本發(fā)明涉及船舶運輸規(guī)劃，尤其涉及一種基于遺傳算法的船舶運輸綜合規(guī)劃方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、船舶運輸發(fā)展至今，因其運輸距離長、運輸量大以及運輸成本低等特點，已成為國際貿(mào)易貨物運輸最主要的形式，但近年來隨著航運相關(guān)成本費用逐步上漲，直接導致船舶運輸成本的增加。

2、現(xiàn)有技術(shù)對船舶運輸配載問題研究主要集中在運用隨機模擬方法、啟發(fā)式算法、決策支持系統(tǒng)、數(shù)學規(guī)劃模型等來輔助完成配載方案規(guī)劃；國內(nèi)外關(guān)于運輸路徑優(yōu)化的問題，重點在于研究公路、鐵路方面的優(yōu)化，對于船舶運輸?shù)穆窂絻?yōu)化問題研究的比較少。

3、目前國內(nèi)外對于船舶運輸規(guī)劃的研究更多聚焦于船舶配載規(guī)劃，而沒有將配載規(guī)劃和運輸航線規(guī)劃統(tǒng)一起來，導致相關(guān)研究內(nèi)容并未完全覆蓋船舶運輸全周期規(guī)劃，對于船舶運輸成本優(yōu)化、以及整條航線和各運輸目的地之間的協(xié)作能力提升有限，無法滿足降低運輸成本，提升經(jīng)濟效益的現(xiàn)實需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的第一目的是提供一種基于遺傳算法的船舶運輸綜合規(guī)劃方法，解決船舶運輸規(guī)劃沒有將配載規(guī)劃和運輸航線規(guī)劃統(tǒng)一的問題，從而降低船舶運輸成本，提高經(jīng)濟效益。

2、本發(fā)明的第二目的是提供一種基于遺傳算法的船舶運輸綜合規(guī)劃系統(tǒng)。

3、技術(shù)方案：為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明公開了一種基于遺傳算法的船舶運輸綜合規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、（1）設(shè)定船舶運輸配載規(guī)劃模型的初始條件，以船舶裝卸倒貨量最小為目標函數(shù)，以確保初始貨物全部裝在船上、確保待裝載貨物全部裝在船上、確保每一棧位中已裝載貨物數(shù)量不超過該棧位最大貨物容量為約束條件構(gòu)建船舶運輸配載規(guī)劃模型；初始條件包括待裝載貨物信息已知、已裝載貨物信息已知、船舶艙位信息已知、船舶艙位布局描述方法和貨物分組原則確定；

5、（2）設(shè)定船舶運輸航線規(guī)劃模型的初始條件，以船舶運輸航線總航程耗油量最小為目標函數(shù)，以滿足運輸時間要求和滿足船舶運輸安全航速為約束條件構(gòu)建船舶運輸航線規(guī)劃模型；初始條件包括出發(fā)地和目的地位置已知、通航環(huán)境信息已知、航速與油耗關(guān)系已知、出發(fā)地和目的地之間的航行海域已進行離散處理；

6、（3）結(jié)合船舶運輸配載規(guī)劃模型和船舶運輸航線規(guī)劃模型聯(lián)合構(gòu)建船舶運輸綜合規(guī)劃模型，設(shè)定船舶當前運輸任務(wù)最大允許裝卸倒貨量和最大允許燃油消耗量，同時分配裝卸倒貨量和燃油消耗量的權(quán)重值，以船舶裝卸倒貨量最小和船舶運輸航線燃油消耗最低為規(guī)劃目標建立船舶運輸綜合規(guī)劃模型；

7、（4）基于遺傳算法開展船舶運輸綜合規(guī)劃模型求解，將求解步驟分為問題編碼、初始解設(shè)定、遺傳操作設(shè)計、適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置，最終形成船舶運輸綜合規(guī)劃最優(yōu)解決方案。

8、可選的，步驟（1）中待裝載貨物信息已知是指已裝載貨物的尺寸、重量、類型數(shù)量和目的地信息已知，船舶艙位信息已知是指船舶處于未裝載貨物或者到達目的地卸載完畢后，可供船舶裝載貨物的艙位布局及容量信息是已知的；船舶艙位布局描述方法采用集裝箱船箱位描述方法，即使用貝、棧、層代表船舶艙位三維坐標系統(tǒng)；貨物分組原則確定是指目的地相同可同一分組，貨物數(shù)量不超過ｎ可同一分組，n根據(jù)各個棧位空位數(shù)設(shè)定；同一分組貨物重量均勻分配。

