張新宇， 王志強(qiáng)， 鄧志鵬

(大連海事大學(xué) 海上智能交通研究組， 遼寧 大連 116026)

神華黃驊港煤炭港區(qū)5萬(wàn)噸級(jí)重載雙向航道工程于2012年10月26 日通過(guò)海事部門驗(yàn)收并通航成功。[1]但是,鑒于航道自然地理?xiàng)l件的限制，根據(jù)港口有關(guān)規(guī)定，航道部分航段只允許單向通航，其余航段實(shí)行有條件的雙向通航。[2]由于航道船舶交通狀況等條件的限制，當(dāng)前該港區(qū)仍執(zhí)行單向通航。為此，如何提高該港區(qū)限制性雙向航道船舶進(jìn)出港作業(yè)效率是亟待解決的問(wèn)題。

目前，針對(duì)黃驊港煤炭港區(qū)航道船舶交通組織優(yōu)化問(wèn)題的研究較少，大部分研究集中在黃驊港煤炭港區(qū)航道通航安全和通過(guò)能力分析、評(píng)價(jià)或仿真方面[3-6]，缺少?gòu)娜纸嵌乳_(kāi)展對(duì)航道水域船舶交通組織方法的理論研究，因此不能提供整體航道交通效率最優(yōu)的船舶交通組織解決方案。國(guó)內(nèi)外缺少針對(duì)在限制性航道條件下船舶交通組織問(wèn)題的研究，但對(duì)單一類型航道(如單向、雙向和復(fù)式航道)船舶交通組織問(wèn)題有部分研究。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]針對(duì)單向航道船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題，構(gòu)建單向航道船舶進(jìn)出港最優(yōu)序列模型；文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]考慮船舶等待時(shí)間和船型優(yōu)先權(quán)等因素，建立雙向通航條件下的船舶進(jìn)出港數(shù)學(xué)優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]研究復(fù)式航道中船舶的航行方式和交通沖突，構(gòu)建船舶調(diào)度多目標(biāo)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型。通過(guò)分析，單一類型航道船舶交通組織問(wèn)題需考慮進(jìn)出港船舶流量轉(zhuǎn)換、單/雙向/復(fù)式通航模式轉(zhuǎn)化、船舶間安全時(shí)隙和警戒區(qū)會(huì)遇船舶協(xié)調(diào)避讓等問(wèn)題。相比之下，在限制性航道條件下，研究船舶交通組織問(wèn)題除了要考慮單一類型航道船舶交通組織問(wèn)題以外，還需考慮航道存在的限制性關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并識(shí)別限制性航道的限制性通航航段和單一性通航航段(單向/雙向通航航段)，確保船舶在限制性通航模式與單一性通航模式之間轉(zhuǎn)化時(shí)，在限制性單/雙向通航模式切換時(shí)和在航道各限制性關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)航行時(shí)的安全性和效率性。在船舶交通組織優(yōu)化算法方面，EDUARDO等[14]設(shè)計(jì)雙向航道水域混合整數(shù)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，并采用模擬退火算法進(jìn)行求解。MEISEL等[15]針對(duì)雙向船舶交通調(diào)度問(wèn)題，提出變航速、側(cè)線段容量和船舶等待時(shí)間限制的優(yōu)化策略，采用啟發(fā)式算法求解。ZHANG等[16-17]協(xié)調(diào)航道和泊位等資源構(gòu)建數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，采用模擬退火和遺傳算法求解。通過(guò)對(duì)船舶交通組織優(yōu)化算法進(jìn)行歸納發(fā)現(xiàn)，所采用的求解算法大都為模擬退火算法和遺傳算法等常規(guī)的智能優(yōu)化算法，在面對(duì)較為復(fù)雜的船舶交通組織優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，常出現(xiàn)收斂速度慢和陷于局部最優(yōu)等問(wèn)題。

綜上，本文在現(xiàn)有船舶交通組織優(yōu)化理論的基礎(chǔ)上，考慮黃驊港煤炭港區(qū)雙向航道限制性條件，構(gòu)建限制性雙向通航模式下的船舶交通組織優(yōu)化模型，并提出改進(jìn)的雙鏈量子遺傳算法(Improved Double Chains Quantum Genetic Algorithm, IDCQGA)，高效地求取模型的最優(yōu)方案。

