基于多智能体的复杂水域航道通航仿真优化

左天立, 聂向军, 郝 军, 王达川, 李 蕊, 黄 俊

(交通运输部 规划研究院，北京 100028)

基于多智能体的复杂水域航道通航仿真优化

左天立, 聂向军, 郝 军, 王达川, 李 蕊, 黄 俊

(交通运输部 规划研究院，北京 100028)

基于多智能体仿真技术，以航道通过能力和服务水平为目标函数，考虑不同船舶在多航道情景下进出港的动态变化，构建复杂水域下的沿海进出港航道仿真模型，有效评估航道对港口营运的影响。以我国大连湾水域航道规划方案调整为例，应用仿真模型进行评估分析。仿真分析结果表明，当大连湾入口为双航道时，航道的通过能力、服务水平相比单航道均能得到有效提高，核心的客滚船等待时间能有效减少80%。建议在我国沿海的航道规划、建设和运营中广泛应用计算机仿真技术，促进航道科学合理地发展和高效地运营。

港口运输；复杂水域；多智能体；航道仿真；通过能力；服务水平

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

近年来，随着国内沿海港口规模迅速扩大，港口通航环境日趋复杂，部分港口航道的现状已不能适应港口的发展需求，航道服务水平和通过能力已成为制约港口高效运营的突出因素。

目前国内外港航业[1-2]已对定量评价航道通过能力等相关指标达成一定的共识，M/Ek/S排队论模型可解决简单航道的通过能力问题。鉴于船舶到港具有随机性和不均衡性，计算机仿真技术逐渐应用到航道研究中。[3-8]总体来看，现行的仿真技术存在以下不足：

1)难以满足包含航道服务水平、通过能力在内的多目标约束下的评估需求。

2)仍较多采用随机理论，缺乏港口运营中的泊位、航道及船舶等信息交互和预约判断等过程的模拟，很难仿真实际港口的运营情况。

3)在模型构建上多采用线型逻辑结构，难以解决复杂水域下的分叉、分段等模型边界条件设置问题。

4)对于包含泊位、船舶及水域等因素的系统性问题，并不能涵盖周全。

目前，相关研究人员[9-10]已对利用多智能体技术解决多重目标约束下的复杂技术问题达成共识。这里基于已有仿真研究[11-13]，将多智能体仿真技术引入到复杂水域下的沿海港口仿真中，通过对系统内部各项航行条件及运营信息进行全面预约判断，以优化航道服务水平和通过能力为目标，实现船舶进出港的智能化，最终构建沿海进出港航道仿真模型，为定量评估航道运营效率提供新的技术手段。

1 研究思路

基于沿海港口船舶进出港流程，结合港口实际运营状况，利用多智能体仿真建模技术和Java程序设计语言，建立沿海港口通用数值仿真模型主体结构，整体研究思路见图1。模型主体包括主系统和船舶航行系统,其参数、变量及逻辑函数等数据可实时传递、互相调用。

1)主系统主要应用于船舶进出港、在泊作业等关键流程中，包括与船舶进出港航行密切相关的航道、泊位、锚地等，重点解决港区基础设施与运营、调度规则仿真问题。

2)船舶航行系统主要用于判断船舶进出港行为的逻辑流程，重点解决船舶航行规则仿真问题。

图1 研究思路

2 模型构建

2.1主系统约束目标函数设置

在港口运营中，港口通过能力和航道服务水平是港口、海事、引航及船舶所有人普遍关注的指标。因此,围绕港口运营相关指标构建多目标函数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)为进出港船舶总数目标；G(m,n)为航道服务水平目标；m为港口港区数量；

n为该港区预测年通过船舶艘次；tij为0-1变量，当第i艘船舶在j港区完成装卸、离港时，tij=1，否则为0；f1ij为第i艘船舶到达j港区外的时刻；f2ij为第i艘船舶在j港区完成靠泊的时刻；g1ij为第i艘船舶在j港区完成装卸的时刻；g2ij为第i艘船舶在j港区通过航道后离开航道的时刻；H(x1，x2，…)为特定船舶类型的目标约束。式(1)表示该阶段所有船舶进出港的通过能力最大；式(2)表示该阶段所有船舶等候时间最短。

2.2船舶航行系统逻辑流程函数设置

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

船舶进出港过程是一个包含复杂影响因素，同时具备随机性、多样性和离散性的动态服务系统，该研究通过逻辑流程和各智能体将主系统与船舶航行系统紧密结合，构建船舶进出港系统仿真模型(见图2)。