9、可選的，步驟（1）中建立目標函數(shù)，確保船舶裝卸倒貨量最小，

10、,

11、為船舶裝卸倒貨量，表示初始貨物位置改變造成的倒貨，其計算過程是判斷配載后初始貨物位置是否發(fā)生變化，若變化則會造成倒貨，則乘以該組貨物的數(shù)量即為倒貨量；

12、,

13、表示船舶到達下一目的地卸貨時棧位內(nèi)部壓貨造成倒貨，其計算過程是找到某一個棧位同時裝有兩個目的地以上卸載的貨物，判斷在下一目的地卸載時是否造成倒貨，若造成倒貨，則倒貨量為阻擋卸貨作業(yè)的不在下一目的地卸載的貨物數(shù)量；

14、,

15、為目的地為的待裝載貨物分組數(shù)量，為目的地總數(shù)，為船舶艙位棧位總數(shù)，為原裝載第棧且目的地為的初始貨物的數(shù)量，為目的地為的第分組貨物的數(shù)量，為取值1表示原裝在第棧且目的地為的初始貨物裝在了第棧中，0表示不符合取值1條件下的取值；為取值1表示目的地為的第組待裝貨物裝在了第棧中，0表示不符合取值1條件下的取值；為取值1表示第棧裝有不同分組，不需在下一目的地卸載的分組壓在了要卸的分組上，0表示不符合取值1條件下的取值；

16、建立約束條件：

17、船舶運輸配載規(guī)劃需確保初始貨物全部裝在船上：

18、,

19、為目的地為的初始貨物數(shù)量，

20、船舶運輸配載規(guī)劃需確保待裝載貨物全部裝在船上：

21、,

22、為目的地為的待裝載貨物數(shù)量，

23、船舶運輸配載規(guī)劃需確保每一棧位中已裝載貨物數(shù)量不超過該棧位最大貨物容量：

24、,

25、為第?？裳b載的最大貨物數(shù)量。

26、可選的，步驟（2）中出發(fā)地和目的地位置已知是指船舶運輸出發(fā)地和目的地的經(jīng)緯度信息是確定的，通航環(huán)境信息已知是指船舶運輸過程中氣息條件和海洋條件是確定的，航速與油耗關(guān)系已知是指船舶航行靜水航速與單位海里油耗對應(yīng)關(guān)系是已知的，出發(fā)地和目的地之間的航行海域已進行離散處理是指整個航線劃分為1,2…m個航線段，每個航線段也離散處理成1,2…n個航線點，每個航線點間航程是定值。

27、可選的，步驟（2）中建立目標函數(shù)，確保船舶運輸航線總耗油量最小，

28、,

29、表示船舶從出發(fā)地至目的地全部航線段航線點運輸航行累計耗油量，為目的地總數(shù)，為出發(fā)地和目的地之間航行海域離散處理后航線段數(shù)量，為出發(fā)地和目的地之間航行海域離散處理后某一航線段的航線點數(shù)量，為表示在第航線點狀態(tài)變量，即表示船舶當前所處的航線點；為表示在第航線點船舶航向，為表示在第航線點船舶航速，為表示在第航線點船舶采用航向和航速下的燃油量消耗，為表示在第航線段第航線點船舶采用航向和航速下的燃油量消耗；

30、建立約束條件：船舶從出發(fā)地航行至目的地需滿足運輸時間要求：

31、，

32、為表示離散后航線點間的航程，為表示在目的地為的船舶運輸時間要求；

33、船舶在所有航線點航速均滿足船舶運輸安全航速：

34、，

35、為表示在船舶運輸安全航速。

36、可選的，步驟（3）中船舶運輸綜合規(guī)劃模型建立需根據(jù)運輸任務(wù)的不同，初始設(shè)定當前運輸任務(wù)最大允許裝卸倒貨量和最大允許燃油消耗量，同時分配裝卸倒貨量和燃油消耗量的權(quán)重值；

37、，

38、為表示當前船舶運輸規(guī)劃中設(shè)定的最大允許裝卸倒貨量，為表示當前船舶運輸規(guī)劃中設(shè)定的最大允許燃油消耗量，為表示當前船舶運輸規(guī)劃中裝卸倒貨量權(quán)重值，為表示當前船舶運輸規(guī)劃中燃油消耗量權(quán)重值。

