何 紅， 張 輝

(1.南京萊斯網(wǎng)信技術(shù)研究院有限公司水上交通業(yè)務(wù)部，江蘇 南京 210000； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所海軍部，江蘇 南京 210007)

引 言

在船舶交通領(lǐng)域，若進(jìn)出港船舶較多而港口的泊位數(shù)量有限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致海上船舶通航效率低，同時(shí)也容易引發(fā)海上險(xiǎn)情事故。為保障海上安全形勢(shì)穩(wěn)定，提高船舶進(jìn)出港交通效率，海事局和港口部門(mén)通過(guò)對(duì)港口通航環(huán)境、交通流、船舶通航效率等多方面綜合分析，研究建立了港前待泊區(qū)，并投入到船舶進(jìn)出港交通組織的實(shí)際應(yīng)用中。待泊區(qū)是指船舶進(jìn)港前臨時(shí)等待的水域，船舶進(jìn)港前可以先在待泊區(qū)水域等候，等到可以進(jìn)港時(shí)直接從待泊區(qū)進(jìn)港，大大縮短了進(jìn)港時(shí)間，提高了海上船舶的通航效率。

船舶若要使用待泊區(qū)需要提前進(jìn)行申請(qǐng)，由船舶或船舶代理公司在本航次有效靠泊計(jì)劃前6小時(shí)進(jìn)行申請(qǐng)，指揮中心進(jìn)行審批和編排。船舶需要聽(tīng)從指揮中心的指令，需獲得指揮中心審批編排之后方可使用待泊區(qū)，禁止擅自進(jìn)出待泊區(qū)。船舶提交待泊區(qū)使用申請(qǐng)后，指揮中心對(duì)接收到的所有待泊區(qū)使用申請(qǐng)進(jìn)行審批和智能編排，根據(jù)編排結(jié)果來(lái)確定哪些申請(qǐng)待泊區(qū)的船舶可以最先使用待泊區(qū)。為充分發(fā)揮待泊區(qū)的功能效用，保證海上船舶的通航效率和海上安全，需要高效智能的編排算法對(duì)待泊區(qū)申請(qǐng)進(jìn)行實(shí)時(shí)編排。

根據(jù)海事交管部門(mén)和港口部門(mén)對(duì)待泊區(qū)使用的相應(yīng)規(guī)定，待泊區(qū)使用時(shí)主要考慮四個(gè)方面：采取引航措施的船舶優(yōu)先、港方重點(diǎn)推薦船舶優(yōu)先、錨泊距離較遠(yuǎn)的船舶優(yōu)先、載重噸較大的船舶優(yōu)先。因此，在對(duì)所有進(jìn)出港船舶的待泊區(qū)申請(qǐng)進(jìn)行智能編排的過(guò)程中，將上述四個(gè)因素作為此次待泊區(qū)編排算法的四個(gè)主要影響因素。針對(duì)這類(lèi)港口資源的調(diào)度決策問(wèn)題，可以采用遺傳算法[1]來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以采用多因子動(dòng)態(tài)加權(quán)方法來(lái)解決[2],同時(shí)它更是一個(gè)多元決策問(wèn)題，可以采用AHP層次分析法來(lái)解決[3-4]。

基于AHP(層次分析法)的待泊區(qū)動(dòng)態(tài)編排算法中，首先需要確定各影響因素，建立各影響因素的隸屬度函數(shù)，然后確定各個(gè)影響因素的權(quán)系數(shù)，最后將各個(gè)影響因素的權(quán)系數(shù)與各影響因素取值進(jìn)行加權(quán)求和獲得綜合隸屬度函數(shù)取值。對(duì)綜合隸屬度函數(shù)取值進(jìn)行降序排序，并結(jié)合待泊區(qū)的數(shù)量和使用情況，進(jìn)行待泊區(qū)的自動(dòng)分配，進(jìn)而完成待泊區(qū)申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)智能編排。

1 各影響因素的隸屬度函數(shù)的建立

隸屬度函數(shù)是指依據(jù)各類(lèi)評(píng)價(jià)因素的特征，確定評(píng)價(jià)值與評(píng)價(jià)因素值之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)港口部門(mén)對(duì)待泊區(qū)使用的相應(yīng)規(guī)定，待泊區(qū)使用時(shí)主要考慮的四個(gè)方面作為此次待泊區(qū)編排算法的四個(gè)主要影響因素。下面依次建立各個(gè)因素的隸屬度函數(shù)。

1)“是否采取引航措施”因素的隸屬度函數(shù)

引航措施的采取為是或否，因此隸屬度函數(shù)為

(1)

2)“是否港方重點(diǎn)推薦船舶”因素的隸屬度函數(shù)

