左天立, 聶向軍, 郝 軍, 王達川, 李 蕊, 黃 俊

(交通運輸部 規(guī)劃研究院，北京 100028)

基于多智能體的復雜水域航道通航仿真優(yōu)化

左天立, 聶向軍, 郝 軍, 王達川, 李 蕊, 黃 俊

(交通運輸部 規(guī)劃研究院，北京 100028)

基于多智能體仿真技術(shù)，以航道通過能力和服務水平為目標函數(shù)，考慮不同船舶在多航道情景下進出港的動態(tài)變化，構(gòu)建復雜水域下的沿海進出港航道仿真模型，有效評估航道對港口營運的影響。以我國大連灣水域航道規(guī)劃方案調(diào)整為例，應用仿真模型進行評估分析。仿真分析結(jié)果表明，當大連灣入口為雙航道時，航道的通過能力、服務水平相比單航道均能得到有效提高，核心的客滾船等待時間能有效減少80%。建議在我國沿海的航道規(guī)劃、建設和運營中廣泛應用計算機仿真技術(shù)，促進航道科學合理地發(fā)展和高效地運營。

港口運輸；復雜水域；多智能體；航道仿真；通過能力；服務水平

Abstract: A model of the coastal channel in complicated waters for multi-agent simulation is established. The model is used to optimize the channels in the way that the capacity-service level of the navigation channel is taken as the objective function and the dynamic changes of different ships in multi-channel environment as the condition. The channel impact factors on port operation are assessed. The adjustment of waterway scheme in Dalian bay is planned for illustration. The simulation results indicate that planning two channels at the entrance of Dalian bay will notably improve the capacity of navigation and service level so that the waiting time of RO-RO ships can be reduced by 80% or more. The computer simulation technology should be used for the channel planning, and port construction/operation so as to achieve the rational development and high operating efficiently.

Keywords: port traffic；complex waters; multi-agent; navigation channel simulation; capacity of navigation; service level

近年來，隨著國內(nèi)沿海港口規(guī)模迅速擴大，港口通航環(huán)境日趨復雜，部分港口航道的現(xiàn)狀已不能適應港口的發(fā)展需求，航道服務水平和通過能力已成為制約港口高效運營的突出因素。

目前國內(nèi)外港航業(yè)[1-2]已對定量評價航道通過能力等相關(guān)指標達成一定的共識，M/Ek/S排隊論模型可解決簡單航道的通過能力問題。鑒于船舶到港具有隨機性和不均衡性，計算機仿真技術(shù)逐漸應用到航道研究中。[3-8]總體來看，現(xiàn)行的仿真技術(shù)存在以下不足：

1)難以滿足包含航道服務水平、通過能力在內(nèi)的多目標約束下的評估需求。

2)仍較多采用隨機理論，缺乏港口運營中的泊位、航道及船舶等信息交互和預約判斷等過程的模擬，很難仿真實際港口的運營情況。

3)在模型構(gòu)建上多采用線型邏輯結(jié)構(gòu)，難以解決復雜水域下的分叉、分段等模型邊界條件設置問題。

4)對于包含泊位、船舶及水域等因素的系統(tǒng)性問題，并不能涵蓋周全。

目前，相關(guān)研究人員[9-10]已對利用多智能體技術(shù)解決多重目標約束下的復雜技術(shù)問題達成共識。這里基于已有仿真研究[11-13]，將多智能體仿真技術(shù)引入到復雜水域下的沿海港口仿真中，通過對系統(tǒng)內(nèi)部各項航行條件及運營信息進行全面預約判斷，以優(yōu)化航道服務水平和通過能力為目標，實現(xiàn)船舶進出港的智能化，最終構(gòu)建沿海進出港航道仿真模型，為定量評估航道運營效率提供新的技術(shù)手段。

1 研究思路

基于沿海港口船舶進出港流程，結(jié)合港口實際運營狀況，利用多智能體仿真建模技術(shù)和Java程序設計語言，建立沿海港口通用數(shù)值仿真模型主體結(jié)構(gòu)，整體研究思路見圖1。模型主體包括主系統(tǒng)和船舶航行系統(tǒng),其參數(shù)、變量及邏輯函數(shù)等數(shù)據(jù)可實時傳遞、互相調(diào)用。

1)主系統(tǒng)主要應用于船舶進出港、在泊作業(yè)等關(guān)鍵流程中，包括與船舶進出港航行密切相關(guān)的航道、泊位、錨地等，重點解決港區(qū)基礎(chǔ)設施與運營、調(diào)度規(guī)則仿真問題。

