本發(fā)明涉及船舶調(diào)度，具體而言，尤其涉及一種考慮在港航行時(shí)間不確定的船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球化和綠色交通的發(fā)展，航運(yùn)承擔(dān)了近90％的世界貿(mào)易，給港口和航道帶來了巨大壓力。船舶進(jìn)出港調(diào)度是港口作業(yè)的重要階段，能優(yōu)化資源利用，提升航道效率。

2、然而，傳統(tǒng)調(diào)度假設(shè)所有參數(shù)確定，但實(shí)際情況中，天氣、設(shè)備損壞等因素帶來不確定性，可能使調(diào)度計(jì)劃不合理或不可行。目前，船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化多局限于確定性環(huán)境，不確定性條件下的研究較少，主要集中于車間調(diào)度、路徑規(guī)劃、航班調(diào)度等領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、根據(jù)上述提出的港航行時(shí)間不確定性下的船舶調(diào)度問題，而提供一種考慮在港航行時(shí)間不確定的船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化方法。本發(fā)明主要以船舶在港航行時(shí)間不確定性為主研究船舶進(jìn)出港調(diào)度問題，提出一種機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法，解決港航行時(shí)間不確定性下的船舶調(diào)度問題，豐富了該領(lǐng)域的研究。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種考慮在港航行時(shí)間不確定的船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化方法，包括：

4、s1、考慮在港航行時(shí)間不確定性，建立船舶進(jìn)出港調(diào)度機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型；

5、s2、利用概率分布逆變換技術(shù)，將不確定性船舶進(jìn)出港調(diào)度機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化成確定性調(diào)度優(yōu)化模型；

6、s3、設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)差分進(jìn)化算法，對(duì)確定性船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化模型進(jìn)行求解，輸出最優(yōu)的可行性方法。

7、進(jìn)一步地，步驟s1，具體包括：

8、s11、設(shè)計(jì)保證進(jìn)港船舶的連續(xù)性，同時(shí)依次確定船舶駛向航道入口的時(shí)間、航道出口和停泊的泊位的約束條件，如下：

9、

10、上式中，t1i表示船舶i到達(dá)航道入口時(shí)間；t2i表示船舶i到達(dá)航道出口時(shí)間；tfi表示船舶i完成調(diào)度的時(shí)間；dis1i表示船舶i從錨地到航道入口的距離；dis2表示航道入口到航道出口的距離，也就是航道的距離；dis3i表示船舶i從航道出口到泊位的距離；vi表示船舶i的平均航速；nin表示進(jìn)港船舶集合；

11、s12、設(shè)計(jì)保證出港船舶的航行連續(xù)性，同時(shí)依次確定船舶駛向航道出口和航道入口的時(shí)間的約束條件，如下：

12、

13、上式中，t1j表示船舶j到達(dá)航道入口時(shí)間；tfj表示船舶j完成調(diào)度的時(shí)間；dis3j表示船舶j從航道出口到泊位的距離；vj表示船舶j的平均航速；nout表示出港船舶集合；

14、s13、設(shè)計(jì)確保船舶在港口的航行時(shí)間大于或等于ai且小于等于bi的概率至少達(dá)到某個(gè)置信水平β的機(jī)會(huì)約束條件，如下：

15、

16、上式中，ai表示船舶i的最短在港航行時(shí)間；bi表示船舶i的最長在港航行時(shí)間；β表示置信水平；tsaili表示船舶i的在港航行時(shí)間；

17、s14、設(shè)計(jì)保證進(jìn)出港船舶根據(jù)潮汐窗口調(diào)整其申請(qǐng)調(diào)度時(shí)間，同時(shí)保證進(jìn)港船舶駛向航道出口的時(shí)間小于潮汐窗口的結(jié)束時(shí)間的約束條件，如下：

18、

19、上式中，tei表示船舶i需要乘潮進(jìn)出港的結(jié)束時(shí)間；tai′表示船舶i調(diào)整的申請(qǐng)調(diào)度時(shí)間；tbi表示船舶i需要乘潮進(jìn)出港的開始時(shí)間；m表示大的正整數(shù)；ioi表示二進(jìn)制變量，船i進(jìn)港則為1，出港則為0；ti表示二進(jìn)制變量，船舶i需乘潮進(jìn)港則為1，否則為0；

20、s15、設(shè)計(jì)確保開始調(diào)度時(shí)間大于等于其申請(qǐng)調(diào)度時(shí)間或重新申請(qǐng)調(diào)度時(shí)間的約束條件，如下：

