受限水域船舶交通自组织协同调度理论与方法研究

With the need of intellectualization of ship traffic organization and management in confined waters, theories and methods for self-organized and self-adaptive cooperative ship traffic scheduling are studied systematically in this project to maintain the safety, the orderliness and high efficiency of ship traffic. With close relation to both the characteristics of the ship traffic in confined waters and the limitations and constraints of ship navigation, this research attempts to explore innovatively the influential mechanism between ship traffic evolution and congestion, the coupling between external disturbance and cooperative ship traffic scheduling and so on. In consideration of both local conflict avoidance and premium global efficiency, tasks concerning the congestion coeficient modeling, ship traffic self-organized and coordinated scheduling based on multi-agent theory, and adaptive scheduling adjustment strategy respectivly will be carried out to formulate systematically the theories and methods for ship traffic coordinative scheduling. With regard to experiment, a self-developed experimental platform of ship traffic simulation and Arena, a software of discrete-event simulation, will be employed to verify the proposed theories, methods, models and algorithms. Potentially, the research results will be of great significance in breaking through the bottleneck in the development of the intellectualization of ship traffic, innovating the mode of the traditional ship traffic management, and extending the disciplinary research area of maritime safety.

面向受限水域船舶交通组织与管理智能化需求，以船舶交通的安全、有序、高效为目标，系统研究具有自组织、自适应特点的协同式船舶交通调度理论与方法。项目研究将紧扣受限水域船舶交通运行特征、船舶航行限制和约束条件特点，创新性地探索交通流演化过程与交通拥塞度变化之间的响应机理、外在干扰与交通协同调度模式之间的耦合效应等因素，兼顾局部冲突避免和整体效益最优，从受限水域船舶交通演化特征分析及拥塞度建模、基于多Agent协同理论的船舶交通自组织调度机制、外部干扰条件下的船舶交通调度自适应调整策略等三个方面开展工作，系统形成受限水域船舶交通协同调度理论与方法。实验研究方面，将通过自行开发的船舶交通流仿真实验平台和离散事件仿真软件Arena对提出的理论、方法、模型和算法进行验证性研究。项目研究对突破船舶交通智能化发展中的制约瓶颈、创新传统船舶交通管理模式、拓展海事保障学科研究领域等方面具有重要的理论和现实意义。

船舶交通组织与管理的智能化是未来船舶交通发展的必然趋势，但船舶交通存在个体航行决策自主性强、不同水域航行条件差异性大、集中式信息感知及交互能力弱等特征，突破传统船舶交通管理模式是保证船舶安全、有序、高效航行的关键。因此，本项目以受限水域为研究对象，在深入分析受限航道船舶交通演化机理及拥塞特征的基础上，系统研究了具有自组织、自适应特点的协同式船舶交通调度理论与方法。研究主要在以下几个方面取得了创新性成果：首先，应用概率统计及数据拟合方法，结合AIS系统自身数据提取及数据分析功能，探索了船舶交通流特征参数属性值的规律及各属性值之间的关联特性，实现了对受限水域船舶交通流静态特征及动态特征的模型化描述。然后，在对船-船干扰成因及干扰扩散机理分析的基础上，实现了对受限水域船舶交通演化机理模型化及规范化的描述，并进一步利用逻辑推断构建了受限航道拥塞度评价模型。接着利用Arana软件完成了基于Monte Carlo仿真方法的受限水域船舶交通仿真实验平台的开发，实现了对交通流的动态模拟、船舶交通控制、拥塞度因子实时计算及显示等，并通过敏感性分析确定了拥塞状态和船舶航行状态参数之间的内在关联。最后，项目研究以兼顾船舶冲突避免和通航效益最优为目标，在综合考虑船舶之间时空干扰和船舶优先权序列的基础上，提出一种以分布式决策为核心的自组织协同的船舶分组调度算法，实现了对受限水域船舶交通流整体效率的提高。此外本项目运用了前景理论、系统工程分析方法等构建了基于多指标关联决策方法的船舶个体决策模型和超大型船舶影响下的船舶通航效率损失模型。项目研究成果一方面为受限水域船舶交通演化特征分析和拥塞评价问题提供理论与技术支持，丰富船舶交通管理领域的相关理论；另一方面也提出了一些实用性船舶自组织调度算法，为进一步的应用性研究提供了依据。