一种协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法

1.本发明涉及内河航运交通组织技术领域，具体而言，尤其涉及一种协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法。


背景技术：

2.内河航运是综合运输体系和水资源综合利用的重要组成部分，在促进流域经济发展、优化产业布局、服务对外开放等方面发挥重要作用。我国长江水系、京杭运河等；美国密西西比河等在经济运输发展中承担了重要角色。近年来，随着“海河联运”内河水运优势的不断扩大，内河航道运输量逐年增长。我国内河水运主航道“一纵两横”总体布局规划的实施，形成干支相连的航道网络，各支流与长江、京杭大运河入江主航道相连，一大批通航枢纽还将不断投运。船闸作为内河航道的重要通航设施，在改善航道，提高航道运输能力方面起着关键作用，然而，船闸的建设也阻隔了上下游水流的自然联通，造成巨大的水位落差，导致船舶通过船闸需要消耗一定时间，当到闸船舶增多时，船舶还需排队等待过闸。由于船舶过闸交通组织复杂多变，且船闸管理主体不同、运行规则不同、信息不共享，不能做到区域船闸联合调度，导致船舶过闸效率低下、船闸通过能力降低，甚至发生船舶滞航，成为内河交通运输的瓶颈。因此，为了破除船闸管理各自为政的体制机制障碍，提高船闸过闸效率，增强船闸通过能力，提升船闸服务水平，减少运营管理人员，节约管理成本，有效应对船舶拥堵等突发事件，实现船闸运调中心“信息共享、远程集控、统一调度”的船闸运营管理新模式，急需一种内河干支流航道网船闸联合调度方法。
3.目前对于内河干支流航道网船闸联合调度方案设计方法尚未见诸报道，已有的方法只能解决单级单线船闸调度、多梯级多线船闸调度，两级船闸调度且其中一个船闸的闸室只能提供单向过闸服务。据调查，江苏省作为航道里程和密度全国第一、港口通过能力和吞吐量是全国第一的港航大省。至2035年，全省干线航道网形态上呈“两纵五横”布局，形成以长江干线、京杭运河为核心，三级及以上航道为骨干，达海、通江、联网、互通的千吨级干线航道网。目前江苏省内共有船闸50座，已建成了规模较大、运输繁忙的多梯级多线船闸系统。2020年，全省交通船闸50座，共开启58.5万闸次，累计运行47.7万小时，过闸船舶309.3万艘次，过闸货物量达22.2亿吨，每座船闸日均开启18.5闸次。


技术实现要素：

4.根据上述提出现有内河干支流航道网船闸联合调度“不统一、不协调”船舶过闸时间长的技术问题，提供一种协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法。本发明通过对我国内河干支流航道网船闸实际分布情况进行分析，干支流航道网纵横交错，船闸分布密集等特点，在此基础上设计一种内河干支流航道网船闸联合调度模型，最终目的为减少整体船舶过闸时间和提高闸室面积利用率，为船闸调度人员和船员提供可靠的闸次计划、闸室排挡、拟过闸室等过闸调度指令和预计调度时间等，实现内河航道干支流网络船闸联合调度、提高船闸运行效率和过闸服务水平。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，包括：
7.获取内河干支流航道网多船闸要素信息；
8.基于获取的内河干支流航道网多船闸要素信息，建立内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型；
9.对建立的内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型进行求解；
10.根据求解结果，提供船舶通过内河干支流航道网区域多船闸的最优调度方案。
11.进一步地，所述获取内河干支流航道网多船闸要素信息，包括：
12.由干流航道、支流航道多个河段组成，并由多个船闸连接，多个船闸设于干支流航道，且在干流航道船闸上下游依次设置，支流航道设置一处船闸，船闸包括多个闸室，多个闸室并行设于航道中，且闸室为相互独立结构，上下游方向闸次交替使用，根据船舶的航行路线，选择从相应的节点通过，不仅仅是单一航道上下游两个方向的进出口。
13.进一步地，所述基于获取的内河干支流航道网多船闸要素信息，建立内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型，包括：
14.以船舶过闸总时间最小和闸室面积利用率最大为目标，构建目标函数，如下：
[0015][0016][0017]
优化目标其中，λ1,λ2分别为子目标f1,f2的权重系数，0≤λ1,λ2≤1,且λ1+λ2＝1；
[0018]
