一种多级联运船闸调度方法及系统与流程

本发明涉及船闸调度的，尤其涉及一种多级联运船闸调度方法及系统。

背景技术：

1、目前船舶过闸调度仍通过调度人员人工指挥完成，调度人员判断船闸及升船机运行状态，自行根据工作经验估算船舶航行时间来确定船舶调度发航的时间。在调度指令中主要基于人为判断，执行手段较落后，并且对于发航时间估算不准确、对于船闸及升船机运行管理信息交流不到位等情况时有发生，有时还会出现航道水域船舶拥堵或船舶靠泊指挥不到位等，并且在不同的调度人员之间，指挥情况差异较大。当前船舶待闸数量高居不下，船舶过闸智能调度具有重要意义。针对该问题，本发明提出一种多级联运船闸调度方法及系统，实现船舶通航指挥自动化，可进一步实现船舶指挥协调统一，精准高效。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种多级联运船闸调度方法，目的在于1）由于航运过程中大气颗粒物直径以及密度变化会导致航运可见度变化，其中航运可见度越高，则船舶的行驶速度越接近正常行驶速度，否则便会被迫降低，基于航运可见度提出船舶过闸时间函数，量化不同船舶到达闸门的时间、过闸时间以及等待时间，进而根据船舶过闸影响指标数据以及船舶过闸时间函数构建多级联运船闸调度模型，通过对模型进行求解，得到实现船舶行驶时间以及等待闸门开启的等待时间最少的当前不同船舶的行驶速度控制策略，以及对应的闸门调度方案，并将不同船舶的行驶速度控制策略以及闸门调度方案作为多级联运船闸调度方案，基于多级联运船闸调度方案控制闸门开启时间以及不同船舶的行驶速度，按照船舶调度策略引导过闸的船舶到达闸室内指定位置，提高闸室的空间利用率；2）利用动态惩罚策略对构建的多级联运船闸调度模型进行双阶段优化求解，在第一阶段优化求解过程中，采用遗传算法求解得到使得按照船舶当前行驶速度行驶，行驶时间以及等待时间均较少的闸门调度方案，而在第二阶段求解过程中，采用动态惩罚策略将约束条件引入目标函数中，并对引入项进行动态迭代更新，快速得到符合动态惩罚函数值限制的行驶速度控制向量，同时本发明通过基于动态惩罚函数值进行迭代，避免求解得到的船舶行驶速度与当前行驶速度存在较大差异，进而快速得到多级联运船闸调度方案。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种多级联运船闸调度方法，包括以下步骤：

3、s1：采集船舶过闸影响指标数据，其中影响指标包括闸外水流速度、闸内水流速度、闸内水深、航运可见度以及闸内水深变化速率；

4、s2：基于航运可见度确定船舶过闸时间函数；

5、s3：获取船舶过闸报备信息，根据船舶过闸影响指标数据以及船舶过闸时间函数构建多级联运船闸调度模型以及约束条件，所构建模型以最大化船舶通行效率为目标函数，以船舶行驶速度和闸门开启时间为控制变量；

6、s4：利用动态惩罚策略对构建的多级联运船闸调度模型进行双阶段优化求解，得到实时的多级联运船闸调度方案；

7、s5：基于多级联运船闸调度方案控制闸门开启时间以及不同船舶的行驶速度，按照船舶调度策略引导过闸的船舶到达闸室内指定位置。

8、作为本发明的进一步改进方法：

9、可选地，所述s1步骤中采集船舶过闸影响指标数据，包括：

10、实时采集船舶过闸影响指标数据，其中船舶过闸影响指标包括闸外水流速度、闸内水流速度、闸内水深、航运可见度以及闸内水深增长速率，船舶过闸影响指标数据的采集流程为：

11、s11：监测当前时刻的闸外水流速度和闸内水流速度 v，其中水流速度包括水流方向以及水流速度数值；

12、s12：监测当前时刻的闸内水深l以及闸内水深变化速率 v l：

13、；

14、其中：

15、s表示闸内底部面积， v s表示闸内加水或放水的速率， v s的单位为立方米/秒； v l表示闸内水深变化速率，单位为米/秒；

16、s13：测量不同航运区域的大气颗粒物直径以及大气颗粒物密度，其中大气颗粒物的密度为每立方米区域内的大气颗粒物数目，计算得到当前时刻不同航运区域的可见度：

17、；

18、其中：

19、d表示大气颗粒物直径，表示大气颗粒物密度，的单位为米。

20、可选地，所述s2步骤中确定船舶过闸时间函数，包括：

21、基于航运可见度确定船舶过闸时间函数：

22、；

23、；；

24、其中：

25、 time( v( q))表示船舶q的船舶过闸时间函数， d( q)表示船舶q距离闸门的路程， v( q)表示船舶q的行驶速度，表示实时闸外水流速度，表示船舶q行驶方向与闸外水流方向的夹角；

