基于多智能體的復(fù)雜水域航道通航仿真優(yōu)化

左天立, 聶向軍, 郝 軍, 王達(dá)川, 李 蕊, 黃 俊

(交通運(yùn)輸部 規(guī)劃研究院，北京 100028)

基于多智能體的復(fù)雜水域航道通航仿真優(yōu)化

左天立, 聶向軍, 郝 軍, 王達(dá)川, 李 蕊, 黃 俊

(交通運(yùn)輸部 規(guī)劃研究院，北京 100028)

基于多智能體仿真技術(shù)，以航道通過(guò)能力和服務(wù)水平為目標(biāo)函數(shù)，考慮不同船舶在多航道情景下進(jìn)出港的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建復(fù)雜水域下的沿海進(jìn)出港航道仿真模型，有效評(píng)估航道對(duì)港口營(yíng)運(yùn)的影響。以我國(guó)大連灣水域航道規(guī)劃方案調(diào)整為例，應(yīng)用仿真模型進(jìn)行評(píng)估分析。仿真分析結(jié)果表明，當(dāng)大連灣入口為雙航道時(shí)，航道的通過(guò)能力、服務(wù)水平相比單航道均能得到有效提高，核心的客滾船等待時(shí)間能有效減少80%。建議在我國(guó)沿海的航道規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，促進(jìn)航道科學(xué)合理地發(fā)展和高效地運(yùn)營(yíng)。

港口運(yùn)輸；復(fù)雜水域；多智能體；航道仿真；通過(guò)能力；服務(wù)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(lái)，隨著國(guó)內(nèi)沿海港口規(guī)模迅速擴(kuò)大，港口通航環(huán)境日趨復(fù)雜，部分港口航道的現(xiàn)狀已不能適應(yīng)港口的發(fā)展需求，航道服務(wù)水平和通過(guò)能力已成為制約港口高效運(yùn)營(yíng)的突出因素。

目前國(guó)內(nèi)外港航業(yè)[1-2]已對(duì)定量評(píng)價(jià)航道通過(guò)能力等相關(guān)指標(biāo)達(dá)成一定的共識(shí)，M/Ek/S排隊(duì)論模型可解決簡(jiǎn)單航道的通過(guò)能力問(wèn)題。鑒于船舶到港具有隨機(jī)性和不均衡性，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)逐漸應(yīng)用到航道研究中。[3-8]總體來(lái)看，現(xiàn)行的仿真技術(shù)存在以下不足：

1)難以滿足包含航道服務(wù)水平、通過(guò)能力在內(nèi)的多目標(biāo)約束下的評(píng)估需求。

2)仍較多采用隨機(jī)理論，缺乏港口運(yùn)營(yíng)中的泊位、航道及船舶等信息交互和預(yù)約判斷等過(guò)程的模擬，很難仿真實(shí)際港口的運(yùn)營(yíng)情況。

3)在模型構(gòu)建上多采用線型邏輯結(jié)構(gòu)，難以解決復(fù)雜水域下的分叉、分段等模型邊界條件設(shè)置問(wèn)題。

4)對(duì)于包含泊位、船舶及水域等因素的系統(tǒng)性問(wèn)題，并不能涵蓋周全。

目前，相關(guān)研究人員[9-10]已對(duì)利用多智能體技術(shù)解決多重目標(biāo)約束下的復(fù)雜技術(shù)問(wèn)題達(dá)成共識(shí)。這里基于已有仿真研究[11-13]，將多智能體仿真技術(shù)引入到復(fù)雜水域下的沿海港口仿真中，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各項(xiàng)航行條件及運(yùn)營(yíng)信息進(jìn)行全面預(yù)約判斷，以優(yōu)化航道服務(wù)水平和通過(guò)能力為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)船舶進(jìn)出港的智能化，最終構(gòu)建沿海進(jìn)出港航道仿真模型，為定量評(píng)估航道運(yùn)營(yíng)效率提供新的技術(shù)手段。

1 研究思路

基于沿海港口船舶進(jìn)出港流程，結(jié)合港口實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況，利用多智能體仿真建模技術(shù)和Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，建立沿海港口通用數(shù)值仿真模型主體結(jié)構(gòu)，整體研究思路見圖1。模型主體包括主系統(tǒng)和船舶航行系統(tǒng),其參數(shù)、變量及邏輯函數(shù)等數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳遞、互相調(diào)用。

1)主系統(tǒng)主要應(yīng)用于船舶進(jìn)出港、在泊作業(yè)等關(guān)鍵流程中，包括與船舶進(jìn)出港航行密切相關(guān)的航道、泊位、錨地等，重點(diǎn)解決港區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營(yíng)、調(diào)度規(guī)則仿真問(wèn)題。