1 模型建立

1.1 問(wèn)題描述

目前,該港區(qū)采用先出后進(jìn)(First out Last in, FoLi)方式集中調(diào)度進(jìn)港或出港船舶，航道通航效率較低，實(shí)際到港船舶需先在錨地拋錨等候進(jìn)港；航道最大流速出現(xiàn)在口門(32#浮筒)附近，對(duì)于在22#浮筒附近剛上線不久的進(jìn)港空載船舶而言，其航速較慢，受風(fēng)流影響較大，易給重載出港船舶造成視覺(jué)誤差；航道40#浮筒附近有1個(gè)5°轉(zhuǎn)向點(diǎn)，應(yīng)避免一艘船轉(zhuǎn)向給另一艘船造成視覺(jué)誤差； 47#浮筒以內(nèi)至一期、二期碼頭前沿為港池連接水域，此處富余水深略顯不足，可航水域狹小，船舶操作性差；22#浮筒以外區(qū)域相距泊位較遠(yuǎn)，已無(wú)雙向通航的意義?；谝陨戏治觯瑲w納出影響航道通航安全和效率的限制性關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)主要包括進(jìn)航道口(Key0 )、防沙堤口門(Key2)、航道5°轉(zhuǎn)向點(diǎn)(Key3)和港池連接水域(Key4)，見(jiàn)圖1。圖1中，Key1為Key0與Key2的中點(diǎn)。

圖1 黃驊港煤炭港區(qū)航道限制性雙向通航示意

《黃驊港煤炭港區(qū)航道雙向通航推進(jìn)會(huì)紀(jì)要》對(duì)航道雙向通航條件的規(guī)定：

1) 在22#浮筒附近上線處至32#浮筒口門位置航段，船舶需執(zhí)行單向通航。航道32#浮筒以內(nèi)區(qū)域中的外航道段(32#～40#浮筒) 和內(nèi)航道段(40#～47#浮筒)船舶執(zhí)行5萬(wàn)噸級(jí)有條件雙向通航。

2) 航道同向進(jìn)出港船舶前后安全距離至少保持1.5 n mile。

3) 雙向通航兩船暫限船長(zhǎng)小于225.0 m，船寬不大于32.3 m。

綜上，該港區(qū)限制性航道具有全局雙航段異類通航(限制性單/雙向通航)和局部單航段有條件通航等限制性通航的特點(diǎn)，從而使航道通航模式在單向/限制性通航模式間轉(zhuǎn)化,在限制性單/雙向通航模式間切換。單向/限制性通航模式在航道物理?xiàng)l件、船舶類型(船型尺度、船舶載態(tài)、船舶吃水和載運(yùn)危險(xiǎn)物等)和水文氣象等因素的影響下發(fā)生轉(zhuǎn)化；限制性單/雙向通航模式在船舶從航道單向航段航行過(guò)渡到雙向航段時(shí)切換。

考慮以上航道通航安全和效率影響因素以及船舶限制性雙向通航條件，結(jié)合港方和船方在船舶進(jìn)出港過(guò)程中的利益訴求，在對(duì)黃驊港煤炭港區(qū)實(shí)際船舶進(jìn)出港流程進(jìn)行實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上，提煉出該港區(qū)限制性雙向航道船舶交通組織優(yōu)化的關(guān)鍵是確定最佳的船舶進(jìn)出港序列，確保船舶在限制性通航和單向通航模式下以及在航道各航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)附近的航行安全性和效率性，縮短船舶總的調(diào)度時(shí)間和其在港的總等待時(shí)間，從而更好地提高船舶進(jìn)出港作業(yè)效率。

1.2 模型假設(shè)

