本發(fā)明屬于水運(yùn)交通智能管理，更具體地，涉及一種基于航道-船閘協(xié)調(diào)的汛期船舶調(diào)度優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、內(nèi)河航運(yùn)是實(shí)現(xiàn)沿海港口與內(nèi)陸地區(qū)聯(lián)系的重要途徑，對流域地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長和國際貿(mào)易發(fā)展具有重要影響。近年來，內(nèi)河航運(yùn)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用愈發(fā)明顯，使得長江等內(nèi)河航運(yùn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，導(dǎo)致船舶過壩需求激增。然而，內(nèi)河航道和船閘的通行能力是有限的，已成為制約長江水路運(yùn)輸發(fā)展的主要瓶頸。此外，大多數(shù)水利樞紐的船閘和航道調(diào)度是獨(dú)立決策的，這進(jìn)一步限制了船舶航行效率的提升。鑒于此，開發(fā)一種高效的汛期船舶調(diào)度優(yōu)化方法及系統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)航道和船閘資源，可在保障船舶通航安全的同時(shí)，減少船舶的等待時(shí)間，這具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

2、目前，已有多位學(xué)者對船閘調(diào)度問題和航道分配問題進(jìn)行了研究，但缺乏船閘與航道之間協(xié)調(diào)調(diào)度方法的研究。此外，船閘調(diào)度問題和航道分配問題的研究主要集中在正常情況下的優(yōu)化，如天氣條件好、水位條件正常等。然而，三峽樞紐水流量的變化對船閘調(diào)度和航道配置有重要影響，特別在汛期，水流量的變化會(huì)影響船舶的出港時(shí)間、航道分配、閘室利用率以及船舶的碳排放。因此，如何將正常情況下的船舶調(diào)度全面拓展為汛期復(fù)雜水流量條件下的航道-船閘協(xié)調(diào)調(diào)度，更具現(xiàn)實(shí)性和創(chuàng)新性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提出了一種基于航道-船閘協(xié)調(diào)的汛期船舶調(diào)度優(yōu)化方法及系統(tǒng)，能更好地保證船舶在汛期的航行安全，提高船舶的通航效率。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于航道-船閘協(xié)調(diào)的汛期船舶調(diào)度優(yōu)化方法，包括：

3、獲取水運(yùn)交通樞紐的船舶信息、船閘屬性信息和汛期航道通航要求信息；

4、基于所述水運(yùn)交通樞紐的船舶信息、船閘屬性信息和汛期航道通航要求信息，以最小化船舶在錨地的總等待時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建船舶調(diào)度優(yōu)化模型，建立汛期船舶過閘調(diào)度滿足的約束條件；

5、基于重組學(xué)習(xí)和混合突變的動(dòng)態(tài)多種群粒子群優(yōu)化算法，求解所述船舶調(diào)度優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的汛期船舶調(diào)度方案；

6、基于所述優(yōu)化后的汛期船舶調(diào)度方案，估算船舶碳排放量。

7、在一些可選的實(shí)施方案中，所述船舶信息包括：船舶到錨時(shí)間、航行速度、船舶長度、船舶面積以及船舶可接受的最大水流量標(biāo)準(zhǔn)；

8、所述船閘屬性信息包括：調(diào)度周期、船閘面積、閘室容量；

9、所述汛期航道通航要求信息包括：當(dāng)船舶駛向船閘時(shí)，為保障航道通行安全，需要保證相鄰兩船之間有時(shí)間間隔；船舶航行時(shí)，當(dāng)前航道水流量標(biāo)準(zhǔn)不超過船舶的最大可接受值。

10、在一些可選的實(shí)施方案中，所述以最小化船舶在錨地的總等待時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建船舶調(diào)度優(yōu)化模型，建立汛期船舶過閘調(diào)度滿足的約束條件，包括：

11、計(jì)算船舶在錨地的總等待時(shí)間；

12、根據(jù)計(jì)算的船舶在錨地的總等待時(shí)間，構(gòu)建所述汛期船舶過閘調(diào)度滿足的約束條件。

13、在一些可選的實(shí)施方案中，由minz＝∑i∈n(tbi-tai)計(jì)算船舶的總等待時(shí)間，其中，z為船舶的總等待時(shí)間，tai為船舶到達(dá)待閘區(qū)域的時(shí)間，tbi為船舶離開待閘區(qū)域的時(shí)間，n表示一組需調(diào)度的船舶數(shù)量。