2)船舶航行系統(tǒng)主要用于判斷船舶進(jìn)出港行為的邏輯流程，重點(diǎn)解決船舶航行規(guī)則仿真問(wèn)題。

圖1 研究思路

2 模型構(gòu)建

2.1主系統(tǒng)約束目標(biāo)函數(shù)設(shè)置

在港口運(yùn)營(yíng)中，港口通過(guò)能力和航道服務(wù)水平是港口、海事、引航及船舶所有人普遍關(guān)注的指標(biāo)。因此,圍繞港口運(yùn)營(yíng)相關(guān)指標(biāo)構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)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(jìn)出港船舶總數(shù)目標(biāo)；G(m,n)為航道服務(wù)水平目標(biāo)；m為港口港區(qū)數(shù)量；

n為該港區(qū)預(yù)測(cè)年通過(guò)船舶艘次；tij為0-1變量，當(dāng)?shù)趇艘船舶在j港區(qū)完成裝卸、離港時(shí)，tij=1，否則為0；f1ij為第i艘船舶到達(dá)j港區(qū)外的時(shí)刻；f2ij為第i艘船舶在j港區(qū)完成靠泊的時(shí)刻；g1ij為第i艘船舶在j港區(qū)完成裝卸的時(shí)刻；g2ij為第i艘船舶在j港區(qū)通過(guò)航道后離開航道的時(shí)刻；H(x1，x2，…)為特定船舶類型的目標(biāo)約束。式(1)表示該階段所有船舶進(jìn)出港的通過(guò)能力最大；式(2)表示該階段所有船舶等候時(shí)間最短。

2.2船舶航行系統(tǒng)邏輯流程函數(shù)設(shè)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(jìn)出港過(guò)程是一個(gè)包含復(fù)雜影響因素，同時(shí)具備隨機(jī)性、多樣性和離散性的動(dòng)態(tài)服務(wù)系統(tǒng)，該研究通過(guò)邏輯流程和各智能體將主系統(tǒng)與船舶航行系統(tǒng)緊密結(jié)合，構(gòu)建船舶進(jìn)出港系統(tǒng)仿真模型(見圖2)。

圖2 仿真模型系統(tǒng)流程

2.4主要輸入?yún)?shù)設(shè)置

2.4.1港區(qū)設(shè)施參數(shù)設(shè)置

該類型參數(shù)需根據(jù)港區(qū)發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)劃情況具體分析確定，主要包括泊位數(shù)量、泊位噸級(jí)、泊位屬性、航道等級(jí)和錨地規(guī)模等。

2.4.2船舶參數(shù)設(shè)置

該類型參數(shù)需結(jié)合區(qū)域發(fā)展情況及國(guó)內(nèi)外船舶發(fā)展形勢(shì)具體確定，主要包括船舶流量、船舶到港規(guī)律、船舶類型、船舶噸級(jí)和船舶作業(yè)時(shí)間等。

2.4.3航行規(guī)則確定

船舶航行規(guī)則與各水域環(huán)境狀況、氣象條件和習(xí)慣航路等密切相關(guān)，主要包括：

(1)航道航行基本規(guī)則，包括船舶航道上下線點(diǎn)、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(shí)間等；

(3)其他，包括?；反笆欠褚购?、船舶進(jìn)出港優(yōu)先級(jí)確定等。

3 實(shí)例分析

大連灣水域是大連港核心水域之一，通航環(huán)境較為復(fù)雜，是我國(guó)北方水上運(yùn)輸最繁忙、船舶密度最大的水域之一。為適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展新形勢(shì)，該水域內(nèi)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(huì)給航道服務(wù)水平帶來(lái)一定的影響。在此背景下，根據(jù)吞吐量預(yù)測(cè)、港區(qū)布局及水域現(xiàn)狀通航條件，在有限的水域空間內(nèi)提出2種多航道交匯的水域調(diào)整方案(見圖3)，跨海交通工程側(cè)航道端口分別為雙入口和單入口，泊位及航道參數(shù)見表1和表2。

a)方案一

b)方案二

港區(qū)泊位數(shù)/個(gè)泊位噸級(jí)功能屬性大港港區(qū)191萬(wàn)～30萬(wàn)客滾、通用、郵船、修造船大石化港區(qū)135000～10萬(wàn)原油、成品油船甘井子港區(qū)205000～10萬(wàn)通用、修造船和尚島西港區(qū)中遠(yuǎn)船務(wù)區(qū)域145萬(wàn)～30萬(wàn)修造船和尚島西港區(qū)遼寧集團(tuán)區(qū)域185000～5萬(wàn)客滾、通用、修造船和尚島西港區(qū)、華能電廠、大船海工基地等115000～3萬(wàn)通用、修造船

3.1參數(shù)設(shè)置

1)仿真運(yùn)行時(shí)間：1 a。

2)到港船舶規(guī)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(qū)航道信息

4)航速：航道內(nèi)10 kn；港內(nèi)5 kn。

5)夜航設(shè)置：根據(jù)該港域海事管理規(guī)定，無(wú)夜航控制。

6)船舶進(jìn)出港優(yōu)先級(jí)：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(yōu)先級(jí)從高至低排列。

7)泊位服務(wù)效率、船舶作業(yè)時(shí)間等相關(guān)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)均根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]選取。