21、

22、s16、設(shè)計(jì)保證同方向的船舶應(yīng)保持一定的同向安全間隔的約束條件，如下：

23、

24、上式中，c1表示航道入口或出口同向船舶之間的安全間距；c2表示在航道入口或出口處異向船舶之間的安全間距；yij表示二進(jìn)制變量，對(duì)于進(jìn)港船來說，船j在船i之后調(diào)度則為1，否則為0；hij表示二進(jìn)制變量，對(duì)于出港船來說，船j在船i之后調(diào)度則為1，否則為0；

25、s17、設(shè)計(jì)保證同方向的船舶應(yīng)保持一定的同向安全間隔的約束條件，如下：

26、上式中，dis1j表示船舶j從錨地到航道入口的距離；ioj表示二進(jìn)制變量，船j進(jìn)港則為1，出港則為0；

27、s18、設(shè)計(jì)二進(jìn)制決策變量取值約束條件，如下：

28、

29、進(jìn)一步地，步驟s2，具體包括：

30、s21、根據(jù)給定的置信水平β，將步驟s14設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)約束轉(zhuǎn)化為確定性約束：

31、s22、經(jīng)步驟s21轉(zhuǎn)化后，得到最終的確定性船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化模型，其目標(biāo)函數(shù)，如下：

32、

33、上式中，min?w表示最小化船舶總等待時(shí)間；n表示船舶集合；tsi表示船舶i開始調(diào)度時(shí)間；tai表示船舶i申請(qǐng)調(diào)度的時(shí)間，即船舶預(yù)計(jì)到港和離港時(shí)間；目標(biāo)函數(shù)滿足步驟s12、步驟s13、步驟s15、步驟s16、步驟s17和步驟s18設(shè)計(jì)的約束條件。

34、進(jìn)一步地，步驟s21，具體包括：

35、s211、假設(shè)每艘船在港口的航行時(shí)間是相互獨(dú)立的，并且服從正態(tài)分布其中μi是船i的均值，σi是船i的標(biāo)準(zhǔn)差；

36、s212、估計(jì)最短tsaili和最長tsaili，分別用ai和bi表示，ai和bi的值根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)和概率密度函數(shù)之間的關(guān)系來估計(jì)，即aiμi-σi·f-1(β)和bi＝μiσi·f-1(β),其中f-1是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累積分布函數(shù)的反函數(shù)；

37、s213、將步驟s13設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)約束轉(zhuǎn)化為等效的確定性形式，如下：

38、μi-f-1(β)·σi≤tsaili≤μi+f-1(β)·σi。

39、進(jìn)一步地，步驟s3，具體包括：

40、s31、使用k-means聚類生成由船舶數(shù)量和進(jìn)出港方向編碼的初始種群；

41、s32、采用自適應(yīng)交叉變異算子生成一組變異個(gè)體，其中自適應(yīng)冷卻因子參數(shù)f定義如下：

42、

43、上式中，δ是初始增長率，取值范圍在[0,+]之間，迭代次數(shù)用g表示，fmin表示f的最小值，fmax表示f的最大值；

44、s33、采用自適應(yīng)交叉算子生成一組交叉?zhèn)€體，其中自變異概率參數(shù)設(shè)置如下：

45、

46、上式中，crmin表示f的最小值，crmax表示f的最大值；

47、s34、根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)評(píng)估交叉?zhèn)€體的適應(yīng)度，并選擇適應(yīng)度較高的個(gè)體作為子代；

48、s35、采用修復(fù)算子對(duì)步驟s34產(chǎn)生的非法染色體進(jìn)行修復(fù)；

49、s36、重復(fù)以上步驟s31至步驟s35，直到符合設(shè)定的最大迭代次數(shù)后，輸出最優(yōu)的可行性方法。

50、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

51、1、本發(fā)明提供的一種考慮在港航行時(shí)間不確定的船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化方法，首先，建立考慮在港航行時(shí)間不確定性的船舶進(jìn)出港調(diào)度機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型；其次，利用概率分布逆變換技術(shù)將該模型轉(zhuǎn)化成確定性調(diào)度優(yōu)化模型；最后，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)差分進(jìn)化算法進(jìn)行求解。本發(fā)明展示了已提模型在應(yīng)對(duì)隨機(jī)船舶交通調(diào)度問題的高效性，突顯了其在提升港口服務(wù)質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)。

52、2、本發(fā)明提供的一種考慮在港航行時(shí)間不確定的船舶進(jìn)出港調(diào)度優(yōu)化方法，研究了一個(gè)新穎的考慮在港航行時(shí)間不確定下的船舶調(diào)度問題，彌補(bǔ)了當(dāng)前不確定船舶調(diào)度研究的理論缺口。

53、基于上述理由本發(fā)明可在船舶調(diào)度等領(lǐng)域廣泛推廣。