CN110110403B - 一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法 - Google Patents

Abstract

一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，包括构建待闸船舶的最优调度排档方案，进行预排档，通知待闸船舶按指定时间、靠泊号抵达靠船墩指定位置；基于预排档模型、船舶信息，建立过闸船舶的二次排档模型，依据二次排档模型，以过闸时间成本最小为目标，运用迭代算法计算过闸方案的时间成本，选出过闸时间成本最小的方案，即为船舶进闸的顺序和进闸后的位置；再根据闸门开关的时间和行船速度，按照二次排档模型运算得到下一闸次过闸时间最小的方案，并精确地指示下一闸次每一条船舶在具体时刻到达待闸区的确切位置。本发明能尽量减少过闸单元，提高闸室利用率、缩短过闸时间，从而提高通航效率。

Description

一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法

技术领域

本发明涉及水运交通技术领域，具体是一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法。

背景技术

船闸作为通过开关泄水阀门实现水利枢纽船舶过闸通道，按结构形式可以分为单级船闸和多级船闸，即只有一个闸室的为单级船闸，具有两个及以上连续闸室的为多级船闸。单线船闸采取双向连续过闸方式，即当本闸室船舶出闸完毕后，其出闸方向对向进闸船舶开始进闸，始终是过闸船舶一上一下，循环往复，其过闸效率主要取决于单闸次船舶过闸时间。多级船闸采取的单向连续过闸方式，即第一闸室船舶进闸后，船闸开始运行，待首级闸门开启后，后续同向过闸船舶进闸，船舶过闸始终是同一方向，其过闸效率主要取决于两个过闸闸次之间的时间间隔。船舶采取单向连续过闸方式通过多级船闸，主要采取船舶申报过闸需求，通航调度部门根据船舶到达情况安排过闸计划，船舶根据安排的过闸计划行驶到船闸水域过闸。

在已知闸次计划条件下，过闸船舶由待闸锚地发航行驶至靠船墩待闸，再按照排档顺序由靠船墩分批单船依次靠泊导航墙待闸，依据通航规程指示过闸。然而在此情况下，船闸的通过能力仍不能满足过闸航运需求。如何挖掘船闸的通过能力以应对未来过闸需求的增长，提高船闸通航能力，是船闸行业面临的愈加严峻的现实和课题。

影响船闸通过能力的主要因素包括船闸因素、过闸船舶因素、驾引人员因素、流量、水位、风雾等环境因素。其中船闸因素、过闸船舶船队减少及客货船舶混合过闸以及过闸船舶大型化均极大地影响了船舶过闸的效率。船舶过闸调度，不仅需要考虑时间优先的原则来减少通航时间，也需要尽可能提高闸室利用率，还需保证部分船舶优先过闸。通过优化调度策略及编排方法在一定程度上能提升船闸通过能力。

发明内容

为解决现有技术中调度排档过程中船舶积压严重、待闸等候时间长、闸室利用率低；以及排档过程仅以申报时间为基础，未综合考虑船闸运行过程中的协调性、平衡性和大小船舶兼顾的协同调度原则和安全性等问题。本发明提供一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，在总体框架上实现在保证安全过闸的前提下考虑船舶优先级，尽量减少过闸单元，提高闸室利用率、缩短过闸时间，从而提高通航效率。

本发明采取的技术方案为：

一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，包括以下步骤：

步骤一：构建待闸船舶的最优调度排档方案，进行预排档，得到预排档模型，通知待闸船舶按指定时间、靠泊号抵达靠船墩指定位置；

步骤二：基于预排档模型、船舶信息，建立过闸船舶的二次排档模型，依据二次排档模型，以过闸时间成本最小为目标，运用迭代算法计算过闸方案的时间成本，选出过闸时间成本最小的方案，即为船舶进闸的顺序和进闸后的位置；

步骤三：再根据闸门开关的时间和行船速度，按照二次排档模型运算得到下一闸次过闸时间最小的方案，并精确地指示下一闸次每一条船舶在具体时刻到达待闸区的确切位置。步骤一中，最优调度排档方案包括：

