天氣影響下的港口船舶延誤恢復(fù)模型及算法研究.pdf

1、近年來(lái)，極端惡劣天氣在沿海地區(qū)頻發(fā)且更具破壞性，對(duì)船舶進(jìn)出港航行作業(yè)造成嚴(yán)重影響，是造成船舶延誤的重要原因。天氣形勢(shì)復(fù)雜多變，使其對(duì)港口航道通航的影響具有隨機(jī)性、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性的顯著特征，目前大多數(shù)關(guān)于港口船舶交通組織的研究未在模型中加入天氣因素的影響，且鮮有關(guān)于港口船舶延誤相關(guān)問(wèn)題的討論。另一方面，隨著港口智能調(diào)度、VTS智能化和智慧海事等理論的提出和發(fā)展，要求更多的不確定信息加入到港口船舶交通組織系統(tǒng)中。為了提供合理的交通組織方案，

2、有必要建立船舶延誤模型描述天氣變化和延誤恢復(fù)之間的關(guān)系，并建立恢復(fù)調(diào)度模型，給出延誤恢復(fù)的組織優(yōu)化方案。本文主要工作如下:
　　1.分析了天津港航道概況和泊位分布情況以及復(fù)式航道的航行規(guī)則，明確了復(fù)式航道通航模式隨天氣狀況變化的特征、船舶進(jìn)出港的流程和不同船型之間的航行優(yōu)先原則，歸納出天氣影響下的港口船舶交通組織原理。
　　2.構(gòu)建了以總恢復(fù)時(shí)間最小和總延誤時(shí)間最短為優(yōu)化目標(biāo)的延誤恢復(fù)多目標(biāo)優(yōu)化模型，依據(jù)復(fù)式航道在受天氣影響

3、下通航模式的轉(zhuǎn)換規(guī)律建立了模式轉(zhuǎn)換約束，針對(duì)船舶進(jìn)出港過(guò)程建立航行過(guò)程約束，根據(jù)航道內(nèi)不同船舶之間的航行優(yōu)先原則，建立航行安全約束，針對(duì)進(jìn)出港船舶的靠離泊問(wèn)題，建立泊位沖突消解約束。另一方面，以減少延誤造成船舶的經(jīng)濟(jì)損失為出發(fā)點(diǎn)，基于船舶延誤敏感性分析，建立了以總延誤損失最小為目標(biāo)的單目標(biāo)延誤恢復(fù)模型?？紤]到航道內(nèi)船舶的航行狀態(tài)以及數(shù)學(xué)模型中約束條件的復(fù)雜性，本文將船舶按其屬性分組，提出了一種基于泊位網(wǎng)格離散化處理的船舶進(jìn)出港時(shí)間參數(shù)挖

4、掘算法，計(jì)算出不同類型船舶在進(jìn)港或出港各階段的航行時(shí)間，以作為以上數(shù)學(xué)模型的參數(shù)。
　　3.設(shè)計(jì)了多目標(biāo)遺傳算法和模擬退火遺傳算法，分別針對(duì)船舶延誤恢復(fù)多目標(biāo)和單目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。針對(duì)本文模型多約束、求解困難的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)化的整數(shù)編碼方法;為保證初始種群解的合理性，提出了同一泊位靠泊不同船舶的非法染色體修復(fù)方法。對(duì)于多目標(biāo)遺傳算法，使用基于序值和擁擠距離的錦標(biāo)賽選擇算法、部分映射交叉、兩點(diǎn)變異等進(jìn)行遺傳操作;另外，對(duì)于模

5、擬退火遺傳算法，為了改善遺傳算法的局部搜索能力，引進(jìn)了進(jìn)化逆轉(zhuǎn)操作。模擬退火算法和遺傳算法的結(jié)合，改善了傳統(tǒng)遺傳算法的早熟現(xiàn)象，能夠更快速地收斂到全局最優(yōu)解，同時(shí)，加入重插入操作，保持種群多樣性。
　　4.驗(yàn)證了港口船舶延誤恢復(fù)數(shù)學(xué)模型與算法的有效性和合理性。根據(jù)從天津VTS中心獲取的船舶進(jìn)出港AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，從中提取出了60艘船舶的有效數(shù)據(jù)作為仿真驗(yàn)證的實(shí)例對(duì)象。通過(guò)對(duì)比多目標(biāo)仿真結(jié)果與先到先服務(wù)(First Come Firs