CN116050720B - 模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统及方法，包括：模拟仿真模块：依据输入信息模拟仿真作业过程，计算每个时间单位下船舶分布情况、等待情况，以及任务推进情况，估算总工程完成时间，输出该船舶配比下的总工程成本；最优配比计算模块：将船舶配比输入模拟仿真模块，得到在各个配比下的总工程成本，并输出最小工程成本对应的船舶配比作为当前工程环境下的解决方案，计算每种最佳船舶配比方案。本发明创新性地设计了一种航道疏浚工程中的船舶作业运输模拟模型；使得模型对各类工程环境均有良好的仿真能力与准确性；相比于经验公式的方法能够寻找到更优的配比方案与更低的成本。

Description

模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统及方法

技术领域

本发明涉及内河航道疏浚工程规划领域，具体地，涉及一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统及方法。

背景技术

内河的航道疏浚在河流较多的城市中一直是一项重要的工程作业任务。航道疏浚作业需要挖泥船、运泥船和吹泥船协同配合完成，挖泥船在疏浚处挖泥，并将淤泥装至运泥船上，由运泥船运至指定排放地点，再由吹泥船将运泥船上的淤泥吹填至指定位置，最后运泥船返回疏浚处开始下一次循环过程。

为了减少疏浚工程的作业成本，在施工前会依据各类船舶的施工效率、装载容量和租用成本设计三类船舶的配比，以在满足工期要求的情况下尽可能实现成本的最低化。当前船舶配比一般采取依据施工效率和运输效率之间的比例形成配比，并按照经验添加作业时常、闸门开放时间以及各类突发因素对疏浚作业速度的影响参数。但是在实际工程中，依据经验对设计时确定的船舶配比进行修正一般并不准确，且并不能依据各类工程环境的变化而灵活有效地调整影响参数。

专利文献CN114117609A(申请号：CN202111435257.6)公开了一种航道整治方法及装置，装置包括：采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性；利用水沙二相数值模拟系统，根据河口水下地形搭建二维水动力学模型；利用二维水动力学模型计算本底流场，确定水深和主流分布特征；根据水深和主流分布特征，结合航道设计指标确定拦门沙坎泥沙的疏浚范围和疏浚规模；根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化疏浚范围和疏浚规模；根据优化后的疏浚范围和疏浚规模选定泥沙机械扰动采用的疏浚船型以及船只数量，以通过船只进行疏浚整治。但该发明没有通过设计航道疏浚工程中的船舶作业运输模拟模型的方法进行航道疏浚船舶配比计算。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统及方法。

根据本发明提供的一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，包括：

模拟仿真模块：依据输入信息模拟仿真作业过程，计算每个时间单位下船舶分布情况、等待情况，以及任务推进情况，估算总工程完成时间，输出该船舶配比下的总工程成本；

最优配比计算模块：将船舶配比输入模拟仿真模块，得到在各个配比下的总工程成本，并输出最小工程成本对应的船舶配比作为当前工程环境下的解决方案，计算每种最佳船舶配比方案。

优选地，在所模拟仿真模块中：

将总共疏浚工程量、运泥船、挖泥船和吹泥船的数量和租用成本信息、航道长度和满载、空载航行速度信息以及航道上闸门开放时间信息输入模块中，依据输入信息模拟仿真挖泥、运泥和吹泥的作业过程，并计算每个时间单位下运泥船在航道上的分布情况、在挖泥处和吹泥处的等待情况以及随着时间变化工程任务的推进情况，估算总工程完成时间，并依据船舶租金输出该船舶配比下的总工程成本。

优选地，运泥船在航道上分布的模拟过程：

以预设时间段为一个时间单位，设航道长度为L，满载航行速度为v₁，空载航行速度为v₂，满载航行时间t₁为：

t₁＝L/v₁

空载航行时间t₂为：

t₂＝L/v₂

航行时间t₁和t₂的计量单位为预设时间段，且向上取整；

通过将航道按照航行时间分段的方式来表示整条航道上不同位置运泥船的分布情况，已知满载航行时间为t₁，空载航行时间为t₂，将去程航道t₁等分，将回程航道t₂等分，每一等分即表示预设时间段内出发的运泥船的数量，各个等分能够表示运泥船当前时刻在航道上对应位置的分布情况。

