水利枢纽船舶过闸-泊位联合调度模型与方法研究

摘要

内河航运作为最经济环保的交通运输方式之一因能耗小、污染少、成本低等特点在经济、环境的可持续发展中扮演着重要角色。但是，不少内陆航道船闸如我国三峡船闸、美国密西西比河上游船闸等船闸系统的设计通过能力已经难以满足不断增长的航运需求，成为了限制其所在水域畅航的瓶颈。这往往导致船舶在坝区浪费大量时间待闸，给航运企业造成巨大经济损失，而过闸货物不能及时运送到目的地所造成的工矿企业生产延误损失更大。为了缓解这一问题，除了优化现有船闸调度过程以提高船舶过闸效率，增加翻坝通道进行货物分流的措施日益受到重视。本文基于此，从提高水利枢纽通过能力的角度对水利枢纽的船闸调度、集装箱港口的泊位分配进行了研究，并对具有翻坝转运通道的水利枢纽船闸和泊位联合调度问题进行了有益的探索，取得的主要成果归纳如下: （1）通过深入分析含并行多闸室的一般性船闸结构的船闸调度问题，合理的构造该问题的解结构，从而将该混合整数规划问题转化为了组合优化问题。在此基础上，根据船闸调度组合优化特征提出了基于破坏和修复算子的自适应大邻域搜索算法对其进行优化求解。通过大量算例对该求解方法进行测试，并将其与混合整数线性规划以及Combinatorial Benders分解两种船闸调度确定性求解方法进行全面的对比。结果表明文中提出的算法相比确定性方法能在更短时间内更高效的求解船闸调度问题。此外，当船闸调度问题没有额外的过闸调度规则限制时，该方法相对确定性方法有很大优势。 （2）从问题求解及约束处理的角度对离散泊位分配问题（BAPD）及连续泊位分配问题（BAPC）进行了介绍并重点对BAPC的求解方法以及泊位-时间二维坐标的矩形不重叠约束处理进行了研究。基于多目标优化约束处理理论，将BAPC的约束违反度转化为一个单独目标，从而将含约束的单目标BAPC模型转化为无约束的双目标BAPC模型，并在此基础上提出了一种改进的多目标非支配排序遗传算法（MNSGA-II）求解双目标BAPC模型。MNSGA-II将外部档案集作为一种辅助进化机制引导算法在搜索过程中对可行解进行偏好选择，从而协调BAPC的目标优化与约束处理。通过大量算例对提出的双目标BAPC和MNSGA-II算法进行了测试，并与其它多目标优化算法求解双目标BAPC以及其它单目标优化算法求解单目标BAPC的结果进行了对比。测试结果验证了本文利用多目标约束处理的思想将单目标BAPC转化为双目标BAPC并用MNSGA-II求解BAPC的可行性和高效性。 （3）研究了单闸室船闸与离散集装箱泊位联合调度问题，并将该问题抽象为船舶过闸/翻坝转运决策的0-1优化主问题以及与之耦合的船闸调度、泊位分配两个子问题。从最大化水利枢纽航运能力以及交通运输整体利益的角度，首次建立了最小化船舶坝区停留时间并考虑船舶翻坝意愿的船闸泊位联合调度混合整数线性规划（MILP）数学模型。通过大量算例对船闸泊位联合调度MILP模型的性能以及可行性进行了测试，求解结果表明小规模船闸泊位联合调度算例可以在短时间内通过商业软件Gurobi求解到最优，同时调度结果验证了该模型在不同交通状况下的可行性。 （4）针对MILP方法只能有效求解小规模船闸泊位联合调度问题的缺点，提出了可用于求解中大规模船闸泊位联合调度问题的基于模糊控制的混合启发式方法。混合启发式求解机制被分为两层，其中外层的0-1优化主问题通过提出基于模糊逻辑控制的量子引力搜索算法（FQBGSA）进行迭代优化，在主问题每一代迭代过程，内层的单闸室船闸调度和离散泊位分配分别被独立的启发式算法求解。通过大量不同规模的算例对文中提出的混合启发式方法的求解性能进行了验证。混合启发式方法与MILP方法求解船闸泊位联合调度算例结果表明本文提出的混合启发式方法在求解小规模船闸泊位联合调度问题时与MILP求得的最优解偏差很小，对于中等和大规模问题则相对MILP能用更短时间求得更优的解。同时，与其它启发式方法对比结果同样验证了本文提出的基于模糊控制的混合启发式方法求解船闸泊位联合调度问题的高效性。

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