14、在一些可選的實(shí)施方案中，所述約束條件包括：

15、約束條件1：其中，ts為調(diào)度期開始時(shí)間；

16、約束條件2：其中，yik∈{0,1}，若船舶轉(zhuǎn)移至船閘，則yik＝1，否則yik＝0，k表示船閘閘次的集合，m表示常數(shù)；

17、約束條件3：其中，li為船舶通過航道到達(dá)船閘的距離，vi為船舶通過航道速度，tci為船舶離開航道以及靠近船閘的時(shí)間；

18、約束條件4：約束條件5：n；其中，連續(xù)兩艘船駛向大壩時(shí)的最小時(shí)間間隔為△t，γ為船舶長度倍數(shù)，li為船舶長度；

19、約束條件6：其中，tk為單個(gè)閘次所需時(shí)長，tdi為船舶離開船閘的時(shí)間；

20、約束條件7：其中，te為調(diào)度期結(jié)束時(shí)間；

21、約束條件8：zk表示閘次被使用，則等于1，否則為0；

22、約束條件9：約束條件10：其中，tl為船閘閘次時(shí)長上限，tk為船閘閘次開始時(shí)間；

23、約束條件11：約束條件12：其中，σ表示連續(xù)閘次的最小時(shí)間間隔；

24、約束條件13：其中，zk∈{0,1}，若船閘閘次開始，則zk＝1，否則zk＝0；

25、約束條件14：其中，ξit∈{0,1}，若船舶在時(shí)間步長內(nèi)進(jìn)入航道，則ξit＝1，否則ξit＝0，t為時(shí)間步長的集合；

26、約束條件15：

27、約束條件16：

28、約束條件17：

29、其中，ηikt∈{0,1}，若船舶進(jìn)入通道且在時(shí)間步長內(nèi)通過船閘，則ηikt＝1，否則ηikt＝0；

30、約束條件18：其中，fi為船舶可接受水流標(biāo)準(zhǔn)，為時(shí)間步長內(nèi)航道實(shí)際水流值；

31、約束條件19：其中，ai為船舶面積，ak為閘室面積；

32、約束條件20：其中，qt表示在時(shí)間步長內(nèi)航道容量上限。

33、在一些可選的實(shí)施方案中，所述基于重組學(xué)習(xí)和混合突變的動(dòng)態(tài)多種群粒子群優(yōu)化算法求解所述船舶調(diào)度優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的汛期船舶調(diào)度方案，包括：

34、確定個(gè)體維度n，n表示一組需調(diào)度的船舶數(shù)量，矢量表示在待閘區(qū)域的船舶出發(fā)時(shí)間和順序，初始向量范圍[ts,te]，基于大語言模型生成初始解，ts為調(diào)度期開始的時(shí)間，te為調(diào)度期結(jié)束的時(shí)間；

35、將船舶的總等待時(shí)間作為適應(yīng)度值，利用適應(yīng)度值的中位數(shù)作為邊界，將種群劃分為三個(gè)子種群：鄰域域、異化域、重組域，多種群在不同區(qū)域進(jìn)行搜索，確定最優(yōu)船舶調(diào)度方案，并在指定時(shí)間間隔內(nèi)，采用動(dòng)態(tài)隨機(jī)重組機(jī)制持續(xù)搜索過程；

36、通過動(dòng)態(tài)調(diào)整和混合使用反向?qū)W習(xí)方法及高斯突變方法，生成重構(gòu)粒子，在更新粒子速度時(shí)保留歷史最優(yōu)位置的子空間信息。

37、在一些可選的實(shí)施方案中，所述基于大語言模型生成初始解，包括：

38、針對汛期船舶調(diào)度問題，獲取船舶任務(wù)數(shù)據(jù)，由船舶任務(wù)數(shù)據(jù)劃分訓(xùn)練樣本，得到訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集；

39、選擇基于transformer的大語言模型，理解自然語言文本、處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及生成汛期船舶調(diào)度方案；

40、將訓(xùn)練集數(shù)據(jù)輸入模型，通過前向傳播生成預(yù)測的汛期船舶調(diào)度方案，計(jì)算預(yù)測與真實(shí)結(jié)果的損失函數(shù)，通過反向傳播算法更新模型參數(shù)，迭代訓(xùn)練直至模型在驗(yàn)證集上達(dá)到滿意性能；

41、基于元優(yōu)化器，使用船舶任務(wù)數(shù)據(jù)對驗(yàn)證結(jié)果為通過的模型進(jìn)行微調(diào)；

42、使用測試集評估模型的性能，當(dāng)評估通過，將模型部署到實(shí)際應(yīng)用中，用于生成足夠的初始解來構(gòu)成初始種群。

43、在一些可選的實(shí)施方案中，所述通過動(dòng)態(tài)調(diào)整和混合使用反向?qū)W習(xí)方法及高斯突變方法，生成重構(gòu)粒子，包括：