优选地，运泥船在航道上航行的模拟过程：

模拟随着时间推进的航道疏浚作业情况，通过循环的方式不断更新时间，每一次循环代表度过了一个预设时间段，在上一次循环结束后，若此时闸门是开启状态，则所有运泥船向下一格推进一个位置，新的位置表示下一个预设时间段运泥船所处的位置；

去程第一等分新添加挖泥船在过去预设时间段内装满运泥船的数量，回程第一等分新添加吹泥船在过去预设时间段内卸空运泥船的数量，具体数量为

n₁＝m₁p₁/v

n₂＝m₂p₂/v

其中，n₁为去程新加入的运泥船数量，n₂为回程新加入的运泥船数量，v为运泥船容积，m₁和m₂分别为挖泥船和吹泥船的数量，p₁和p₂分别为挖泥船的挖泥速度和吹泥船的吹泥速度，由于运泥船数量必须为整数，因此n₁和n₂的计算结果自动作向下取整，由于向下取整导致缺少统计的工程量会被叠加，当累计叠加量达到一艘运泥船的容量时，则该时刻的n₁和n₂在计算结果的基础上加一，并将累计叠加量清零；最后一等分在下一预设时间段自动被添加进入等待区队列中。

优选地，运泥船在闸门处的模拟过程：

当闸门关闭时，行驶到此处的运泥船需要在闸门处等待其下一次开启，设闸门在往返航道上所处位置分别为x₁和x₂，则除了闸门所处位置外，其余均向下一分位推进一个位置，x₁和x₂位置的运泥船数量在下一时刻由于闸门关闭等待所以不推进，而x₁-1和x₂-1分位由于继续向前推进，因此在下一时刻，x₁和x₂位置的运泥船数量分别为上一时刻x₁和x₁-1两个位置运泥船数量之和，而x₁+1和x₂+1位置的运泥船数量为0。

优选地，挖泥处和吹泥处的模拟过程：

挖泥处和吹泥处用来完成对各自等待区船舶进行装泥或吹泥处理，并更新剩余工程作业量，设挖泥处等待船舶数量为N₁，吹泥处等待船舶数量为N₂，且预设时间段内挖泥量和吹泥量分别为m₁p₁和m₂p₂，若

m₁p₁>N₁v

或

m₂p₂>N₂v

则在单位时间内，挖泥船或吹泥船的作业速度大于运泥船在挖泥或吹泥等待区的等待工程量，在下一时刻等待区运泥船会全部清零，当前等待区的运泥船在下一时刻会全部被卸泥或装泥完毕，故在此条件下

n₁＝N₁

或

n₂＝N₂

随后更新当前时刻的N₁和N₂分别为回程和去程上一时刻最后等分位中运泥船的数量；

若等待队列中的船舶数量过多，那么单位时间内挖泥船和运泥船的作业速度并不足以将等待中的船舶全部清空，故仍然有

n₁＝m₁p₁/v

n₂＝m₂p₂/v

同时N₁和N₂增加量为上一时刻最后等分位的运泥船数量n₁和n₂；

对剩余工程量进行更新，更新按照挖泥处剩余需要疏浚的方量为准，当每一时刻挖泥处的挖泥船由等待区装泥完成进入去程后，更新当前时刻疏浚完成的方量，剩余方量为M，则更新后的剩余方量为M-n₁v，当更新后剩余方量小于0时，疏浚作业结束，跳出循环并输出作业完成总时间和总成本。

优选地，在所最优配比计算模块中：

将挖泥船、运泥船和吹泥船的配比通过循环的方式依次输入模拟仿真模块，得到在各个配比下的总工程成本，并输出最小工程成本对应的船舶配比作为当前工程环境下的解决方案，通过改变闸门开放时间，计算每种最佳船舶配比方案。

优选地，循环寻找最优配比：

依据实际工程中挖泥船、吹泥船和运泥船的可租用数量，为满足基本的作业需求，三者的可行数量下限均为1艘，循环寻找最低成本下最优的船舶配比。

优选地，闸门开放时间与船舶最优配比的关系：

基于模拟仿真模块，通过模拟的方式得到在改变闸门开放时间的情况下的三种船舶的最佳配比情况，最佳船舶配比不能通过闸门开放时间精确计算得到，总工程租金y与闸门开放时间x成负相关关系。

