复杂港口通航模型构建方法及装置、通航方法及装置

涉及港口复杂航道船舶调度。

背景技术：

1、港口船舶调度主要针对具体港口，调度一定时期内进出港的船舶，以使船舶能安全且高效地进出港并且完成港口作业。从航道类型上分类，可将当前航道分为单向航道、双向航道、复式航道。大部分的船舶交通调度方法主要是针对单、双向通行的顺直航道，在交叉水域由于船舶会遇频繁，交通状况较为复杂，与顺直航道的调度有明显的不同，这类理想状态下的船舶通过调度模型并不能满足对交叉水域通过能力计算的需求。复式航道是指同一航道设计断面处有两个或两个以上不同通航水深的航道，主要用于解决当前单向航道或双向航道无法满足港口日益增加的船舶交通流量问题。国内外对于道路交叉口的研究较为成熟，已有部分研究人员借鉴其路径选择模型进行了水路交通方面的研究。但是道路交通与水路交通存在差异，路网领域相关方法模型应用于水网航道需要进行修改和完善。

2、chenl等人类比路网间隙接受理论，对十字型交叉口和井字型航道网络进行仿真，结果表明由于交叉口之间的相互影响，航道网络通过能力并非组成网络的交叉口通过能力的简单叠加。zhang等协调泊位及航道资源，建立了港口船舶调度数学模型；uluscu等基于伊斯坦布尔海峡船舶航行规则，在考虑船舶等待时间长短及不同船型优先权下，建立了双向通航船舶进出港数学模型；xavierbellsolàolba提出了一种估计t型航道交叉口容量的新方法，基于道路和水路之间的类比，考虑交叉点中不同流与从经验数据或预测推断的流之间的冲突，将冲突技术应用于水路的交叉点。lallaruiz等人针对长三角的水路特点，将船舶调度问题建模为混合整数线性规划(milp)，通过不同的水路安排进出港口的船舶，以使船舶的等待时间最小化使船舶的等待时间最小化。linyingchen提出了一个由船舶编队(vtf)和协作水道交叉口调度(cwis)组成的框架，交叉口是用冲突块建模。具体方法是设置一条规则，即在一条船舶占用一个区块的时间段内，其他船舶不能进入该区块。通过这种方式，wis问题可以表述为一个作业车间调度问题，有助于减少通过港口的总时间。

3、杨家其等尝试使用网络理论中的最大流最小割定理，通过计算网络中每一航段可通过的运输量的上限，提出测算航道网通过能力的数学模型。韩鹏等学者借鉴公路上环形道路交叉口通过能力的计算方法对较为常见的y型航路进行研究。文元桥等分析港口航道船舶交通流特征的基础上，根据船舶行为特征，结合船舶领域理论，建立多源汇入汇出条件下，港口公共航道通过能力理论计算模型。陈琳瑛从水网航道的最基本构件-航段和t型航道出发分析计算航道网通过能力；李新通针对天津港复式航道，通过flexsim软件对提前制定好的船舶通航计划进行仿真，评估该通航计划在航道中可能出现的船舶交叉会遇情况.张新宇等人以天津港复式航道为原型，抽象出一种y形分叉复式航道模型，基于该航道船舶交通流特点及航行规则，划定影响航道船舶交通的三个关键区域，以船舶总等待时间最小为目标函数，建立复式航道船舶调度数学模型，并设计相应的遗传算法求解模型。

4、以上对港口船舶调度方面的研究，大多从宏观角度对航道交通组织及其通过能力、航行风险评价及预测等方面进行研究，主要依靠经验，未能直接对船舶进出港过程的交通组织提供具体指导，尤其是复式航道中的船舶交通流复杂，常出现多船会遇局面，严重影响船舶航行安全及效率，故需要针对复式航道条件制定船舶交通组织优化方案。在船舶调度这类复杂的离散组合优化问题方面的深度强化学习应用研究较少。

技术实现思路

1、为解决现有技术中，现有对港口船舶调度方面的研究，大多从宏观角度对航道交通组织及其通过能力、航行风险评价及预测等方面进行研究，主要依靠经验，未能直接对船舶进出港过程的交通组织提供具体指导，尤其是复式航道中的船舶交通流复杂，常出现多船会遇局面，严重影响船舶航行安全及效率的技术问题，本发明提供的技术方案为：

