• ISSN 0258-2724
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“碳减排”视域下内河流域梯级枢纽联合通航调度优化

高攀 方志伟 赵旭

高攀, 方志伟, 赵旭. “碳减排”视域下内河流域梯级枢纽联合通航调度优化[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230002
引用本文: 高攀, 方志伟, 赵旭. “碳减排”视域下内河流域梯级枢纽联合通航调度优化[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230002
GAO Pan, FANG Zhiwei, ZHAO Xu. Optimization of Joint Navigation Scheduling of Cascade Hubs in Inland River Basin from Perspective of Carbon Emission Reduction[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230002
Citation: GAO Pan, FANG Zhiwei, ZHAO Xu. Optimization of Joint Navigation Scheduling of Cascade Hubs in Inland River Basin from Perspective of Carbon Emission Reduction[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230002

“碳减排”视域下内河流域梯级枢纽联合通航调度优化

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230002
基金项目: 国家社会科学基金重大项目(19ZDA089);湖北省人民政府智力成果采购项目(HBZW-2019-07)
详细信息
    作者简介:

    高攀(1987—),男,讲师,硕士生导师,研究方向为交通运输管理、物流与供应链管理,E-mail:gaopan1987@ctgu.edu.cn

    通讯作者:

    赵旭(1982—),男,教授,博士生导师,研究方向为内河航运与船闸调度,E-mail:zhaoxu@ctgu.edu.cn

  • 中图分类号: U641.7;TP18

Optimization of Joint Navigation Scheduling of Cascade Hubs in Inland River Basin from Perspective of Carbon Emission Reduction

  • 摘要:

    为解决梯级枢纽联合通航调度中船闸运行规则不统一、船舶调度不同步等问题,以船舶综合通航效率、待闸成本和碳排放为决策目标,构建考虑船舶优先级的多维非线性规划(MDNP)模型;然后,拟用改进的回溯多目标模拟退火算法(IBMOSA)对MDNP进行求解,提出梯级枢纽联合调度的优化方案;最后,以“三峡-葛洲坝”梯级枢纽为例,验证MDNP模型与IBMOSA的有效性与可靠性. 结果表明:MDNP模型能够有效兼顾船舶通航效率和公平性,且IBMOSA具有较好的收敛性和全局性;通过编制协同排闸计划,对各船闸闸次安排进行合理布局,可规避梯级船闸的倒闸现象,减少船舶整体过坝时间;与原始调度方案相比,联合调度方案对3个决策目标的优化效率均接近40%,梯级枢纽通航拥堵缓解率约为16%,有效化解了梯级枢纽间的通航矛盾,提升了三峡水域的整体通航效益.

     

  • 图 1  “五闸一机”联合通航系统运作流程

    Figure 1.  Operation flow of joint navigation system with five locks and one ship lift

    图 2  IBMOSA的流程框架

    Figure 2.  Framework of IBMOSA

    图 3  IBMOSA与NSGA的收敛速度

    Figure 3.  Convergence speeds of IBMOSA and NSGA

    图 4  IBMOSA与NSGA的开闸时间计划波动值对比

    Figure 4.  Comparison of schedule fluctuation values for lock opening of IBMOSA and NSGA

    图 5  优化模型的灵敏度与稳定性验证

    Figure 5.  Sensitivity and stability verification of optimization model

    图 6  各船闸的闸次时间安排

    Figure 6.  Schedule of ship lock opening

    图 7  船舶待闸时间比较

    Figure 7.  Comparison of time costs of ships waiting for lock opening

    表  1  变量说明

    Table  1.   Variable specification

    变量类型 符号 说明
    模型
    参数
    $U_{{\mathrm{weight}}}$ 静态权重与动态权重的相关系数
    $\alpha $ 静态权重在综合权重中的比例系数
    ${L_k}$ 船舶$k$的长度,${\text{m}}$
    ${P_1}$ 燃油单位价格,元/L
    ${C_1}$ 船舶单位时间供电燃油消耗,L/min
    ${A_i}$ 闸室$i$的闸室面积,m2
    ${X_k}$ 船舶$k$的横坐标
    ${F_i}$  由于倒闸(葛洲坝和升船机)或换向(三峡南线和北线)引起闸室$i$的附加运行时间,${\text{s}}$
    ${a_k}$ 船舶$k$的船舶面积,m2
    ${Q_i}$ 船闸$i$在1个调度期中开闸总次数
    ${\omega _i}$  葛洲坝船闸$i$的开闸次数在 3 个葛洲坝船闸总开闸次数中的分配比例
    ${\gamma _{m}}$ 船舶信息m的权重系数
    ${K_1}$ 葛洲坝运行状态相关的参数
    ${X_i}$ 闸室$i$的长度,${\text{m}}$
    ${n_i}$ 闸室$i$的开闸次数,次
    ${T_{i jk}}$ 船舶$k$在闸室$i$第$j$闸次的到闸时刻
    $\beta $ 动态权重在综合权重中的比例系数
    ${W_k}$ 船舶$k$的宽度,${\text{m}}$
    ${P_2}$ 人工成本,元/min
    $ \mathrm{E_{CO}}_{_2} $ 船舶${{\mathrm{CO}}}_2$排放系数,kg/L
    ${B_i}$ 升船机的闸室面积,m2
    ${Y_k}$ 船舶$k$的纵坐标
    ${E_i}$ 闸室$i$运行一次的时间,${\text{s}}$
    $N$ 申请过闸的船舶总数,艘
    $ {P_{i jk}} $ 船舶$k$通过闸室i 第$j$次升降时的重量,${\text{t}}$
    ${M_i}$ 闸室i计划期内通过的船舶面积和,m2
    $\theta $ 影响船舶信息优先级的量化值
    ${K_2}$ 葛洲坝运行状态相关的参数
    ${Y_i}$ 闸室$i$的宽度,${\text{m}}$
    决策
    变量
    ${{{W}}_{\mathrm{S}}}$ 静态权重值
    ${S_{i jk}}$  船舶$k$是否通过船闸(或升船机)的0-1 决策变量, ${S_{i jk}} = 1$表示船舶$k$通过闸室$i$第$j$闸次,反之${S_{i jk}} = 0 $
    ${d_{i j}}$  闸室$i$第$j$闸次的运行方向,1 为上行,0 为下行
    ${t_{i jk}}$ 船舶$k$在闸室$i$第$j$闸次的过闸时刻
    ${W_{\mathrm{D}}}$ 动态权重值
    $W$ 综合优先级权重
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    表  2  通航拥堵优化效率

    Table  2.   Optimization efficiency of navigation congestion

    目标函数值 联合调度方案 原始调度方案 优化效率
    总目标值 76035.4 193925.0 0.392086631
    ${F_1}$平均值 74452.1 189937.3 0.391982512
    ${F_2}$平均值 1583.3 3987.7 0.397045916
    ${F_3}$平均值 527.8 1329.2 0.397080951
    综合通航
    效率值
    158830.0 189940.0 0.166417290
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-03
  • 修回日期:  2023-06-06
  • 网络出版日期:  2024-12-18

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