是否港方重點(diǎn)推薦船舶的隸屬度函數(shù)為

(2)

3)“錨泊距離”因素的隸屬度函數(shù)

“錨泊距離”是指船舶錨泊位置與基準(zhǔn)標(biāo)地物的距離。根據(jù)港口部門(mén)相應(yīng)規(guī)定，待泊區(qū)使用申請(qǐng)的適用范圍為“錨泊位置距離基準(zhǔn)標(biāo)地物6海里及以上”。在待泊區(qū)申請(qǐng)的編排過(guò)程中，錨泊位置較遠(yuǎn)者優(yōu)先使用。

結(jié)合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，當(dāng)船舶錨泊距離在12海里之內(nèi)，錨泊位置較遠(yuǎn)者優(yōu)先使用待泊區(qū)；但當(dāng)船舶錨泊距離超過(guò)12海里，錨泊距離對(duì)待泊區(qū)申請(qǐng)編排的影響很微??；當(dāng)船舶錨泊距離超過(guò)16海里時(shí)，則即使該船舶申請(qǐng)待泊區(qū)也不再考慮錨泊距離對(duì)編排效果的影響。

因此，假定船舶錨泊距離為d(單位海里)，“錨泊距離”因素的隸屬度函數(shù)為

(3)

4)“載重噸”因素的隸屬度函數(shù)

“載重噸”是指該船舶本航次承載貨物的總噸數(shù)。根據(jù)港口部門(mén)相應(yīng)規(guī)定，待泊區(qū)申請(qǐng)的適用范圍為“船舶載重噸在7萬(wàn)噸及以下”。在待泊區(qū)申請(qǐng)的編排過(guò)程中，載重噸較大者優(yōu)先使用。

因此，假設(shè)船舶載重噸為w(單位噸)，“載重噸”因素的隸屬度函數(shù)為：

(4)

建立了以上四個(gè)因素的隸屬度函數(shù)后，對(duì)于某一次船舶的待泊區(qū)使用申請(qǐng)，其編排綜合隸屬度函數(shù)為

μ=λ1μ1+λ2μ2+λ3μ3+λ4μ4

(5)

式中λi為因素μi的權(quán)系數(shù)，μ為綜合隸屬度函數(shù)的取值，即用于確定最后編排結(jié)果的參考值。

2 各影響因素權(quán)系數(shù)的設(shè)定

各個(gè)因素的權(quán)系數(shù)λi的設(shè)定實(shí)際是一個(gè)多元決策問(wèn)題，采用層次分析法求取權(quán)系數(shù)。層次分析法求取權(quán)系數(shù)主要包括判斷矩陣的構(gòu)造和權(quán)系數(shù)的計(jì)算。下面通過(guò)層次分析法來(lái)求取各個(gè)影響因素的權(quán)系數(shù)λi，其具體步驟如下：

1)判斷矩陣的構(gòu)造

構(gòu)造諸因子的判斷矩陣是層次分析法的出發(fā)點(diǎn)。所謂判斷矩陣就是根據(jù)實(shí)際情況并征詢(xún)專(zhuān)家意見(jiàn)，對(duì)諸因子的相互重要性給出評(píng)判，將評(píng)判結(jié)果用數(shù)值表示出來(lái)，寫(xiě)成矩陣形式

AB1…Bj…B4B1b11…b1j…b14?Bibi1…bij…bi4?B4b41…b4j…b44

其中，bij表示判斷矩陣中影響因子Bi對(duì)Bj的相對(duì)重要性，且對(duì)判斷矩陣A有

(6)

根據(jù)上述原則，綜合實(shí)際情況得出判斷矩陣A如下：

判斷矩陣A引航措施港方推薦錨泊距離載重噸引航措施11.21.5x1.8港方推薦5611.25x1.5錨泊距離23x45x165x載重噸59235x61

其中,x為錨泊距離的函數(shù)，表示錨泊距離因素的隸屬度函數(shù)的權(quán)系數(shù)與錨泊距離有關(guān)，是動(dòng)態(tài)可變的，可表示為

(7)

2)一致性檢驗(yàn)

3)權(quán)系數(shù)的計(jì)算

因?yàn)榕袛嗑仃嘇滿(mǎn)足完全一致性，因此，求取判斷矩陣A的諸因子的排序向量問(wèn)題可以歸為計(jì)算矩陣A的特征根和特征向量問(wèn)題。求解判斷矩陣A的特征向量得到其特征向量值為

(8)

得到判斷矩陣A的特征向量λ之后，即得到了各影響因素的權(quán)系數(shù)λi，進(jìn)而可以得到各因素的權(quán)系數(shù)與各因素隸屬度函數(shù)取值的加權(quán)求和值。