图2 仿真模型系统流程

2.4主要输入参数设置

2.4.1港区设施参数设置

该类型参数需根据港区发展现状及相关规划情况具体分析确定，主要包括泊位数量、泊位吨级、泊位属性、航道等级和锚地规模等。

2.4.2船舶参数设置

该类型参数需结合区域发展情况及国内外船舶发展形势具体确定，主要包括船舶流量、船舶到港规律、船舶类型、船舶吨级和船舶作业时间等。

2.4.3航行规则确定

船舶航行规则与各水域环境状况、气象条件和习惯航路等密切相关，主要包括：

(1)航道航行基本规则，包括船舶航道上下线点、航行速度、单双向航行等；

(2)水文气象条件，包括乘潮水位、因恶劣天气引起的封航时间等；

(3)其他，包括危化品船舶是否夜航、船舶进出港优先级确定等。

3 实例分析

大连湾水域是大连港核心水域之一，通航环境较为复杂，是我国北方水上运输最繁忙、船舶密度最大的水域之一。为适应区域经济发展新形势，该水域内拟建大连湾跨海交通工程，该工程将压缩大连湾部分水域空间，可能会给航道服务水平带来一定的影响。在此背景下，根据吞吐量预测、港区布局及水域现状通航条件，在有限的水域空间内提出2种多航道交汇的水域调整方案(见图3)，跨海交通工程侧航道端口分别为双入口和单入口，泊位及航道参数见表1和表2。

a)方案一

b)方案二

港区泊位数/个泊位吨级功能属性大港港区191万～30万客滚、通用、邮船、修造船大石化港区135000～10万原油、成品油船甘井子港区205000～10万通用、修造船和尚岛西港区中远船务区域145万～30万修造船和尚岛西港区辽宁集团区域185000～5万客滚、通用、修造船和尚岛西港区、华能电厂、大船海工基地等115000～3万通用、修造船

3.1参数设置

1)仿真运行时间：1 a。

2)到港船舶规律：客滚船遵循定班制；其余船舶服从X～N(μ，σ2)，μ=7，σ2=2。

3)船舶到港流量：8 760艘。

表2 港区航道信息

4)航速：航道内10 kn；港内5 kn。

5)夜航设置：根据该港域海事管理规定，无夜航控制。

6)船舶进出港优先级：按客滚船、乘潮通航船、原油/成品油船、通用散杂货船和修造船的优先级从高至低排列。

7)泊位服务效率、船舶作业时间等相关运营数据均根据《海港总体设计规范》[14]选取。

8) 在泊位等级满足船舶吨级的条件下，船舶采用随机靠泊方式，依据先到先服务原则分配泊位。[15]3.2仿真分析

独立进行10次仿真试验，得到2种方案下的分船型航道服务水平指标及通过能力指标(见图4)。经分析，在相同港口泊位数及船舶预测量下，各航道方案在评价指标上有显著差别。

图4 分船型航道服务水平与通过能力指标对比

1)从航道通过船舶艘次上看，方案一中各类船舶通过艘次均比方案二多。以全港船舶为例，预测全年到港船舶8 760艘，经仿真模型验算，采用方案一，航道可满足全年约8 630艘船舶的正常到港需求；而采用方案二，航道可满足全年约8 580艘船舶的正常到港需求。因此，从通过能力上看，选择方案一可更好地满足水域内船舶进出港需求，航道通过能力与港口需求基本上匹配。

2)从船舶进港等待时间上看，方案一比方案二更优。以该区域内船舶流量较大的客滚船为例，在日常港口营运中，方案一中船舶等待航道时间仅需0.1 h，而方案二则上升至0.18 h。因此，从航道服务水平上看，若采用方案二，则客滚船进港等待航道时间将大幅上升80%，港口整体服务效率将受到较大影响。

由于大连湾水域内的核心船舶为客滚船，因此该案例结合当前的通航服务水平，对仿真模型中的客滚智能体模型进行重点分析，选取到港等待航道时间作为评价指标。图5为不同方案下容滚船进港等待时间，其中：方案一中客滚船准点率与现状船舶准点率基本上符合；方案二中由于航道因素，等待航道时间显著增加，航道服务水平大幅下降。

图5 不同方案下客滚船进港等待时间

因此，综合各项评价指标，方案一较为合理，可更好地满足大连湾水域内各系统的正常运营需求。

4 结束语

为综合评估沿海复杂水域航道方案，以多智能体仿真技术为基础，构建沿海港口船舶进出港模型；通过设计和运行仿真试验方案，可得出不同方案下的航道服务水平、航道通过能力等关键指标，并可根据需要对特定港区、特定船舶进行定量评估。

通过构建沿海进出港模型，可为港口规划、建设和管理部门评估航道提供更多的技术支撑，从而更好地促进港口事业的发展。

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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,湖南益阳人，工程师,硕士，从事港口规划、港口通航仿真研究。E-mail:zuotl@tpri.org.cn

1000-4653(2017)01-0097-05