港口拖轮动态调度方法技术

本发明专利技术为港口拖轮动态调度方法，随着航运业的发展，到港船舶日益增多，船型日益大型化，按照人工经验的调度方案已经难以保证船舶进出港任务的顺利进行。如何针对复杂多变的来船情况确定合理的拖轮调度方案，成为港口业务中需要解决的一个问题，开展这方面的研究势在必行，具有重大意义。针对现有拖轮动态调度问题进行分析，本发明专利技术建立了拖轮动态调度模型，并且基于作业的实际情况将问题以适当的形式编码，利用粒子群优化算法对问题进行适应度函数设计和调度方案求解，并且引入精英集和熵函数的概念，对算法进行改进；最后通过仿真，将算法改进后的方案，与改进前的方案进行比较分；掌握粒子群算法在港口拖轮动态调度中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及港口调度领域，特别是拖轮动态调度领域。
技术介绍
船舶进出港的顺利程度是港口服务水平的一个重要标志。拖轮是船舶的进出港过 程中不可或缺的作业船种。 为保证船舶进出港能到位、及时得到拖轮提供的服务，港口必须配备足够数量和 功率的拖轮，并应根据港口具体情况设置拖轮停靠基地，使拖轮花最少时间到达作业泊位。 一方面，若拖轮数量过少，则无法为到港船舶提供必要及时的服务，进出港船舶等待拖轮排 队时间过长，使船舶在港费用增加，将使港口在与周边港口的竞争中处于不利地位；反之， 拖轮过多将使拖轮利用率低甚至出现拖轮闲置，则浪费港口资源和增加管理费用。如何合 理配置拖轮，才能使港口在满足现在需要的同时，适应港口未来发展之需，这对每一个港口 经营者来说显得很重要。如何根据港区内各码头靠离泊船舶情况和对拖轮的需求合理配置 调度拖轮，使港口拖轮数量适当，总体布局合理，减少拖轮购置和营运成本，节省拖轮作业 前无效航行时间，直接关系到船舶靠离泊安全和港口经济效益。 随着航运业的发展，到港船舶日益增多，船型日益大型化，按照人工经验的调度方 案已经难以保证船舶进出港任务的顺利进行。 我国的某些港口对到离港船舶采用动态进出港制度。在这种制度下，船舶的到港 被集中在进港时间段进行，离港被集中在离港时间段进行。这两个时间段的交替出现，使得 相应的拖轮作业也呈现出动态的特点；拖轮的各项辅助作业，例如辅助进港，辅助出港，护 航和辅助移泊这些，在时间上显得相对集中。本专利技术的研究仅是针对这种动态作业方式进 行。 港口由于受到航道宽度的限制，实行的是单航道航行，集中进港，集中出港。 一天 发生动态的时间为7:00(进港)9:00(出港)，每隔两个小时有进港动态，每隔两个小时有出港动态。 当N动态的进港计划需要护航拖轮时，在第N-l个动态(进出港动态)就派出拖轮去锚地护航，使得N动态开始时，N动态进港计划中的所有船舶都能到达航道口。此后N动态进港计划中船舶以一定的队列进港，同时拖轮公司从拖轮集结地调出拖轮开向各个进港船的目标泊位。当船舶到达时，拖轮协助船舶靠到泊位岸边后返航。出港动态中，拖轮公司向出港计划中的各条船所在泊位调出拖轮，拖轮将船舶拉到航道中后，如果这条船需要护航，就留下作业拖轮中的一条护送船舶出港，其余拖轮返航；如果这条船不需要护航，全部拖轮返航。以上就是大致的动态拖轮作业流程，移泊的调度情况与之相似。 船舶到港前三天左右将船舶信息通报给港口务局，包括船舶的基本信息(船长，吃水，船籍，所载货物等等)以及预计停靠的码头信息。港务局根据这些信息编制每个动态的进港、出港和移泊计划(可能一条船停靠一个以上的泊位，因此需要移泊)，并在动态开始前将动态计划下发给拖轮公司。拖轮公司根据动态计划安排拖轮去作业，完成计划，也就完成了船舶的进出港任务。 —般每组进港船舶6-7艘或更多，依次排队进港。拖轮一般按进港船舶的吨位大 小来相应地分配拖轮的马里和数量，配置原则如下 1、100米以下2600PS*1 ; 2、 100米至200米2600PS*2或者3200PS*2或者4000PS*2 ; 3、200米至250米:3200PS*2或者4000PS*2 ; 4、250米至300米:3200PS*3或者4000PS*2 ; 5、300米以上4000PS*2和5000PS*1 ; 有时在吨位差不多的情况下，大马力拖轮一般多安排用于外轮。 大部分进港船是在快进港池时，由在那里等候的拖轮跟随进入港池，这时拖轮与 进港船舶需要带缆连接，由拖轮协助其靠泊码头。当第一艘完成后，拖轮又去进行下一艘船 的靠泊作业，待进港船全部进入泊位靠好后，拖轮全部返回基地待命，等待为出港船舶助泊 作业。