根据船舶与闸室闸次的时间变化和空间转移关系，构建船舶与闸次的时间约束和空间约束，如下：
[0019][0020]
其中，上述约束条件确保船舶在其各自闸次开始时间之前到达船闸；
[0021][0022]
其中，上述约束条件确保船舶在计划离开时间截止之前离开船闸；
[0023]
z(s,l,c,k)
·
[δ(l,c,k)-etas]≤ε
max
[0024]
其中，上述约束条件规定船舶极限待闸时间；
[0025][0026]
其中，上述约束条件确保上下游方向闸次交替使用；
[0027][0028][0029]
其中，上述约束条件确保同一闸次的船舶过闸方向相同；
[0030][0031]
上述约束条件确保同一闸室相邻闸次开始时间限制；
[0032][0033]
上述约束条件确保船舶过闸计划期内，一艘船舶最多被某一闸室的某一次闸次服务；
[0034][0035]
上述约束条件确保船舶过闸计划期内，在需要通过船闸的每个闸次开始时间之前到达船闸；
[0036]
根据船舶和闸室内的空间关系，构建闸室排挡的约束，如下：
[0037][0038]
其中，上述约束条件规定某一闸次的船舶面积总和不能超过闸室面积；
[0039]
z(s,l,c,k)
·di
＜dc[0040]
其中，上述约束条件规定某一闸次的船舶吃水不超过闸室水深；
[0041]
0≤z(si,l,c,k)
·
x
s,l,c,k
≤z(si,l,c,k)
·
(l
c-li)
[0042]
0≤z(si,l,c,k)
·ys,l,c,k
≤z(si,l,c,k)
·
(w
c-wi)
[0043]
其中，上述约束条件规定每艘船舶都不能超出其服务闸室的范围；
[0044][0045]
其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1前面；
[0046][0047]
其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1后面；
[0048][0049]
其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1左面；
[0050][0051]
其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1右面；
[0052][0053]
其中，上述约束条件可以通过阶跃函数转换成单一约束；
[0054]
上述约束条件描述变量的类型和范围具体为：s∈s表示船舶集合，表示船闸集合，ds＝{d
s,1
,...d
s,n
}表示船舶通过每个航段的距离集合，vs＝{v
s,1
,...v
s,n
}表示船舶航行在每个航段的速度集合，c＝{1,...c
l
}表示闸室集合，k＝{1,...k}表示船闸闸次集合，对于每个船舶过闸计划期内，计划到达第一个船闸时间和计划离开最后一个船闸的时间，f1表示每个船闸闸室的处理时间，t
l
表示每个船闸作业时间间隔，ε
max
表示船舶极限待闸时间，η表示闸室面积利用弹性系数，闸室的面积在实际编排过程中不能完全利用，这里的弹性系数是介于(0，1)
之间的一个小数wc，lc，sc，dc表示l船闸c闸室的长、宽、面积、水深c＝1,2,
…
c，li，wi，si，di表示第i艘船舶的长、宽、面积、吃水，x
s,l,c,k
,y
s,l,c,k
表示船舶s在船闸l的c闸室的第k闸次中的横纵坐标值，δ(l,c,k)表示l船闸的c闸室第k闸次的开始时间，δ(l,c,k)≥0，
[0055]
进一步地，所述对建立的内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型进行求解，包括：
[0056]
初始化模型参数；
[0057]
根据内河干支流航道网多船闸要素，生成初始闸次时间表；
[0058]
根据内河干支流航道网多船闸要素，进行上下游方向闸次交替判断；
[0059]
根据内河干支流航道网多船闸要素，对闸室进行排挡和调度。
[0060]
进一步地，所述初始化模型参数，包括：干支流航道信息、船闸数量、船闸类型、闸室操作时间、闸室最小间隔时间、倒闸时间间隔。
[0061]
进一步地，所述根据内河干支流航道网多船闸要素，生成初始闸次时间表，包括：
[0062]
为了减少解决方案的空间，从而减少闸次优化问题的复杂性，给定一个固定的闸次开闸时间表；对于每个独立闸室，闸次是连续的，这样两个闸次之间没有空闲时间，并且闸次需要在上游和下游之间交替进行；此外，每个闸室第一个闸次的开始时间均匀的分布在间隔[0,t
l
]；因此，每个方向上的每个船闸都有一个闸室，闸次作业时间进程用t
l*
＝2t
l
/c