39、可選的，步驟（4）中問題編碼是指確定了船舶運輸配載規(guī)劃和船舶運輸航線規(guī)劃問題編碼方法，其中船舶運輸配載規(guī)劃是指船舶配載問題采用實數(shù)編碼的方式生成各個貝位矩陣，無貨物可用的艙位用-1表示，當有艙位但是未裝貨的位置用0表示；船舶運輸目的地共有g(shù)個，1代表下一個掛靠目的地；船舶運輸航線規(guī)劃是指船舶運輸出發(fā)地和目的地之間航行海域離散處理后航線段數(shù)量共有m個，出發(fā)地和目的地之間航行海域離散處理后某一航線段的航線點數(shù)量共有n個。

40、可選的，步驟（4）中初始解設(shè)定是指分別設(shè)計確定了船舶運輸配載規(guī)劃和船舶運輸航線規(guī)劃的初始解，船舶運輸配載規(guī)劃初始解設(shè)定按照棧位編號、初始貨物分組、貨物棧位選擇和棧位具體位置分配；船舶運輸航線規(guī)劃初始解設(shè)定按照海域離散處理、初始設(shè)置航速、航速及運輸時間驗證和總耗油量計算進行設(shè)定。

41、可選的，步驟（4）中遺傳操作設(shè)計包括船舶運輸配載規(guī)劃的交叉操作和變異操作，在交叉與操作過程中，若目的地分配發(fā)生變化，船舶運輸航線規(guī)劃則需重新進行航行海域離散處理并完成船舶運輸總耗油量計算；適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置是指根據(jù)船舶運輸綜合規(guī)劃目標函數(shù)設(shè)置，引入最大允許裝卸倒貨量和最大允許燃油消耗量及其相對應(yīng)的權(quán)重值，通過設(shè)置收斂性要求進行迭代計算，得出船舶運輸綜合規(guī)劃最優(yōu)解。

42、基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明公開了一種基于遺傳算法的船舶運輸綜合規(guī)劃系統(tǒng)，包括：

43、船舶運輸配載規(guī)劃模型構(gòu)建模塊，用于設(shè)定船舶運輸配載規(guī)劃模型的初始條件，以船舶裝卸倒貨量最小為目標函數(shù)，以確保初始貨物全部裝在船上、確保待裝載貨物全部裝在船上、確保每一棧位中已裝載貨物數(shù)量不超過該棧位最大貨物容量為約束條件構(gòu)建船舶運輸配載規(guī)劃模型；初始條件包括待裝載貨物信息已知、已裝載貨物信息已知、船舶艙位信息已知、船舶艙位布局描述方法和貨物分組原則確定；

44、船舶運輸航線規(guī)劃模型構(gòu)建模塊，用于設(shè)定船舶運輸航線規(guī)劃模型的初始條件，以船舶運輸航線總航程耗油量最小為目標函數(shù)，以滿足運輸時間要求和滿足船舶運輸安全航速為約束條件構(gòu)建船舶運輸航線規(guī)劃模型；初始條件包括出發(fā)地和目的地位置已知、通航環(huán)境信息已知、航速與油耗關(guān)系已知、出發(fā)地和目的地之間的航行海域已進行離散處理；

45、船舶運輸綜合規(guī)劃模型構(gòu)建模塊，用于結(jié)合船舶運輸配載規(guī)劃模型和船舶運輸航線規(guī)劃模型聯(lián)合構(gòu)建船舶運輸綜合規(guī)劃模型，設(shè)定船舶當前運輸任務(wù)最大允許裝卸倒貨量和最大允許燃油消耗量，同時分配裝卸倒貨量和燃油消耗量的權(quán)重值，以船舶裝卸倒貨量最小和船舶運輸航線燃油消耗最低為規(guī)劃目標建立船舶運輸綜合規(guī)劃模型；

46、最優(yōu)解求解模塊，用于基于遺傳算法開展船舶運輸綜合規(guī)劃模型求解，將求解步驟分為問題編碼、初始解設(shè)定、遺傳操作設(shè)計、適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置，最終形成船舶運輸綜合規(guī)劃最優(yōu)解決方案。

47、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點：本發(fā)明在船舶運輸規(guī)劃方法綜合統(tǒng)籌了配載規(guī)劃和運輸航線規(guī)劃，覆蓋船舶運輸全周期，能夠有效地降低運輸成本，提升經(jīng)濟效益；本發(fā)明規(guī)劃方法兼顧考慮了船舶不同運輸任務(wù)間的差異性，設(shè)置了運輸任務(wù)最大允許裝卸倒貨量和最大允許燃油消耗量以及對應(yīng)權(quán)重值，同時基于遺傳算法的廣泛適用性和優(yōu)良的全局搜索能力、并行計算能力等優(yōu)勢，采用遺傳算法進行最優(yōu)解求解，能夠滿足不同運輸任務(wù)的規(guī)劃需求。