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基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法

阅读：767发布：2020-11-30

专利汇可以提供基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于交通运输站场规划设计和管理技术领域，为实现对每个决策主体的微观行为进行具体描述与仿真，能够仿真以具体船期表为边界条件的航道船舶行为，为寻求最佳的航道规划设计和调度方案提供基础的研究支撑。为此，本发明采取的技术方案是基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法，包括下列步骤：1.1元胞的建立：1.2元胞自动机的运行：v(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i艘船第k秒的速度，vmax表示船舶可以行驶的最大速度，d(i,k)表示第i艘船在第k秒时与前一艘船的距离，ls表示船舶的船身长度，x(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的位置，x(i,k)表示第i艘船第k秒的位置；1.3边界条件1）进港船舶的产生2）出港船舶的产生。本发明主要应用于气体检测。，下面是基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法，其特征是，包括下列步骤：
1.1元胞的建立：
将航道用若干元胞表示，结合航道的特点及要求，构建锚地、航道、码头前水域和泊位四类元胞，其中产生的船舶主要在锚地元胞进行手续办理及待泊，航道元胞主要反应具体的船舶行驶规则，船舶的停靠旋回在码头前水域元胞完成，泊位是否空闲、是否有船舶靠泊及船舶装卸的状态都反应在泊位元胞上；
1.2元胞自动机的运行：
以船期表为边界条件生成船舶，生成的船舶到港时到锚地办理手续，之后根据进出港时间规定判断是否为进港，若为进港，再由该船要停泊位判断是否可停靠，若该泊位空闲则该船可以离开锚地进入航道，否则在锚地排队等待，进入航道的船舶行驶到指定泊位，在泊位元胞进行装卸作业及手续办理，满足出港条件后又离开泊位元胞进入航道元胞，最后驶离港口；
1）正常天气下的运行规则
（1）锚地元胞规则：船舶以船期表为边界条件产生后出现在锚地元胞上，办完手续后若满足进港条件则船舶在锚地元胞消失，出现在航道元胞，否则继续占有锚地元胞等待合适的进港条件；
（2）航道的更新规则
v(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i艘船第k秒的速度，vmax表示船舶可以行驶的最大速度，d(i,k)表示第i艘船在第k秒时与前一艘船的距离，ls表示船身的长度，x(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的位置，x(i,k)表示第i艘船第k秒的位置；
①加速：v(i,k+1)=min(v(i,k)+1,vmax)；表明船舶期望以最大速度在道路上行驶；
②减速：v(i,k+1)=min(v(i,k),d(i,k)-6×ls)；即船舶为避免和前车发生碰撞而采取减速措施；这里有个安全距离，即时刻保证相邻两船间的距离不小于六倍的船长；
③会遇：按照优先级客轮优于集装箱船舶优于矿石船舶优于油轮、煤船优于杂货的原则，优先级低的船舶在会遇处的缓冲区等待，将航道让给优先级较高的船舶；
④随机慢化：v(i,k+1)=max(v(i,k)-1,0)；反映现实中由各种不确定因素，包括天气因素、司机心理状态因素、航道调度以及航道水面状况的因素造成的船舶减速；
⑤位置更新：x(i,k+1)=x(i,k)+v(i,k+1)；即船舶按照调整后的速度向前行驶，进入下一个仿真步；
（3）码头水域规则：对于进港船舶，船舶由航道元胞进入码头水域元胞后，船速减少，在拖轮的协助下逐渐靠泊；对于出港船舶，在拖轮的协助下，船速从0逐渐增加，完成转头等工作后进入航道元胞；
（4）泊位规则：对于有船舶进行装卸作业的泊位，泊位元胞被占有，状态为0，锚地中该泊位的船舶不能进港，需要继续在锚地等待；否则元胞状态为1，可以将在锚地等待的船舶分配给该泊位；
（5）船舶特性规则：包括集装箱船、煤船、矿石船、油轮和杂货船五类船型，各类型船舶的具体规则见下表：
表1船舶类型参数表
2）非正常天气的运行规则
（1）轻雾天气
①轻雾天气时由于视距的原因，锚地中船舶的等待时间会有相应的增加；
②轻雾天气时，减速规则变为v(i,k+1)=min(v(i,k),d(i,k)-8×ls)；即安全距离增加为八倍的船长；
③轻雾天气时泊位元胞中的船舶装卸时间会加长，具体变化见下表：
表2船舶装卸时间表
（2）重雾和暴雨天气
重雾和暴雨天气时绝大多数船舶都不能进出港；
（3）潮落
如遇落潮时，特大型船舶不能进出港，其他船舶根据具体吃水深度有选择的进出港口；
1.3边界条件
1）进港船舶的产生
进港的船舶是根据船期表中列出的某一特定的船舶的产生时间来产生，产生的船舶就会进入锚地元胞进行手续办理的工作，之后根据船舶类型及泊位等待合适的航道条件，当有空闲泊位，安全距离和进港时间均满足条件时，船舶就会进入航道元胞；
2）出港船舶的产生
出港的船舶根据泊位元胞的记录状态，当目标泊位元胞状态为0，同时该泊位出的船舶已经完成装卸等工作处于等待航道的状态时，此时航道也满足安全距离，该泊位的船舶就会出现在航道上，同时泊位元胞的状态变为1。
2.如权利要求1所述的基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法，其特征是，将基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真结果应用于航道规划设计优化。
3.如权利要求1所述的基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法，其特征是，
1）锚地元胞
锚地元胞是一系列长为50米数量很大的元胞构成，并且假设该锚地满足水深、容量的要求，船舶类型按照所占元胞个数及标记区分，元胞记录该船舶的状态；具体过程为：以船期表为边界条件产生的船舶全部进入锚地排队办理手续，办完手续的船舶在未达到进港条件时会继续在锚地待泊，锚地元胞记录船舶的停泊状态及停靠时间，一旦满足进港条件，船舶就会在锚地元胞消失，出现在航道元胞上；因此锚地元胞没有船舶的行驶规则；
2）航道元胞
航道具体包括主航道和北支航道，其中主航道按照有无泊位分为两段进行仿真，设定每个元胞长度为50米，仿真了具有160个元胞8000米长的无泊位主航道和具有110个元胞5500米长的有泊位主航道以及具有110个元胞5500米长的北支航道，船舶的最大行驶速度为27000m/s，即约为每小时15节；
3）码头前水域元胞
码头前水域元胞主要为船舶停靠和靠离泊旋回提供空间，是一系列虚拟元胞，并假设水深满足船舶旋回调头的要求，当该码头前水域元胞有船舶时，元胞状态记录为0，否则为
1；
4）泊位元胞
泊位元胞是用于船舶靠泊进行装卸作业及手续办理等工作的元胞，也是一系列虚拟元胞，当有船舶经过码头前水域元胞停靠在泊位元胞时元胞记录状态为0，否则为1；根据泊位元胞的状态来判断锚地待泊的船舶是否可以进港。

