基于多智能體的復雜水域航道通航仿真優化

左天立, 聶向軍, 郝 軍, 王達川, 李 蕊, 黃 俊

(交通運輸部 規劃研究院，北京 100028)

基于多智能體的復雜水域航道通航仿真優化

左天立, 聶向軍, 郝 軍, 王達川, 李 蕊, 黃 俊

(交通運輸部 規劃研究院，北京 100028)

基于多智能體仿真技術，以航道通過能力和服務水平為目標函數，考慮不同船舶在多航道情景下進出港的動態變化，構建復雜水域下的沿海進出港航道仿真模型，有效評估航道對港口營運的影響。以我國大連灣水域航道規劃方案調整為例，應用仿真模型進行評估分析。仿真分析結果表明，當大連灣入口為雙航道時，航道的通過能力、服務水平相比單航道均能得到有效提高，核心的客滾船等待時間能有效減少80%。建議在我國沿海的航道規劃、建設和運營中廣泛應用計算機仿真技術，促進航道科學合理地發展和高效地運營。

港口運輸；復雜水域；多智能體；航道仿真；通過能力；服務水平

Abstract: A model of the coastal channel in complicated waters for multi-agent simulation is established. The model is used to optimize the channels in the way that the capacity-service level of the navigation channel is taken as the objective function and the dynamic changes of different ships in multi-channel environment as the condition. The channel impact factors on port operation are assessed. The adjustment of waterway scheme in Dalian bay is planned for illustration. The simulation results indicate that planning two channels at the entrance of Dalian bay will notably improve the capacity of navigation and service level so that the waiting time of RO-RO ships can be reduced by 80% or more. The computer simulation technology should be used for the channel planning, and port construction/operation so as to achieve the rational development and high operating efficiently.

Keywords: port traffic；complex waters; multi-agent; navigation channel simulation; capacity of navigation; service level

近年來，隨著國內沿海港口規模迅速擴大，港口通航環境日趨復雜，部分港口航道的現狀已不能適應港口的發展需求，航道服務水平和通過能力已成為制約港口高效運營的突出因素。

目前國內外港航業[1-2]已對定量評價航道通過能力等相關指標達成一定的共識，M/Ek/S排隊論模型可解決簡單航道的通過能力問題。鑒于船舶到港具有隨機性和不均衡性，計算機仿真技術逐漸應用到航道研究中。[3-8]總體來看，現行的仿真技術存在以下不足：

1)難以滿足包含航道服務水平、通過能力在內的多目標約束下的評估需求。

2)仍較多采用隨機理論，缺乏港口運營中的泊位、航道及船舶等信息交互和預約判斷等過程的模擬，很難仿真實際港口的運營情況。

3)在模型構建上多采用線型邏輯結構，難以解決復雜水域下的分叉、分段等模型邊界條件設置問題。

4)對于包含泊位、船舶及水域等因素的系統性問題，并不能涵蓋周全。

目前，相關研究人員[9-10]已對利用多智能體技術解決多重目標約束下的復雜技術問題達成共識。這里基于已有仿真研究[11-13]，將多智能體仿真技術引入到復雜水域下的沿海港口仿真中，通過對系統內部各項航行條件及運營信息進行全面預約判斷，以優化航道服務水平和通過能力為目標，實現船舶進出港的智能化，最終構建沿海進出港航道仿真模型，為定量評估航道運營效率提供新的技術手段。

1 研究思路

基于沿海港口船舶進出港流程，結合港口實際運營狀況，利用多智能體仿真建模技術和Java程序設計語言，建立沿海港口通用數值仿真模型主體結構，整體研究思路見圖1。模型主體包括主系統和船舶航行系統,其參數、變量及邏輯函數等數據可實時傳遞、互相調用。