本文建模所需的假設(shè)條件包括：

1) 水文氣象條件滿足船舶進(jìn)出港作業(yè)要求。

2) 引航員、拖船和錨地容量充足，不影響船舶進(jìn)出港計(jì)劃。

3) 船舶靠泊作業(yè)計(jì)劃已提前制訂，即不考慮泊位指派問(wèn)題。

1.3 變量和符號(hào)定義

船舶集合N={1,2,…，n}，n為按船舶申請(qǐng)進(jìn)出港的時(shí)間順序確定的船舶編號(hào)；泊位集合B={1,2,…，z}，z為泊位編號(hào)。Tpi為船舶申請(qǐng)進(jìn)出港時(shí)間，即船舶完全就緒時(shí)刻。Tsi為船舶開(kāi)始被調(diào)度時(shí)刻。Tfi為船舶完成進(jìn)出港時(shí)刻，對(duì)于進(jìn)港船舶指船舶停靠泊位時(shí)刻，對(duì)于出港船舶指船舶出航道時(shí)刻。δ0為船舶同向安全時(shí)隙。Tgk為船舶異向安全時(shí)隙,若k=1,表示限制性雙向通航單向通航階段的平均時(shí)隙;若k∈{0,3,4},表示關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)0、3和4附近的異向安全時(shí)隙。Δtki為船舶在航道各關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之間的航行時(shí)間，k∈{0,1,2,3,4}，其中:若k=0，對(duì)于進(jìn)港船表示從錨地航行至進(jìn)航道位置的時(shí)間，對(duì)于出港船表示從進(jìn)航道位置航行到出航道位置的時(shí)間；若k∈{1,2,3,4}，表示進(jìn)出港船舶在航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)k-1與k之間的航行時(shí)間。ΔBti為船舶在港池連接水域與泊位之間的航行時(shí)間。Tki為船舶航行到航道關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)k的時(shí)刻，k∈{0,1,2,3,4}。x為船舶航行方向，其中:x=1為進(jìn)港；x=0為出港。y為船舶航行模式，其中:y=0為單向通航；y=r為限制性通航，r=1指限制性單向通航，r=2指限制性雙向通航。Bi=1，為進(jìn)港船舶i將要?？康牟次豢捎?；Bi=0，為進(jìn)港船舶i所要?？康牟次灰驯皇褂?。A為任意一個(gè)足夠大的整數(shù)。

1.4 優(yōu)化模型

本文構(gòu)建的在限制性雙向通航模式下船舶交通組織優(yōu)化模型(Ship Traffic Organization Optimization Model under Restricted Two-Way Navigation, STOOMRTWN)見(jiàn)式(1)～式(9)。

[STOOMRTWN]:

min:[S,W]

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：S和W分別為第一月目標(biāo)值和第二目標(biāo)值。

s.t.

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式(1)和式(2)為目標(biāo)函數(shù)，分別為總船舶進(jìn)出港調(diào)度時(shí)間和總船舶在港等待的最短時(shí)間；式(3)表示每艘船舶的開(kāi)始調(diào)度時(shí)間不早于其申請(qǐng)進(jìn)出港的時(shí)間，且每艘船舶調(diào)度結(jié)束時(shí)間等于其在航行過(guò)程中各關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之間的航行時(shí)間累加，以確保船舶在航行過(guò)程中的時(shí)間連續(xù)性；式(4)～式(9)表示船舶i均在船舶j和m之后調(diào)度;式(4)為模式切換約束，用于判斷當(dāng)限制性通航兩異向船舶切換為限制性單向通航模式時(shí)，通過(guò)調(diào)整船舶到達(dá)指定航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的時(shí)刻，以保證兩船在整個(gè)限制性單向航段只能保持單向航行；式(5)和式(6)為關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)交通沖突消解；式(5)表示限制性通航兩異向船舶在指定關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)處保持異向安全時(shí)隙;式(6)表示進(jìn)出港兩船在航道單向通航模式下，各關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)處保持同向安全時(shí)隙；式(7)為泊位沖突消解，表示船舶i進(jìn)港時(shí)，其所?？康牟次槐仨毧捎?；式(8)和式(9)為模式轉(zhuǎn)換約束；式(8)為限制性通航模式分別轉(zhuǎn)換為單向進(jìn)港通航模式和單向出港通航模式;式(9)為單向進(jìn)港通航模式和單向出港通航模式轉(zhuǎn)換為限制性通航模式。

2 模型求解

船舶交通組織優(yōu)化問(wèn)題為典型的NP-hard問(wèn)題[14]，采用常規(guī)精確求解工具求解較為困難，而傳統(tǒng)的智能化算法存在收斂速度慢、易陷于局部最優(yōu)等情況。鑒于此，本文基于IDCQGA的并行性、疊加性和量子位雙概率幅編碼等優(yōu)勢(shì)[18]，針對(duì)STOOMRTWN模型的特點(diǎn)，提出改進(jìn)的IDCQGA，其主要思路如下：雙鏈量子編碼之后，對(duì)于1條染色體上的n個(gè)基因位，有2n個(gè)(-1,1)范圍內(nèi)的概率幅，通過(guò)將概率幅大小按升序排列，并取回原來(lái)數(shù)在排序后序列中所處的位置，將原染色體轉(zhuǎn)化為整數(shù)序列，種群中每條染色體可代表所調(diào)度進(jìn)出港船舶的排序情況；將量子位編碼、量子旋轉(zhuǎn)門和量子非門等操作與SGA(Simple Genetic Algorithm)的算子串聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)1次迭代、2次種群更新和2次目標(biāo)值尋優(yōu)。IDCQGA的關(guān)鍵算子操作流程見(jiàn)圖2。