在调度排档过程中，以申报时间优先为原则，同时以船舶优先级和闸室利用率为调度指标进行量化；设计划期内船闸开启n次，时间分别为t₁,t₂,…,t_n。L和W分别为船闸有效闸室面积的长度和宽度。有m艘船申请过闸，S_j和B_j为第j艘船的长度和宽度，x_j和y_j为第j艘船在船闸中以左下角为原点的停泊坐标。d_j为第j艘船计划到闸口的时间，r_j为第j艘船可接受的等待时间。第j艘船在第i个闸次中的绝对权重为weight_ij。

如果第j艘船在第i个闸次过闸，z_ij＝1，否则z_ij＝0。

为阶跃函数；

则预排档模型的数学模型可表示为：

步骤二中，根据该闸次计划过闸的船舶的数量、大小、吃水深度、水位高低等数据，进一步建立船舶的二次排档模型，精细化排档针对在靠船墩待闸的船舶，按照大小排列、分组同步进闸，二次排档模型的建立过程如下：

根据预排档闸次计划中单闸次的船舶信息按照大小进行分组排队，分别为数组X、数组Y和数组Z，分别对应大型船舶、中型船舶和小型船舶，对数组X、Y、Z中船舶按照预排档的先后顺序编号，进行排列组合，依据船闸的相关尺寸为该闸次船舶安排由多个单组过闸方案组成的若干总过闸方案，运用迭代算法，计算各方案的船舶完全通过船闸时间成本，计算模型如下：

其中：N是总过闸方案的集合，即单闸次所有过闸船舶排列组合形成的所有可能方案，函数f是关于移泊距离Ls和安全系数ω的函数

其中。α为过闸时间成本指数，其初始值设定为1，T(X,Y,Z)为该闸次所有靠船墩待闸区船舶过闸的时间成本，T(Inc(X\a,t(a,b,c)),Inc(Y\b,t(a,b,c)),Inc(Z\c,t(a,b,c)))为船舶的等待时间成本，a,b,c分别为单组过闸的船舶数量，X\a,Y\b Z\c是将对应数组去掉过闸船舶数量，t(a,b,c)为单组过闸方案。

根据船闸闸室空间约束条件和待闸条件，以闸次为单位，建立待闸船舶约束方程；

所述约束条件包括：闸有效闸室面积的长度、宽度和高度限制，这些限制条件约束了过闸船舶的长度、宽度和最大净空高。

所述待闸条件包括：闸船舶到达引航道靠船墩待闸区域等待队伍前面的船舶进入首级闸室、关闭首级闸室闸门后移泊至导航墙待闸区待闸，当首级闸室闸门开启、按通航信号指示方可进入首级闸室，过闸船舶在静水引航道按照指泊顺序可停靠的船舶数受航道尺寸及船舶尺寸限制和安全性约束。

所述约束方程包括：具体闸室能排下船舶，船舶在闸室中停泊位置布局符合闸室实际长度、宽度扣除闸门操作所占用长度和宽度及船舶间安全距离等耗损后平面位置约束，某一船舶过闸时闸门开启时间处于其计划到闸门口的时间与等待时间约束，具体即预排档模型的数学模型中的式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)和(1-4)。

根据不同调度指标，构建目标函数，对待闸船舶进行效率计算。不同调度指标：包括船舶类型优先级、船舶隶属的优先级、过坝方式的优先级和船舶货种的优先级以及闸室利用率、船舶待闸时间、用水成本等量化指标；

目标函数：即以船舶类型优先级和闸室利用率为考量的调度指标，使得不同类型船舶过闸时满足优先级顺序过闸并且闸室利用率最大化，即预排档模型的数学模型中的f(z_ij)和W_i(z_ij)。

反复更新闸次计划，应用LINGO多目标规划算法进行求解，得到m艘待闸船舶的最优调度排档方案。

本发明一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，技术效果如下：

1)：本发明通过构建过闸历时最短和闸室船舶占用面积最大的多目标调度模型，利用基于LINGO的多目标非线性规划算法寻优，不依赖人为因素，调度排档过程更科学；

2)：在预排档模型确定船舶在靠船墩待闸后，进一步建立精细二次排档模型，通过分组排队，提升单组过闸公平合理性及安全性，将总过闸方案迭代运算，优选过闸时间成本最小的方案，减少过闸单元，实现船舶快速化过闸，降低等待时间总成本；

