在港時(shí)間和等待時(shí)間最少為目標(biāo)的基于單向航道的多目標(biāo)船舶調(diào)度優(yōu)化模型。使用MATLAB 2010b編寫了港口船舶調(diào)度多程序，基于MATLAB GUI實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的可視化。經(jīng)驗(yàn)證，該模型能大大提高船舶進(jìn)出港作業(yè)的效率。

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OptimizationofVesselSchedulingBasedonCoordinationofOne-WayChannelandBerths

ZHANGXinyu1,2,GUOZijian2，WANGJintao1，LINJun1
(1. Key Laboratory of Maritime Dynamic Simulation and Control of Ministry of Transportation, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. School of Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

Careful coordinating the channel and berths can maximize the efficiency of a port. With the objective that total sum of time of all vessels spending in the harbor and waiting for available channel is minimized, a multi-objective optimization model of vessel scheduling based on one-way channel is built. Initialization constraints, traffic conversion constraints, slot allocation constraints and berths conflict resolution models are defined respectively based on traffic flow characteristics in different regions of the port. A multi-objective genetic algorithm is designed to solve the proposed model, and a practical scenario of 20 vessels at a peak period is designed to validate the reasonability and effectiveness of the model. The simulation results show that there are 8 Pareto optimal scheduling scheme options as the optimal solution, in which the total of time is 2.6186 hours and the waiting time is 23.0124 hours. The results of experiment suggest that the proposed scheduling model is of great value to improve the efficiency of vessel traffic.

waterway transportation; one-way channel; vessel scheduling optimization; multi-objective genetic algorithm; slot allocation; traffic flow transition

2015-05-11

國家自然科學(xué)基金(51309043);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132014202); 交通部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329225020);中國博士后科學(xué)基金(2014M551095);遼寧省自然科學(xué)基金(2014025005);遼寧省高校杰出青年學(xué)者成長計(jì)劃(LJQ2014052)

張新宇(1978—)，男，吉林長春人，副教授，博士生，主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ碳翱刂啤-mail:41544391@qq.com

1000-4653(2015)03-0033-04

U691+.3

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