说明书全文

基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法

技术领域

[0001] 本发明属于交通运输站场规划设计和管理技术领域，特别涉及一种基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法。技术背景

[0002] 航道是船舶进出港口的通道，其规划设计容量及其管理水平决定了港口的能力与水平，成为港口发展的主要瓶颈之一。特别是对于有泥沙沉积、业务量大的港口，航道建设、运营维护资金巨大，如何针对具体港口业务量及其发展趋势，规划设计合理规模的港口航道，并在具体运营管理过程中，利用已有航道进行优化调度，成为交通规划与管理相关人员所关心的问题。而其核心及其基础工作是包括模拟仿真在内的航道运行交通流模型的建立。

[0003] 港口航道交通流模型的研究较少，主要分为三部分：一是宏观模型，如Mavrakis和Kontinakis在2008年针对对博斯普鲁斯海峡建立了海上交通的排队论解析模型，且未考虑船长和领航员的行为对交通流的影响。二是采用传统微观仿真方法，不涉及元胞自动机模型，如陈沈阳应用海上交通工程方法研究了交通流的生成与发展规律以及交通网络的时空分布，提出港口航道交通流的仿真模型，它随机产生船舶和航线，与实际船舶在航道航行十分相似，但并未虑天气因素等一些实际情况的影响，仿真模型刻画不细致；叶铂提出了一种基于MAS的船舶交通流仿真模型，模拟了单一船舶躲避障碍物的运动状态，增加了回避静态障碍物的回避力，较全面的分析了个体船舶运动过程中控制其运动方向的几个力，但该研究针对船舶交通流运行的几个简单情况进行了分析，并且缺乏对船舶航行影响因素的考虑。三是仅有的两篇采用元胞自动机对港口航道进行研究的文献，陈健等采用元胞自动机和排队论相结合的数学模型研究一维单行航道港口交通流问题，仅针对单行航道简单模拟出船舶航行的一般状态，未考虑多通航方式，不符合实际情况；周锋等利用元胞自动机初步建立基于船舶行为特征和船舶到达规律的港口水域船舶交通流演化仿真模型，但该仿真中对于水流、气候等因素的影响没有充分考虑，加上运行规则上船舶的动态调配不灵活，影响航道的使用率。

[0004] 从已有相关文献阅读分析可知，针对港口航道模型已有技术具有以下特点：

[0005] （1）一些研究采用传统交通流排队论模型，太宏观，无法描述航道交通流复杂的非线性行为，无法为具体港口航道规划管理特别是针对具体船期表情况下的航道管理提供更加科学的决策支持。

[0006] （2）已有的大部分港口航道交通流微观仿真没有采用元胞自动机模型，受方针手段与工具所限，不能更加细致刻画船舶航行所面临的不确定性。

[0007] （3）现有的两篇采用元胞自动机对港口航道进行的研究，有的仅限于单一航道，假设较多，如偏重于对简单特定的交通流特性的分析，许多实际情况没有考虑，如单一船舶类型；虽然提及了天气因素，但天气以及水流等影响因素对船舶行驶特性的影响没有在所建立的模型中具体体现出来；船舶的动态调配不灵活，航道使用率低，无法细致刻画实际情况中的船舶行驶与停靠情况。

发明内容

[0008] 为克服现有技术的不足，本发明旨实现对每个决策主体的微观行为进行具体描述与仿真，能够仿真以具体船期表为边界条件的航道船舶行为，充分考虑每个船舶由于自身特性的不同造成运行规则的变动以及各种天气状况及潮涨潮落对航道通航的影响，从而获得更贴近实际情况的仿真数据，使得对航道船舶行为研究更加深入，为寻求最佳的航道规划设计和调度方案提供基础的研究支撑。为此，本发明采取的技术方案是基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法，包括下列步骤：

[0009] 1.1元胞的建立：

[0010] 将航道用若干元胞表示，结合航道的特点及要求，构建锚地、航道、码头前水域和泊位四类元胞，其中产生的船舶主要在锚地元胞进行手续办理及待泊，航道元胞主要反应具体的船舶行驶规则，船舶的停靠旋回在码头前水域元胞完成，泊位是否空闲、是否有船舶靠泊及船舶装卸的状态都反应在泊位元胞上；

