[發明專利]一種無規則限制性區域船舶調度方法

在審

• 申請號: 202110287094.5
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113095627A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 王燕霞;甘少君;陳艷艷;王德軍
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06N3/04;G06N3/08;G06Q50/26
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

在內河航運中，如何調度船舶以最優的順序通過限制性區域一直是海事局、航道局、三峽通航管理局等管理部門的重要工作內容之一。現有的船舶調度指揮依據確定規則進行，容易受到信號員主觀因素的影響，且無法適應限制性區域不斷變化的動態環境，導致船舶需要消耗大量的等待時間，通行效率低。本專利提出一種無規則船舶調度指揮方法，利用機器學習方法，特別是強化學習算法，通過計算機探索不同應用場景中船舶調度方案的效益，最終得到具體場景下的最優調度方案，在保證船舶航行安全的基礎上，提高船舶通行效率，降低等待時間。

技術領域

本專利涉及一種無規則限制性區域船舶調度方法，屬于內河航運技術領域。

背景技術

在內河航運中，如何調度船舶以最優的順序通過限制性區域一直是海事局、航道局、三峽通航管理局等管理部門的重要工作內容之一。限制性區域是指船舶不能自由航行，需要按照通行指揮信號有序通過的區域，例如三峽壩區以及長江中上游的控制河段。船舶通行指揮信號不僅需要保證船舶安全通過，還需要盡量降低船舶在排隊過程中的等待時間，提高通行效率。

幾乎所有現存的調度指揮方法均是規則導向型，即有明確的規則來指導如何調度船舶通行順序。例如，船舶在通過長江上游限制性航道的過程中，主要按照“下水優先，先到先走”的規則進行調度指揮；船舶在三峽壩區過壩的過程中，依據“先到先走”的原則進行調度指揮。按照固定的規則指導船舶有序通過限制性區域能夠保證船舶的航行安全，卻無法保障船舶的通行效率，且指揮過程極易受到信號員主觀心理因素的影響。在現有的船舶調度指揮過程中，船舶通常需要在指揮斷面等待數十分鐘才能通過限制性區域，甚至在極端情況下，需要等待數小時才能通過。

發明內容

本發明專利提出一種無規則限制性區域船舶調度方法，其目的在于克服技術背景中出現的技術難題，提出一種無規則限制性區域船舶調度方法。本專利所述的無規則船舶調度指揮方法主要指利用機器學習，特別是強化學習方法，通過計算機探索不同應用場景中船舶調度方案的效益，最終得到具體場景下的最優調度方案，在保證船舶航行安全的基礎上，提高船舶通行效率，降低等待時間。不同應用場景包括三峽壩區過壩，碼頭船舶進出港、控制河段船舶調度等船舶需要按照調度命令有序通行的場合，同時包含不同種類、不同數目的船舶以不同的方式通過上述場合。

為實現以上目的，本發明提供如下技術方案：

(1).隨機初始化Q(s，a)的數值，其中s為船舶狀態表征向量，a表示采取的船舶調度指令，Q(s，a)的數值表征在船舶航行狀態s下，調度指令a所得分數。Q(s，a)值越大表示在船舶航行狀態s下，調度指令a所得分數越高，越接近最優指令，即船舶等待時間越短，通行效率越高。

(2).依據需要調度的限制性區域場景，通過計算機生成n艘即將通過限制性航道區域的船舶信息，包括船舶的具體位置(經度、緯度)，航行速度以及航向信息。

(3).根據n艘船舶在當前時間t的航行信息預測其到達指揮斷面的時間PAT^t以及在限制性區域內通行所需要的時間PCT^t，其中

(4).根據限制性區域附近所有船舶的PAT^t和PCT^t構建當前船舶航行狀態表征向量s。

(5).在0～1之間隨機選取船舶調度方案選擇因子λ。若λ大于等于預設值δ，則從當前船舶狀態s可選的調度指令中選擇得分最高的調度指令；若λ小于預設值δ，則從當前船舶狀態s可選的調度指令中隨機選擇一個調度指令。δ控制算法收斂的速度及效果，δ越小算法收斂速度越快，但容易陷入局部最優；δ越大算法越容易搜索到最優的調度指揮方案，但相對收斂速度慢。在實際應用中，δ可取值為1-k/T，其中k為當前迭代次數，T為最大迭代次數。

(6).設步驟5所選取的調度指令為a。執行調度指令a，設當前通過限制性航道的船舶為船舶j，記錄船舶j實際到達限制性航道的時間和實際在限制性航道內的航行時間