根据本发明提供的一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比方法，采用所述的模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，执行包括：

步骤S1：设计可调节变量，包括船舶数量、租金成本、航行速度、作业效率、航道长度、闸门开关时间；

步骤S2：设计模拟船舶作业运输过程的模型，模型能够模拟某一时刻运泥船在航道上的分布情况以及在挖泥处、吹泥处的等待情况；

步骤S3：基于船舶作业运输过程的模拟结果估计给定工程量下的总成本，并按照成本最小化的原则通过循环迭代的方式寻找并给出最佳船舶配比。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明创新性地设计了一种航道疏浚工程中的船舶作业运输模拟模型；

2、本发明将航道长度、航速变化、闸门开关时间等作为输入参数，使得模型对各类工程环境均有良好的仿真能力与准确性；

3、本发明通过模拟仿真的方式估算某一船舶配比下的工程成本，并通过循环迭代寻找最低工程成本下的船舶配比，相比于经验公式的方法能够寻找到更优的配比方案与更低的成本；

4、本发明详细考虑了闸门开放时间对最优船舶配比的影响，并给出二者和总工程租金的具体关系；

5、本发明计算的配比成本相比于当前基准算法的配比成本降低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的算法框架图；

图2为本发明模拟仿真模块的实现示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

本发明涉及内河航道疏浚工程规划领域，具体地，涉及以节约工程成本为目标的用于内河航道疏浚的挖泥船、吹泥船和运泥船配比设计方案，更为具体地，涉及基于模拟仿真船舶作业运输过程的船舶配比设计算法。

本发明公开了一种基于模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比算法。为了尽可能节约航道疏浚的工程成本，需要充分利用挖泥船、运泥船和吹泥船。由于航道上闸门的存在，运泥船在特定时间内无法顺利通航，导致基于作业速度配比船舶的策略并不是最优解。本发明设计模型模拟运泥船、挖泥船和吹泥船的作业过程，并得到总工程时间和总成本；而后本发明通过循环迭代的思想利用模拟模型得到成本最低的船舶配比，经过验证，本发明计算的配比成本相比于当前基准算法的配比成本降低大约15％，实际工程中考虑挖泥船数据不足可大约降低10％。最后，本发明着重讨论了航道上闸门开放时间对船舶配比的影响。

根据本发明提供的一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，如图1-图2所示，包括：

模拟仿真模块：依据输入信息模拟仿真作业过程，计算每个时间单位下船舶分布情况、等待情况，以及任务推进情况，估算总工程完成时间，输出该船舶配比下的总工程成本；

具体地，在所模拟仿真模块中：

将总共疏浚工程量、运泥船、挖泥船和吹泥船的数量和租用成本信息、航道长度和满载、空载航行速度信息以及航道上闸门开放时间信息输入模块中，依据输入信息模拟仿真挖泥、运泥和吹泥的作业过程，并计算每个时间单位下运泥船在航道上的分布情况、在挖泥处和吹泥处的等待情况以及随着时间变化工程任务的推进情况，估算总工程完成时间，并依据船舶租金输出该船舶配比下的总工程成本。

具体地，运泥船在航道上分布的模拟过程：

以预设时间段为一个时间单位，设航道长度为L，满载航行速度为v₁，空载航行速度为v₂，满载航行时间t₁为：

t₁＝L/v₁

空载航行时间t₂为：

t₂＝L/v₂

航行时间t₁和t₂的计量单位为预设时间段，且向上取整；

通过将航道按照航行时间分段的方式来表示整条航道上不同位置运泥船的分布情况，已知满载航行时间为t₁，空载航行时间为t₂，将去程航道t₁等分，将回程航道t₂等分，每一等分即表示预设时间段内出发的运泥船的数量，各个等分能够表示运泥船当前时刻在航道上对应位置的分布情况。

具体地，运泥船在航道上航行的模拟过程：

模拟随着时间推进的航道疏浚作业情况，通过循环的方式不断更新时间，每一次循环代表度过了一个预设时间段，在上一次循环结束后，若此时闸门是开启状态，则所有运泥船向下一格推进一个位置，新的位置表示下一个预设时间段运泥船所处的位置；