3)：将单向连续过闸船舶的调度排档过程模型化，通过数学模型将安全、效率及约束条件和调度指标量化，实现多重指标下单向连续过闸船舶的预排档、精细排档，为调度过程提供决策辅助功能。

附图说明

图1为本发明调度排档方法的流程图。

图2为本发明的预排档作业流程图。

图3为本发明的精细排档作业流程图。

图4为本发明的基于LINGO的多目标非线性规划算法决策方案图一；

图5为本发明的基于LINGO的多目标非线性规划算法决策方案图二；

图6为本发明的基于LINGO的多目标非线性规划算法决策方案图三；

图7为本发明的基于LINGO的多目标非线性规划算法决策方案图四。

图8为单向连续船闸船舶过闸示意图。

图9为单向连续船闸单闸次船舶预排档调度实例示意图。

图10为单向连续船闸单闸次船舶精细排档调度实例示意图。

具体实施方式

下面以五级船闸单向连续过闸船舶的调度排档过程为例对本发明技术方案进行详细说明：

一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，包括以下步骤：

步骤1：根据船闸闸室空间约束条件和待闸条件，以闸次为单位，建立待闸船舶约束方程。

空间约束条件：是指船闸有效闸室面积的长度、宽度和高度限制，这些限制条件约束了过闸船舶的长度、宽度和最大净空高。

待闸条件：包括过闸船舶到达引航道靠船墩待闸区域等待队伍前面的船舶进入首级闸室、关闭首级闸室闸门后移泊至导航墙待闸区待闸，当首级闸室闸门开启、按通航信号指示方可进入首级闸室，过闸船舶在静水引航道按照指泊顺序可停靠的船舶数受航道尺寸及船舶尺寸限制和安全性约束。

约束方程：包括具体闸室能排下船舶，船舶在闸室中停泊位置布局符合闸室实际长度、宽度扣除闸门操作所占用长度和宽度及船舶间安全距离等耗损后平面位置约束，某一船舶过闸时闸门开启时间处于其计划到闸门口的时间与等待时间约束，具体即预排档模型的数学模型中的式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)和(1-4)。

步骤2：根据不同调度指标，构建目标函数，对待闸船舶进行效率计算。

不同调度指标：包括船舶类型优先级、船舶隶属的优先级、过坝方式的优先级和船舶货种的优先级以及闸室利用率、船舶待闸时间、用水成本等量化指标，在本实施方式中以船舶类型优先级和闸室利用率为考量的调度指标。

目标函数：即以船舶类型优先级和闸室利用率为考量的调度指标，使得不同类型船舶过闸时满足优先级顺序过闸并且闸室利用率最大化，即预排档模型的数学模型中的f(z_ij)和W_i(z_ij)。

步骤3：反复更新闸次计划，应用LINGO多目标规划算法进行求解，得到m艘待闸船舶的最优调度排档方案，进行预排档，通知待闸船舶按指定时间、靠泊号抵达靠船墩指定位置。

步骤4：基于预排档模型、船舶信息，建立过闸船舶的二次排档模型，依据二次排档模型，以过闸时间成本最小为目标，运用迭代算法计算过闸方案的时间成本，选出过闸时间成本最小的方案，即为船舶进闸的顺序和进闸后的位置。

步骤5：再根据闸门开关的时间和行船速度，按照二次排档模型运算得到下一闸次过闸时间最小的方案，并地指示下一闸次每一条船舶在具体时刻到达待闸区的确切位置。

步骤3中，最优调度排档方案包括：

在调度排档过程中，以申报时间优先为原则，同时以船舶优先级和闸室利用率为调度指标进行量化；设计划期内船闸开启n次，时间分别为t₁,t₂,…,t_n。L和W分别为船闸有效闸室面积的长度和宽度。有m艘船申请过闸，S_j和B_j为第j艘船的长度和宽度，x_j和y_j为第j艘船在船闸中以左下角为原点的停泊坐标。d_j为第j艘船计划到闸口的时间，r_j为第j艘船可接受的等待时间。第j艘船在第i个闸次中的绝对权重为weight_ij。

