一种基于船-岸协同的交汇水域时空资源分配方法

本发明涉及水上交通组织领域，具体涉及一种基于船-岸协同的交汇水域时空资源分配方法。

背景技术：

水上交通系统中，各类型设施，如船闸、交叉路口和港口等处，不同方向的交通流汇聚，交通场景发杂，事故多发。改善设施出的交通安全与效率能够有效提高水上交通系统的整体性能。

改善设施出的交通安全与效率旨在最小化船舶通过各类设施的时间。船舶通过这些设施可视为对时间和空间资源的占用。因此，需要解决的主要问题是对时空资源分配，通常表示为不同的调度问题，如单机调度问题、并行机调度问题、车间调度问题等。

对于内河航运来说，船闸是最受关注的设施，因为通常认为它们是内河运输的主要瓶颈。船闸调度问题分解为两个子问题：船舶排布和闸次调度。船舶排布的目的是通过合理排布过闸船舶，缩短进闸时间，减少闸次。解决船舶排布问题首先需要确定服务策略。其次是决定闸室中船舶排布，这是经典的二维装箱问题，即将矩形物品放入矩形容器，要求使用最少数目的箱子来装上全部的物品。闸次调度旨在确定闸次计划，通常被建模为单机调度问题(单闸室)或并行机调度问题(多闸室)。

目前针对船-设施之间的交互主要表现为优化设施的调度，但是，除船闸外，其他设施节点较少有学者关注。然而，对于狭窄繁忙水域、交通流汇聚的交叉口等关键区域，船舶间的交互行为增加，容易发生拥堵、碰撞，也是值得关注的重要节点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于船-岸协同的交汇水域时空资源分配方法，以减少交汇水域的交通冲突率，提高水上交通系统的通行效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种基于船-岸协同的交汇水域时空资源分配方法，本方法包括以下步骤：

s1、将交汇水域的时空资源定义为时空资源块，船舶在交汇水域的行为分为穿越、汇入以及汇出，船舶的不同行为占用的时空资源块不同；

s2、以最小化有限时间内船舶的总体通过时间为目标函数，以单个船舶对时空资源块的独占作为约束，建立混合整型优化问题，通过制定船舶到达时间和通过速度，减少船舶在交汇水域的冲突，具体如下：

minimizetmax

subjectto

tmax≥sim+tim(1)

通过时间tmax大于等于船舶i到达时空资源块m的时间sim加船舶i通过时空资源块m所需要的时间tim；

sim≥eai(2)

上式表示表示船舶i到达时空资源块m的时间要晚于其最早达到时间eai；

上式表示船舶i通过时空资源块m所需要的时间tim由船舶i通过时空资源块m所航行距离dim及其航速确定，vi,max、vi,min分别表示船舶i的最大航行速度和最小航行速度；

sin＝sim+tim+ti,m→n(4)

上式表示船舶i在交汇水域任意位置速度不为零，到达时空资源块n的时间等于船舶i到达时空资源块m的时间sim加船舶i通过时空资源块m所需要的时间tim加船舶从时空资源块m到时空资源块n的时间ti,m→n；

上式表示船舶i从时空资源块m到时空资源块n所需时间ti,m→n由船舶i从时空资源块m到时空资源块n的距离及其航速确定；

sjm≥sim+timorsim≥sjm+tja(6)

sjm≥sim+ti,safeorsim≥sjm+tj,safe(7)

sjm+tjm≥sim+tim+tj,safeorsim+tim≥sjm+tjm+ti,safe(8)

上式为船舶i的安全时距ti,safe的约束；其中tj,safe为船舶j的安全时距，sjm为船舶j到达时空资源块m的时间，tjm为船舶j通过时空资源块m的时间；

随后通过以下转换，将公式6～8中的or条件转变为and条件，从而建立混合整型优化问题：

其中，κ为任意大数；χij,m为二元变量，于是有：

一种基于船-岸协同的交汇水域时空资源分配系统：该系统包括时空资源配置模块和多个船舶控制器；其中船舶控制器用于和船舶进行通信，时空资源配置模块用于对所述混合整型优化问题求解；