1) 船舶交通組織雙鏈量子編碼。量子位的概率幅被用來(lái)進(jìn)行編碼操作，概率幅用(cost,sint)表示,其中t=2π×rand，rand為(0,1)內(nèi)的一個(gè)隨機(jī)數(shù)。被初始化之后的每條染色體擁有2條基因序列，即

圖2 IDCQGA的關(guān)鍵算子操作流程

picos=(costi1,costi2,…,costin)

(10)

pisin=(sinti1,sinti2,…,sintin)

(11)

式(10)和式(11)中：i∈{1,2,…,m};j∈{1,2,…,n}； 種群的大小用m表示；每條染色體量子的位數(shù)代表1個(gè)周期所要調(diào)度的進(jìn)出港船舶數(shù)量n。

2) 船舶交通組織解空間變換。船舶交通組織優(yōu)化問(wèn)題的解空間變換發(fā)生在離散域，對(duì)于已初始化的每條染色體上的n個(gè)基因位，有2n個(gè)(-1,1)范圍內(nèi)的概率幅，將概率幅大小按升序排列，并取回原來(lái)數(shù)在排序后序列中所處的位置，將原染色體轉(zhuǎn)化為整數(shù)序列，通過(guò)解空間轉(zhuǎn)換，使產(chǎn)生的種群中每條染色體可代表2組被調(diào)度的進(jìn)出港船舶序列，序列中每一位表示1艘進(jìn)出港船舶編號(hào)。

3) 適應(yīng)度函數(shù)。針對(duì)所構(gòu)建模型的特點(diǎn)，取個(gè)體目標(biāo)函數(shù)值的倒數(shù)作為適應(yīng)度值，并將模型各約束條件轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)的懲罰項(xiàng)。

4) SGA選擇、交叉和變異。選擇算子采用輪盤賭選擇方法，交叉算子采用部分映射交叉方法，變異算子采取二元變異方法。

5) 量子相位旋轉(zhuǎn)、變異更新染色體。利用旋轉(zhuǎn)門操作更新量子比特，采用轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)函數(shù)確定轉(zhuǎn)角的方向和大小，量子變異采用量子非門操作。

3 模型與算法驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

本文基于黃驊港煤炭港區(qū)獲取相應(yīng)的試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)，建立30艘船舶交通仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)計(jì)船舶航行時(shí)間挖掘算法獲取模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，其中通過(guò)對(duì)港區(qū)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)數(shù)據(jù)進(jìn)行條件判斷，篩選出煤炭散貨船的船長(zhǎng)、航速、吃水和經(jīng)緯度位置等數(shù)據(jù)；設(shè)置航道船舶全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)位置門限，提取出航道各關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)間船舶航行時(shí)間參數(shù)；根據(jù)進(jìn)出港船舶速度變化特征過(guò)濾出船舶所?？坎次唤?jīng)緯度值等，并通過(guò)聚類等操作獲取港池內(nèi)船舶航行時(shí)間參數(shù)。船舶航行時(shí)間挖掘算法流程如下：

1) 對(duì)2018年2月黃驊港煤炭港區(qū)500多萬(wàn)條進(jìn)出港船舶AIS暗文數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，按照itu-rm.1371協(xié)議轉(zhuǎn)化為明文，并將其存儲(chǔ)為csv格式數(shù)據(jù)。

2) 按照不同類型船舶?？坎次晃恢貌煌?、疏浚船等特殊作業(yè)船在港區(qū)航行區(qū)域比較固定等條件，篩選出進(jìn)出黃驊港煤炭港區(qū)的煤炭散貨船。

3) 將船舶按屬性分為靈便型散貨船和巴拿馬型散貨船，依次合理設(shè)置航道相鄰關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之間進(jìn)出港船舶GPS位置門限，并分別挖掘出每個(gè)區(qū)域內(nèi)每艘船舶AIS數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，最長(zhǎng)時(shí)間與最短時(shí)間之差即為相應(yīng)關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之間所要挖掘的時(shí)間參數(shù)。