8) 在泊位等級(jí)滿足船舶噸級(jí)的條件下，船舶采用隨機(jī)靠泊方式，依據(jù)先到先服務(wù)原則分配泊位。[15]3.2仿真分析

獨(dú)立進(jìn)行10次仿真試驗(yàn)，得到2種方案下的分船型航道服務(wù)水平指標(biāo)及通過(guò)能力指標(biāo)(見圖4)。經(jīng)分析，在相同港口泊位數(shù)及船舶預(yù)測(cè)量下，各航道方案在評(píng)價(jià)指標(biāo)上有顯著差別。

圖4 分船型航道服務(wù)水平與通過(guò)能力指標(biāo)對(duì)比

1)從航道通過(guò)船舶艘次上看，方案一中各類船舶通過(guò)艘次均比方案二多。以全港船舶為例，預(yù)測(cè)全年到港船舶8 760艘，經(jīng)仿真模型驗(yàn)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(guò)能力上看，選擇方案一可更好地滿足水域內(nèi)船舶進(jìn)出港需求，航道通過(guò)能力與港口需求基本上匹配。

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

由于大連灣水域內(nèi)的核心船舶為客滾船，因此該案例結(jié)合當(dāng)前的通航服務(wù)水平，對(duì)仿真模型中的客滾智能體模型進(jìn)行重點(diǎn)分析，選取到港等待航道時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖5為不同方案下容滾船進(jìn)港等待時(shí)間，其中：方案一中客滾船準(zhǔn)點(diǎn)率與現(xiàn)狀船舶準(zhǔn)點(diǎn)率基本上符合；方案二中由于航道因素，等待航道時(shí)間顯著增加，航道服務(wù)水平大幅下降。

圖5 不同方案下客滾船進(jìn)港等待時(shí)間

因此，綜合各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，方案一較為合理，可更好地滿足大連灣水域內(nèi)各系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

為綜合評(píng)估沿海復(fù)雜水域航道方案，以多智能體仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建沿海港口船舶進(jìn)出港模型；通過(guò)設(shè)計(jì)和運(yùn)行仿真試驗(yàn)方案，可得出不同方案下的航道服務(wù)水平、航道通過(guò)能力等關(guān)鍵指標(biāo)，并可根據(jù)需要對(duì)特定港區(qū)、特定船舶進(jìn)行定量評(píng)估。

通過(guò)構(gòu)建沿海進(jìn)出港模型，可為港口規(guī)劃、建設(shè)和管理部門評(píng)估航道提供更多的技術(shù)支撐，從而更好地促進(jìn)港口事業(yè)的發(fā)展。

[1] United Nations Conference on Trade and Development. Port Development: A Handbook for Planners in Developing Countries[M]. New York: United Nations Pubns, 1985.

[2] 郭子堅(jiān). 港口規(guī)劃與布置[M].3版.北京：人民交通出版社，2011.

[3] ASPEREN EV, DEKKER R, POLMAN M, et al. Modeling Ship Arrivals in Ports [C]. Proceedings of the 2003 Winter Simulation Conference, 2003.

[4] JAGERMAN D, ALTIOK T. Vessel Arrival Process and Queueing in Marine Ports Handling Bulk Materials [J]. Queueing Systems, 2003, 45(3): 223-243.

[5] WANG SL, SCHONFELD P. Scheduling Interdependent Waterway Projects Through Simulation and Genetic Optimization [J]. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 2005, 131(3): 89-97.

[6] SMITH LD, SWEENEY DC, CAMPBELL JF. Simulation of Alternative Approaches to Relieving Congestion at Locks in a River Transportion System [J]. Journal of the Operational Research Society, 2009, 60(4): 519-533.

[7] 吳澎,商劍平.沿海港口航道通過(guò)能力仿真模型研究[J].中國(guó)港灣建設(shè),2010(A01):42-45.

[8] SHABAYEK AA, YEUNG WW. A Simulation Model for the Kwai Chung Container Terminals in Hong Kong[J]. European Journal of Operational Research, 2002, 140(1): 1-11.

[9] 鄧宏鐘,譚躍進(jìn),遲妍. 一種復(fù)雜系統(tǒng)研究方法——基于多智能體的整體建模仿真方法[J].系統(tǒng)工程,2000,18(4):73-78

[10] 楊敏,楊應(yīng)翔,陳健，等. 基于多智能體交互作用的活動(dòng)-出行時(shí)空分布特性仿真[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,38(10):1530-1535.

[11] 于蒙,王少梅.基于多Agent的集裝箱碼頭生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)建模研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2007,31(3):494-497.

[12] 夏新海,唐德華.集裝箱碼頭物流作業(yè)Agent間的重構(gòu)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,28(4):775-779.

[13] 徐斌.基于Agent的集裝箱碼頭實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

[14] 交通運(yùn)輸部. 海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范: JTS 165—2013[S].北京：人民交通出版社,2013.

[15] DEMIRCI E. Simulation Modeling and Analysis of a Port Investment[J]. Simulation Transactions of the Society for Modeling & Simulation International, 2003, 79(2): 94-105.

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(yáng)人，工程師,碩士，從事港口規(guī)劃、港口通航仿真研究。E-mail:zuotl@tpri.org.cn

1000-4653(2017)01-0097-05