1)主系統主要應用于船舶進出港、在泊作業等關鍵流程中，包括與船舶進出港航行密切相關的航道、泊位、錨地等，重點解決港區基礎設施與運營、調度規則仿真問題。

2)船舶航行系統主要用于判斷船舶進出港行為的邏輯流程，重點解決船舶航行規則仿真問題。

圖1 研究思路

2 模型構建

2.1主系統約束目標函數設置

在港口運營中，港口通過能力和航道服務水平是港口、海事、引航及船舶所有人普遍關注的指標。因此,圍繞港口運營相關指標構建多目標函數M(F(m，n)，G(m，n)，H(x1，x2，…))。

(1)

(2)

f(i,j)=f2ij-f1ij

(3)

g(i,j)=g2ij-g1ij

(4)

式(1)～式(4)中：F(m,n)為進出港船舶總數目標；G(m,n)為航道服務水平目標；m為港口港區數量；

n為該港區預測年通過船舶艘次；tij為0-1變量，當第i艘船舶在j港區完成裝卸、離港時，tij=1，否則為0；f1ij為第i艘船舶到達j港區外的時刻；f2ij為第i艘船舶在j港區完成靠泊的時刻；g1ij為第i艘船舶在j港區完成裝卸的時刻；g2ij為第i艘船舶在j港區通過航道后離開航道的時刻；H(x1，x2，…)為特定船舶類型的目標約束。式(1)表示該階段所有船舶進出港的通過能力最大；式(2)表示該階段所有船舶等候時間最短。

2.2船舶航行系統邏輯流程函數設置

APij=(0，1)

(5)

SPij=(0，1)

(6)

ANij=(0，1)

(7)

Berthij=(0，1)

(8)

HTij=(0，1)

(9)

WEij=(0，1)

(10)

CHij=(0，1)

(11)

(12)

T2ij+si/vi+Δt≤T1ij

(13)

(14)

|hijk-hmjk|≥h0,m=1,2,3,…,n

(15)

|rijk-rmjk|≥h0,m=1,2,3,…,n

(16)

K2ij-Δp-T1ij≥0

(17)

(18)

Δp-si/vi≥0

(19)

2.3模型仿真流程

船舶進出港過程是一個包含復雜影響因素，同時具備隨機性、多樣性和離散性的動態服務系統，該研究通過邏輯流程和各智能體將主系統與船舶航行系統緊密結合，構建船舶進出港系統仿真模型(見圖2)。

圖2 仿真模型系統流程

2.4主要輸入參數設置

2.4.1港區設施參數設置

該類型參數需根據港區發展現狀及相關規劃情況具體分析確定，主要包括泊位數量、泊位噸級、泊位屬性、航道等級和錨地規模等。

2.4.2船舶參數設置

該類型參數需結合區域發展情況及國內外船舶發展形勢具體確定，主要包括船舶流量、船舶到港規律、船舶類型、船舶噸級和船舶作業時間等。

2.4.3航行規則確定

船舶航行規則與各水域環境狀況、氣象條件和習慣航路等密切相關，主要包括：

(1)航道航行基本規則，包括船舶航道上下線點、航行速度、單雙向航行等；

(2)水文氣象條件，包括乘潮水位、因惡劣天氣引起的封航時間等；

(3)其他，包括危化品船舶是否夜航、船舶進出港優先級確定等。

3 實例分析

大連灣水域是大連港核心水域之一，通航環境較為復雜，是我國北方水上運輸最繁忙、船舶密度最大的水域之一。為適應區域經濟發展新形勢，該水域內擬建大連灣跨海交通工程，該工程將壓縮大連灣部分水域空間，可能會給航道服務水平帶來一定的影響。在此背景下，根據吞吐量預測、港區布局及水域現狀通航條件，在有限的水域空間內提出2種多航道交匯的水域調整方案(見圖3)，跨海交通工程側航道端口分別為雙入口和單入口，泊位及航道參數見表1和表2。

a)方案一

b)方案二

港區泊位數/個泊位噸級功能屬性大港港區191萬～30萬客滾、通用、郵船、修造船大石化港區135000～10萬原油、成品油船甘井子港區205000～10萬通用、修造船和尚島西港區中遠船務區域145萬～30萬修造船和尚島西港區遼寧集團區域185000～5萬客滾、通用、修造船和尚島西港區、華能電廠、大船海工基地等115000～3萬通用、修造船

