摘 要

狭窄水道特指航道内宽度较窄的部分，狭水道内易发生船舶碰撞、搁浅等事故。限流、单向封航等规定的采取可以有效减少狭窄水道内的船舶行驶风险。而同时狭窄水道内的水位高低也会影响船舶进出港的通行能力。合理规划这些约束之间的关系，是降低航运成本的代价的最小办法。

本论文在整理其他关于狭窄水道船舶进出港优化、船舶乘潮进出港调度优化问题的研究基础上，设计了一个以等待时间最短和参与调度时间最短为多目标的混合整数规划模型，并采用CPLEX和YALMIP工具箱求解，结果显示该模型能有效降低船舶调度过程的总时间，并降低航运成本。本文首先阐述了研究的目的、背景和意义，然后介绍了技术设计方案，并针对当前的运输现状设计了数学模型，用船舶时间流程做约束条件，在此基础上加上了单向行驶、安全时间、乘潮窗口期等约束。其次，在YALMIP中将所有约束条件转化为线性约束并调用CPLEX算法工具箱在MATLAB中求解。最后将实际的数据带入模型，进行案例分析，然后将数据分别横向、纵向对比，可以看出本模型确实可以优化船舶进出港时间，并且对不同数目船舶有不同求解效果。

关键词：狭窄水道；乘潮窗口期；船舶调度优化；

Abstract

Narrow waterway refers to the narrower part of the waterway. Accidents such as ship collision and grounding are prone to occur in the narrow waterway. The adoption of regulations such as current limitation and one-way closure can effectively reduce the risks of ships in narrow waterways. At the same time, the water level in the narrow channel will also affect the capacity of ships to enter and leave the port. Properly planning the relationship between these constraints is the smallest way to reduce the cost of shipping costs.

In this paper, based on the collation of other researches on the optimization of ships' inbound and outbound ports in narrow waterways, and the inbound and outbound port scheduling optimization of ships by tide, a mixed integer programming model with the shortest waiting time and the shortest participating scheduling time as multi-objective is designed, and solved with the YALMIP toolbox and CPLEX toolbox, the results show that the model can effectively reduce the total time of the ship scheduling process and reduce shipping costs. This article first elaborates the purpose, background and significance of the research, then introduces the technical design plan, and designs a mathematical model for the current transportation status, using the ship's time flow as a constraint, and adding one-way driving constraint, safety constraint and tide window period constraint on this basis. Secondly, in YALMIP, all constraints are converted into linear constraints and the CPLEX algorithm toolbox is called to solve in MATLAB. Finally, I bring the actual data into the model, conduct case analysis, and then compare the data horizontally and longitudinally. It can be seen that this model can indeed optimize the time for ships to enter and leave the port, and have different solutions for different numbers of ships.

Keywords: narrow waterways; tide window period; ship scheduling optimization

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的 1

1.2研究背景和现状 2

1.3研究意义与创新 5

1.4本章小结 5

1.5论文结构 5

第2章 狭窄水道船舶乘潮进出港问题描述 6

2.1研究方法 6

2.2研究思路 6

第3章 模型建立 7

3.1混合整数规划 7

3.2模型假设 7

3.3建模原则 7

3.4符号说明 8

3.5设计目标函数 8

3.6设计约束条件 10

第4章优化求解 11

4.1工具箱选用 11

4.2算法简介 11

4.2.1 YALMIP简介与安装 11

4.2.2 CPLEX简介与安装 12

4.3求解步骤 12

4.3.1 添加辅助变量 12

4.3.2 改写约束条件 13

第5章 实例应用 15

5.1案例描述 15

5.2案例求解 16

5.2.1 15船进出港案例 16

5.2.2 10船进出港案例 19

5.2.3 8船进出港案例 21

5.3结果分析 23

5.3.1 8船进出港优化结果分析 24

5.3.2 10船进出港优化结果分析 26

5.3.3 15船进出港优化结果分析 28

5.4 综合分析 30

5.4.1 单船进出港时间对比 30

5.4.2 算法求解时间对比 31

第6章 总结与展望 32

6.1 总结 32

6.2 展望 32

参考文献 34

致 谢 37

第1章 绪论

1.1研究目的

狭窄水道特指航道内宽度较窄的部分，狭水道内易发生船舶碰撞、搁浅等事故。限流、单向封航等规定的采取可以有效减少狭窄水道内的船舶行驶风险。而同时狭窄水道内的水位高低也会影响船舶进出港的通行能力。船舶安全进港与出港要考虑的安全因素之一就是乘潮窗口期，当不同吃水深度的船舶通过航道时，船舶需要了解当时的乘潮水位是否能使船舶安全进出港，否则可能会导致触礁、搁浅等航行事故。乘潮水位的划分依据应该按照船舶的类型、尺寸大小、载重大小等因素来考量，因此乘潮窗口期应该在不扰乱通行计划的情况下包容更多的船只。由于狭窄水道只能单向行驶造成航道资源有限，狭水道内的交通极易在乘潮窗口期内发生堵塞，致使港内交通运行效率大大降低。 

近年来，国内外对于狭窄水道船舶调度优化和船舶的乘潮进出港调度优化问题的研究多集中表现在宏观方面，包括对港口码头狭窄水道交通流的数据统计和进出港预测、不同类型船舶通过狭窄单向水道的风险指数预测、不定期船舶在窗口期内可以顺利进出港的通过率等方面，这些研究多数都侧重于其中某一个角度的深入研究。而在微观上缺少将狭窄水道、多艘不定期船只、乘潮窗口期、单向行驶等因素综合起来的研究，在实际生活上并不能策划出不定期船舶通过狭水道的最优策略。因此，本设计的目的便是在实际调研考查的基础上，充分考虑狭窄水道和船舶乘潮窗口期的条件，设计不同吨位、不同泊位船舶的进出港调度计划，能够有效解决或缓解因航道内宽度受限、窗口期限制而导致的港口内交通运输效率低、船舶在锚地等候时间长等诸多问题，大大提高港口码头对船舶通行的服务能力，为此项领域的研究内容提供重要的理论价值和现实意义。