如果第j艘船在第i个闸次过闸，z_ij＝1，否则z_ij＝0。

为阶跃函数；

则预排档模型的数学模型可表示为：

μ表示所有申请过闸的m艘船舶类型系数均值，

表示所有申请过闸的m艘船舶在第i个闸次过闸的权重求和：

t_i、z_ij、x_k、S_k、B_k分别表示第i闸次闸门开启时间、第j艘船在第i个闸次过闸的系数、第k艘船舶在船闸中的横坐标、第k艘船舶的长度、第k艘船舶的宽度。

其中，预排档模型的数学模型的决策变量是闸次时间、船舶在各闸次的过闸状态和在各闸次中靠船墩的位置，属于具有最高计算复杂性的NP完全问题。为了缩减问题的搜索空间，尽快找到NP完全问题的非劣解，基于LINGO的多目标非线性规划法是一种解决途径。反复更新闸次计划，应用LINGO进行非线性规划求解，即可得到m艘待闸船舶的最优调度排档方案，即完成了预排档。

基于预排档模型，按照船舶的大小、装载、主机功率等因素，估算船舶移泊速度，通过提前和船舶沟通联系，了解船舶到达引航道的时间，通知船方按照指定的时间和靠泊号按顺序抵达靠船墩指定位置。

步骤4中，根据该闸次计划过闸的船舶的数量、大小、吃水深度、水位高低等数据，进一步建立船舶的二次排档模型，二次排档主要针对在靠船墩待闸的船舶，按照大小排列、分组同步进闸，二次排档模型的建立过程如下：

根据预排档闸次计划中单闸次的船舶信息按照大小进行分组排队，分别为数组X、数组Y和数组Z，分别对应大型船舶、中型船舶和小型船舶，对数组X、Y、Z中船舶按照预排档的先后顺序编号，进行排列组合，依据船闸的相关尺寸为该闸次船舶安排由多个单组过闸方案组成的若干总过闸方案，运用迭代算法，计算各方案的船舶完全通过船闸时间成本，计算模型如下：

其中：X(i)、Y(i)、Z(i)、分别表示第i闸次中大型船舶数量、中型船舶数量和小型船舶数量组成的集合；

分别表示a艘大型船舶、b艘中型船舶、c艘小型船舶由靠船墩过闸移泊时间成本。

N是总过闸方案的集合，即单闸次所有过闸船舶排列组合形成的所有可能方案，函数f是关于移泊距离Ls和安全系数ω的函数

其中：α为过闸时间成本指数，其初始值设定为1，T(X,Y,Z)为该闸次所有靠船墩待闸区船舶过闸的时间成本，v表示不同类型船舶的速度。

T(Inc(X\a,t(a,b,c)),Inc(Y\b,t(a,b,c)),Inc(Z\c,t(a,b,c)))为船舶的等待时间成本，a,b,c分别为单组过闸的船舶数量，X\a,Y\b Z\c是将对应数组去掉过闸船舶数量，t(a,b,c)为单组过闸方案。

依据二次排档模型将总过闸方案进行迭代运算，选出过闸时间成本最小的方案，即为船舶进闸的顺序和进闸后的位置，再根据闸门开关的时间和行船速度，按同样的模型运算得到下一闸次过闸时间最小的方案并精确地指示下一闸次每一条船应该在具体时刻到达待闸区的确切位置，使船舶分组移泊至闸门口时，闸门也刚好完全打开，节约过闸时间。

本实施例中，为解决不同调度指标的多目标非线性约束问题，可以采用多种先进信息技术和计算数学方法，设计多种决策算法。算法中充分考虑船舶在闸室中的可停靠条件，根据船舶与闸室系船柱的相对位置以及船舶与船舶之间相对位置生成可行排档图，充分考虑实际调度中船舶在闸室中停泊、移动的安全性。算法中对船舶增加一定的富裕宽度，避免船舶过于拥挤。为了缩减问题的搜索空间，尽快找到NP完全问题的非劣解，基于LINGO的多目标非线性规划法是一种可靠的解决途径。