去程第一等分新添加挖泥船在过去预设时间段内装满运泥船的数量，回程第一等分新添加吹泥船在过去预设时间段内卸空运泥船的数量，具体数量为

n₁＝m₁p₁/v

n₂＝m₂p₂/v

其中，n₁为去程新加入的运泥船数量，n₂为回程新加入的运泥船数量，v为运泥船容积，m₁和m₂分别为挖泥船和吹泥船的数量，p₁和p₂分别为挖泥船的挖泥速度和吹泥船的吹泥速度，由于运泥船数量必须为整数，因此n₁和n₂的计算结果自动作向下取整，由于向下取整导致缺少统计的工程量会被叠加，当累计叠加量达到一艘运泥船的容量时，则该时刻的n₁和n₂在计算结果的基础上加一，并将累计叠加量清零；最后一等分在下一预设时间段自动被添加进入等待区队列中。

具体地，运泥船在闸门处的模拟过程：

当闸门关闭时，行驶到此处的运泥船需要在闸门处等待其下一次开启，设闸门在往返航道上所处位置分别为x₁和x₂，则除了闸门所处位置外，其余均向下一分位推进一个位置，x₁和x₂位置的运泥船数量在下一时刻由于闸门关闭等待所以不推进，而x₁-1和x₂-1分位由于继续向前推进，因此在下一时刻，x₁和x₂位置的运泥船数量分别为上一时刻x₁和x₁-1两个位置运泥船数量之和，而x₁+1和x₂+1位置的运泥船数量为0。

具体地，挖泥处和吹泥处的模拟过程：

挖泥处和吹泥处用来完成对各自等待区船舶进行装泥或吹泥处理，并更新剩余工程作业量，设挖泥处等待船舶数量为N₁，吹泥处等待船舶数量为N₂，且预设时间段内挖泥量和吹泥量分别为m₁p₁和m₂p₂，若

m₁p₁>N₁v

或

m₂p₂>N₂v

则在单位时间内，挖泥船或吹泥船的作业速度大于运泥船在挖泥或吹泥等待区的等待工程量，在下一时刻等待区运泥船会全部清零，当前等待区的运泥船在下一时刻会全部被卸泥或装泥完毕，故在此条件下

n₁＝N₁

或

n₂＝N₂

随后更新当前时刻的N₁和N₂分别为回程和去程上一时刻最后等分位中运泥船的数量；

若等待队列中的船舶数量过多，那么单位时间内挖泥船和运泥船的作业速度并不足以将等待中的船舶全部清空，故仍然有

n₁＝m₁p₁/v

n₂＝m₂p₂/v

同时N₁和N₂增加量为上一时刻最后等分位的运泥船数量n₁和n₂；

对剩余工程量进行更新，更新按照挖泥处剩余需要疏浚的方量为准，当每一时刻挖泥处的挖泥船由等待区装泥完成进入去程后，更新当前时刻疏浚完成的方量，剩余方量为M，则更新后的剩余方量为M-n₁v，当更新后剩余方量小于0时，疏浚作业结束，跳出循环并输出作业完成总时间和总成本。

最优配比计算模块：将船舶配比输入模拟仿真模块，得到在各个配比下的总工程成本，并输出最小工程成本对应的船舶配比作为当前工程环境下的解决方案，计算每种最佳船舶配比方案。

具体地，在所最优配比计算模块中：

将挖泥船、运泥船和吹泥船的配比通过循环的方式依次输入模拟仿真模块，得到在各个配比下的总工程成本，并输出最小工程成本对应的船舶配比作为当前工程环境下的解决方案，通过改变闸门开放时间，计算每种最佳船舶配比方案。

具体地，循环寻找最优配比：

依据实际工程中挖泥船、吹泥船和运泥船的可租用数量，为满足基本的作业需求，三者的可行数量下限均为1艘，循环寻找最低成本下最优的船舶配比。

具体地，闸门开放时间与船舶最优配比的关系：

基于模拟仿真模块，通过模拟的方式得到在改变闸门开放时间的情况下的三种船舶的最佳配比情况，最佳船舶配比不能通过闸门开放时间精确计算得到，总工程租金y与闸门开放时间x成负相关关系。

根据本发明提供的一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比方法，采用所述的模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，执行包括：