[0011] 1.2元胞自动机的运行：

[0012] v(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i艘船第k秒的速度，vmax表示船舶可以行驶的最大速度，d(i,k)表示第i艘船在第k秒时与前一艘船的距离，ls表示船舶的船身长度，x(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的位置，x(i,k)表示第i艘船第k秒的位置；

[0013] 以船期表为边界条件生成船舶，生成的船舶到港时到锚地办理手续，之后根据进出港时间规定判断是否为进港，若为进港，再由该船要停泊位判断是否可停靠，若该泊位空闲则该船可以离开锚地进入航道，否则在锚地排队等待，进入航道的船舶行驶到指定泊位，在泊位元胞进行装卸作业及手续办理，满足出港条件后又离开泊位元胞进入航道元胞，最后驶离港口；

[0014] 1）正常天气下的运行规则

[0015] （1）锚地元胞规则：船舶以船期表为边界条件产生后出现在锚地元胞上，办完手续后若满足进港条件则船舶在锚地元胞消失，出现在航道元胞，否则继续占有锚地元胞等待合适的进港条件；

[0016] （2）航道的更新规则

[0017] ①加速：v(i,k+1)=min(v(i,k)+1,vmax)；表明船舶期望以最大速度在道路上行驶；

[0018] ②减速：v(i,k+1)=min(v(i,k),d(i,k)-6×ls)；即船舶为避免和前车发生碰撞而采取减速措施。这里有个安全距离，即时刻保证相邻两船间的距离不小于六倍的船长；

[0019] ③会遇：按照优先级客轮优于集装箱船舶优于矿石船舶优于油轮、煤船优于杂货的原则，优先级低的船舶在会遇处的缓冲区等待，将航道让给优先级较高的船舶；

[0020] ④随机慢化：v(i,k+1)=max(v(i,k)-1,0)；反映现实中由各种不确定因素，包括天气因素、司机心理状态因素、航道调度以及航道水面状况的因素造成的船舶减速；

[0021] ⑤位置更新：x(i,k+1)=x(i,k)+v(i,k+1)；即船舶按照调整后的速度向前行驶，进入下一个仿真步；

[0022] （3）码头水域规则：对于进港船舶，船舶由航道元胞进入码头水域元胞后，船速减少，在拖轮的协助下逐渐靠泊。对于出港船舶，在拖轮的协助下，船速从0逐渐增加，完成转头等工作后进入航道元胞；

[0023] （4）泊位规则：对于有船舶进行装卸作业的泊位，泊位元胞被占有，状态为0，锚地中该泊位的船舶不能进港，需要继续在锚地等待。否则元胞状态为1，可以将在锚地等待的船舶分配给该泊位；

[0024] （5）船舶特性规则：包括集装箱船、煤船、矿石船、油轮和杂货船五类船型，各类型船舶的具体规则见下表：

[0025] 表1船舶类型参数表

[0026]

[0027] 2）非正常天气的运行规则

[0028] （1）轻雾天气

[0029] ①轻雾天气时由于视距的原因，锚地中船舶的等待时间会有相应的增加；

[0030] ②轻雾天气时，减速规则变为v(i,k+1)=min(v(i,k),d(i,k)-8×ls)；即安全距离增加为八倍的船长。

[0031] ③轻雾天气时泊位元胞中的船舶装卸时间会加长，具体变化见下表：

[0032] 表2船舶装卸时间表

[0033]船型正常天气的装卸时间（h）轻雾天气的装卸时间（h）
100000DWT集装箱船 12 14
10000DWT集装箱船 7 9
150000DWT煤船 24 27
100000DWT煤船 12 15
200000DWT矿石船 24 27
1000DWT油轮 7 9
1000DWT杂货船 7 9

[0034] （2）重雾和暴雨天气

[0035] 重雾和暴雨天气时绝大多数船舶都不能进出港；

[0036] （3）潮落

[0037] 如遇落潮时，特大型船舶不能进出港，其他船舶根据具体吃水深度有选择的进出港口；

[0038] 1.3边界条件

[0039] 1）进港船舶的产生

[0040] 进港的船舶是根据船期表中列出的某一特定的船舶的产生时间来产生，产生的船舶就会进入锚地元胞进行手续办理的工作，之后根据船舶类型及泊位等待合适的航道条件，当有空闲泊位，安全距离和进港时间均满足条件时，船舶就会进入航道元胞；

[0041] 2）出港船舶的产生

[0042] 出港的船舶根据泊位元胞的记录状态，当目标泊位元胞状态为0，同时该泊位出的船舶已经完成装卸等工作处于等待航道的状态时，此时航道也满足安全距离，该泊位的船舶就会出现在航道上，同时泊位元胞的状态变为1。

[0043] 基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法获得的结果应用于航道规划设计优化。

[0044] 1）锚地元胞

[0045] 锚地元胞是一系列长为50米数量很大的元胞构成，并且假设该锚地满足水深、容量的要求，船舶类型按照所占元胞个数及标记区分，元胞记录该船舶的状态；具体过程为：以船期表为边界条件产生的船舶全部进入锚地排队办理手续，办完手续的船舶在未达到进港条件时会继续在锚地待泊，锚地元胞记录船舶的停泊状态及停靠时间，一旦满足进港条件，船舶就会在锚地元胞消失，出现在航道元胞上。因此锚地元胞没有船舶的行驶规则；

[0046] 2）航道元胞

[0047] 航道具体包括主航道和北支航道，其中主航道按照有无泊位分为两段进行仿真，设定每个元胞长度为50米，仿真了具有160个元胞8000米长的无泊位主航道和具有110个元胞5500米长的有泊位主航道以及具有110个元胞5500米长的北支航道，船舶的最大行驶速度为27000m/s，即约为每小时15节；