l
计算；
[0063]
形式上，k
l
＝[time_max]/t
l*
表示每个船闸每个方向的最大闸次数量；将定义为船闸l上游或下游方向上第k闸次的开始时间，按以下方式确定：δ(l,k,up)＝2kt
l*
δ(l,k,down)＝2(k+1)t
l*
；根据船舶预计到闸时间etas判断初始闸次时间表是否满足约束，删除不满足约束的初始闸次时间表，减少开闸次数同时提高效率。
[0064]
进一步地，所述根据内河干支流航道网多船闸要素，进行上下游方向闸次交替判断，包括：
[0065]
同闸室闸次均衡约束，保证相邻闸次最小时间间隔，上下游闸次交替使用；一个计划期内，满足
[0066]
进一步地，所述根据内河干支流航道网多船闸要素，对闸室进行排挡和调度，包括：
[0067]
考虑闸室对船舶的空间约束、同闸次船舶之间的空间约束，对闸室进行排挡和调度。
[0068]
进一步地，所述根据求解结果，提供船舶通过内河干支流航道网区域多船闸的最优调度方案，包括：根据船舶过闸路线和申请过闸时刻和内河干支流航道网多船闸联合调度模型求解生成最优调度方案，具体包括：
[0069]
具体每个闸次的开始时间和通过船舶的集合、为船舶分配的具体闸室、确定船舶在闸室中的停泊位置。
[0070]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0071]
1、本发明首次从全局调度角度出发，针对内河干支流航道网船闸大规模联合调度“不统一、不协调“的问题，设计了一种协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度优化方
法。将船舶过闸总时间和闸室面积利用率作为目标函数，根据内河船闸调度实际情况提列约束条件，将干支流船闸串并联相结合，建立内河干支流航道网区域船闸联合调度模型，并用cplex多目标优化求解器，求解目标函数。本发明方法更为符合实际情况，适用性较广。
[0072]
2、本发明提供的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其允许有多个入口和出口的干支流航道网，船闸并不是单一地沿着一条航道按顺序放置，船闸可处于航道网中的任意位置。
[0073]
3、本发明提供的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其船舶在干支流航道网到达目的地位置，这些位置可以是航道网的入口、出口、航段的任意位置。
[0074]
4、本发明提供的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，可以提高内河干支流航道网船舶过闸效率和船闸服务水平，可以为船闸管理部门和船舶提供过闸计划的辅助决策。
[0075]
基于上述理由本发明可在内河航运管理等领域广泛推广。
附图说明
[0076]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0077]
图1为本发明内河干支流航道网船闸联合调度方法流程图。
[0078]
图2为应用本发明方法的内河干支流航道网船闸示意图。
[0079]
图3为本发明内河干支流航道网船闸联合调度方法的船舶过闸路线示意图。
[0080]
图4为本发明内河干支流航道网船闸联合调度方法的闸室排挡约束示意图。
具体实施方式
[0081]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0082]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0083]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0084]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方
法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0085]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0086]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0087]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0088]
如图1所示，本发明提供了一种协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，包括：
[0089]
