一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法与流程

本发明涉及港口锚地规划领域，特别涉及一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法。

背景技术：

在港口贸易不断拓展、靠港船舶数不断增加、到港船型趋于大型化与专业化的情况下，我国防台锚地却呈现出规模严重短缺、规划发展滞后的现象。究其原因，是我国海域资源紧张以及缺乏科学合理的建设、管理和维护制度。在安全要求日益提高的背景下，防台锚地的发展已经成为我国航运事业的重要制约。

锚地是是港口的重要组成部分，其中防台锚地可以在台风来袭、码头发生险情等突发状况下为船舶提供安全避险的场所。锚地由于不具备直接产生经济效益的能力，所以其重要性往往被忽视，在现今资源紧缺的情况下，锚地、特别是防台锚地的规划、选址和优化等基础研究严重缺乏，尚无成熟的方法体系。

随着交通运输部提出“促进区域航道、锚地和引航等资源共享共用”成为2018年工作重点，合理规划、优化锚地资源正成为行业发展的热点问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法，用于量化分析在经济最大化的情况下，防台锚地的建设规模。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

s01：针对一海域的船舶ais数据进行收集，从而完成ais原始数据的采集；

s02：将ais原始数据预处理，整合出海域内不同港区船舶数量与船型；

s03：考虑台风状况下最不利的情况，构建防台锚地需求模型，确定防台锚地需求；

s04：根据期望目标，考虑相关约束条件，构建防台锚地优化模型，优化所得结果即为实际所需建设的防台锚地面积。

作为本发明一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法的进一步优选方案，其特征在于，在步骤s03中，台风状况下最不利情况即为台风覆盖目标省份全部海岸线。

作为本发明一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法的进一步优选方案，在步骤s03中，台风状况下当发生最不利情况时，即台风覆盖目标省份全部海岸线时，目标省份所有船舶需要疏散避台，假设p港区防台锚地需求面积为ap，建立防台锚地需求模型：

式(1)中，p为港区编号，i为船舶船型，ap为防台锚地面积，n为船舶数量，s为单船锚位面积，m为台风影响函数，d为船舶抗风函数，k为控制系数；

单船锚位面积s采用单浮筒系泊方式进行计算，其系泊半径如下：

rp,i＝ep,i+r+l+e(2)

式(2)中，r为单浮筒水域系泊半径，e为设计船长，r为由潮差引起的浮筒水平偏位，l为系缆的水平投影长度，e为船艉与水域边界的富裕距离；

台风影响函数m十分复杂，可通过历年统计资料的分析处理，计算登陆当天与台风登陆前后数天船舶数量的比值的平均数，获取较为合理的台风影响系数；

船舶抗风函数d可根据规范进行计算，在实际生产作业中，考虑到港区船舶安全，当台风影响到港区，通常情况下当地港区风力达到6级时，港区船舶停止作业，前往通航锚地、良好的避风湾或其他地区避台，故船舶抗风函数取d＝1；

控制系数k即考虑相关影响因素，包括锚地维护情况、船舶保证率和安全距离，表达式如下：

k＝f(x1,x2,x3)(3)

式(3)中，x1为锚地综合系数，x2为船舶保证率，x3为船舶安全间距系数。

作为本发明一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法的进一步优选方案，在步骤s04中，所述期望目标即以经济最大化为优化目标。

作为本发明一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法的进一步优选方案，在步骤s04中，所述经济最大化的优化目标包括：防台锚地建设成本、维护成本与船舶疏散成本最小，据此建立防台锚地优化模型：

式(4)中，costtotal为综合费用(万元)，costcon为单位防台锚地建设费用，costmain为单位防台锚地维护费用，ap为防台锚地面积，xp为p港区实际建设锚地比例系数，costnavi,i为船舶航行单位路程费用，l′p,i为船舶疏散避台平均航行路程，np,i为船舶数量，costothers为其他费用；

台风登陆点是随机的，将台风登陆的港区编号设置为q，船舶疏散避台平均航行路程l′p,i可表示为：

式(5)中，lp,i为船舶疏散避台最远航行路程，α为实际锚地分布率；

船舶疏散避台最远航行路程表达式如下：

式(6)中，r′为台风风圈半径；

lcoastal为目标省份海岸线长度；

步骤s04中所述约束条件是实际所需要满足的成本、航行距离和决策变量方面的约束条件，如下：

0＜costcon×ap×xp≤cp(8)

式(8)是防台锚地投资成本约束，包括锚地建设成本和锚地维护成本，式中：cp为p港区总预算；

lp≥r′-dp,q(9)

式(9)是船舶在疏散避台的航行过程中，航行距离应满足的约束条件，式中：r′为台风风圈半径，dp,q为p港区与台风登陆港区q的距离；

0＜xp≤1(10)

式(10)是模型决策变量应满足的约束条件，即在实际工程中，p港区实际建设锚地比例系数应不大于1。

本发明所达到的有益效果：本发明基于港口群联合调度的优化防台锚地规模的研究方法，是通过获取ais船舶信息，建立了防台锚地需求和规模优化模型，利用算法对模型进行求解，从而获得防台锚地规模，为我国港口防台锚地规划提供理论依据，也为资源合理、高效利用提供研究方法。