[0048] 3）码头前水域元胞

[0049] 码头前水域元胞主要为船舶停靠和靠离泊旋回提供空间，是一系列虚拟元胞，并假设水深满足船舶旋回调头的要求，当该码头前水域元胞有船舶时，元胞状态记录为0，否则为1；

[0050] 4）泊位元胞

[0051] 泊位元胞是用于船舶靠泊进行装卸作业及手续办理等工作的元胞，也是一系列虚拟元胞，当有船舶经过码头前水域元胞停靠在泊位元胞时元胞记录状态为0，否则为1；根据泊位元胞的状态来判断锚地待泊的船舶是否可以进港。

[0052] 本发明具备下列技术效果：

[0053] 1）在此之前针对港口航道的研究，大多是宏观层面，部分研究采用数学模型对航道进行模拟，但由于数学模型的局限性，无法细致刻画港口航道的实际运转情况，且结果并不符合实际情况。采用的仿真平台也大部分为仿真软件，符合实际情况的微观仿真较少，无法实现Agent多决策主体模型的建立。本发明利用元胞自动机模型，从泊位、港口航道、船型等多主体仿真，使各个部分有效地连接在一起，采用船期表为边界条件生成船舶，强调不同船型，天气条件及涨落潮等对港口航道交通的重要影响，得出的仿真结果更加符合实际情况。

[0054] 2）本发明的研究具有很高的利用价值，从港口单、双航道对交通的需求，港口航道的调度方案以及港口航道应急管理等三个方面进行优化，通过对比船舶等待时间以及排队长度等指标，为港口航道的调度提供指导以及依据，确定出合理的管理方案，保证港口航道的高效利用以及船舶进出港的优化调度。

[0055] 3）本发明所研究的内容，不但能为港口单、双航道的优化提供决策依据，还能为港口航道规划设计及调度提供依据，可以更好地运用到实际中。附图说明

[0056] 图1基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真系统基本框架。

[0057] 图2锚地待泊模块作业流程图。

[0058] 图3单航道模块作业流程图。

[0059] 图4双航道模块作业流程图。

[0060] 图5船舶停靠与离开模块。

[0061] 图6船舶到达锚地及在锚地消失规则。

[0062] 图7泊位有无船舶装卸规则。

[0063] 图8天津港航道示意图。

[0064] 图9代表泊位具体位置示意图。

[0065] 图10每天进入航道船数量为60艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0066] 图11每天进入航道船数量为70艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0067] 图12每天进入航道船数量为80艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0068] 图13每天进入航道船数量为90艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0069] 图14每天进入航道船数量为100艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0070] 图15每天进入航道船数量为60艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0071] 图16每天进入航道船数量为70艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0072] 图17每天进入航道船数量为80艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0073] 图18每天进入航道船数量为90艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0074] 图19每天进入航道船数量为100艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0075] 图20单航道平均每艘船的时间。

[0076] 图21单航道船舶排队长度。

[0077] 图22每天进入航道船数量为140艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0078] 图23每天进入航道船数量为160艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0079] 图24每天进入航道船数量为180艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0080] 图25每天进入航道船数量为200艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0081] 图26每天进入航道船数量为220艘时，船舶进港的时空斑点图。

[0082] 图27每天进入航道船数量为140艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0083] 图28每天进入航道船数量为160艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0084] 图29每天进入航道船数量为180艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0085] 图30每天进入航道船数量为200艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0086] 图31每天进入航道船数量为220艘时，船舶出港的时空斑点图。

[0087] 图32双航道每天平均每艘船的时间。

[0088] 图33双航道每小时的排队长度。

[0089] 图34方案一船舶进港时空斑点图。

[0090] 图35方案二船舶进港时空斑点图。

[0091] 图36方案三船舶进港时空斑点图。

[0092] 图37方案一船舶出港时空斑点图。

[0093] 图38方案二船舶出港时空斑点图。

[0094] 图39方案三船舶出港时空斑点图。

[0095] 图40轻雾情况下，船舶进港的时空斑点图。

[0096] 图41轻雾情况下，船舶出港的时空斑点图。

具体实施方式

[0097] 本发明采取的技术方案是基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法，包括下列步骤：

[0098] 1.1元胞的建立：

[0099] 本专利将天津港航道用若干元胞表示，结合航道的特点及要求，构建锚地、航道、码头前水域和泊位四类元胞，其中产生的船舶主要在锚地元胞进行手续办理及待泊，航道元胞主要反应具体的船舶行驶规则，船舶的停靠旋回在码头前水域元胞完成，泊位是否空闲、是否有船舶靠泊及船舶装卸的状态都反应在泊位元胞上。

[0100] 1）锚地元胞

[0101] 锚地元胞是一系列长为50米数量很大的元胞构成，并且假设该锚地满足水深、容量的要求。船舶类型按照所占元胞个数及标记区分，元胞记录该船舶的状态。具体过程为：以船期表为边界条件产生的船舶全部进入锚地排队办理手续，办完手续的船舶在未达到进港条件时会继续在锚地待泊，锚地元胞记录船舶的停泊状态及停靠时间，一旦满足进港条件，船舶就会在锚地元胞消失，出现在航道元胞上。因此锚地元胞没有船舶的行驶规则。

[0102] 2）航道元胞

[0103] 航道具体包括主航道和北支航道，其中主航道按照有无泊位分为两段进行仿真。设定每个元胞长度为50米，仿真了具有160个元胞8000米长的无泊位主航道和具有110个元胞5500米长的有泊位主航道以及具有110个元胞5500米长的北支航道。船舶的最大行驶速度为27000m/s，即约为每小时15节。