步骤S1：设计可调节变量，包括船舶数量、租金成本、航行速度、作业效率、航道长度、闸门开关时间；

步骤S2：设计模拟船舶作业运输过程的模型，模型能够模拟某一时刻运泥船在航道上的分布情况以及在挖泥处、吹泥处的等待情况；

步骤S3：基于船舶作业运输过程的模拟结果估计给定工程量下的总成本，并按照成本最小化的原则通过循环迭代的方式寻找并给出最佳船舶配比。

实施例2：

实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。

为解决工程环境变化多样导致船舶配比估算困难的问题，发明了一种基于模拟船舶作业运输过程的船舶配比设计算法，有效满足了对工程成本的估算与优化。本发明提出一种基于模拟船舶作业运输过程的船舶配比设计算法，着重提高船舶配比设计结果的可靠性与准确性。首先本发明设计了一个模型，该模型能够直接仿真船舶在航道上的分布变化与作业进度情况，并输出疏浚作业全部完成时的总工程成本；其次，本发明通过循环迭代过程获取到在给定作业量和船舶使用成本的条件下的最优船舶配比以及该配比下的最低工程成本。最后，本发明通过运行模拟仿真模型，着重讨论闸门开放时间与船舶配比的关系。

本发明提出了一种航道疏浚作业中的船舶配比设计算法，目的是通过模拟船舶作业运输过程，计算在给定船舶配比的情况下的工程成本，有效解决由于航道和工程环境多变导致的船舶配比设计估算困难以及总工程成本难以进一步降低的问题。首先，本发明设计了尽可能多的可调节变量，包括船舶数量、租金成本、航行速度、作业效率、航道长度、闸门开关时间等作为输入，以尽可能满足各种工程环境；其次，本发明设计了一种模拟船舶作业运输过程的模型，该模型可以模拟某一时刻运泥船在航道上的分布情况以及在挖泥处、吹泥处的等待情况；最后，本发明基于船舶作业运输过程的模拟结果估计给定工程量下的总成本，并按照成本最小化的原则通过循环迭代的方式寻找并给出最佳船舶配比。

本发明的核心算法框架如图1所示，主要由两个模块构成。

第一部分是模拟仿真模块。将总共疏浚工程量、运泥船、挖泥船和吹泥船的数量和租用成本信息、航道长度和满载、空载航行速度信息以及航道上闸门开放时间信息输入模块中，其将会依据输入信息模拟仿真挖泥、运泥和吹泥的作业过程，并计算每个时间单位下运泥船在航道上的分布情况、在挖泥处和吹泥处的等待情况，以及随着时间变化工程任务的推进情况，最后估算总工程完成时间，并依据船舶租金输出该船舶配比下的总工程成本。

第二部分为最优配比计算模块。将可能存在的挖泥船、运泥船和吹泥船的配比通过循环的方式依次输入模拟仿真模块，得到在各个配比下的总工程成本，并输出最小工程成本对应的船舶配比作为当前工程环境下的解决方案。与此同时，通过改变闸门开放时间，计算每种最佳船舶配比方案，讨论二者的对应关系。

1.模拟仿真模块

(1)运泥船在航道上分布的模拟过程

本发明假定挖泥船和吹泥船作业速度恒定、运泥船的船速恒定，但由于运泥船在从挖泥处到吹泥处是满载状态，从吹泥处返回挖泥处是空载状态，因此往返船速有细微差别。本系统以1小时为一个时间单位，设航道长度为L，满载航行速度为v₁，空载航行速度为v₂，因此满载航行时间

t₁＝L/v₁

空载航行时间

t₂＝L/v₂

由于本模块的时间单位为1小时，因此航行时间t₁和t₂的计量单位均为小时，且向上取整，以此即能保证随后用数组记录航道上运泥船的分布情况。

本发明通过将航道按照航行时间分段的方式来表示整条航道上不同位置运泥船的分布情况，具体实现示意图如图2所示。已知满载航行时间为t₁，空载航行时间为t₂，故将去程航道t₁等分，将回程航道t₂等分，每一等分即表示一小时内出发的运泥船的数量，即各个等分能够表示运泥船当前时刻在航道上对应位置的分布情况。

(2)运泥船在航道上航行的模拟过程

本发明模拟了随着时间推进的航道疏浚作业情况，其通过循环的方式不断更新时间，每一次循环代表度过了一个小时。在上一次循环结束后，若此时闸门是开启状态，则所有运泥船向下一格推进一个位置，新的位置表示下一小时运泥船所处的位置，