3.1參數設置

1)仿真運行時間：1 a。

2)到港船舶規律：客滾船遵循定班制；其余船舶服從X～N(μ，σ2)，μ=7，σ2=2。

3)船舶到港流量：8 760艘。

表2 港區航道信息

4)航速：航道內10 kn；港內5 kn。

5)夜航設置：根據該港域海事管理規定，無夜航控制。

6)船舶進出港優先級：按客滾船、乘潮通航船、原油/成品油船、通用散雜貨船和修造船的優先級從高至低排列。

7)泊位服務效率、船舶作業時間等相關運營數據均根據《海港總體設計規范》[14]選取。

8) 在泊位等級滿足船舶噸級的條件下，船舶采用隨機靠泊方式，依據先到先服務原則分配泊位。[15]3.2仿真分析

獨立進行10次仿真試驗，得到2種方案下的分船型航道服務水平指標及通過能力指標(見圖4)。經分析，在相同港口泊位數及船舶預測量下，各航道方案在評價指標上有顯著差別。

圖4 分船型航道服務水平與通過能力指標對比

1)從航道通過船舶艘次上看，方案一中各類船舶通過艘次均比方案二多。以全港船舶為例，預測全年到港船舶8 760艘，經仿真模型驗算，采用方案一，航道可滿足全年約8 630艘船舶的正常到港需求；而采用方案二，航道可滿足全年約8 580艘船舶的正常到港需求。因此，從通過能力上看，選擇方案一可更好地滿足水域內船舶進出港需求，航道通過能力與港口需求基本上匹配。

2)從船舶進港等待時間上看，方案一比方案二更優。以該區域內船舶流量較大的客滾船為例，在日常港口營運中，方案一中船舶等待航道時間僅需0.1 h，而方案二則上升至0.18 h。因此，從航道服務水平上看，若采用方案二，則客滾船進港等待航道時間將大幅上升80%，港口整體服務效率將受到較大影響。

由于大連灣水域內的核心船舶為客滾船，因此該案例結合當前的通航服務水平，對仿真模型中的客滾智能體模型進行重點分析，選取到港等待航道時間作為評價指標。圖5為不同方案下容滾船進港等待時間，其中：方案一中客滾船準點率與現狀船舶準點率基本上符合；方案二中由于航道因素，等待航道時間顯著增加，航道服務水平大幅下降。

圖5 不同方案下客滾船進港等待時間

因此，綜合各項評價指標，方案一較為合理，可更好地滿足大連灣水域內各系統的正常運營需求。

4 結束語

為綜合評估沿海復雜水域航道方案，以多智能體仿真技術為基礎，構建沿海港口船舶進出港模型；通過設計和運行仿真試驗方案，可得出不同方案下的航道服務水平、航道通過能力等關鍵指標，并可根據需要對特定港區、特定船舶進行定量評估。

通過構建沿海進出港模型，可為港口規劃、建設和管理部門評估航道提供更多的技術支撐，從而更好地促進港口事業的發展。

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OptimizationofCoastalChannelsinComplicatedWatersThroughMulti-AgentSimulation

ZUOTianli,NIEXiangjun,HAOJun,WANGDachuan,LIRui,HUANGJun

(Transport Planning and Research Institute, Ministry of Transport, Beijing 100028, China)

U698;U612

A

2017-01-10

左天立(1989—)，男,湖南益陽人，工程師,碩士，從事港口規劃、港口通航仿真研究。E-mail:zuotl@tpri.org.cn

1000-4653(2017)01-0097-05