4) 基于上述得到的AIS數(shù)據(jù)，篩選出港池內(nèi)散貨船AIS數(shù)據(jù)，按照進(jìn)出港船船速隨時(shí)間變化特征不同篩選出船舶的航行時(shí)間和其所?？康牟次唤?jīng)緯度值等字段，采用k-means聚類方法，根據(jù)該港區(qū)散貨船泊位數(shù)量設(shè)置聚類簇，對(duì)上述篩選出的泊位經(jīng)緯度特征值聚類，并與實(shí)際泊位位置相對(duì)比得到實(shí)際泊位編號(hào)，最后計(jì)算出進(jìn)港船舶航行到實(shí)際泊位或出港船離開(kāi)港池的時(shí)間。

3.2 模型和算法參數(shù)設(shè)置

設(shè)置船舶調(diào)度時(shí)間從0時(shí)刻開(kāi)始；基于黃驊港規(guī)定的航道船舶安全間距(使用固定距離為1.5 n mile)、第3.1節(jié)挖掘出的航道第1個(gè)單向通航航段船舶航行時(shí)間的上限值為28.4 min、航道5°彎段實(shí)際距離為1.7 n mile、碼頭前沿距離為1.0 n mile，按航道和港池船舶航行平均速度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的安全時(shí)隙并設(shè)定δ0為8 min，Tg0為8 min，Tg1為30 min，Tg3為9 min，Tg4為25 min；設(shè)置種群為100，量子位數(shù)為30，轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)初值為0.01×π，交叉概率為0.95，變異概率為0.05，終止代數(shù)為300代。

3.3 仿真結(jié)果和分析

3.3.1模型求解性能和求解方案分析

采用IDCQGA和SGA對(duì)模型進(jìn)行求解，重復(fù)運(yùn)行50次中具有一般性和代表性的一次運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：IDCQGA對(duì)模型求解出的目標(biāo)值均值隨迭代次數(shù)的變化較為均勻，且其第一目標(biāo)值和第二目標(biāo)值最優(yōu)解約在100代收斂，收斂速度明顯快于SGA，根據(jù)試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果得到的平均質(zhì)量統(tǒng)計(jì)對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知：IDCQGA算法下50次試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果第一目標(biāo)值和第二目標(biāo)值最優(yōu)解的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差均明顯小于SGA，表明SGA目標(biāo)值每一次尋優(yōu)結(jié)果的差距較大，穩(wěn)定性較差，而IDCQGA算法50次試驗(yàn)尋優(yōu)結(jié)果明顯集中，穩(wěn)定性較強(qiáng)；在算法運(yùn)行時(shí)間上，IDCQGA比SGA稍長(zhǎng)，原因是IDCQGA算法1次迭代進(jìn)行2次尋優(yōu)計(jì)算；綜合比較得出IDCQGA算法在解決船舶交通組織優(yōu)化問(wèn)題中具有收斂快、解的質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

a) S隨迭代次數(shù)變化 b) W隨迭代次數(shù)變化 c) IDCQGA帕累托前沿面

表1 根據(jù)試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果得到的平均質(zhì)量統(tǒng)計(jì)對(duì)比 min

模型求解出的Pareto最優(yōu)解集中的每個(gè)最優(yōu)解均代表一種優(yōu)化方案。在實(shí)際應(yīng)用中:若港口期望總調(diào)度時(shí)間最短，可選用第一目標(biāo)值最優(yōu)的優(yōu)化方案；若需特別考慮船舶在港等待時(shí)間最短，可選用第二目標(biāo)值較小的優(yōu)化方案。為驗(yàn)證模型求解方案的高效性，將IDCQGA算法求解出的Pareto最優(yōu)解集中第一目標(biāo)最優(yōu)下的船舶進(jìn)出港優(yōu)化方案與該港區(qū)規(guī)定的在限制性雙向通航條件下船舶交通組織相關(guān)部門常采用的先到先服務(wù)(First Come First Served，F(xiàn)CFS)和FoLi調(diào)度策略相比較，其中船舶進(jìn)出港序列為FCFS(0-29)和FoLi (0, 2, 3, 4, 5, 8, 9, 12, 19, 20, 21, 28, 29, 1, 6, 7, 10,11,13, 14, 15, 16, 17, 18, 22, 23, 24, 25, 26, 27)。