s1、获取内河干支流航道网多船闸要素信息；
[0090]
s2、基于获取的内河干支流航道网多船闸要素信息，建立内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型；
[0091]
s3、对建立的内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型进行求解；
[0092]
s4、根据求解结果，提供船舶通过内河干支流航道网区域多船闸的最优调度方案。
[0093]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s1中，获取内河干支流航道网多船闸要素信息，包括：
[0094]
由干流航道、支流航道多个河段组成，并由多个船闸连接，多个船闸设于干支流航道，且在干流航道船闸上下游依次设置，支流航道设置一处船闸，船闸包括多个闸室，多个闸室并行设于航道中，且闸室为相互独立结构，上下游方向闸次交替使用，根据船舶的航行路线，选择从相应的节点通过，不仅仅是单一航道上下游两个方向的进出口。
[0095]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，假设图3中船舶的过闸路线如下：
[0096]
船舶1：船闸a
→
船闸c
→
船闸d
→
船闸e(下行)
[0097]
船舶2：船闸b
→
船闸c
→
船闸d
→
船闸e(下行)
[0098]
船舶3：船闸b
→
船闸c
→
船闸d(下行)
[0099]
船舶4：船闸a
→
船闸c
→
船闸d(下行)
[0100]
船舶5：船闸a
→
船闸b(下行)
[0101]
船舶6：船闸e
→
(上行)
[0102]
则与图2内河干支流航道网船闸示意图对应的船舶过闸路线示意图3所示。例如船舶1(ship1)的通过船闸路线为下行方向连续通过船闸a、船闸c、船闸d、船闸e，并且需要被船闸任一可行闸室服务。
[0103]
当存在多艘船舶在同一船闸同一闸次被服务时，船舶在闸室内的位置还需要满足闸室排挡的相关约束，如图4所示。这些约束包括：船舶和闸室的尺寸约束：船舶的摆放位置不能超过闸室的边界范围如图4(a)ship2、二维装箱问题：船舶不能重叠摆放如图4(a)ship3、闸次作业时为了确保船舶之间的安全：尺寸小的船舶停靠在尺寸大的船舶旁边如图4(b)ship2。基于此，所述步骤s2中，基于获取的内河干支流航道网多船闸要素信息，建立内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型，包括：
[0104]
s21、以船舶过闸总时间最小和闸室面积利用率最大为目标，构建目标函数，如下：
[0105][0106][0107]
优化目标其中，λ1,λ2分别为子目标f1,f2的权重系数，0≤λ1,λ2≤1,且λ1+λ2＝1；
[0108]
s22、根据船舶与闸室闸次的时间变化和空间转移关系，构建船舶与闸次的时间约束和空间约束，如下：
[0109][0110]
其中，上述约束条件确保船舶在其各自闸次开始时间之前到达船闸；
[0111][0112]
其中，上述约束条件确保船舶在计划离开时间截止之前离开船闸；
[0113]
z(s,l,c,k)
·
[δ(l,c,k)-etas]≤ε
max
[0114]
其中，上述约束条件规定船舶极限待闸时间；
[0115][0116]
其中，上述约束条件确保上下游方向闸次交替使用；
[0117][0118][0119]
其中，上述约束条件确保同一闸次的船舶过闸方向相同；
[0120][0121]
上述约束条件确保同一闸室相邻闸次开始时间限制；
[0122][0123]
上述约束条件确保船舶过闸计划期内，一艘船舶最多被某一闸室的某一次闸次服务；
[0124][0125]
上述约束条件确保船舶过闸计划期内，在需要通过船闸的每个闸次开始时间之前到达船闸；
[0126]
s23、根据船舶和闸室内的空间关系，构建闸室排挡的约束，如下：
[0127][0128]
其中，上述约束条件规定某一闸次的船舶面积总和不能超过闸室面积；
[0129]
z(s,l,c,k)
·di
＜dc[0130]
其中，上述约束条件规定某一闸次的船舶吃水不超过闸室水深；
[0131]
0≤z(si,l,c,k)
·
x
s,l,c,k
≤z(si,l,c,k)
·
(l
c-li)
[0132]
0≤z(si,l,c,k)
·ys,l,c,k
≤z(si,l,c,k)
·
(w
c-wi)
[0133]
其中，上述约束条件规定每艘船舶都不能超出其服务闸室的范围；
[0134][0135]