26、表示船舶q行驶至第处航运区域时，第处航运区域的当前航运可见度， num q表示船舶q从当前位置行驶到闸门位置所经过的航海区域总数，表示预设置的最小正常行驶可见度；

27、表示闸门位置的可见度，表示规定的过闸速度， len q表示船舶q的船身长度；

28、 l q表示表示船舶q通过闸门的所需水深，当闸内水深高于所需水深时，则进行放水处理，当闸内水深低于所需水深时，则进行加水处理。

29、可选地，所述s3步骤中获取船舶过闸报备信息，包括：

30、当船舶从港口驶向下一道闸时需要进行报备，获取时间范围[t0,tl]内的船舶过闸报备信息，并将船舶过闸报备信息中所对应的船舶作为当前待调度的船舶，其中tl表示当前时刻，t0表示报备初始时刻，船舶过闸报备信息包括船舶当前位置、当前行驶速度、目标闸口以及过闸目的，当监测到应急船只或危化物品船只需要过闸时，在闸口清理出一条应急通道，应急船只或危化物品船只可沿应急通道过闸。

31、可选地，所述s3步骤中构建多级联运船闸调度模型的目标函数，包括：

32、根据船舶过闸影响指标数据以及船舶过闸时间函数构建多级联运船闸调度模型的目标函数，所构建用于控制调度船舶行驶速度以及闸门开启时间的目标函数f为：

33、；

34、；

35、其中：

36、q表示当前待调度的船舶总数，其中待调度的船舶为过闸报备过的船舶；

37、 p q表示任意船舶q的过闸报备时刻，表示船舶q到达闸门的时刻；

38、e表示闸门开启时间序列，e包含n个时刻， r( e)表示闸门开启时间序列e中的任意时刻，表示船舶q等待闸门开启的等待时间。

39、可选地，所述s3步骤中构建多级联运船闸调度模型中目标函数的约束条件，包括：

40、构建多级联运船闸调度模型中目标函数的约束条件，其中目标函数f的约束条件为：

41、；

42、；

43、；

44、；

45、其中：

46、 c1≥0表示任意船舶q等待闸门开启的等待时间均大于等于0；

47、表示闸门开启时间序列e中闸门连续开启的若干时间长度，表示中闸门连续开启的最短时间长度，表示预设置的闸门最短开启时间长度阈值。

48、可选地，所述s4步骤中利用动态惩罚策略对构建的多级联运船闸调度模型进行双阶段优化求解，包括：

49、利用动态惩罚策略对构建的多级联运船闸调度模型进行双阶段优化求解，得到多级联运船闸调度方案，其中多级联运船闸调度方案包括过闸报备后船舶的行驶速度控制以及闸门开启时间；

50、基于动态惩罚策略的多级联运船闸调度模型优化求解流程为：

51、s41：生成m组染色体，每组染色体包含n个基因，对应n个待优化求解的闸门开启时间序列e的n个时刻；

52、s42：对每组染色体中的n个基因进行初始编码表示，其中每个基因的编码类型为{0,1}，1表示闸门在该基因所对应的时刻处于开启状态，0表示闸门在该基因所对应的时刻处于关闭状态，且每组染色体的编码表示符合约束条件，即染色体中连续为1的最短基因长度，第m组染色体的初始编码表示结果为 x m(0)，；

53、s43：以当前待调度船舶所报备的行驶速度为固定值，以每组染色体的编码表示结果为输入值，将目标函数f转换为每组染色体的自适应函数f(x)，其中x表示输入自适应函数的染色体编码表示结果；

54、s44：设定当前染色体迭代次数为k，k的初始值为0，最大值为max，则第m组染色体的第k次迭代结果为 x m (k)，对应的自适应函数结果为f (x m (k))；