[0104] 3）码头前水域元胞

[0105] 码头前水域元胞主要为船舶停靠和靠离泊旋回提供空间，是一系列虚拟元胞，并假设水深满足船舶旋回调头的要求。当该码头前水域元胞有船舶时，元胞状态记录为0，否则为1。

[0106] 4）泊位元胞

[0107] 泊位元胞是用于船舶靠泊进行装卸作业及手续办理等工作的元胞，也是一系列虚拟元胞，当有船舶经过码头前水域元胞停靠在泊位元胞时元胞记录状态为0，否则为1。根据泊位元胞的状态来判断锚地待泊的船舶是否可以进港。

[0108] 1.2元胞自动机的运行：

[0109] 以船期表为边界条件生成船舶，生成的船舶到港时到锚地办理手续，之后根据进出港时间规定判断是否为进港，若为进港，再由该船要停泊位判断是否可停靠，若该泊位空闲则该船可以离开锚地进入航道，否则在锚地排队等待，进入航道的船舶行驶到指定泊位，在泊位元胞进行装卸作业及手续办理，满足出港条件后又离开泊位元胞进入航道元胞，最后驶离港口。

[0110] 1）正常天气下的运行规则

[0111] （1）锚地元胞规则：船舶以船期表为边界条件产生后出现在锚地元胞上，办完手续后若满足进港条件则船舶在锚地元胞消失，出现在航道元胞，否则继续占有锚地元胞等待合适的进港条件。

[0112] （2）航道的更新规则

[0113] ①加速：v(i,k+1)=min(v(i,k)+1,vmax)；表明船舶期望以最大速度在道路上行驶。

[0114] ②减速：v(i,k+1)=min(v(i,k),d(i,k)-6×ls)；即船舶为避免和前车发生碰撞而采取减速措施。这里有个安全距离，即时刻保证相邻两船间的距离不小于六倍的船长。

[0115] ③会遇：按照优先级客轮优于集装箱船舶优于矿石船舶优于油轮、煤船优于杂货的原则，优先级低的船舶在会遇处的缓冲区等待，将航道让给优先级较高的船舶。

[0116] ④随机慢化：v(i,k+1)=max(v(i,k)-1,0)；反映现实中由各种不确定因素（比如天气因素、司机心理状态因素、航道调度以及航道水面状况等因素）造成的船舶减速。

[0117] ⑤位置更新：x(i,k+1)=x(i,k)+v(i,k+1)；即船舶按照调整后的速度向前行驶，进入下一个仿真步。

[0118] （3）码头水域规则：对于进港船舶，船舶由航道元胞进入码头水域元胞后，船速减少，在拖轮的协助下逐渐靠泊。对于出港船舶，在拖轮的协助下，船速从0逐渐增加，完成转头等工作后进入航道元胞。

[0119] （4）泊位规则：对于有船舶进行装卸作业的泊位，泊位元胞被占有，状态为0，锚地中该泊位的船舶不能进港，需要继续在锚地等待。否则元胞状态为1，可以将在锚地等待的船舶分配给该泊位。

[0120] （5）船舶特性规则：本专利主要研究集装箱船、煤船、矿石船、油轮和杂货船五类船型，各类型船舶的具体规则见下表：

[0121] 表1船舶类型参数表

[0122]

[0123]

[0124] 2）非正常天气的运行规则

[0125] （1）轻雾天气

[0126] ①轻雾天气时由于视距的原因，锚地中船舶的等待时间会有相应的增加。

[0127] ②轻雾天气时，减速规则变为v(i,k+1)=min(v(i,k),d(i,k)-8×ls)；即安全距离增加为八倍的船长。

[0128] ③轻雾天气时泊位元胞中的船舶装卸时间会加长，具体变化见下表：

[0129] 表2船舶装卸时间表

[0130]船型正常天气的装卸时间（h）轻雾天气的装卸时间（h）
100000DWT集装箱船 12 14
10000DWT集装箱船 7 9
150000DWT煤船 24 27
100000DWT煤船 12 15
200000DWT矿石船 24 27
1000DWT油轮 7 9
1000DWT杂货船 7 9

[0131] （2）重雾和暴雨天气

[0132] 重雾和暴雨天气时绝大多数船舶都不能进出港。

[0133] （3）潮落

[0134] 如遇落潮时，特大型船舶不能进出港，其他船舶根据具体吃水深度有选择的进出港口。

[0135] 1.3边界条件

[0136] 1）进港船舶的产生

[0137] 进港的船舶是根据船期表中列出的某一特定的船舶的产生时间来产生，产生的船舶就会进入锚地元胞进行手续办理的工作，之后根据船舶类型及泊位等待合适的航道条件，当有空闲泊位，安全距离和进港时间均满足条件时，船舶就会进入航道元胞。

[0138] 2）出港船舶的产生

[0139] 出港的船舶根据泊位元胞的记录状态，当目标泊位元胞状态为0，同时该泊位出的船舶已经完成装卸等工作处于等待航道的状态时，此时航道也满足安全距离，该泊位的船舶就会出现在航道上，同时泊位元胞的状态变为1。

[0140] 下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

[0141] 1.1仿真系统基本框架

[0142] 基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真系统基本框架见图1所示，图中黑色箭头表示进港，红色箭头表示出港。以船舶时刻表为边界条件，确定船舶是否生成和生成船舶的类型及所属泊位，然后生成的船舶进入锚地待泊模块，进行手续办理等工作并待泊，到合适的进港条件时进入到航道模块，完成船舶的位置更新，之后船舶行驶到特定泊位完成停靠工作，有些船舶会先进行装卸作业及辅助作业，然后办理手续，有些则先办理手续，再进行装卸及辅助作业。这两项工作都进行完后，船舶等待合适的出港条件。满足合适的通航条件时船舶驶离泊位进入航道，到航道模块，按照运行规则最后离开港口。