其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1前面；
[0136][0137]
其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1后面；
[0138][0139]
其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1左面；
[0140][0141]
其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1右面；
[0142][0143]
其中，上述约束条件可以通过阶跃函数转换成单一约束；
[0144]
上述约束条件描述变量的类型和范围具体为：s∈s表示船舶集合，表示船闸集合，ds＝{d
s,1
,...d
s,n
}表示船舶通过每个航段的距离集合，vs＝{v
s,1
,...v
s,n
}表示船舶航行在每个航段的速度集合，c＝{1,...c
l
}表示闸室集合，k＝{1,...k}表示船闸闸次集合，对于每个l∈l,船舶过闸计划期内，计划到达第一个船闸时间和计划离开最后一个船闸的时间，t
l
表示每个船闸闸室的处理时间，t
l
表示每个船闸作业时间间隔，ε
max
表示船舶极限待闸时间，η表示闸室面积利用弹性系数，闸室的面积在实际编排过程中不能完全利用，这里的弹性系数是介于(0，1)之间的一个小数wc，lc，sc，dc表示l船闸c闸室的长、宽、面积、水深c＝1,2,
…
c，li，wi，si，di表示第i艘船舶的长、宽、面积、吃水，x
s,l,c,k
,y
s,l,c,k
表示船舶s在船闸l的c闸室的第k闸次中的
横纵坐标值，δ(l,c,k)表示l船闸的c闸室第k闸次的开始时间，δ(l,c,k)≥0，
[0145]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s3中，对建立的内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型进行求解，包括：
[0146]
s31、初始化模型参数；
[0147]
在本实施例中，初始化模型参数主要包括：干支流航道信息、船闸数量、船闸类型、闸室操作时间、闸室最小间隔时间、倒闸时间间隔。
[0148]
s32、根据内河干支流航道网多船闸要素，生成初始闸次时间表；
[0149]
在本实施例中，为了减少解决方案的空间，从而减少闸次优化问题的复杂性，给定一个固定的闸次开闸时间表；对于每个独立闸室，闸次是连续的，这样两个闸次之间没有空闲时间，并且闸次需要在上游和下游之间交替进行；此外，每个闸室第一个闸次的开始时间均匀的分布在间隔[0,t
l
]；因此，每个方向上的每个船闸都有一个闸室，闸次作业时间进程用t
l*
＝2t
l
/c
l
计算；计算5座船闸闸室每个闸次处理时间。形式上，k
l
＝[time_max]/t
l*
表示每个船闸每个方向的最大闸次数量；计算一天24h调度周期，time_max＝1440。将定义为船闸l上游或下游方向上第k闸次的开始时间，按以下方式确定：δ(l,k,up)＝2kt
l*
δ(l,k,down)＝2(k+1)t
l*
；根据船舶预计到闸时间etas，不同船舶分配不同初始速度，满足船舶、闸室、闸次的时间约束和空间约束计算目标函数f1。
[0150]
s33、根据内河干支流航道网多船闸要素，进行上下游方向闸次交替判断；
[0151]
在本实施例中，同闸室闸次均衡约束，保证相邻闸次最小时间间隔，上下游闸次交替使用；一个计划期内，满足
[0152]
s34、根据内河干支流航道网多船闸要素，对闸室进行排挡和调度。
[0153]
在本实施例中，根据船舶和闸室的空间关系，满足闸室排挡约束进行排挡。上述步骤根据一个调度周期内过闸船舶信息和船闸信息预估总开闸次数，借助闸室排挡算法，安排到达船闸的船舶进入闸室进行调度。初始状态下闸室面积为sc·
η,从待过闸船舶中选择面积最大的船只(li×
wi)放置在闸室矩形区域左下角，遍历待闸船舶，在剩余矩形区域寻找满足该区域能放下该船舶，去除面积为0或者不能排进剩余任何船舶的剩余矩形区域；去除重合部分的剩余矩形区域；去除尺寸较小被包含的剩余矩形，经过该步骤对剩余矩形区域进行更新，闸室排挡结束，一次船舶过闸作业操作完成，计算目标函数f2。
[0154]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s4中，根据求解结果，提供船舶通过内河干支流航道网区域多船闸的最优调度方案，包括：根据船舶过闸路线和申请过闸时刻和内河干支流航道网多船闸联合调度模型求解生成最优调度方案，具体包括：