3 動(dòng)態(tài)智能編排

結(jié)合式(1)-(4)這四個(gè)隸屬度函數(shù)和式(8)的權(quán)系數(shù)，可求得式(5)中的μ綜合隸屬度函數(shù)取值,再對(duì)各個(gè)申請(qǐng)船舶的綜合隸屬度函數(shù)值μ進(jìn)行降序排序，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有待泊區(qū)數(shù)量，進(jìn)行待泊區(qū)的自動(dòng)分配并將分配結(jié)果進(jìn)行展現(xiàn)，供海事局值班員進(jìn)行分配確認(rèn)。同時(shí)，等待固定時(shí)間間隔后(如3min)進(jìn)行重新計(jì)算和結(jié)果展示，進(jìn)而完成所有待泊區(qū)申請(qǐng)船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)編排，編排算法的具體流程如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)智能編排流程示意圖

3.1 單個(gè)船舶的μ值的計(jì)算

結(jié)合圖1，一個(gè)船舶的待泊區(qū)申請(qǐng)中提供了申請(qǐng)船舶的錨泊位置、載重噸、是否采取引航措施和是否重點(diǎn)船舶等信息。首先，根據(jù)其錨泊距離d并結(jié)合式(7)就可以求得變量x的取值，根據(jù)變量x的取值并結(jié)合式(8)就可以求得到特征向量λ。特征向量λ的取值確定了各因素的權(quán)系數(shù)λi的取值，再根據(jù)式(1)-(4)求解出各因素的隸屬度函數(shù)的取值μi，結(jié)合式(5)將λi和μi進(jìn)行加權(quán)求和后，即可得到該申請(qǐng)船舶的綜合隸屬度函數(shù)μ的取值。

3.2 根據(jù)μ值和待泊區(qū)數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)分配

計(jì)算完所有待泊區(qū)申請(qǐng)船舶的綜合隸屬度函數(shù)值μ，對(duì)μ值進(jìn)行降序排序，同時(shí)結(jié)合已有的待泊區(qū)數(shù)量，進(jìn)行待泊區(qū)的自動(dòng)分配，一個(gè)待泊區(qū)可容納兩個(gè)申請(qǐng)船舶，自動(dòng)分配后即生成了該時(shí)刻所有待泊

區(qū)申請(qǐng)船舶的自動(dòng)編排結(jié)果，對(duì)編排結(jié)果進(jìn)行展現(xiàn)，供海事局值班員進(jìn)行分配確認(rèn)。海事局值班員可以根據(jù)編排結(jié)果視情對(duì)某些待泊區(qū)船舶進(jìn)行待泊區(qū)的分配的確認(rèn)。

3.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)編排

等待固定時(shí)間間隔后(如3min)，再次自動(dòng)獲取當(dāng)前時(shí)刻的所有待泊區(qū)申請(qǐng)船舶，其中包括該時(shí)間間隔內(nèi)新增的待泊區(qū)申請(qǐng)船舶和去掉海事局值班員已經(jīng)確認(rèn)分配了待泊區(qū)的申請(qǐng)船舶，對(duì)各個(gè)申請(qǐng)船舶的綜合隸屬度函數(shù)值μ進(jìn)行計(jì)算和降序排序，結(jié)合剩余的待泊區(qū)數(shù)量，進(jìn)行待泊區(qū)的自動(dòng)分配，即可完成新一輪的所有待泊區(qū)申請(qǐng)船舶的編排，將編排結(jié)果展現(xiàn)供海事局值班員進(jìn)行分配確認(rèn)。依次類(lèi)推，等待固定時(shí)間間隔后繼續(xù)進(jìn)行待泊區(qū)的動(dòng)態(tài)編排。

通過(guò)上述方式，即可完成所有待泊區(qū)申請(qǐng)船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)編排。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用基于AHP的待泊區(qū)動(dòng)態(tài)編排算法，能夠滿(mǎn)足水上交通領(lǐng)域中船舶待泊區(qū)申請(qǐng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)智能編排需求，將傳統(tǒng)的人工編排方式向高信息度集成的智能自動(dòng)化編排方式轉(zhuǎn)化，具有編排過(guò)程高效、編排結(jié)果精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。該算法已經(jīng)運(yùn)用于河北秦皇島港的港口交通組織平臺(tái)中，秦皇島港目前設(shè)置了3個(gè)港前待泊區(qū)，算法的實(shí)際運(yùn)用效果良好。

同時(shí)，該算法還能應(yīng)對(duì)編排因素多變的特點(diǎn)，結(jié)合各個(gè)港口的實(shí)際情況和獨(dú)特特征，對(duì)不同影響因素進(jìn)行個(gè)性化配置，大大提升用戶(hù)體驗(yàn)。