[0143] 锚地待泊模块作业流程图见图2，依照船期表生成的船舶行驶抵达锚地排队停船，根据船舶类型判断下一步流程，若为国际船舶则对此船舶进行海关、卫生防疫与商检的工作，然后进入锚地等待，若为国内船舶则不需检查直接在锚地等待，按照排队顺序逐个判断是否满足合适的通航条件，当满足时起锚进入航道，否则继续在锚地等待。

[0144] 单航道模块作业流程图见图3，对于单向航道，进港和出港必须分开进行。当为进港时间时，按照在锚地排队的顺序，判断等待船舶的类型，根据船型判断其特定泊位是否空闲，有空闲泊位时给该船舶分配特定泊位，同时又满足安全距离，船舶就进入航道，否则，继续在锚地等待合适进港条件。进入航道的船舶按照航道模块的运行规则，到达指定泊位，此时驶离航道，进入泊位水域停船，之后进行船舶装卸作业、辅助作业及手续办理等工作，以上工作完成后等待出港时间，到出港时间时主航道上又没有进港船舶而次航道没有进港船舶或者进港船舶满足非空泊位中船舶的出港条件时，非空泊位中船舶出现在航道上，然后在航道模块中继续行驶到离港消失。

[0145] 双航道模块作业流程图见图4，对于双向航道船舶可以同时进出港。按照在锚地排队的顺序逐个判断船舶类型，根据船舶类型搜索该类船是否有空泊位，若有空泊位则给该船舶分配特定泊位，此时如又满足安全间距，则该船舶驶入进港航道，否则在锚地继续等待合适通航条件。驶入进港航道的船舶按照航道模块的运行规则，运行至指定泊位，然后停靠并进行辅助作业、装卸作业及手续办理工作。完成以上工作后，若出港航道满足安全间距，则船舶驶入出港航道，进入航道模块，按照运行规则船舶驶离港口。

[0146] 船舶停靠与离开模块见图5，在航道上的船舶行驶至其指定泊位附近时，船舶驶离航道进入码头水域，然后驶入泊位水域，在拖轮的推压作用下使船舶靠泊，此时船舶抛锚系缆使船舶固定，之后放缆桥，进行辅助、装卸作业及手续办理工作，完成以上工作后若航道满足合适的出港条件时，船舶收缆桥，解缆并收锚，在拖轮的拽拉作用下使船舶离泊，船舶离开泊位水域，进入航道水域。

[0147] 1.2元胞自动机模型的建立

[0148] 1.2.1元胞的建立

[0149] 本专利将天津港航道用若干元胞表示，结合航道的特点及要求，构建锚地、航道、码头前水域和泊位四类元胞，其中产生的船舶主要在锚地元胞进行手续办理及待泊，航道元胞主要反应具体的船舶行驶规则，船舶的停靠旋回在码头前水域元胞完成，泊位是否空闲、是否有船舶靠泊及船舶装卸的状态都反应在泊位元胞上。

[0150] 1）锚地元胞

[0151] 锚地元胞是一系列长为50米数量很大的元胞构成，并且假设该锚地满足水深、容量的要求。船舶类型按照所占元胞个数及标记区分，元胞记录该船舶的状态。具体过程为：驶来的船舶全部进入锚地排队办理手续，办完手续的船舶在未达到进港条件时会继续在锚地待泊，锚地元胞记录船舶的停泊状态及停靠时间，一旦满足进港条件，船舶就会在锚地元胞消失，出现在航道元胞上。因此锚地元胞没有船舶的行驶规则。

[0152] 2）航道元胞

[0153] 航道具体包括主航道和北支航道，其中主航道按照有无泊位分为两段进行仿真。设定每个元胞长度为50米，仿真了具有160个元胞8000米长的无泊位主航道和具有110个元胞5500米长的有泊位主航道以及具有110个元胞5500米长的北支航道。船舶的最大行驶速度为27000m/s，即约为每小时15节。

[0154] 3）码头前水域元胞

[0155] 码头前水域元胞主要为船舶停靠和靠离泊旋回提供空间，是一系列虚拟元胞，并假设水深满足船舶旋回调头的要求。当该码头前水域元胞有船舶时，元胞状态记录为0，否则为1。

[0156] 4）泊位元胞

[0157] 泊位元胞是用于船舶靠泊进行装卸作业及手续办理等工作的元胞，也是一系列虚拟元胞，当有船舶经过码头前水域元胞停靠在泊位元胞时元胞记录状态为0，否则为1。根据泊位元胞的状态来判断锚地待泊的船舶是否可以进港。

[0158] 1.2.2元胞自动机的运行

[0159] 以船期表为边界条件生成船舶，生成的船舶到港时到锚地办理手续，之后根据进出港时间规定判断是否为进港，若为进港，再由该船要停泊位判断是否可停靠，若该泊位空闲则该船可以离开锚地进入航道，否则在锚地排队等待，进入航道的船舶行驶到指定泊位，在泊位元胞进行装卸作业及手续办理，满足出港条件后又离开泊位元胞进入航道元胞，最后驶离港口。

[0160] 1）正常天气下的运行规则

[0161] （1）锚地元胞规则：船舶以船期表为边界条件产生后出现在锚地元胞上，办完手续后若满足进港条件则船舶在锚地元胞消失，出现在航道元胞，否则继续占有锚地元胞等待合适的进港条件。