[0155]
具体每个闸次的开始时间和通过船舶的集合、为船舶分配的具体闸室、确定船舶在闸室中的停泊位置。
[0156]
在本实施例中，通过江苏省内河上5个船闸的数据和船舶历史航行数据，对本发明方法用cplex优化求解器进行了仿真测试。测试结果表明：船舶先到先过调度规则下的内河干支流航道网多船闸联合调度方案优化问题，能在200秒内最优化求解含10艘船舶的联合调度问题。
[0157]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，包括：获取内河干支流航道网多船闸要素信息；基于获取的内河干支流航道网多船闸要素信息，建立内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型；对建立的内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型进行求解；根据求解结果，提供船舶通过内河干支流航道网区域多船闸的最优调度方案。2.根据权利要求1所述的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，所述获取内河干支流航道网多船闸要素信息，包括：由干流航道、支流航道多个河段组成，并由多个船闸连接，多个船闸设于干支流航道，且在干流航道船闸上下游依次设置，支流航道设置一处船闸，船闸包括多个闸室，多个闸室并行设于航道中，且闸室为相互独立结构，上下游方向闸次交替使用，根据船舶的航行路线，选择从相应的节点通过，不仅仅是单一航道上下游两个方向的进出口。3.根据权利要求1所述的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，所述基于获取的内河干支流航道网多船闸要素信息，建立内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型，包括：以船舶过闸总时间最小和闸室面积利用率最大为目标，构建目标函数，如下：以船舶过闸总时间最小和闸室面积利用率最大为目标，构建目标函数，如下：优化目标其中，λ1,λ2分别为子目标f1,f2的权重系数，0≤λ1,λ2≤1,且λ1+λ2＝1；根据船舶与闸室闸次的时间变化和空间转移关系，构建船舶与闸次的时间约束和空间约束，如下：其中，上述约束条件确保船舶在其各自闸次开始时间之前到达船闸；其中，上述约束条件确保船舶在计划离开时间截止之前离开船闸；z(s,l,c,k)
·
[δ(l,c,k)-eta
s
]≤ε
max
其中，上述约束条件规定船舶极限待闸时间；其中，上述约束条件确保上下游方向闸次交替使用；其中，上述约束条件确保上下游方向闸次交替使用；
其中，上述约束条件确保同一闸次的船舶过闸方向相同；上述约束条件确保同一闸室相邻闸次开始时间限制；上述约束条件确保船舶过闸计划期内，一艘船舶最多被某一闸室的某一次闸次服务；上述约束条件确保船舶过闸计划期内，在需要通过船闸的每个闸次开始时间之前到达船闸；根据船舶和闸室内的空间关系，构建闸室排挡的约束，如下：其中，上述约束条件规定某一闸次的船舶面积总和不能超过闸室面积；z(s,l,c,k)
·
d
i
＜d
c
其中，上述约束条件规定某一闸次的船舶吃水不超过闸室水深；0≤z(s
i
,l,c,k)
·
x
s,l,c,k
≤z(s
i
,l,c,k)
·
(l
c-l
i
)0≤z(s
i
,l,c,k)
·
y
s,l,c,k
≤z(s
i
,l,c,k)
·
(w
c-w
i
)其中，上述约束条件规定每艘船舶都不能超出其服务闸室的范围；其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1前面；其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1后面；其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1左面；其中，上述约束条件确保同一闸室船舶2在船舶1右面；其中，上述约束条件可以通过阶跃函数转换成单一约束；上述约束条件描述变量的类型和范围具体为：s∈s表示船舶集合，表示船闸集合，d
s
＝{d
s,1
,...d
s,n
}表示船舶通过每个航段的距离集合，v
s
＝{v
s,1
,...v
s,n
}表示船舶航行在每个航段的速度集合，c＝{1,...c
l
}表示闸室集合，k＝{1,...k}表示船闸闸次集合，对于每个l∈l,etas,etds船舶过闸计划期内，计划到达第一个船闸时间和计划离开最后一个船闸的时间，t
l
表示每个船闸闸室的处理时间，t
l
