基于元胞自动机的沿海港口水域船舶交通流演化仿真研究

摘要

随着港口吞吐量的快速增长，船舶交通形式日趋复杂，对海事安全保障技术及安全监管设施的布置与建设提出了更高的要求，甚至在港口航道的规划、建设中出现了与区域交通流发展不匹配或不适应的现象。因此，港口水域船舶交通流演化研究的准确性和可靠性已成为制约港口经济科学发展的瓶颈因素。传统的以分析航运环境构成要素为基础和精确数学模型的方法不仅复杂而且在实际应用中往往达不到预期的效果，因此结合当前人工自能等相关领域的先进技术，构建智能的、最大程度上反映港口实际交通状况与特性的模型，弥补传统方法的不足，是港口水域船舶交通流模拟仿真发展的一个必然趋势。　　 论文在充分考虑船舶等级、船舶安全间距、船舶行为特征、船舶到港规律以及港口泊位服务水平等要素，利用元胞自动机原理建立了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。主要研究内容包括：　　 (1)港航系统特征与泊位服务水平分析。以天津港为例对港航系统作业过程进行分析，研究港口水域港航系统的特征，构建港航系统作业过程模型；根据收集的船舶交通流和泊位服务时间数据，对船舶到港规律和泊位服务水平的分布函数进行分析，探讨船舶到港规律和泊位服务水平对港口水域船舶交通流的影响。　　 (2)元胞尺寸、邻居与规则的确定。根据船舶领域模型和船舶行为特征，对船舶各种行为的船舶领域模型进行研究，并根据船舶的实际运动情况，确定元胞的尺寸和邻居，构建符合港口水域船舶交通实际情况的元胞自动机运行规则。　　 (3)基于元胞自动机理论的港口水域船舶交通流演化仿真模型构建。在元胞自动机理论的框架下，根据确定的元胞尺寸、邻居和规则，结合港口水域港航系统的特征，构建能够反映船舶行为特征和港口特征的沿海港口水域船舶交通流演化仿真模型。　　 论文构建的船舶交通流演化仿真模型有效解决了港口水域船舶交通流模拟的复杂性与非线性问题，模拟结果更符合港口水域船舶交通流的实际情况，揭示了船舶交通流演化和发展的一般规律。论文研究成果可为港口的可持续性发展提供指导，为港口泊位、航道、锚地的规划与建设提供基础性数据和决策支撑，为船舶通航安全管理、交通组织和海事安全保障体系的建立提供参考。