拖轮接到调度指令，到达待出港港船的位置将船舶拖至航道，出港船舶利用自身动力 出港，对于需要护航船舶，拖轮从港池内一直护送到锚地，然后返航，有时返航途中拖轮又 护送需要进港护航船舶进港。拖轮调配中存在的问题 1 、人工调度难以应对数量增多的船舶进港动态 随着贸易往来的不断加剧，集装箱进出口数量的加大，往来港口的船舶数量迅猛 增加，港口的拓建使得一次可接收的船舶进港动态作业数量不断增多，面对每个动态进出 港作业数量日益增多的船舶，从前的人工调度可能已经无法应对复杂大量的船舶动态调度 的需求，可能造成对调派去进行作业的拖轮的利用率不够，调派不当，或者调度上的时间延 迟，虽然可以顺利完成任务，但是从经济，高效的角度来看，并不一定能够达到预期最优的 效果。 2、由于对拖轮的作业时间的把握不准确而造成调配的不合理 —个优秀的大船船长和引航员必须充分了解各类等级的拖轮的作业时间，并且及 时互相沟通。有时也会出现考虑不周到的情况，比如1号和14号泊位的拖轮同为2级拖轮， 此时15号泊位的船舶等待一条2级拖轮协助进港作业，而1号泊位的2级拖轮已经完成作 业，因此引航员此时便根据经验调派1号泊位的2级拖轮前去作业，但是他并没有把握好14 号泊位的2级拖轮作业的完成时间，可能在1号泊位的2级拖轮刚刚驶到5号泊位时，14号 泊位的2级拖轮便可完成作业，这样就将造成对拖轮调配的不合理情况出现。虽然可以顺 利作业，但是可能会造成燃油成本的浪费。 3、对利用率和等待时间的取舍把握不到最佳 有时引航员会出现矛盾，即现有需要一条2级拖轮协助进港的船舶等待拖轮作 业，但是此时所有的2级拖轮都在进行作业，而有4级拖轮在等待命令进行作业，此时是让 船舶进行等待所取得的效率更加高，还是派较大等级的拖轮前去作业的效率高，人工调度 无法给出确切的回答，因为只有通过计算机模拟计算之后，才知道取舍哪一方面才是更加 高效和经济的。 4、人工调度无法估计最优调配方案 人工调度是引航员根据自己的经验和知识，面对每个船舶进港动态，给出较为顺 畅的拖轮调配方案，如果可以在规定的动态时间里完成的话，那么便被视为这是一个相对合理的调配方案；但是在追求合理的同时，是否应更考虑到适应如今的市场经济的效率和经济性。毕竟人工调度的能力是有限的，可以考虑到的最优方案也是有限的，而且不能像计算机那样模拟出上百条上千条的调度方案提供参考，因此对于最优调配方案的估计是不足的。 本专利技术通过研究，基于考虑人工调度无法高效地完成日趋复杂的拖轮动态调度情况，因此希望通过计算机平台，利用算法在约束条件的调度中的运用，找到较优的调度方案，使得船舶进出港能够达到畅通、高效、最低成本的作业情况；并选用粒子群算法来解决港口拖轮动态调度问题；考虑到该算法本身存在的、易于陷入局部最优解，针对该缺陷，本专利技术也提出相应的手段，即熵函数和精英集的思想引入到算法中，对原有算法进行一定程度的改进，最后给出了针对任意动态所求解的港口拖轮动态调度的最优调度方案。 动态是港口用来划分作业的一种规定。在动态船舶进出港制度下到港船舶集中在进港动态进港；离港船舶集中在离港动态离港。假设进港动态和出港动态的持续时间都为T。，港口泊位沿航道分布，其集合为B = 。 Tug= 为港口拖轮的集合，Level = 为拖轮等级的集合，且Tug中的元素和Level中的元素存在多一对应关系。 进港动态开始之前，船舶在锚地等待，其中有一些船舶需要提前派出拖轮去护航，假设其集合为HH = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
港口拖轮动态调度方法，其特征在于：包括以下步骤：１）在分析拖轮动态计划的基础上，建立拖轮动态调度模型，提出一种动态编码方式；２）以粒子群优化算法对问题进行适应度函数设计和调度方案求解；３）在标准粒子群算法的基础上，引入精英集和熵函数的概念，对算法进行改进；４）通过与改进前程序运行结果的对比结果分析，发现结果确实得到一定程度的优化和改进；进一步证明精英集与熵函数在粒子群算法中的应用的可行性，找到使船舶进出港更为流畅的调度方法。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宓为建，苌道方，陆后军，严伟，何军良，边志成，郭锭峰，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]