第一等分和最后一等分的处理方式较为特殊。去程和回程第一等分新添加的分别是挖泥船和吹泥船在过去一小时内装满或卸空运泥船的数量，具体数量为

n₁＝m₁p₁/v

n₂＝m₂p₂/v

其中n₁和n₂即分别为去程和回程新加入的运泥船数量，v为运泥船容积，m₁和m₂分别为挖泥船和吹泥船的数量，p₁和p₂分别为挖泥船的挖泥速度和吹泥船的吹泥速度，由于运泥船数量必须为整数，因此n₁和n₂的计算结果会自动作向下取整，由于向下取整导致缺少统计的工程量会被叠加，当累计叠加量达到一艘运泥船的容量时，则该时刻的n₁和n₂会在计算结果的基础上+1，并将累计叠加量清零。最后一等分在下一小时会自动被添加进入等待区队列中。

(3)运泥船在闸门处的模拟过程

前文所述为在闸门正常开启时的运泥船分布随时间的位置变化过程，当闸门关闭时，行驶到此处的运泥船需要在闸门处等待其下一次开启。设闸门在往返航道上所处位置分别为x₁和x₂，则除了闸门所处位置外，其余均向下一分位推进一个位置。x₁和x₂位置的运泥船数量在下一时刻由于闸门关闭等待所以不推进，而x₁-1和x₂-1分位由于继续向前推进，因此在下一时刻，x₁和x₂位置的运泥船数量分别为上一时刻x₁和x₁-1两个位置运泥船数量之和，而x₁+1和x₂+1位置的运泥船数量为0。

(4)挖泥处和吹泥处的模拟过程

挖泥处和吹泥处用来完成对各自等待区船舶进行装泥或吹泥处理，并更新剩余工程作业量。设挖泥处等待船舶数量为N₁，吹泥处等待船舶数量为N₂，且一小时内挖泥量和吹泥量分别为m₁p₁和m₂p₂。若

m₁p₁>N₁v

或

m₂p₂>N₂v

则在单位时间内，挖泥船或吹泥船的作业速度大于其在等待区的等待工程量，即在下一时刻等待区运泥船会全部清零，当前等待区的运泥船在下一时刻会全部被卸泥或装泥完毕，故在此条件下

n₁＝N₁

或

n₂＝N₂

随后更新当前时刻的N₁和N₂分别为回程和去程上一时刻最后等分位中运泥船的数量。

反之，若等待队列中的船舶数量过多，那么单位时间内挖泥船和运泥船的作业速度并不足以将等待中的船舶全部清空，故仍然有

n₁＝m₁p₁/v

n₂＝m₂p₂/v

同时N₁和N₂增加量为上一时刻最后等分位的运泥船数量n₁和n₂。

为了衡量当前工程完成度情况，最后需要对剩余工程量进行更新，更新按照挖泥处剩余需要疏浚的方量为准，即当每一时刻挖泥处的挖泥船由等待区装泥完成进入去程后，即更新当前时刻疏浚完成的方量，设剩余方量为M，则更新后的剩余方量为M-n₁v，当更新后剩余方量小于0时，则认为疏浚作业结束，跳出循环并输出作业完成总时间和总成本。

2.最优配比计算模块

本发明的模拟仿真模块的功能是依据输入的三类船舶数量配比，输出其作业完成总时间和总成本，最优配比计算模块即是通过循环迭代运行模拟仿真模块的方式，寻找到总成本最低的船舶配比方案。

(1)循环寻找最优配比

首先，需要明确一点，总工程成本只与船舶配比有关，与各类船舶具体数量无关。若两类船舶配比方案完全相同，但数量相差k倍，则显然运泥船在航道上的数量分布、等待区的数量比和挖泥船、吹泥船的作业速度也相差k倍，总工程完工时间缩短为1/k，故总租金成本由于数量相差k倍但时间缩短至1/k因此保持不变，只需要考虑配比即可。

具体流程为：依据实际工程中挖泥船、吹泥船和运泥船的可租用数量，例如，设定挖泥船和吹泥船的可行数量上限为10艘，运泥船的可行数量上限为50艘；为满足基本的作业需求，三者的可行数量下限均为1艘，循环寻找最低成本下最优的船舶配比。