[0162] （2）航道的更新规则

[0163] ①加速：v(i,k+1)=min(v(i,k)+1,vmax)；表明船舶期望以最大速度在道路上行驶。

[0164] ②减速：v(i,k+1)=min(v(i,k),d(i,k)-6×ls)；即船舶为避免和前车发生碰撞而采取减速措施。这里有个安全距离，即时刻保证相邻两船间的距离不小于六倍的船长。

[0165] ③会遇：按照优先级客轮优于集装箱船舶优于矿石船舶优于油轮、煤船优于杂货的原则，优先级低的船舶在会遇处的缓冲区等待，将航道让给优先级较高的船舶。

[0166] ④随机慢化：v(i,k+1)=max(v(i,k)-1,0)；反映现实中由各种不确定因素（比如天气因素、司机心理状态因素、航道调度以及航道水面状况等因素）造成的船舶减速。

[0167] ⑤位置更新：x(i,k+1)=x(i,k)+v(i,k+1)；即船舶按照调整后的速度向前行驶，进入下一个仿真步。

[0168] v(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i艘船第k秒的速度，vmax表示船舶可以行驶的最大速度，d(i,k)表示第i艘船在第k秒时与前一艘船的距离，ls表示船舶的船身长度，x(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的位置，x(i,k)表示第i艘船第k秒的位置。

[0169] （3）码头水域规则：对于进港船舶，船舶由航道元胞进入码头水域元胞后，船速减少，在拖轮的协助下逐渐靠泊。对于出港船舶，在拖轮的协助下，船速从0逐渐增加，完成转头等工作后进入航道元胞。

[0170] （4）泊位规则：对于有船舶进行装卸作业的泊位，泊位元胞被占有，状态为0，锚地中该泊位的船舶不能进港，需要继续在锚地等待。否则元胞状态为1，可以将在锚地等待的船舶分配给该泊位。

[0171] （5）船舶特性规则：本专利主要研究集装箱船、煤船、矿石船、油轮和杂货船五类船型，各类型船舶的具体规则见下表：

[0172] 表1船舶类型参数表

[0173]

[0174] 2）非正常天气的运行规则

[0175] （1）轻雾天气

[0176] ①轻雾天气时由于视距的原因，锚地中船舶的等待时间会有相应的增加。

[0177] ②轻雾天气时，减速规则变为v(i,k+1)=min(v(i,k),d(i,k)-8×ls)；即安全距离增加为八倍的船长。

[0178] ③轻雾天气时泊位元胞中的船舶装卸时间会加长，具体变化见下表：

[0179] 表2船舶装卸时间表

[0180]船型正常天气的装卸时间（h）轻雾天气的装卸时间（h）
100000DWT集装箱船 12 14
10000DWT集装箱船 7 9
150000DWT煤船 24 27
100000DWT煤船 12 15
200000DWT矿石船 24 27
1000DWT油轮 7 9
1000DWT杂货船 7 9

[0181] （2）重雾和暴雨天气

[0182] 重雾和暴雨天气时绝大多数船舶都不能进出港。

[0183] （3）潮落

[0184] 如遇落潮时，特大型船舶不能进出港，其他船舶根据具体吃水深度有选择的进出港口。

[0185] 1.2.3边界条件

[0186] 1）进港船舶的产生

[0187] 进港的船舶是根据船期表中列出的某一特定的船舶的产生时间来产生，产生的船舶就会进入锚地元胞进行手续办理的工作，之后根据船舶类型及泊位等待合适的航道条件，当有空闲泊位，安全距离和进港时间均满足条件时，船舶就会进入航道元胞。

[0188] 2）出港船舶的产生

[0189] 出港的船舶根据泊位元胞的记录状态，当目标泊位元胞状态为0，同时该泊位出的船舶已经完成装卸等工作处于等待航道的状态时，此时航道也满足安全距离，该泊位的船舶就会出现在航道上，同时泊位元胞的状态变为1。

[0190] 1.3实验仿真

[0191] 1.3.1实验条件

[0192] 1）天津港航道概况

[0193] 目前，天津港港区的航道主要包括主航道和北支航道，其中仿真时主航道1上无泊位，仅供船舶航行，主航道2和北支航道主要是供各码头泊位船舶进出。见图8所示。

[0194] 表3主航道轴线方位表

[0195]序号航段航道轴线方位
1 里程0+000-7+100 293°53′56.9″～113°53′56.9″
2 里程7+100～13+493 281°04′17.7″～101°04′17.7″
3 里程13+493～23+924 279°38′56.3″～99°38′56.3″
4 里程23+924～36+000 281°04′17.7″～101°04′17.7″
5 里程34+000～44+000 306°04′17.7″～126°04′17.7″

[0196] 2）天津港泊位概况

[0197] 天津港码头共有各类泊位一百余个，生产性泊位约90%左右。码头种类主要包括散杂货码头，油码头，煤码头，集装箱码头，客运码头，滚装船码头等。本文主要选取散杂货码头，油码头，煤码头和集装箱码头进行研究。代表泊位具体位置见图9所示。

[0198] 1.3.2航道规划设计优化实验

[0199] 本专利针对天津港航道的特点，即从航道规划设计角度来确定具体通行能力（每天平均进出航道的最大船数量），包括一个、二个甚至是三个航道，航道不同宽度、水深等的优化值。本研究进行同一水深的一个与二个航道通行能力的比较实验。

[0200] 本文随机产生船（即到达锚地后完成必要手续需要进入航道停靠码头而等待的船，和完成码头作业以及手续办理需要）的数量，其中大小中船各占比例固定。仿真总时长为8000分钟，仿真步长为1min。按照锚地及泊位的初始化状态仿真6000分钟后使锚地、航道及泊位达到一定的工作状态后记录6000分钟到8000分钟的数据，再进行数据的分析。下面分别进行单航道和双航道实验：