55、s45：随机选取若干组染色体进行迭代，其中迭代方式包括交叉变异，第m组染色体在第k+1次迭代过程中被选取的概率 p k+1(m)为：

56、；

57、所述交叉操作为将所选取染色体基因片段与其余染色体在相同位置的基因片段互相交换，且保证交换后的染色体均符合约束条件；

58、所述变异操作为将所选取染色体中的某一个基因进行变异处理，且保证变异后的染色体均符合约束条件，在本发明实施例中，变异操作包括或；

59、s46：令k=k+1，重复步骤s45，直到k+1=max，选取此时自适应函数结果最小的染色体的编码表示结果作为闸门调度方案；在本发明实施例中，其中闸门调度方案即为闸门开启、关闭时间；

60、结合闸门调度方案，将目标函数f转换为动态船舶速度调度函数：

61、；

62、；

63、其中：

64、表示第u次迭代得到的动态惩罚系数，表示预设置的初始动态惩罚系数，表示第u次迭代得到的动态惩罚函数值；

65、表示闸门调度方案；

66、v表示待优化求解的q个待调度船舶的行驶速度控制向量，v=，表示求解得到的船舶q的行驶速度控制结果；

67、s47：计算当前第u次迭代的动态惩罚函数值，若小于预设的惩罚阈值，则终止迭代，并输出当前行驶速度控制向量，否则分别对动态惩罚系数以及船舶行驶速度控制结果进行迭代：

68、；

69、；

70、其中：

71、表示动态迭代系数，；

72、 rand(-1,1)表示-1到1之间的随机数， v th表示预设置的速度更新常数；

73、s48：令u=u+1，返回步骤s47；

74、s49：将闸门调度方案以及当前行驶速度控制向量作为实时的多级联运船闸调度方案。

75、可选地，所述s5步骤中基于多级联运船闸调度方案控制船舶行驶速度以及闸门开启时间，按照船舶调度策略引导过闸的船舶到达闸室内指定位置，包括：

76、基于多级联运船闸调度方案控制闸门开启时间以及待调度船舶的行驶速度，按照船舶调度策略引导过闸的船舶到达闸室内指定位置，其中船舶调度策略流程为：

77、s51：获取过闸船舶的尺寸，遍历闸室有效区域，其中闸室有效区域表示闸室内的空余空间区域；

78、s52：若闸室有效区域中的左下角位置可以存放过闸船舶，则将过闸船舶置于闸室有效区域的左下角位置，更新闸室有效区域；否则将过闸船舶置于闸室有效区域的右上角最高处，在满足空间约束的条件下，使其尽量垂直向下然后向左移动，直到到达无法移动的位置，并更新闸室有效区域。

79、为了解决上述问题，本发明提供一种多级联运船闸调度系统，所述系统包括：

80、数据采集装置，用于采集船舶过闸影响指标数据；

81、调度模型构建模块，用于基于航运可见度确定船舶过闸时间函数，获取船舶过闸报备信息，根据船舶过闸影响指标数据以及船舶过闸时间函数构建多级联运船闸调度模型；

82、船闸调度模块，用于利用动态惩罚策略对构建的多级联运船闸调度模型进行双阶段优化求解，得到实时的多级联运船闸调度方案，基于多级联运船闸调度方案控制闸门开启时间以及不同船舶的行驶速度，按照船舶调度策略引导过闸的船舶到达闸室内指定位置。

83、为了解决上述问题，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：

84、存储器，存储至少一个指令；

85、通信接口，实现电子设备通信；及

86、处理器，执行所述存储器中存储的指令以实现上述所述的多级联运船闸调度方法。

87、为了解决上述问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令，所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现上述所述的多级联运船闸调度方法。

88、相对于现有技术，本发明提出一种多级联运船闸调度方法，该技术具有以下优势：

89、首先，本方案提出一种多级联运船闸调度模型，根据船舶过闸影响指标数据以及船舶过闸时间函数构建多级联运船闸调度模型的目标函数，所构建用于控制调度船舶行驶速度以及闸门开启时间的目标函数f为：

90、；

91、；

92、其中：q表示当前待调度的船舶总数，其中待调度的船舶为过闸报备过的船舶； p q表示任意船舶q的过闸报备时刻，表示船舶q到达闸门的时刻；e表示闸门开启时间序列，e包含n个时刻， r( e)表示闸门开启时间序列e中的任意时刻，表示船舶q等待闸门开启的等待时间。构建多级联运船闸调度模型中目标函数的约束条件，其中目标函数f的约束条件为：