2、复杂港口通航模型构建方法，所述方法包括：

3、根据复式航道船舶交通流特点和航行规则，建立船舶调度模型的步骤；

4、构建自学习遗传算法的步骤；

5、将船舶编号和进出港方向作为随机生成的初始种群的步骤；

6、将所述初始种群中，满足预设条件的个体作为子代的步骤；

7、根据所述子代，生成新个体的步骤；

8、对所述新个体进行变异操作的步骤；

9、将进行变异操作的新个体中，不满足预设条件的所述新个体进行调整出港顺序的操作的步骤；

10、根据预设奖励函数，对所述生成新个体的步骤和进行变异操作的步骤进行迭代，直到达到预设条件，得到通航模型的步骤。

11、进一步，提供一个优选实施方式，将所述自学习遗传算法作为优化算法，通过强化学习调整所述优化算法。

12、进一步，提供一个优选实施方式，采用两层编码的染色体表示船舶编号和进出港方向，并作为所述随机生成的初始种群中个体。

13、进一步，提供一个优选实施方式，根据所述子代，采用单点交叉进行交叉操作，生成新个体。

14、进一步，提供一个优选实施方式，所述变异操作采用逆转变异。

15、基于同一发明构思，本发明还提供了复杂港口通航模型构建装置，所述装置包括：

16、根据复式航道船舶交通流特点和航行规则，建立船舶调度模型的模块；

17、构建自学习遗传算法的模块；

18、将船舶编号和进出港方向作为随机生成的初始种群的模块；

19、将所述初始种群中，满足预设条件的个体作为子代的模块；

20、根据所述子代，生成新个体的模块；

21、对所述新个体进行变异操作的模块；

22、将进行变异操作的新个体中，不满足预设条件的所述新个体进行调整出港顺序的操作的模块；

23、根据预设奖励函数，对所述生成新个体的模块和进行变异操作的模块进行迭代，直到达到预设条件，得到通航模型的模块。

24、基于同一发明构思，本发明还提供了复杂港口通航方法，所述方法包括：

25、采集天津港复式航道船舶交通流特点和航行规则，作为通航模型的输入值的步骤；

26、根据所述的通航模型，得到通航规划的步骤；

27、根据所述通航规划，分别向船只发送通行指令的步骤。

28、基于同一发明构思，本发明还提供了复杂港口通航装置，所述装置包括：

29、采集天津港复式航道船舶交通流特点和航行规则，作为通航模型的输入值的模块；

30、根据所述的通航模型，得到通航规划的模块；

31、根据所述通航规划，分别向船只发送通行指令的模块。

32、基于同一发明构思，本发明还提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，所述储存介质中储存的计算机用于被计算机读取，使其执行所述的方法。

33、基于同一发明构思，本发明还提供了计算机，包括处理器和储存介质，当所述处理器读取所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行所述的方法。

34、与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益之处在于：

35、本发明提供的复杂港口通航方法，通过建立船舶调度模型，对复杂港口通航方法进行优化和改进。该模型考虑了船舶的等待时间、航道的形状、船舶的进出港方向等因素，以最小化船舶总等待时间为目标函数。通过模型的建立，可以提高港口船舶调度的效率和安全性。

36、本发明提供的复杂港口通航方法，通过引入强化学习来动态调整遗传算法中的交叉和变异参数，可以提高算法的搜索能力。强化学习根据种群的性能评估选择合适的交叉和变异概率，通过奖励函数来评价选取的优劣。这样可以使遗传算法更加适应具体问题的特点，提高算法的收敛速度和搜索效果。

37、本发明提供的复杂港口通航方法，对复杂港口通航方法进行了深入研究，提出了基于强化学习的自学习遗传算法。这种算法结合了遗传算法和强化学习的优点，能够更好地解决船舶调度问题。

38、本发明提供的复杂港口通航方法，通过模型构建，考虑了船舶的等待时间、航道的形状、船舶的进出港方向等因素，使得船舶调度更加科学和合理。

39、本发明提供的复杂港口通航方法，通过引入强化学习来动态调整遗传算法中的交叉和变异参数，使得算法能够根据具体问题的特点进行自适应调整，提高算法的搜索能力和收敛速度。本发明提供的复杂港口通航方法，

40、本发明提供的复杂港口通航方法，可以应用于港口复杂航道船舶调度工作中。