[0201] 1）单航道实验

[0202] 表4天津港单航道不同交通需求条件下各性能指标

[0203]

[0204] 由图10-图19的时空斑点图可以看出，随着每天进入航道船舶数量的增加，航道上的船舶总体是一个增加的趋势，在数量为60、70艘时，驶进航道船舶的数量较为稀疏，同时，船舶在交叉口等待驶出的时间也较为短暂；数量为80时较为适中；当大于80后，驶进航道的船舶出现了较多的拥堵状态，同时，在交叉口等待驶出航道的船舶排队数量也较多。

[0205] 由图20和图21可以看出，随着交通需求量的增加，每个指标都是增加的趋势，但是从平均每艘船的占用航道的时间看，每天进入航道的船数量在80左右的时候为最佳值；不难得出结论，在80之前，航道的承载能力并没有得到充分的利用，港口有能力增加更多的业务量，而当每天进入航道的船数量超过80后，航道出现了较多的拥挤状态，造成了船公司的成本增加，不利于业务的开展；同时，从排队长度的合计上可以看出，80艘之前，随着交通需求量的增加，排队长度的总和增加是有限的，但是在80艘之后，排队长度的总和大幅度增加，造成了交通的大量拥挤，不利于航道的高效运行。

[0206] 综上所述，交通需求量在80左右的时候为最佳。

[0207] 2）双航道实验

[0208] 表5天津港双航道不同交通需求条件下各性能指标

[0209]

[0210] 由图10-图19的时空斑点图可以看出，随着每天进入航道船舶数量的增加，航道上的船舶总体是一个增加的趋势，在数量为140、160艘时，驶进航道船舶的数量较为稀疏，船舶位置较为规律且船间距较大，船速较大，同时，出港船舶也较为规律，船间距和速度也较大，在交叉口的等待时间也较为短暂；数量为180时较为适中；当大于180后，驶进航道的船舶船间距明显缩短，从而船速也会降低使船舶占用航道的时间增加，同时，在出港船舶中也有同样现象，在交叉口排队等待的船舶也相应增加。

[0211] 由图32和图33可以看出，在每天进船量小于180艘时，随着进船量的增加，每天平均每艘船的时间却急剧减少，足可以表明双航道的巨大的优势，同时也说明双航道的承载能力还有很大上升空间。当每天进船量超过180艘时，进船量的增加对平均每艘船的时间的减少作用不大，相反，此时每小时的排队长度却大幅度增加，对锚地和泊位都造成一定的压力，不利于航道整体的作业。因此，双航道在每天进船量为180艘时最佳。

[0212] 1.3.3航道调度管理优化实验

[0213] 下面以天津港某一天的具体船期表为例，进行双航道调度管理优化的实验。

[0214] 表6天津港部分船期表注：带*表示特大型船舶

[0215]

[0216]

[0217] 根据上述船期表进行天津港航道微观仿真。由于特大型船舶需占用两个航道，使双航道变单航道，因此针对特大型船舶的处理构思了三个方案。

[0218] 方案一是无特大型船舶时按照双航道的规则进行仿真，一旦遇到特大型船舶需要进港或出港，就将双航道变单航道，尽早实现特大型船舶的停靠及装卸作业，但航道利用率低，同时限制了中小型船舶的进出港。

[0219] 方案二是将特大型船舶单独出来，在两个小时内尽可能的集中特大型船，当特大型船舶数量达到3艘或者时间达到两个小时时，清空出港船舶，变双航道为单航道，这样减少了由于特大型船舶出现而频繁变双航道为单航道的时间，增加了中小型船舶的进出港数量。

[0220] 方案三是在方案二的基础上，将时间调整为三个小时及特大型船舶数量为5艘，从而得出最优的针对特大型船舶的双航道调度方案。

[0221] 表7天津港航道调度管理不同方案各性能指标

[0222]

[0223] 从上表可以看出，改进后的方案码头等待时间大大减少，锚地等待时间也相应降低，从而使平均每艘船的时间有所减少，同时排队长度也有相应的减少。

[0224] 从图34-图39可以看出方案二和方案三的进港的船舶数量较方案一多，船舶的位置较方案一更规律，说明船速和船间距较大，同时出港的船舶分布均匀数量较多，在交叉口处等待的船舶数量较少，排队长度较短。

[0225] 因此，综合对实验数据和时空斑点图的分析，方案二较方案一很好的处理了特大型船进出港的问题，将特大型船集中起来统一进出港，大大提高了航道及港口的作业效率，方案三又在方案二的基础上进一步优化，得到最优的进出港时间及特大型船数量的限制值，通过对实验数据的分析，可知针对双航道的调度管理，方案三为最优。

[0226] 1.3.4航道应急管理优化实验

[0227] 航道的应急管理优化实验是针对单航道正常天气和出现轻雾的天气变化对比来予以说明的。仍以表6的船期表为船舶产生的边界条件。

[0228] 表8天津港轻雾天气航道调度管理各性能指标比较

[0229]

[0230] 轻雾条件下，采取相应的应急措施后，单航道船舶驶入与驶出航道的交通情况如图40和图41所示，从两图中可以看出，当出现轻雾天气时，港口航道的进船数量减少；船舶之间的安全距离增大。

[0231] 通过以上实验，对比图40和图41以及图12和图17，遇到轻雾天气，要采取一系列措施，如增大安全距离，延长装卸时间，这些措施虽然可以在一定程度上保证航道的交通安全，但同时也会造成大量的拥挤，进而造成航道运营成本的增加，所以必须同时采取较少进船数量的措施，可以在出现紧急情况下，确保港口航道的无拥挤，高效地安全作业。

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基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法

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