93、；

94、；

95、；

96、；

97、其中： c1≥0表示任意船舶q等待闸门开启的等待时间均大于等于0；表示闸门开启时间序列e中闸门连续开启的若干时间长度，表示中闸门连续开启的最短时间长度，表示预设置的闸门最短开启时间长度阈值。由于航运过程中大气颗粒物直径以及密度变化会导致航运可见度变化，其中航运可见度越高，则船舶的行驶速度越接近正常行驶速度，否则便会被迫降低，本方案基于航运可见度提出船舶过闸时间函数，量化不同船舶到达闸门的时间、过闸时间以及等待时间，进而根据船舶过闸影响指标数据以及船舶过闸时间函数构建多级联运船闸调度模型，通过对模型进行求解，得到实现船舶行驶时间以及等待闸门开启的等待时间最少的当前不同船舶的行驶速度控制策略，以及对应的闸门调度方案，并将不同船舶的行驶速度控制策略以及闸门调度方案作为多级联运船闸调度方案，基于多级联运船闸调度方案控制闸门开启时间以及不同船舶的行驶速度，按照船舶调度策略引导过闸的船舶到达闸室内指定位置，提高闸室的空间利用率。

98、同时，本方案提出一种多级联运船闸调度模型的双阶段求解方法，利用动态惩罚策略对构建的多级联运船闸调度模型进行双阶段优化求解，得到多级联运船闸调度方案，其中多级联运船闸调度方案包括过闸报备后船舶的行驶速度控制以及闸门开启时间；基于动态惩罚策略的多级联运船闸调度模型优化求解流程为：生成m组染色体，每组染色体包含n个基因，对应n个待优化求解的闸门开启时间序列e的n个时刻；对每组染色体中的n个基因进行初始编码表示，其中每个基因的编码类型为{0,1}，1表示闸门在该基因所对应的时刻处于开启状态，0表示闸门在该基因所对应的时刻处于关闭状态，且每组染色体的编码表示符合约束条件，即染色体中连续为1的最短基因长度，第m组染色体的初始编码表示结果为 x m(0)，；以当前待调度船舶所报备的行驶速度为固定值，以每组染色体的编码表示结果为输入值，将目标函数f转换为每组染色体的自适应函数f(x)，其中x表示输入自适应函数的染色体编码表示结果；设定当前染色体迭代次数为k，k的初始值为0，最大值为max，则第m组染色体的第k次迭代结果为 x m (k)，对应的自适应函数结果为f (x m (k))；随机选取若干组染色体进行迭代，其中迭代方式包括交叉变异，第m组染色体在第k+1次迭代过程中被选取的概率 p k+1(m)为：

99、；

100、所述交叉操作为将所选取染色体基因片段与其余染色体在相同位置的基因片段互相交换，且保证交换后的染色体均符合约束条件；所述变异操作为将所选取染色体中的某一个基因进行变异处理，且保证变异后的染色体均符合约束条件；令k=k+1，重复迭代，直到k+1=max，选取此时自适应函数结果最小的染色体的编码表示结果作为闸门调度方案；结合闸门调度方案，将目标函数f转换为动态船舶速度调度函数：

101、；

102、；

103、其中：

104、表示第u次迭代得到的动态惩罚系数，表示预设置的初始动态惩罚系数，表示第u次迭代得到的动态惩罚函数值；表示闸门调度方案；v表示待优化求解的q个待调度船舶的行驶速度控制向量，v=，表示求解得到的船舶q的行驶速度控制结果；计算当前第u次迭代的动态惩罚函数值，若小于预设的惩罚阈值，则终止迭代，并输出当前行驶速度控制向量，否则分别对动态惩罚系数以及船舶行驶速度控制结果进行迭代：

105、；

106、；

107、其中：表示动态迭代系数，； rand(-1,1)表示-1到1之间的随机数， v th表示预设置的速度更新常数；令u=u+1进行迭代；将闸门调度方案以及当前行驶速度控制向量作为实时的多级联运船闸调度方案。本方案利用动态惩罚策略对构建的多级联运船闸调度模型进行双阶段优化求解，在第一阶段优化求解过程中，采用遗传算法求解得到使得按照船舶当前行驶速度行驶，行驶时间以及等待时间均较少的闸门调度方案，而在第二阶段求解过程中，采用动态惩罚策略将约束条件引入目标函数中，并对引入项进行动态迭代更新，快速得到符合动态惩罚函数值限制的行驶速度控制向量，同时本发明通过基于动态惩罚函数值进行迭代，避免求解得到的船舶行驶速度与当前行驶速度存在较大差异，进而快速得到多级联运船闸调度方案。