2)船舶航行系統(tǒng)主要用于判斷船舶進出港行為的邏輯流程，重點解決船舶航行規(guī)則仿真問題。

圖1 研究思路

2 模型構(gòu)建

2.1主系統(tǒng)約束目標函數(shù)設置

在港口運營中，港口通過能力和航道服務水平是港口、海事、引航及船舶所有人普遍關(guān)注的指標。因此,圍繞港口運營相關(guān)指標構(gòu)建多目標函數(shù)M(F(m，n)，G(m，n)，H(x1，x2，…))。

(1)

(2)

f(i,j)=f2ij-f1ij

(3)

g(i,j)=g2ij-g1ij

(4)

式(1)～式(4)中：F(m,n)為進出港船舶總數(shù)目標；G(m,n)為航道服務水平目標；m為港口港區(qū)數(shù)量；

n為該港區(qū)預測年通過船舶艘次；tij為0-1變量，當?shù)趇艘船舶在j港區(qū)完成裝卸、離港時，tij=1，否則為0；f1ij為第i艘船舶到達j港區(qū)外的時刻；f2ij為第i艘船舶在j港區(qū)完成靠泊的時刻；g1ij為第i艘船舶在j港區(qū)完成裝卸的時刻；g2ij為第i艘船舶在j港區(qū)通過航道后離開航道的時刻；H(x1，x2，…)為特定船舶類型的目標約束。式(1)表示該階段所有船舶進出港的通過能力最大；式(2)表示該階段所有船舶等候時間最短。

2.2船舶航行系統(tǒng)邏輯流程函數(shù)設置

APij=(0，1)

(5)

SPij=(0，1)

(6)

ANij=(0，1)

(7)

Berthij=(0，1)

(8)

HTij=(0，1)

(9)

WEij=(0，1)

(10)

CHij=(0，1)

(11)

(12)

T2ij+si/vi+Δt≤T1ij

(13)

(14)

|hijk-hmjk|≥h0,m=1,2,3,…,n

(15)

|rijk-rmjk|≥h0,m=1,2,3,…,n

(16)

K2ij-Δp-T1ij≥0

(17)

(18)

Δp-si/vi≥0

(19)

2.3模型仿真流程

船舶進出港過程是一個包含復雜影響因素，同時具備隨機性、多樣性和離散性的動態(tài)服務系統(tǒng)，該研究通過邏輯流程和各智能體將主系統(tǒng)與船舶航行系統(tǒng)緊密結(jié)合，構(gòu)建船舶進出港系統(tǒng)仿真模型(見圖2)。

圖2 仿真模型系統(tǒng)流程

2.4主要輸入?yún)?shù)設置

2.4.1港區(qū)設施參數(shù)設置

該類型參數(shù)需根據(jù)港區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)劃情況具體分析確定，主要包括泊位數(shù)量、泊位噸級、泊位屬性、航道等級和錨地規(guī)模等。

2.4.2船舶參數(shù)設置

該類型參數(shù)需結(jié)合區(qū)域發(fā)展情況及國內(nèi)外船舶發(fā)展形勢具體確定，主要包括船舶流量、船舶到港規(guī)律、船舶類型、船舶噸級和船舶作業(yè)時間等。

2.4.3航行規(guī)則確定

船舶航行規(guī)則與各水域環(huán)境狀況、氣象條件和習慣航路等密切相關(guān)，主要包括：

(1)航道航行基本規(guī)則，包括船舶航道上下線點、航行速度、單雙向航行等；

(2)水文氣象條件，包括乘潮水位、因惡劣天氣引起的封航時間等；

(3)其他，包括?；反笆欠褚购健⒋斑M出港優(yōu)先級確定等。

3 實例分析

大連灣水域是大連港核心水域之一，通航環(huán)境較為復雜，是我國北方水上運輸最繁忙、船舶密度最大的水域之一。為適應區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展新形勢，該水域內(nèi)擬建大連灣跨海交通工程，該工程將壓縮大連灣部分水域空間，可能會給航道服務水平帶來一定的影響。在此背景下，根據(jù)吞吐量預測、港區(qū)布局及水域現(xiàn)狀通航條件，在有限的水域空間內(nèi)提出2種多航道交匯的水域調(diào)整方案(見圖3)，跨海交通工程側(cè)航道端口分別為雙入口和單入口，泊位及航道參數(shù)見表1和表2。

a)方案一

b)方案二

港區(qū)泊位數(shù)/個泊位噸級功能屬性大港港區(qū)191萬～30萬客滾、通用、郵船、修造船大石化港區(qū)135000～10萬原油、成品油船甘井子港區(qū)205000～10萬通用、修造船和尚島西港區(qū)中遠船務區(qū)域145萬～30萬修造船和尚島西港區(qū)遼寧集團區(qū)域185000～5萬客滾、通用、修造船和尚島西港區(qū)、華能電廠、大船海工基地等115000～3萬通用、修造船

