[发明专利]基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于交通运输站场规划设计和管理技术领域，特别涉及一种基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法。

技术背景

航道是船舶进出港口的通道，其规划设计容量及其管理水平决定了港口的能力与水平，成为港口发展的主要瓶颈之一。特别是对于有泥沙沉积、业务量大的港口，航道建设、运营维护资金巨大，如何针对具体港口业务量及其发展趋势，规划设计合理规模的港口航道，并在具体运营管理过程中，利用已有航道进行优化调度，成为交通规划与管理相关人员所关心的问题。而其核心及其基础工作是包括模拟仿真在内的航道运行交通流模型的建立。

港口航道交通流模型的研究较少，主要分为三部分：一是宏观模型，如Mavrakis和Kontinakis在2008年针对对博斯普鲁斯海峡建立了海上交通的排队论解析模型，且未考虑船长和领航员的行为对交通流的影响。二是采用传统微观仿真方法，不涉及元胞自动机模型，如陈沈阳应用海上交通工程方法研究了交通流的生成与发展规律以及交通网络的时空分布，提出港口航道交通流的仿真模型，它随机产生船舶和航线，与实际船舶在航道航行十分相似，但并未虑天气因素等一些实际情况的影响，仿真模型刻画不细致；叶铂提出了一种基于MAS的船舶交通流仿真模型，模拟了单一船舶躲避障碍物的运动状态，增加了回避静态障碍物的回避力，较全面的分析了个体船舶运动过程中控制其运动方向的几个力，但该研究针对船舶交通流运行的几个简单情况进行了分析，并且缺乏对船舶航行影响因素的考虑。三是仅有的两篇采用元胞自动机对港口航道进行研究的文献，陈健等采用元胞自动机和排队论相结合的数学模型研究一维单行航道港口交通流问题，仅针对单行航道简单模拟出船舶航行的一般状态，未考虑多通航方式，不符合实际情况；周锋等利用元胞自动机初步建立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，但该仿真中对于水流、气候等因素的影响没有充分考虑，加上运行规则上船舶的动态调配不灵活，影响航道的使用率。

从已有相关文献阅读分析可知，针对港口航道模型已有技术具有以下特点：

（1）一些研究采用传统交通流排队论模型，太宏观，无法描述航道交通流复杂的非线性行为，无法为具体港口航道规划管理特别是针对具体船期表情况下的航道管理提供更加科学的决策支持。

（2）已有的大部分港口航道交通流微观仿真没有采用元胞自动机模型，受方针手段与工具所限，不能更加细致刻画船舶航行所面临的不确定性。

（3）现有的两篇采用元胞自动机对港口航道进行的研究，有的仅限于单一航道，假设较多，如偏重于对简单特定的交通流特性的分析，许多实际情况没有考虑，如单一船舶类型；虽然提及了天气因素，但天气以及水流等影响因素对船舶行驶特性的影响没有在所建立的模型中具体体现出来；船舶的动态调配不灵活，航道使用率低，无法细致刻画实际情况中的船舶行驶与停靠情况。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨实现对每个决策主体的微观行为进行具体描述与仿真，能够仿真以具体船期表为边界条件的航道船舶行为，充分考虑每个船舶由于自身特性的不同造成运行规则的变动以及各种天气状况及潮涨潮落对航道通航的影响，从而获得更贴近实际情况的仿真数据，使得对航道船舶行为研究更加深入，为寻求最佳的航道规划设计和调度方案提供基础的研究支撑。为此，本发明采取的技术方案是基于元胞自动机模型的港口航道微观仿真方法，包括下列步骤：

1.1元胞的建立：

将航道用若干元胞表示，结合航道的特点及要求，构建锚地、航道、码头前水域和泊位四类元胞，其中产生的船舶主要在锚地元胞进行手续办理及待泊，航道元胞主要反应具体的船舶行驶规则，船舶的停靠旋回在码头前水域元胞完成，泊位是否空闲、是否有船舶靠泊及船舶装卸的状态都反应在泊位元胞上；

1.2元胞自动机的运行：

v(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的速度，v(i,k)表示第i艘船第k秒的速度，v_max表示船舶可以行驶的最大速度，d(i,k)表示第i艘船在第k秒时与前一艘船的距离，ls表示船舶的船身长度，x(i,k+1)表示第i艘船第k+1秒的位置，x(i,k)表示第i艘船第k秒的位置；

以船期表为边界条件生成船舶，生成的船舶到港时到锚地办理手续，之后根据进出港时间规定判断是否为进港，若为进港，再由该船要停泊位判断是否可停靠，若该泊位空闲则该船可以离开锚地进入航道，否则在锚地排队等待，进入航道的船舶行驶到指定泊位，在泊位元胞进行装卸作业及手续办理，满足出港条件后又离开泊位元胞进入航道元胞，最后驶离港口；