三峽-葛洲壩聯(lián)合通航調(diào)度問(wèn)題的研究.pdf

1、隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷增加，大規(guī)模復(fù)雜的調(diào)度問(wèn)題已經(jīng)成為熱門的研究課題，本文以“三峽－葛洲壩水利樞紐通航調(diào)度系統(tǒng)工程”項(xiàng)目為工程背景，對(duì)具有不確定性的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了探討，并對(duì)這類調(diào)度問(wèn)題的建模和優(yōu)化進(jìn)行了研究。長(zhǎng)江三峽河段（廟河至中水門）全長(zhǎng)59公里，是三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐所在的航道，這是長(zhǎng)江“黃金水道”的咽喉部分。三峽-葛洲壩梯級(jí)樞紐是一個(gè)有機(jī)的整體，要充分發(fā)揮該水域的航運(yùn)能力就必須對(duì)兩壩的通航設(shè)施（包括三峽大壩的雙線五級(jí)船

2、閘和葛洲壩的三線單級(jí)船閘）和所有過(guò)壩船舶實(shí)行統(tǒng)一的通航調(diào)度管理。三峽-葛洲壩聯(lián)合通航調(diào)度能有效發(fā)揮“黃金水道”咽喉部分的通航能力，這將為我國(guó)長(zhǎng)江航運(yùn)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)效益。本論文借鑒了調(diào)度問(wèn)題上已有的研究工作和通航部門的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，對(duì)具體的系統(tǒng)工程問(wèn)題提出了全面有效的模型和方法，進(jìn)而為交通運(yùn)輸中的公路、鐵路、航空、航運(yùn)的調(diào)度提供了新的思路和研究方法。 為了高效實(shí)施兩壩聯(lián)合通航調(diào)度，以及為三峽－葛洲壩水利樞紐通航調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理

3、論依據(jù)，文本工作著力于聯(lián)合通航調(diào)度的數(shù)學(xué)模型、聯(lián)合通航調(diào)度的調(diào)度策略、不確定性下的滾動(dòng)時(shí)窗調(diào)度、閘外編排和計(jì)劃調(diào)整等問(wèn)題的研究。 本文的主要研究工作如下： (1)研究了聯(lián)合通航調(diào)度系統(tǒng)，建立了數(shù)學(xué)模型，定義了目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的約束條件，本文將聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型歸結(jié)為一個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題。求解三峽--葛洲壩兩壩聯(lián)合調(diào)度模型就是根據(jù)船舶流序列生成時(shí)間表序列，從這個(gè)意義上看，這是個(gè)時(shí)間上的scheduling問(wèn)題。由于船舶需要

4、編排到船閘之中，根據(jù)時(shí)間表序列對(duì)二維空間（船閘閘室）進(jìn)行排檔（排檔結(jié)果包括船舶在船閘內(nèi)的位置信息），即空間上的bin packing問(wèn)題。二者耦合在一起是一個(gè)非常復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題，具有強(qiáng)NP-hard的復(fù)雜度，并且在實(shí)際的通航調(diào)度系統(tǒng)中變量結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，因此精確優(yōu)化算法是不現(xiàn)實(shí)的，針對(duì)調(diào)度模型的目標(biāo)和約束條件本文采用逐步最優(yōu)化算法POA（Progressive Optimality Algorithm），它是求解多階段決策問(wèn)題的一種方

5、法，采用多層循環(huán)迭代尋優(yōu)的策略，適合于多約束的時(shí)間表問(wèn)題的求解。 (2)設(shè)計(jì)了兩壩聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)策略。從船閘的分布來(lái)看，五個(gè)船閘構(gòu)成一類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間通過(guò)船舶流來(lái)連接，三峽兩線船閘和葛洲壩三個(gè)船閘又因地理位置而分別綁定。兩壩間距為38公里，距離“不近”也“不遠(yuǎn)”。從兩壩之間距離“不近”來(lái)看，調(diào)度策略歸結(jié)可為分壩調(diào)度，其特點(diǎn)是兩壩分壩調(diào)度，其性質(zhì)接近船閘的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度，因此其優(yōu)點(diǎn)可以盡量發(fā)揮兩壩的分壩通過(guò)能力，其缺點(diǎn)是兩壩間