FCFS方法和FoLi方法的總船舶調(diào)度時(shí)間和總船舶等待時(shí)間最優(yōu)解如表1所示。通過(guò)比較可知，IDCQGA算法的總船舶調(diào)度時(shí)間和總船舶等待時(shí)間最優(yōu)解分別比FCFS方法下降22.6%和30.8%，比FoLi方法下降26.3%和31.5%，這表明采用IDCQGA算法求解出模型優(yōu)化方案具有高效性。

3.3.2模型驗(yàn)證

對(duì)模型的驗(yàn)證主要是分析IDCQGA，求解出船舶交通組織優(yōu)化方案見(jiàn)表2。表2為Pareto最優(yōu)解集中第一目標(biāo)最優(yōu)方案的前20條船舶信息。

表2 船舶交通組織優(yōu)化方案 min

(1) 通航模式轉(zhuǎn)換驗(yàn)證：12#出港船舶載重噸大于5萬(wàn)dWT，被安排為單向通航，下一艘21#出港船舶的載重噸小于5萬(wàn)dWT，被安排為限制性雙向通航，單向出港轉(zhuǎn)化為限制性雙向出港，兩船在關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)4保持預(yù)設(shè)的至少8 min港池同向安全時(shí)隙；21#出港船舶和7#進(jìn)港船舶的載重噸小于5萬(wàn)dWT，均被安排為限制性雙向通航，下一艘15#進(jìn)港船舶的載重噸大于5萬(wàn)dWT，被安排為單向通航，這時(shí)限制性通航轉(zhuǎn)化為單向通航，且15#船舶與21#船舶和7#船舶在關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)0位置保持預(yù)設(shè)的至少8 min港池異向安全時(shí)隙；最后，經(jīng)驗(yàn)證其他船的通航模式轉(zhuǎn)換約束也能得到保證。

(2) 其他模型約束驗(yàn)證：3#出港船舶和10#進(jìn)港船舶的載重噸大于5萬(wàn)dWT，均被安排為單向通航，而2艘船所?？坎次幌嗤鶕?jù)泊位沖突消解約束3#出港船舶被調(diào)度時(shí)間早于10#進(jìn)港船舶，且兩船各自被調(diào)度總時(shí)間等于其在航道各關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和港池航行時(shí)間的總和；21#出港船舶和7#進(jìn)港船舶的載重噸小于5萬(wàn)dWT，均被安排為限制性雙向通航，且兩船開(kāi)始被調(diào)度時(shí)間均晚于其申請(qǐng)進(jìn)出港時(shí)間，同時(shí),兩船在關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)1、3和4分別保持至少30 min、9 min和25 min的安全時(shí)隙，從而保證限制性通航2艘異向船切換到限制性單向通航后的整個(gè)限制性單向航段(Key0與Key2之間)只能保持單向航行，并消解限制性通航2艘異向船舶在關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)3和4附近的交通沖突消解；15#和27#進(jìn)港船舶載重噸大于5萬(wàn)dWT，均被安排為單向通航，兩船開(kāi)始被調(diào)度時(shí)間均晚于其申請(qǐng)進(jìn)港時(shí)間，且兩船在航道關(guān)鍵航路風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)0～4各位置保持至少8 min的同向安全時(shí)隙；最后，經(jīng)驗(yàn)證其他模型約束也能得到保證。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文考慮黃驊港煤炭港區(qū)影響航道通航安全和效率的因素，構(gòu)建限制性雙向通航模式下的船舶交通組織優(yōu)化模型，并設(shè)計(jì)船舶航行時(shí)間挖掘算法；提出改進(jìn)的IDCQGA算法，實(shí)現(xiàn)雙鏈量子編碼、量子旋轉(zhuǎn)門和量子非門等操作與SGA之間的耦合，快速高效地求取船舶進(jìn)出港優(yōu)化方案。試驗(yàn)結(jié)果表明：提出的限制性雙向航道船舶交通組織優(yōu)化方法合理、有效，能保證在船舶安全航行的前提下有效提高船舶的進(jìn)出港作業(yè)效率。然而，港口船舶交通組織問(wèn)題涉及面較廣，本文主要研究限制性雙向通航進(jìn)出港船舶在航道航行的安全性和效率性、船舶?？坎次粵_突等問(wèn)題，理論成果可為進(jìn)一步協(xié)調(diào)港口航道、泊位、拖船、引航和錨地等眾多資源，構(gòu)建更為復(fù)雜、更貼近實(shí)際情況的港口限制性航道船舶交通組織優(yōu)化模型奠定基礎(chǔ)。