(2)闸门开放时间与船舶最优配比的关系

在传统方案中，不考虑闸门开关拦截对运泥船的影响，只需要考虑运泥船运量、挖泥船和吹泥船作业速度以及航道长度之间的比例关系即可大致推算出配比。然而，由于闸门开放时间的限制，导致运泥船必须要在特定的时间在闸门处等待开放通行，闸门开放时间的变化会极大且持续地影响运泥船在航道上的分布情况，即传统方法并不能准确计算在给定闸门开放时间的条件下的工程进展情况。本发明基于其所设计的模拟仿真模块，通过模拟的方式得到在改变闸门开放时间的情况下的三种船舶的最佳配比情况。例如，设定挖泥船和吹泥船的可行数量上限为10艘，运泥船的可行数量上限为50艘，迭代计算过程如下表1所示。

通过对上表的分析可知，最佳船舶配比不能通过闸门开放时间精确计算得到，然而显然总工程租金y与闸门开放时间x成明显的负相关关系，其拟合结果为

y＝-12.639x+529.79

其中拟合R²＝0.84，相关关系明显。

本发明采用Python3.10编写。设定挖泥船、吹泥船和运泥船每艘每天的租金成本为5174元、3736元和2700元，挖泥船和吹泥船的作业速度分别为154m³/h和500m³/h，运泥船的运载量为250m³。设定总工程量为225000m³，闸门开放时间为每天12h，空载航行时间为9h，满载航行时间为12h。本发明通过运算得到上述状态下挖泥船、吹泥船和运泥船的最佳配比为7：2：43，总成本为326.90万元，通过传统算法计算得到的配比为2：1：21，总成本为384.59万元，成本节约比例为15.0％。在实际工程中，由于挖泥船数量可能不足，因此如果配置比例同除以2向下取整变为3：1：21时，工程成本约为345.29万元，也能节约大致10.2％的租金成本。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，其特征在于，包括：

模拟仿真模块：依据输入信息模拟仿真作业过程，计算每个时间单位下船舶分布情况、等待情况，以及任务推进情况，估算总工程完成时间，输出该船舶配比下的总工程成本；

最优配比计算模块：将船舶配比输入模拟仿真模块，得到在各个配比下的总工程成本，并输出最小总工程成本对应的船舶配比作为当前工程环境下的解决方案，计算每种最佳船舶配比方案；

在所模拟仿真模块中：

将总共疏浚工程量、运泥船、挖泥船和吹泥船的数量和租用成本信息、航道长度和满载、空载航行速度信息以及航道上闸门开放时间信息输入模块中，依据输入信息模拟仿真挖泥、运泥和吹泥的作业过程，并计算每个时间单位下运泥船在航道上的分布情况、在挖泥处和吹泥处的等待情况以及随着时间变化工程任务的推进情况，估算总工程完成时间，并依据船舶租金输出该船舶配比下的总工程成本；

运泥船在航道上分布的模拟过程：

以预设时间段为一个时间单位，设航道长度为L，满载航行速度为v₁，空载航行速度为v₂，满载航行时间t₁为：

t₁＝L/v₁

空载航行时间t₂为：

t₂＝L/v₂

航行时间t₁和t₂的计量单位为预设时间段，且向上取整；

通过将航道按照航行时间分段的方式来表示整条航道上不同位置运泥船的分布情况，已知满载航行时间为t₁，空载航行时间为t₂，将去程航道t₁等分，将回程航道t₂等分，每一等分即表示预设时间段内出发的运泥船的数量，各个等分能够表示运泥船当前时刻在航道上对应位置的分布情况；

运泥船在航道上航行的模拟过程：

模拟随着时间推进的航道疏浚作业情况，通过循环的方式不断更新时间，每一次循环代表度过了一个预设时间段，在上一次循环结束后，若此时闸门是开启状态，则所有运泥船向下一格推进一个位置，新的位置表示下一个预设时间段运泥船所处的位置；