图3-图6是针对同一批申请单向连续过闸船舶，利用该算法制定的四种不同的决策方案。其中：

方案1：寻求船闸面积利用率和船舶优先级综合最优，闸室面积利用率92.21％。

方案2：以将优先级最大的船舶优先编入排档图为目的，故可以特别照顾重要的船舶，闸室面积利用率89.68％。

方案3：闸室面积利用率88.49％，这种算法的优点是速度快，可快速生成排档图。

方案4：闸室面积利用率74.58％，特别照顾小船通过。

以在靠船墩待闸区等待过闸的时间成本最优化原则构建船舶过闸的二次排档模型，通过分组排队，将过闸单船编组捆绑成队，减少过闸单元，从而实现过闸船舶同步航行的目的，提升单组过闸组合公平合理性及安全性，提升合理配船的可选空间，淡化船方的比较意识，将总过闸方案迭代运算，优选过闸时间最小的方案，实现船舶快速化过闸，降低过闸时间总成本，可根据不同船闸实际情况和需求，选择分组排队的规则，对应各种复杂限制条件，通过调整安全系数ω，实现船舶过闸队列公平性和安全性细微调整，一般而言，一级危险品船舶安全系数设置值ω大于普通货物船舶，大型船舶的安全系数设置值ω大于中型船舶的安全系数大于小型船舶安全系数，调节安全系数ω值实现对大型、中型和小型三个队列中船舶过闸比例的调节，减少过闸单元，提升合理配船的可选空间。

本实施例中除了按照船舶大小分组分类，还可按照船舶危险等级分类或物资优先顺序或者船舶诚信记录，通过引入安全系数，将一级危险品船舶、物资优先船舶及诚信船舶相应安全系数设置为大于普通船舶使其能优先通过，以控制过闸时间，提升安全性。

如上所述，以某单向连续船闸为例，其结构示意图如图8所示。按照原预排档计划的调度方式，若采取图9所示的预排档方式过闸，闸室利用率为65.8％。较大型船舶“测试船T1”进闸速度较慢，约为0.4m/s,其它较小型船舶速度约为0.8m/s，小型船舶组进闸后位置调整时间为10分钟，设备运行时间为5分钟，则理想情况下单闸次时间成本约为：

D、S₁、S、L、v₁、t₁、t₂分别为靠船墩至导航墙的距离，较大型船舶的长度，导航墙长度，闸室区域有效长度，大型船舶速度，较大型船舶和小型船舶组进闸后位置调整时间，设备运行时间。

如图10所示，通过精细二次排档模型优化计算后，

小型船组可快速进闸进行位置调整，则理想情况下单闸次时间成本约为：

D、S₁、S₂、L、v₁、v₂、t₁、t₂分别表示靠船墩至导航墙的距离，较大型船舶的长度，小型船舶的长度，闸室区域有效长度，大型船舶速度，小型船舶速度，小型船舶组进闸后位置调整时间，设备运行时间。

经过比较两组数据说明，二次排档模型能够有效降低船舶过闸时间成本，提高单向连续船闸运行效率。

Claims (4)

1.一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：构建待闸船舶的最优调度排档方案，进行预排档，得到预排档模型，通知待闸船舶按指定时间、靠泊号抵达靠船墩指定位置；

最优调度排档方案包括：

在调度排档过程中，以申报时间优先为原则，同时以船舶优先级和闸室利用率为调度指标进行量化；设计划期内船闸开启n次，时间分别为t₁,t₂,…,t_n；L和W分别为船闸有效闸室面积的长度和宽度；有m艘船申请过闸，S_j和B_j为第j艘船的长度和宽度，x_j和y_j为第j艘船在船闸中以左下角为原点的停泊坐标；d_j为第j艘船计划到闸口的时间，r_j为第j艘船可接受的等待时间；第j艘船在第i个闸次中的绝对权重为weight_ij；

