一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法及系统，方法包括：获取水运交通枢纽的船舶信息、通航要求、检修期通航特征；以最小化船舶待闸时间为优化目标，构建检修期船舶过闸调度模型，建立检修期船舶过闸调度满足的约束条件；基于满足的约束条件分别对检修期船舶过闸调度船闸分配问题、闸室编排问题、时间表优化问题三个子问题进行求解，得到检修期船舶过闸调度初始方案；基于具有精英群引导、种群记忆交叉和自适应机制的秃鹰搜索算法对检修期船舶过闸调度初始方案进行迭代求解，得到优化后的调度方案。本发明专利技术能解决现有单纯使用秃鹰搜索算法求解船舶过闸调度方案时的易陷入局部最优的问题，弥补检修期调度方法欠缺的不足。方法欠缺的不足。方法欠缺的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及水运交通智能管理
，更具体地，涉及一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着水上交通枢纽运行时长的增加，船闸需要进行定期开展停航检修工作进行相关设施设备的检查与更换。在船闸停航检修期间，枢纽通过能力会大幅下降，导致船舶交通严重堵塞与船舶大量积压待闸。随着社会经济的发展，水上交通枢纽运输需求还将迅猛增长，船闸停航检修期通过能力不足的矛盾将进一步加剧。鉴于此，减轻坝区的通航压力，降低船闸检修对航运的不利影响，解决或缓解船闸检修期通过能力不足问题，具有重要的实际意义和应用价值。
[0003]已有的船舶交通组织研究多集中于坝区的联合通航调度或闸室编排的优化。忽视了由检修事件导致的船舶交通供需矛盾问题，缺乏考虑船闸检修期间的船舶调度优化方法。此外，在已有的求解方法研究中，大多使用确定性方法依赖数学模型进行精准求解，该方法更适用于基础问题的有效求解。而船闸调度问题包含多个子问题，且问题间具有高耦合性，所以采用秃鹰搜索优化算法此类群智能优化算法开展船闸调度问题的算法设计研究，会更满足实际船闸调度作业决策需求。但是，基本秃鹰搜索算法容易陷入局部极值，种群多样性快速下降，搜索行为冗余等不足。因此，优化秃鹰搜索算法并将其应用于检修期船舶过闸调度问题，可进一步丰富优化问题的理论，并为求解类似结构问题提供参考。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种基于秃鹰搜索算法的船舶过闸优化方法及系统，能解决现有单纯使用秃鹰搜索算法求解船舶过闸调度方案时的易陷入局部最优的问题，弥补检修期调度方法欠缺的不足。
[0005]根据本专利技术的第一方面，提供了一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法，包括以下步骤：
[0006]步骤S1：获取水运交通枢纽的船舶信息、通航要求、检修期通航特征；
[0007]步骤S2：以最小化船舶待闸时间为优化目标，构建检修期船舶过闸调度模型；根据所述调度模型建立检修期船舶过闸调度满足的约束条件；
[0008]步骤S3：基于检修期船舶过闸调度满足的约束条件分别对检修期船舶过闸调度船闸分配问题、闸室编排问题、时间表优化问题三个子问题进行求解，得到检修期船舶过闸调度初始方案；
[0009]步骤S4：基于具有精英群引导、种群记忆交叉和自适应机制的秃鹰搜索算法对所述检修期船舶过闸调度初始方案进行迭代求解，得到优化后的调度方案。
[0010]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以作出如下改进。
[0011]可选的，所述船舶信息包括：船舶到锚时间、船舶长度、船舶宽度、船舶名称、船舶
种类、船舶排水量；
[0012]通航要求包括：当船舶通过船闸时，为保证两闸次的通行安全，需要保证相邻的闸室之间有闸次间隔；
[0013]检修期通航特征包括：当船闸一线停航检修时，另一线实施单向运行定时换向的策略。
[0014]可选的，在步骤S2中，所述以最小化船舶待闸时间为优化目标，构建的检修期船舶过闸调度模型包括：
[0015]步骤S21：计算船舶平均待闸时间；
[0016]步骤S22：根据计算的船舶平均待闸时间，构建所述检修期船舶过闸调度满足的约束条件。
[0017]可选的，在步骤S21中，所述计算船舶平均待闸时间公式如下：
[0018][0019]其中，ΔT为船舶平均待闸时间，Δt
pq
表示在q阶段的船舶p等待时间，N表示船舶总数，p，q表示处于q阶段的船舶p；S表示一组调度单元。
[0020]可选的，在步骤S3中，所述对检修期船舶过闸调度的船闸分配问题、闸室编排问题、船舶过闸计划问题三个子问题进行求解包括以下步骤：
[0021]步骤S31：利用船闸状态和生成的调度单元，考虑船闸面积利用率以及葛洲坝三个船闸之间的船舶负载平衡相应的要求和约束，确定各船闸的总开闸次数以及相应的闸次安排；
[0022]步骤S32：基于Bottom
‑
Left算法进行闸室编排求解；
[0023]步骤S33：基于船闸分配与闸室编排生成船舶过闸计划时间表。
[0024]可选的，在步骤S33中，所述基于船闸分配与闸室编排生成船舶过闸计划时间表的算法包括：
[0025]步骤S331：设置d＝1，d
ij
∈{
‑
1,1}表示(i,j)的运输服务方向，“1”表示向上，
“‑
1”表示向下；
[0026]步骤S332：设置i＝1，i表示第i闸室；
[0027]步骤S333：设置j＝1，j表示第j闸室；
[0028]步骤S334：如果r
ij
