一种多节点航道调度的仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种多节点航道调度的仿真方法，包括如下步骤：1）、对航道现状进行分析，建立调度模型；2）、基于模拟退火算法对航道调度进行目标性能函数设计和调度方案求解；3）、引入启发式调度准则，对模拟退火算法进行改进：4）、结合超越风险指标，通过仿真，将算法改进前后的方案进行比较分析，对调度方案进行评判。本发明专利技术的方法不仅能为复杂航行条件下船舶的运行调度提供有力的技术支持和科学依据，而且能够保证复杂航行条件下船舶的通航安全，提高航道资源的利用率，对于保障航道良好的通航环境和通航秩序有非常重要的现实意义。

【技术实现步骤摘要】
一种多节点航道调度的仿真方法
本专利技术涉及一种多节点航道调度的仿真方法，属于航运交通领域。
技术介绍
近年来，随着经济的快速发展，内河航道通过量大幅度增加，对于多节点航道来说，由于船闸和碍航河段的限制，船舶堵塞现象时有发生，导致航道断航，造成较大的经济损失。为了提高航道畅通性，需要对通过船舶进行调度，由于涉及多个船闸和节点航段，实质上为多节点航道的联合调度。张玉韬等在对江苏省属航道部门管理的54座船闸进行统计分析的基础上，根据船闸运行调度流程及相关业务规则，设计了船舶排队队列及船舶过闸顺序的原则，提出将船舶按照特大型、大型、中型、小型设立排队队列，并提出了极限等待时间的概念。在此基础上，构建了单线船闸优化调度的动态模型和静态模型，目的在于尽量减少船舶堵塞。刘云峰等针对三峡永久船闸调度系统进行了分析研究，研究重点为三峡永久船闸的闸室排挡问题，首先建立解决船闸排挡的数学模型，然后提出一个启发式算法，有效地提高了闸室面积利用率，在一定程度上减轻了拥堵现象。总的来说，现有调度多从单个船闸考虑，对船闸排挡进行优化调度，从而提高闸室利用率，而对于多节点航道的联合调度鲜有研究。因此，如何优化多节点航道船舶航行，防止航道堵塞，已经成为亟待解决的问题。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种航道调度的仿真方法，为多节点航道联合调度过程中的交通组织提供参考依据的方法。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：本专利技术的一种多节点航道调度的仿真方法，包括如下步骤：1)、对航道现状进行分析，建立调度模型；2)、基于模拟退火算法对航道调度进行目标性能函数设计和调度方案求解；3)、引入启发式调度准则，对模拟退火算法进行改进：4)、结合超越风险指标，通过仿真，将算法改进前后的方案进行比较分析，对调度方案进行评判。步骤1)中，通过对多节点航道的现状进行调研，包括航道通过能力、船闸通过能力及节点段通过能力，确定航道堵塞的位置，总结船舶运行规律，分析发生堵塞现象的主要原因，建立多节点航道调度模型。步骤2)中，所谓调度是系统资源管理的核心机制之一，是在满足一定约束条件前提下寻求某调度目标的最优解，以达到解决多个业务竞争共享资源问题。多船闸多节点联合调度，涉及到多方面的优化问题，本质上是一个混合整数非线性规划模型，处理此类问题采用一般的规划方法难以得到相应的结果，本专利技术采用模拟退火算法进行模型的优化及求解。事实上常见的联合调度优化为如下两个方面：(1)船闸闸室面积利用率最大化；(2)平均船舶待闸时间最小化。具体地，目标性能函数包括两个，第一个性能函数为：一个计划周期内，通过船闸所有船舶的平均航行时间达到最小，即：式(1)中：H：联合调度计划周期内通过盐邵船闸所有船舶平均航行时间，K1：船闸计划周期内开闸次数，N1：船闸计划周期内通过的船舶总数，t1m：船闸第m个闸次开始时间，m＝1,2,...,K1，z1im：在船闸待闸的第i艘船舶是否通过船闸第m个闸次标识符，z1im＝{0,1}，在船闸待闸的第i艘船舶通过船闸第m个闸次时z1im＝1，否则z1im＝0，i＝1,2,...N1,m＝1,2,...,K1，t01i：在船闸待闸的第i艘船舶申请过闸时刻，i＝1,2,...N1，L1：船闸至下一个节点的距离，V1i：在船闸待闸的第i艘船舶放行后至下一个节点的平均航行速度，通过船闸的第i艘船舶到达下一个节点的时刻，i＝1,2,...N1，在船闸待闸的第i艘船舶耗费时间，i＝1,2,...N1，决策变量为：z1im和V1i，它们的定义域分别为：{0,1