6、銜接不夠，通常會(huì)使得兩壩間船舶大量積壓；從兩壩之間距離“不遠(yuǎn)”來(lái)看，調(diào)度策略歸結(jié)可為集中調(diào)度，即統(tǒng)一編制調(diào)度計(jì)劃，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)劃銜接和兩壩間銜接合理，其缺點(diǎn)是受通過(guò)能力小的一壩約束，使得整體通過(guò)能力受到影響。本文正是針對(duì)兩種調(diào)度模式進(jìn)行比較分析，根據(jù)調(diào)度實(shí)際情況，引入了兩壩間的面積緩沖和待閘時(shí)間的懲罰，得出了兩壩聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)策略—集中協(xié)調(diào)結(jié)合兩壩分壩實(shí)施的策略。 (3)提出了滾動(dòng)時(shí)窗調(diào)度。本文通過(guò)混沌時(shí)間序列分析的小數(shù)據(jù)量方法對(duì)船

7、舶的歷史過(guò)閘數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出了船舶過(guò)閘的混沌特性，根據(jù)混沌時(shí)間序列的短期預(yù)報(bào)方法，獲得了能保證調(diào)度計(jì)劃準(zhǔn)確性的預(yù)測(cè)時(shí)窗范圍。借鑒滾動(dòng)調(diào)度的思想，根據(jù)混沌時(shí)間序列預(yù)報(bào)提供的參考時(shí)窗，設(shè)計(jì)了滾動(dòng)時(shí)窗調(diào)度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明滾動(dòng)時(shí)窗調(diào)度切實(shí)可行，合適時(shí)窗的滾動(dòng)調(diào)度得出的過(guò)閘計(jì)劃和船舶的實(shí)際過(guò)閘記錄更為接近，因此滾動(dòng)時(shí)窗調(diào)度可以生成更準(zhǔn)確的調(diào)度計(jì)劃來(lái)指導(dǎo)船舶的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度。 (4)從全流程調(diào)度來(lái)看，為了優(yōu)化船舶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度，本文提出了閘外

8、編排和計(jì)劃調(diào)整的概念。分析了船舶在進(jìn)閘調(diào)度中的操作流程，考慮了調(diào)度的安全性和船舶進(jìn)閘耗時(shí)，建立了閘外編排的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的啟發(fā)式求解算法，將模型的目標(biāo)和約束條件通過(guò)啟發(fā)式方法生成船舶在閘外的排序法則。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度中，計(jì)劃調(diào)整的操作主要用來(lái)幫助現(xiàn)場(chǎng)船舶調(diào)度的優(yōu)化和應(yīng)急，相對(duì)閘外編排而言，計(jì)劃調(diào)整是一種閘內(nèi)編排。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明閘外編排和計(jì)劃調(diào)整切實(shí)可行，考慮了船舶進(jìn)閘時(shí)間和安全性原則，可以提高日開閘次數(shù)，可以生成安全高效的進(jìn)閘方案。

9、 最后本文介紹了作者作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人設(shè)計(jì)和開發(fā)的長(zhǎng)江三峽通航管理局的“三峽—葛洲壩水利樞紐通航調(diào)度系統(tǒng)工程應(yīng)用軟件開發(fā)項(xiàng)目（包括系統(tǒng)軟件）”。在實(shí)際的航運(yùn)調(diào)度管理系統(tǒng)中包括計(jì)劃編制子系統(tǒng)和信息管理子系統(tǒng)，本章從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的角度給出了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用。結(jié)合了聯(lián)合通航調(diào)度模型、調(diào)度策略和算法、滾動(dòng)時(shí)窗調(diào)度，以及閘外編排和計(jì)劃調(diào)整這些理論的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)兩年的正式運(yùn)行檢驗(yàn)，表明調(diào)度系統(tǒng)及其相應(yīng)的調(diào)度模型與調(diào)度策略具有很好的普適