＝1，从当前待编队列中删除对应运输服务(i，j)；
[0029]步骤S335：如果i＝1,t
ij
＝t
b
，r
ij
＝1，即运输服务(i，j)的计划过闸时间等于计划期开始时间，否则，进入S337；
[0030]步骤S336：从sp(i,j)找出最后到达锚地的船只，假设这艘船的到达时间是r
ij
＝1；
[0031]步骤S337：如果j<n
i
，转到步骤S338；否则，转到步骤S340；
[0032]步骤S338：设置r
ij
＝1，j＝j+1；
[0033]步骤S339：如果t
ij
‑
t
b
>T，d＝
‑
d,返回步骤S332；
[0034]步骤S340：如果i<4，设i＝i+1，返回步骤S333；否则，停止算法并生成船舶过闸计划表。
[0035]可选的，在步骤S4中，所述基于具有精英群引导、种群记忆交叉和自适应机制的秃鹰搜索算法对所述检修期船舶过闸调度模型中船舶过闸计划问题进行迭代求解包括以下步骤：
[0036]步骤S41：确定个体维度D，搜索空间范围[lb,ub]，以及算法中控制秃鹰飞行的位置变化大小和螺旋轨迹的参数初始值，即初始值m0，a0和R0；
[0037]步骤S42：根据船舶数量与船舶进闸顺序进行初始种群构建并以船舶平均待闸时间最小化为目标计算秃鹰种群个体适应度值；
[0038]步骤S43：根据适应度函数计算出每只秃鹰的适应度值，当前种群适应度值排名在前5％中的精英群中随机抽取精英个体，记为Pre；
[0039]步骤S44：根据搜索过程中秃鹰群分布的平均位置计算Pmean，更新秃鹰种群的位置，保留当前全局最优解；
[0040]步骤S45：随机保留在搜索过程中个体探寻过空间的结果，形成最大规模为N的种群记忆库；
[0041]步骤S46：分别从当前种群集和种群记忆集的并集中随机选取不同个体P
r1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取水运交通枢纽的船舶信息、通航要求、检修期通航特征；步骤S2：以最小化船舶待闸时间为优化目标，构建检修期船舶过闸调度模型，根据所述调度模型建立检修期船舶过闸调度满足的约束条件；步骤S3：基于检修期船舶过闸调度满足的约束条件分别对检修期船舶过闸调度船闸分配问题、闸室编排问题、时间表优化问题三个子问题进行求解，得到检修期船舶过闸调度初始方案；步骤S4：基于具有精英群引导、种群记忆交叉和自适应机制的秃鹰搜索算法对所述检修期船舶过闸调度初始方案进行迭代求解，得到优化后的调度方案。2.根据权利要求1所述的一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法，其特征在于，所述船舶信息包括：船舶到锚时间、船舶长度、船舶宽度、船舶名称、船舶种类、船舶排水量；通航要求包括：当船舶通过船闸时，为保证两闸次的通行安全，需要保证相邻的闸室之间有闸次间隔；检修期通航特征包括：当船闸一线停航检修时，另一线实施单向运行定时换向的策略。3.根据权利要求1所述的一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法，其特征在于，在步骤S2中，所述以最小化船舶待闸时间为优化目标，构建的检修期船舶过闸调度模型，根据所述调度模型建立检修期船舶过闸调度满足的约束条件包括：步骤S21：计算船舶平均待闸时间；步骤S22：根据计算的船舶平均待闸时间，构建所述检修期船舶过闸调度满足的约束条件。4.根据权利要求3所述的一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法，其特征在于，在步骤S21中，所述计算船舶平均待闸时间公式如下：其中，ΔT为船舶平均待闸时间，Δt
pq
表示在q阶段的船舶p等待时间，N表示船舶总数，p，q表示处于q阶段的船舶p；S表示一组调度单元。5.根据权利要求1所述的一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法，其特征在于，在步骤S3中，所述对检修期船舶过闸调度的船闸分配问题、闸室编排问题、船舶过闸计划问题三个子问题进行求解包括以下步骤：步骤S31：确定各船闸的总开闸次数以及相应的闸次安排；步骤S32：基于Bottom
‑
Left算法进行闸室编排求解；步骤S33：基于船闸分配与闸室编排生成船舶过闸计划时间表。6.根据权利要求5所述的一种基于秃鹰算法的检修期船舶过闸调度优化方法，其特征在于，在步骤S33中，所述基于船闸分配与闸室编排生成船舶过闸计划时间表的算法如下：步骤S331：设置d＝1，d
ij
∈{
‑
1,1}表示(i,j)的运输服务方向，“1”表示向上，
“‑
1”表示向下；步骤S332：设置i＝1，i表示第i闸室；
步骤S333：设置j＝1，j表示第j闸室；步骤S334：如果r
ij
＝1，从当前待编队列中删除对应运输服务(i，j)；步骤S335：如果i＝1,t
ij
＝t
b
，r
ij
＝1，即运输服务(i，j)的计划过闸时间等于计划期开始时间，否则，进入S337；步骤S336：从sp(i,j)找出最后到达锚地的船只，假设这艘船的到达时间是r
ij
＝1；步骤S337：如果j<n
i
，转到步骤S338；否则，转到步骤S340；步骤S338：设置步骤S339：如果t...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晓磊，张东美，高瑶，张孟镝，陈壮，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：