当船舶计划进入交汇水域时，向船舶控制器发送预计到达时间，时空资源配置模块通过收集各船舶的预计到达时间并对混合整型优化问题进行求解，得到各船舶的期望到达时间，随后将该期望到达时间通过船舶控制器发送至各船舶；若船舶未能在期望到达时间到达交汇水域，则由时空资源配置模块重新进行对混合整形优化问题进行求解；通过时空资源配置模块对船舶的预期到达时间和期望到达时间不断迭代更新，实现对时空资源块的高效利用。

本发明的有益效果是：通过将交汇水域的时空资源定义为时空资源块，以船舶在时空资源块的行为作为输入，建立混合整形优化问题并求解，有效地减少不同船只在交汇水域的冲突。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于船-岸协同的交汇水域时空资源分配系统示意图；

图2为本发明一实施例的交汇水域船舶穿越行为所占用时空资源示意图；

图3为本发明一实施例的交汇水域船舶汇出和汇入行为所占用时空资源示意图；

图4为本发明一实施例的开阔交汇水域时空资源块设定示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

参见图2，图3，一种基于船-岸协同的交汇水域时空资源分配方法，本方法包括以下步骤：

s1、将交汇水域的时空资源定义为时空资源块，船舶在交汇水域的行为分为穿越、汇入以及汇出，船舶的不同行为占用的时空资源块不同；

s2、以最小化有限时间内船舶的总体通过时间为目标函数，以单个船舶对时空资源块的独占作为约束，建立混合整型优化问题，通过制定船舶到达时间和通过速度，减少船舶在交汇水域的冲突，具体如下：

minimizetmax

subjectto

tmax≥sim+tim(1)

通过时间tmax大于等于船舶i到达时空资源块m的时间sim加船舶i通过时空资源块m所需要的时间tim；

sim≥eai(2)

上式表示表示船舶i到达时空资源块m的时间要晚于其最早达到时间eai；

上式表示船舶i通过时空资源块m所需要的时间tim由船舶i通过时空资源块m所航行距离dim及其航速确定，vi,max、vi,min分别表示船舶i的最大航行速度和最小航行速度；

sin＝sim+tim+ti,m→n(4)

上式表示船舶i在交汇水域任意位置速度不为零，到达时空资源块n的时间等于船舶i到达时空资源块m的时间sim加船舶i通过时空资源块m所需要的时间tim加船舶从时空资源块m到时空资源块n的时间ti,m→n；

上式表示船舶i从时空资源块m到时空资源块n所需时间ti,m→n由船舶i从时空资源块m到时空资源块n的距离及其航速确定；

sjm≥sim+timorsim≥sjm+tja(6)

sjm≥sim+ti,safeorsim≥sjm+tj,safe(7)

sjm+tjm≥sim+tim+tj,safeorsim+tim≥sjm+tjm+ti,safe(8)

上式为船舶i的安全时距ti,safe的约束；其中tj,safe为船舶j的安全时距，sjm为船舶j到达时空资源块m的时间，tjm为船舶j通过时空资源块m的时间；

随后通过以下转换，将公式6～8中的or条件转变为and条件，从而建立混合整型优化问题：

其中，κ为任意大数；χij,m为二元变量，于是有：

参见图1，一种基于船-岸协同的交汇水域时空资源分配系统：该系统包括时空资源配置模块和多个船舶控制器；其中船舶控制器用于和船舶进行通信，时空资源配置模块用于对所述混合整型优化问题求解；

当船舶计划进入交汇水域时，向船舶控制器发送预计到达时间，时空资源配置模块通过收集各船舶的预计到达时间并对混合整型优化问题进行求解，得到各船舶的期望到达时间，随后将该期望到达时间通过船舶控制器发送至各船舶；若船舶未能在期望到达时间到达交汇水域，则由时空资源配置模块重新进行对混合整形优化问题进行求解；通过时空资源配置模块对船舶的预期到达时间和期望到达时间不断迭代更新，实现对时空资源块的高效利用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。