附图说明

图1：本发明基于港口群联合调度的防台锚地规模优化研究方法的流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

s01：针对一海域的船舶ais数据进行收集，从而完成ais原始数据的采集；

s02：将ais原始数据预处理，整合出海域内不同港区船舶数量与船型；

s03：考虑台风状况下最不利的情况，构建防台锚地需求模型，确定防台锚地需求；

s04：根据期望目标，考虑相关约束条件，构建防台锚地优化模型，优化所得结果即为实际所需建设的防台锚地面积。

在步骤s03中，台风状况下最不利情况即为台风覆盖目标省份全部海岸线。

在步骤s03中，台风状况下当发生最不利情况时，即台风覆盖目标省份全部海岸线时，目标省份所有船舶需要疏散避台，假设p港区防台锚地需求面积为ap，建立防台锚地需求模型：

式(1)中p为港区编号，i为船舶船型，ap为防台锚地面积(km²)，n为船舶数量(艘)，s为单船锚位面积(km²)，m为台风影响函数，d为船舶抗风函数，k为控制系数；

单船锚位面积s采用单浮筒系泊方式进行计算，其系泊半径如下：

rp,i＝ep,i+r+l+e(2)

式(2)中r为单浮筒水域系泊半径(m)，e为设计船长(m)，r为由潮差引起的浮筒水平偏位(m)，l为系缆的水平投影长度(m)，e为船艉与水域边界的富裕距离(m)；

台风影响函数m十分复杂，可通过历年统计资料的分析处理，计算登陆当天与台风登陆前后数天船舶数量的比值的平均数，获取较为合理的台风影响系数；

船舶抗风函数d可根据规范进行计算，在实际生产作业中，考虑到港区船舶安全，当台风影响到港区，通常情况下当地港区风力达到6级时，港区船舶停止作业，前往通航锚地、良好的避风湾或其他地区避台，故船舶抗风函数取d＝1；

控制系数k即考虑相关影响因素，包括锚地维护情况、船舶保证率和安全距离，表达式如下：

k＝f(x1,x2,x3)(3)

式(3)中，x1为锚地综合系数，x2为船舶保证率，x3为船舶安全间距系数。

在步骤s04中，所述期望目标即以经济最大化为优化目标。

在步骤s04中，所述经济最大化的优化目标包括：防台锚地建设成本、维护成本与船舶疏散成本最小，据此建立防台锚地优化模型：

式(4)中costtotal为综合费用(万元)，costcon为单位防台锚地建设费用(万元/km²)，costmain为单位防台锚地维护费用(万元/km²)，ap为防台锚地面积(km²)，xp为p港区实际建设锚地比例系数，costnavi,i为船舶航行单位路程费用(万元/km²)，l′p,i为船舶疏散避台平均航行路程(km)，np,i为船舶数量(艘)，costothers为其他费用(万元)；

台风登陆点是随机的，将台风登陆的港区编号设置为q，船舶疏散避台平均航行路程l′p,i可表示为：

式(5)中lp,i为船舶疏散避台最远航行路程(千米)，α为实际锚地分布率；

船舶疏散避台最远航行路程表达式如下：

式(6)中r′为台风风圈半径(千米)；

lcoastal为目标省份海岸线长度(千米)；

步骤s04中所述约束条件是实际所需要满足的成本、航行距离和决策变量方面的约束条件，如下：

0＜costcon×ap×xp≤cp(8)

式(8)是防台锚地投资成本约束，包括锚地建设成本和锚地维护成本，式中：cp为p港区总预算(万元/年)；

lp≥r′-dp,q(9)

式(9)是船舶在疏散避台的航行过程中，航行距离应满足的约束条件，式中：r′为台风风圈半径(千米)，dp,q为p港区与台风登陆港区q的距离(千米)；

0＜xp≤1(10)

式(10)是模型决策变量应满足的约束条件，即在实际工程中，p港区实际建设锚地比例系数应不大于1。

实施例1

将本发明提出的一种基于港口群联合调度的防台锚地规模优化方法应用于福建港区，实施步骤如下：

一、原始数据采集

综合考虑地址位置和港口吞吐量，将福建沿海港口划分为五个地区p：宁德港区、福州港区、湄洲湾港区、泉州港区和厦门港区，分别编号为1～5；利用imo(国际海事组织)的船舶ais数据库的海量数据直接提取目标港区的进出港船舶资料，并利用ais数据的船舶mmsi编号，通过查询相关网站获取船舶基本信息；船型i分别为货船、集装箱船、油轮、渔船、客船，分别编号为1～5。

二、数据预处理

对目标港区2016年7月至9月的ais数据进行统计，得到第p港区平均船舶进出港数量n：n1＝1341、n2＝939、n3＝298、n4＝787、n5＝1847。

选取7月22日、8月22日与9月22日三天的ais数据，每天随机抽样500艘船，共计1500艘船，进行船型统计，获得有效样本1205个。得到各港区船型所占比值，分港区各类船舶占比与船舶数量(艘)如表1所示。

表1

由于受台风影响较大的往往是海上货运船舶，本研究在计算台风影响状况下防台锚地的需求量所考虑的船型中，只考虑货船、集装箱船与油轮。

三、防台锚地需求确定

通过ais数据、中国台风网历史台风登陆资料、《海港总体设计规范》、相关文献与实际调研结果，确定各参数值，福建省防台锚地需求模型参数表如表2所示。

表2

由本发明的方法来计算，计算结果为：ap＝(24.2619.649.3916.4937.18)。

四、防台锚地规模优化

根据上述防台锚地需求、船舶数量与费用，确定各参数值，福建省防台锚地规模优化参数表如表3所示。

表3

由本发明的方法来计算，计算结果为：xp＝(0.600.780.950.940.41)。

本发明可用于港口群防台锚地规模的优化。