44、由確定需要突變的維度數(shù)，其中，dim為選擇突變的維數(shù)，d表示維數(shù)，j表示迭代次數(shù)，gbest(d)為最優(yōu)粒子，gbest(d)′為產(chǎn)生的新最優(yōu)粒子，fit()為對應(yīng)粒子的適應(yīng)度函數(shù)；

45、判斷時(shí)變概率tp是否小于反向?qū)W習(xí)概率op，當(dāng)tp＜o(jì)p時(shí)，對全局最優(yōu)解執(zhí)行反向?qū)W習(xí)方法，tp≥op時(shí)，對全局最優(yōu)解執(zhí)行高斯突變方法；

46、執(zhí)行反向?qū)W習(xí)方法后，判斷動(dòng)態(tài)邊界是否已超過，若gbest(d)＜min(gbest)或gbest(d)＞max(gbest)，隨機(jī)化gbest，min(gbest)為最優(yōu)粒子的最小值，max(gbest)為最優(yōu)粒子的最大值；

47、比較新個(gè)體與原個(gè)體的適應(yīng)值，輸出重構(gòu)粒子。

48、在一些可選的實(shí)施方案中，所述基于所述優(yōu)化后的汛期船舶調(diào)度方案，估算船舶碳排放量，包括：

49、由ship?emission?reduction＝(tstart-z)·e估算船舶碳排放量，其中，vi為船舶速度，wi為船舶負(fù)載，ψi為船舶重量，為碳排放系數(shù)，α,β,q為調(diào)整參數(shù)，參數(shù)α調(diào)節(jié)船舶相關(guān)特性和裝載條件，β調(diào)節(jié)船舶低速時(shí)的油耗，q為油耗與航速的相關(guān)系數(shù)，tstart為原船調(diào)度方案的總等待時(shí)間，為船舶航行過程中的燃油消耗，為船舶錨地靠泊過程中的燃油消耗，e為單位時(shí)間的碳排放量。

50、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于航道-船閘協(xié)調(diào)的汛期船舶調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

51、獲取模塊，用于獲取水運(yùn)交通樞紐的船舶信息、船閘屬性信息和汛期航道通航要求信息；

52、構(gòu)建模塊，用于基于所述水運(yùn)交通樞紐的船舶信息、船閘屬性信息和汛期航道通航要求信息，以最小化船舶在錨地的總等待時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建船舶調(diào)度優(yōu)化模型，建立汛期船舶過閘調(diào)度滿足的約束條件；

53、優(yōu)化求解模塊，用于基于重組學(xué)習(xí)和混合突變的動(dòng)態(tài)多種群粒子群優(yōu)化算法，求解所述船舶調(diào)度優(yōu)化模型，得到優(yōu)化后的汛期船舶調(diào)度方案；

54、驗(yàn)證可持續(xù)性模塊，用于基于所述優(yōu)化后的汛期船舶調(diào)度方案，估算船舶碳排放量。

55、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

56、本發(fā)明提供的一種基于航道-船閘協(xié)調(diào)的汛期船舶調(diào)度優(yōu)化方法及系統(tǒng)，創(chuàng)新性地?cái)U(kuò)展了現(xiàn)有船閘調(diào)度研究，建立了基于船閘-航道協(xié)調(diào)的船舶調(diào)度優(yōu)化模型。綜合考慮了船舶離錨地時(shí)間的優(yōu)化、航道水流量的變化、航道與船閘的協(xié)調(diào)配置等因素。建立了船舶總等待時(shí)間最小的船舶調(diào)度優(yōu)化模型，促進(jìn)了不同場景下航道和船閘的協(xié)調(diào)，保證了船舶通航安全，提高了船舶調(diào)度效率。

57、同時(shí)本發(fā)明提出的模型估計(jì)了不同場景下船舶調(diào)度方案的碳減排量。通過確定船舶離開錨地的最佳出發(fā)時(shí)間，有效匹配船舶航道運(yùn)行時(shí)間和船閘啟用時(shí)間，保證船舶離開航道時(shí)船閘可用，有效協(xié)調(diào)船閘與航道，減少船舶在錨地的延誤時(shí)間和碳排放。此外，與正常情況相比，考慮汛期水流量可以保證船舶的航行安全，增加船舶調(diào)度方案的可行性。