}，[0,+∞}；第二个性能函数为：一个计划周期内，拥堵风险指标达到最小，即：式(2)中，通过船闸的第i艘船舶到达下一个节点的时刻，i＝1,2,...N1通过船闸的第j艘船舶到达下一个节点的时刻，j＝1,2,...N1I(·)为示性函数：指第i艘船舶是否晚于第j艘船舶到达下一个节点；指第j艘船舶是否晚于第i艘船舶放行；调度方案求解基于模拟退火算法进行，模拟退火算法的实施步骤为：(1)随机产生一个初始解x0，令xbest＝x0，并计算目标函数值E(x0)；(2)设置初始温度T(0)＝T0，迭代次数i＝1；(3)DowhileT(i)>Tmin对当前最优解xbest按照某一邻域函数，产生一新的解xnew，计算新的目标函数值E(xnew)，并计算目标函数值的增量ΔE＝E(xnew)-E(xbest)；如果ΔE＜0，则xbest＝xnew；如果ΔE＞0，则p＝exp(-ΔE/T(i))；如果c＝random[0，1]<p，xbest＝xnew；否则xbest＝xbest；(其含义解释如下：若概率p＝exp(-ΔE/T(i))大于[0,1]区间的随机数，则仍接受状态xnew为当前状态；若不成立，则保留状态xbest为当前状态)；i＝i+1；EndDo输出当前最优点，计算结束。T0：系统的初始温度，系统的初始温度应处于一个高温状态；Tmin：温度的下限，若温度T达到Tmin，则停止搜索；c：[0,1]区间的随机数；p：在温度T时趋于平衡的概率。步骤3)中，引入启发式调度准则，对模拟退火算法进行改进：虽然针对联合通航调度问题的混合整数非线性规划模型，提出了模拟退火算法，但事实上该问题具有极高的计算复杂度，优化规模是非常大的，算法时间成本大。对于常用的调度计划来说，若需要调度的船舶在1000艘，则可能的船舶流排列组合数约为1000！，对于这样大规模的优化问题，目前的计算技术是无法在合理的时间内计算出精确最优解的，因此，设计可行的启发式算法，提出相应的调度准则，在可接受的时间内找出次优解是算法研究的主要目标。启发式调度分为两步：第一步：对船舶进行分类并排挡；第二步：优化放行闸次放行顺序及放行时刻。简要来说，启发调度准则包括：分类通行原则、先到先服务原则、类型优先原则以及少切换原则；最后，在步骤4)中，结合超越风险指标，通过仿真，将算法改进前后的方案进行比较分析，对调度方案进行评判。优选地，在步骤2)中，约定minH重要性高于minJ。前述的分类通行原则是指：对于已经待闸的船舶预先整理归类，将所有待闸的船舶按类型、船舶尺度以及闸室的有效面积分组，每次只通行一组，船闸一闸次仅放行同一类型船舶，即若某闸次放行单船，那么该闸次放行的所有船舶皆为单船，不夹杂船队，反之亦然。前述的先到先服务原则是指：采用“同类型船舶先到先过”的原则安排船舶通行顺序，即在船舶类型相同的情况下，先到船舶一定先于后到船舶出发。前述的类型优先原则是指：“同类型船舶先到先过，异类型船舶优化安排”，即单船先于船队申请过闸，但该闸次安排为放行船队，这时不按照“先到先过”原则，而是安排放行后到的船队，先到的单船安排在后续闸次。前述的少切换原则是指：约定船闸连续放行同一类型的船舶一定次数或时间后，才切换为放行其他类型船舶。作为一种优选，连续放行24h或48后才进行切换，具体可根据实际需求调整。本专利技术的有益之处在于：本专利技术首次研究了多节点航道的船舶运行调度仿真模型，分析总结多节点航道现状，建立多节点航道调度模型，基于模拟退火算法对问题进行目标性能函数设计和调度方案求解，引入启发式调度准则，对模拟退火算法进行改进，最后通过仿真，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多节点航道调度的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：1)、对航道现状进行分析，建立调度模型：对多节点航道的现状进行调研，包括航道通过能力、船闸通过能力及节点段通过能力，确定航道堵塞的位置，总结船舶运行规律，分析发生堵塞现象的主要原因，建立多节点航道调度模型；2)、基于模拟退火算法对航道调度进行目标性能函数设计和调度方案求解；其中，目标性能函数包括两个，第一个性能函数为：一个计划周期内，通过船闸所有船舶的平均航行时间达到最小，即：minH=1N1Σi=1N1[Σm=1K1z1im(t1m+L1V1i)-t01i]---(1)]]>式(1)中：