3.1參數(shù)設置

1)仿真運行時間：1 a。

2)到港船舶規(guī)律：客滾船遵循定班制；其余船舶服從X～N(μ，σ2)，μ=7，σ2=2。

3)船舶到港流量：8 760艘。

表2 港區(qū)航道信息

4)航速：航道內(nèi)10 kn；港內(nèi)5 kn。

5)夜航設置：根據(jù)該港域海事管理規(guī)定，無夜航控制。

6)船舶進出港優(yōu)先級：按客滾船、乘潮通航船、原油/成品油船、通用散雜貨船和修造船的優(yōu)先級從高至低排列。

7)泊位服務效率、船舶作業(yè)時間等相關(guān)運營數(shù)據(jù)均根據(jù)《海港總體設計規(guī)范》[14]選取。

8) 在泊位等級滿足船舶噸級的條件下，船舶采用隨機靠泊方式，依據(jù)先到先服務原則分配泊位。[15]3.2仿真分析

獨立進行10次仿真試驗，得到2種方案下的分船型航道服務水平指標及通過能力指標(見圖4)。經(jīng)分析，在相同港口泊位數(shù)及船舶預測量下，各航道方案在評價指標上有顯著差別。

圖4 分船型航道服務水平與通過能力指標對比

1)從航道通過船舶艘次上看，方案一中各類船舶通過艘次均比方案二多。以全港船舶為例，預測全年到港船舶8 760艘，經(jīng)仿真模型驗算，采用方案一，航道可滿足全年約8 630艘船舶的正常到港需求；而采用方案二，航道可滿足全年約8 580艘船舶的正常到港需求。因此，從通過能力上看，選擇方案一可更好地滿足水域內(nèi)船舶進出港需求，航道通過能力與港口需求基本上匹配。

2)從船舶進港等待時間上看，方案一比方案二更優(yōu)。以該區(qū)域內(nèi)船舶流量較大的客滾船為例，在日常港口營運中，方案一中船舶等待航道時間僅需0.1 h，而方案二則上升至0.18 h。因此，從航道服務水平上看，若采用方案二，則客滾船進港等待航道時間將大幅上升80%，港口整體服務效率將受到較大影響。

由于大連灣水域內(nèi)的核心船舶為客滾船，因此該案例結(jié)合當前的通航服務水平，對仿真模型中的客滾智能體模型進行重點分析，選取到港等待航道時間作為評價指標。圖5為不同方案下容滾船進港等待時間，其中：方案一中客滾船準點率與現(xiàn)狀船舶準點率基本上符合；方案二中由于航道因素，等待航道時間顯著增加，航道服務水平大幅下降。

圖5 不同方案下客滾船進港等待時間

因此，綜合各項評價指標，方案一較為合理，可更好地滿足大連灣水域內(nèi)各系統(tǒng)的正常運營需求。

4 結(jié)束語

為綜合評估沿海復雜水域航道方案，以多智能體仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建沿海港口船舶進出港模型；通過設計和運行仿真試驗方案，可得出不同方案下的航道服務水平、航道通過能力等關(guān)鍵指標，并可根據(jù)需要對特定港區(qū)、特定船舶進行定量評估。

通過構(gòu)建沿海進出港模型，可為港口規(guī)劃、建設和管理部門評估航道提供更多的技術(shù)支撐，從而更好地促進港口事業(yè)的發(fā)展。

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OptimizationofCoastalChannelsinComplicatedWatersThroughMulti-AgentSimulation

ZUOTianli,NIEXiangjun,HAOJun,WANGDachuan,LIRui,HUANGJun

(Transport Planning and Research Institute, Ministry of Transport, Beijing 100028, China)

U698;U612

A

2017-01-10

左天立(1989—)，男,湖南益陽人，工程師,碩士，從事港口規(guī)劃、港口通航仿真研究。E-mail:zuotl@tpri.org.cn

1000-4653(2017)01-0097-05