如果第j艘船在第i个闸次过闸，z_ij＝1，否则z_ij＝0；

为阶跃函数；

则预排档模型的数学模型可表示为：

步骤二：基于预排档模型、船舶信息，建立过闸船舶的二次排档模型，依据二次排档模型，以过闸时间成本最小为目标，运用迭代算法计算过闸方案的时间成本，选出过闸时间成本最小的方案，即为船舶进闸的顺序和进闸后的位置；

步骤二中，根据该闸次计划过闸的船舶的数量、大小、吃水深度、水位高低数据，进一步建立船舶的二次排档模型，二次排档针对在靠船墩待闸的船舶，按照大小排列、分组同步进闸，二次排档模型的建立过程如下：

根据预排档闸次计划中单闸次的船舶信息按照大小进行分组排队，分别为数组X、数组Y和数组Z，分别对应大型船舶、中型船舶和小型船舶，对数组X、Y、Z中船舶按照预排档的先后顺序编号，进行排列组合，依据船闸的相关尺寸为该闸次船舶安排由多个单组过闸方案组成的若干总过闸方案，运用迭代算法，计算各方案的船舶完全通过船闸时间成本，计算模型如下：

其中：N是总过闸方案的集合，即单闸次所有过闸船舶排列组合形成的所有可能方案，函数f是关于移泊距离Ls和安全系数ω的函数

其中；α为过闸时间成本指数，其初始值设定为1，T(X,Y,Z)为该闸次所有靠船墩待闸区船舶过闸的时间成本，v表示不同类型船舶的速度；

T(Inc(X\a,t(a,b,c)),Inc(Y\b,t(a,b,c)),Inc(Z\c,t(a,b,c)))为船舶的等待时间成本，a,b,c分别为单组过闸的船舶数量，X\a,Y\b Z\c是将对应数组去掉过闸船舶数量，t(a,b,c)为单组过闸方案；

步骤三：再根据闸门开关的时间和行船速度，按照二次排档模型运算得到下一闸次过闸时间最小的方案，指示下一闸次每一条船舶在具体时刻到达待闸区的确切位置。

2.据权利要求1所述一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，其特征在于：

根据船闸闸室空间约束条件和待闸条件，以闸次为单位，建立待闸船舶约束方程；

所述约束条件包括：闸有效闸室面积的长度、宽度和高度限制，这些限制条件约束了过闸船舶的长度、宽度和最大净空高；

所述待闸条件包括：闸船舶到达引航道靠船墩待闸区域等待队伍前面的船舶进入首级闸室、关闭首级闸室闸门后移泊至导航墙待闸区待闸，当首级闸室闸门开启、按通航信号指示方可进入首级闸室，过闸船舶在静水引航道按照指泊顺序可停靠的船舶数受航道尺寸及船舶尺寸限制和安全性约束；

所述约束方程包括：具体闸室能排下船舶，船舶在闸室中停泊位置布局符合闸室实际长度、宽度扣除闸门操作所占用长度和宽度及船舶间安全距离耗损后平面位置约束，某一船舶过闸时闸门开启时间处于其计划到闸门口的时间与等待时间约束，具体即预排档模型的数学模型中的式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)和(1-4)。

3.根据权利要求1所述一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，其特征在于：

根据不同调度指标，构建目标函数，对待闸船舶进行效率计算；

不同调度指标：包括船舶类型优先级、船舶隶属的优先级、过坝方式的优先级和船舶货种的优先级以及闸室利用率、船舶待闸时间、用水成本量化指标；

目标函数：即以船舶类型优先级和闸室利用率为考量的调度指标，使得不同类型船舶过闸时满足优先级顺序过闸并且闸室利用率最大化，即预排档模型的数学模型中的f(z_ij)和W_i(z_ij)。

4.根据权利要求1所述一种适用单向连续过闸船舶的调度排档方法，其特征在于：反复更新闸次计划，应用LINGO多目标规划算法进行求解，得到m艘待闸船舶的最优调度排档方案。

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