去程第一等分新添加挖泥船在过去预设时间段内装满运泥船的数量，回程第一等分新添加吹泥船在过去预设时间段内卸空运泥船的数量，具体数量为

n₁＝m₁p₁/v

n₂＝m₂p₂/v

其中，n₁为去程新加入的运泥船数量，n₂为回程新加入的运泥船数量，v为运泥船容积，m₁和m₂分别为挖泥船和吹泥船的数量，p₁和p₂分别为挖泥船的挖泥速度和吹泥船的吹泥速度，由于运泥船数量必须为整数，因此n₁和n₂的计算结果自动作向下取整，由于向下取整导致缺少统计的工程量会被叠加，当累计叠加量达到一艘运泥船的容量时，则该时刻的n₁和n₂在计算结果的基础上加一，并将累计叠加量清零；最后一等分在下一预设时间段自动被添加进入等待区队列中；

运泥船在闸门处的模拟过程：

当闸门关闭时，行驶到此处的运泥船需要在闸门处等待其下一次开启，设闸门在往返航道上所处位置分别为x₁和x₂，则除了闸门所处位置外，其余均向下一分位推进一个位置，x₁和x₂位置的运泥船数量在下一时刻由于闸门关闭等待所以不推进，而x₁-1和x₂-1分位由于继续向前推进，因此在下一时刻，x₁和x₂位置的运泥船数量分别为上一时刻x₁和x₁-1两个位置运泥船数量之和，而x₁+1和x₂+1位置的运泥船数量为0；

挖泥处和吹泥处的模拟过程：

挖泥处和吹泥处用来完成对各自等待区船舶进行装泥或吹泥处理，并更新剩余工程作业量，设挖泥处等待船舶数量为N₁，吹泥处等待船舶数量为N₂，且预设时间段内挖泥量和吹泥量分别为m₁p₁和m₂p₂，若

m₁p₁＞N₁v

或

m₂p₂＞N₂v

则在单位时间内，挖泥船或吹泥船的作业速度大于运泥船在挖泥或吹泥等待区的等待工程量，在下一时刻等待区运泥船会全部清零，当前等待区的运泥船在下一时刻会全部被卸泥或装泥完毕，故在此条件下

n₁＝N₁

或

n₂＝N₂

随后更新当前时刻的N₁和N₂分别为回程和去程上一时刻最后等分位中运泥船的数量；

若等待队列中的船舶数量过多，那么单位时间内挖泥船和运泥船的作业速度并不足以将等待中的船舶全部清空，故仍然有

n₁＝m₁p₁/v

n₂＝m₂p₂/v

同时N₁和N₂增加量为上一时刻最后等分位的运泥船数量n₁和n₂；

对剩余工程量进行更新，更新按照挖泥处剩余需要疏浚的方量为准，当每一时刻挖泥处的挖泥船由等待区装泥完成进入去程后，更新当前时刻疏浚完成的方量，剩余方量为M，则更新后的剩余方量为M-n₁v，当更新后剩余方量小于0时，疏浚作业结束，跳出循环并输出作业完成总时间和总成本。

2.根据权利要求1所述的模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，其特征在于，在所最优配比计算模块中：

将挖泥船、运泥船和吹泥船的配比通过循环的方式依次输入模拟仿真模块，得到在各个配比下的总工程成本，并输出最小工程成本对应的船舶配比作为当前工程环境下的解决方案，通过改变闸门开放时间，计算每种最佳船舶配比方案。

3.根据权利要求2所述的模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，其特征在于：

循环寻找最优配比：

依据实际工程中挖泥船、吹泥船和运泥船的可租用数量，为满足基本的作业需求，三者的可行数量下限均为1艘，循环寻找最低成本下最优的船舶配比。

4.根据权利要求2所述的模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，其特征在于：

闸门开放时间与船舶最优配比的关系：

基于模拟仿真模块，通过模拟的方式得到在改变闸门开放时间的情况下的三种船舶的最佳配比情况，最佳船舶配比不能通过闸门开放时间精确计算得到，总工程租金y与闸门开放时间x成负相关关系。

5.一种模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的模拟仿真作业过程策略的航道疏浚船舶配比系统，执行包括：

步骤S1：设计可调节变量，包括船舶数量、租金成本、航行速度、作业效率、航道长度、闸门开关时间；

步骤S2：设计模拟船舶作业运输过程的模型，模型能够模拟某一时刻运泥船在航道上的分布情况以及在挖泥处、吹泥处的等待情况；

步骤S3：基于船舶作业运输过程的模拟结果估计给定工程量下的总成本，并按照成本最小化的原则通过循环迭代的方式寻找并给出最佳船舶配比。