表示每个船闸作业时间间隔，ε
max
表示船舶极限待闸时间，η表示闸室面积利用弹性系数，闸室的面积在实际编排过程中不能完全利用，这里的弹性系数是介于(0，1)之间的一个小数w
c
，l
c
，
s
c
，d
c
表示l船闸c闸室的长、宽、面积、水深c＝1,2,
…
c，l
i
，w
i
，s
i
，d
i
表示第i艘船舶的长、宽、面积、吃水，x
s,l,c,k
,y
s,l,c,k
表示船舶s在船闸l的c闸室的第k闸次中的横纵坐标值，δ(l,c,k)表示l船闸的c闸室第k闸次的开始时间，δ(l,c,k)≥0，4.根据权利要求1所述的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，所述对建立的内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型进行求解，包括：初始化模型参数；根据内河干支流航道网多船闸要素，生成初始闸次时间表；根据内河干支流航道网多船闸要素，进行上下游方向闸次交替判断；根据内河干支流航道网多船闸要素，对闸室进行排挡和调度。5.根据权利要求4所述的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，所述初始化模型参数，包括：干支流航道信息、船闸数量、船闸类型、闸室操作时间、闸室最小间隔时间、倒闸时间间隔。6.根据权利要求4所述的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，所述根据内河干支流航道网多船闸要素，生成初始闸次时间表，包括：为了减少解决方案的空间，从而减少闸次优化问题的复杂性，给定一个固定的闸次开闸时间表；对于每个独立闸室，闸次是连续的，这样两个闸次之间没有空闲时间，并且闸次需要在上游和下游之间交替进行；此外，每个闸室第一个闸次的开始时间均匀的分布在间隔[0,t
l
]；因此，每个方向上的每个船闸都有一个闸室，闸次作业时间进程用t
l*
＝2t
l
/c
l
计算；形式上，k
l
＝[time_max]/t
l*
表示每个船闸每个方向的最大闸次数量；将定义为船闸l上游或下游方向上第k闸次的开始时间，按以下方式确定：δ(l,k,up)＝2kt
l*
δ(l,k,down)＝2(k+1)t
l*
；根据船舶预计到闸时间eta
s
判断初始闸次时间表是否满足约束，删除不满足约束的初始闸次时间表，减少开闸次数同时提高效率。7.根据权利要求4所述的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，所述根据内河干支流航道网多船闸要素，进行上下游方向闸次交替判断，包括：同闸室闸次均衡约束，保证相邻闸次最小时间间隔，上下游闸次交替使用；一个计划期内，满足8.根据权利要求4所述的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，所述根据内河干支流航道网多船闸要素，对闸室进行排挡和调度，包括：考虑闸室对船舶的空间约束、同闸次船舶之间的空间约束，对闸室进行排挡和调度。9.根据权利要求1所述的协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，其特征在于，所述根据求解结果，提供船舶通过内河干支流航道网区域多船闸的最优调度方案，包括：根据船舶过闸路线和申请过闸时刻和内河干支流航道网多船闸联合调度模型求解生成最优调度方案，具体包括：具体每个闸次的开始时间和通过船舶的集合、为船舶分配的具体闸室、确定船舶在闸室中的停泊位置。

技术总结
本发明提供一种协调内河干支流航道网区域多船闸联合调度方法，包括获取内河干支流航道网多船闸要素信息；基于获取的内河干支流航道网多船闸要素信息，建立内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型；对建立的内河干支流航道网区域船闸联合调度的混合整数线性规划模型进行求解；根据求解结果，提供船舶通过内河干支流航道网区域多船闸的最优调度方案。本发明充分考虑内河干支流航道纵横交错的地理特征和船闸分布密集等特点，从全局调度的角度建立模型，更符合实际情况，解决了内河干支流航道网区域多船闸联合调度不统一、不协调的问题，为船闸运调管理部门提供船舶过闸计划的辅助决策，大大改善以往仅依靠人工经验的低效调度模式。人工经验的低效调度模式。人工经验的低效调度模式。


技术研发人员：张新宇 王昊 郭文强 李元奎 姜玲玲 李润佛 木孟锋
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/6