H：联合调度计划周期内通过盐邵船闸所有船舶平均航行时间，K1：船闸计划周期内开闸次数，N1：船闸计划周期内通过的船舶总数，t1m：船闸第m个闸次开始时间，m＝1,2,...,K1，z1im：在船闸待闸的第i艘船舶是否通过船闸第m个闸次标识符，z1im＝{0,1}，在船闸待闸的第i艘船舶通过船闸第m个闸次时z1im＝1，否则z1im＝0，i＝1,2,...N1,m＝1,2,...,K1，t01i：在船闸待闸的第i艘船舶申请过闸时刻，i＝1,2,...N1，L1：船闸至下一个节点的距离，V1i：在船闸待闸的第i艘船舶放行后至下一个节点的平均航行速度，通过船闸的第i艘船舶到达下一个节点的时刻，i＝1,2,...N1，在船闸待闸的第i艘船舶耗费时间，i＝1,2,...N1，决策变量为：z1im和V1i，它们的定义域分别为：{0,1}，[0,+∞}；第二个性能函数为：一个计划周期内，拥堵风险指标达到最小，即minJ=Σi=1N1Σj=1N1I[Σm=1K1z1im(t1m+L1V1i)-Σm=1K1z1jm(t1m+L1V1j)]·I[Σm=1K1z1jmt1m-Σm=1K1z1imt1m]---(2)]]>式(2)中，通过船闸的第i艘船舶到达下一个节点的时刻，i＝1,2,...N1通过船闸的第j艘船舶到达下一个节点的时刻，j＝1,2,...N1I(·)为示性函数：I(x)=1x>00x≤0,]]>I[Σm=1K1z1im(t1m+L1V1i)-Σm=1K1z1jm(t1m+L1V1j)]]]>指第i艘船舶是否晚于第j艘船舶到达下一个节点；指第j艘船舶是否晚于第i艘船舶放行；调度方案求解基于模拟退火算法进行；3)、引入启发式调度准则，对模拟退火算法进行改进：启发调度准则包括：分类通行原则、先到先服务原则、类型优先原则以及少切换原则；4)、结合超越风险指标，通过仿真，将算法改进前后的方案进行比较分析，对调度方案进行评判。...

【技术特征摘要】
1.一种多节点航道调度的仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：1)、对航道现状进行分析，建立调度模型：对多节点航道的现状进行调研，包括航道通过能力、船闸通过能力及节点段通过能力，确定航道堵塞的位置，总结船舶运行规律，分析发生堵塞现象的主要原因，建立多节点航道调度模型；2)、基于模拟退火算法对航道调度进行目标性能函数设计和调度方案求解；其中，目标性能函数包括两个，第一个性能函数为：一个计划周期内，通过船闸所有船舶的平均航行时间达到最小，即：式(1)中：H：联合调度计划周期内通过盐邵船闸所有船舶平均航行时间，K1：船闸计划周期内开闸次数，N1：船闸计划周期内通过的船舶总数，t1m：船闸第m个闸次开始时间，m＝1,2,...,K1，z1im：在船闸待闸的第i艘船舶是否通过船闸第m个闸次标识符，z1im＝{0,1}，在船闸待闸的第i艘船舶通过船闸第m个闸次时z1im＝1，否则z1im＝0，i＝1,2,...N1,m＝1,2,...,K1，t01i：在船闸待闸的第i艘船舶申请过闸时刻，i＝1,2,...N1，L1：船闸至下一个节点的距离，V1i：在船闸待闸的第i艘船舶放行后至下一个节点的平均航行速度，通过船闸的第i艘船舶到达下一个节点的时刻，i＝1,2,...N1，在船闸待闸的第i艘船舶耗费时间，i＝1,2,...N1，决策变量为：z1im和V1i，它们的定义域分别为：{0,1}，[0,+∞}；第二个性能函数为：一个计划周期内，拥堵风险指标达到最小，即：式(2)中，通过船闸的第i艘船舶到达下一个节点的时刻，i＝1,2,...N1通过船闸的第j艘船舶到达下一个节点的时刻，j＝1,2,...N1I(·)为示性函数：指第i艘船舶是否晚于第j艘船舶到达下一个节点；指第j艘船舶是否晚于第i艘船舶放行；调度方案求解基于模拟退火算法进行；3)、引入启发式调度准则，对模拟退火算法进行改进：启发调度准则包括：分类通行原则、先到先服务原则、类型优先原则以及少切换原则；4)、结合超越风险指标，通过仿真，将算法改进前后的方案进行比较分析，对调度方案进行评判。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玮，顾丹平，王启明，钟春欣，徐鹏，徐晶鑫，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32