双单向航道海港中船舶交通组织与异构拖轮调度的集成优化

《Frontiers in Marine Science》：Integrated optimization of vessel traffic organization and heterogeneous tugboat scheduling in a seaport with dual one-way channels

　　

船舶交通组织与拖轮调度集成优化对提升港口海滨作业效率具有关键作用。然而，现有研究多局限于单航道环境或假设拖轮队伍同质（homogeneous），而现实海港通常具有异构（heterogeneous）拖轮资源，并可能存在复杂多航道结构。为弥补该空白，研究人员针对双单向航道（dual one-way channel）海港中船舶交通组织与异构拖轮调度集成优化问题开展研究。为刻画此类作业固有的强时空耦合特征，研究人员构建了以最小化总加权船舶等待时间与总拖轮燃油消耗为目标的双目标混合整数线性规划（bi-objective mixed-integer linear programming，MILP）模型。研究人员提出一种融合归档引导自适应多邻域搜索机制的非支配排序遗传算法（non-dominated sorting genetic algorithm with archive-guided adaptive multi-neighborhood search，NSGA-II-AAMNS）以高效求解该模型。基于中国北方某海港的计算实验表明，所提算法优于CPLEX求解器及若干基准启发式算法。所得帕累托（Pareto）解明确揭示了船舶服务效率与拖轮能耗之间的权衡关系，并由此提炼出管理启示，为支撑协同调度策略制定提供依据。

研究背景方面，海运货运是全球经济增长的重要支撑，港口作为海运物流网络关键节点，面临到港频次上升、受限水域内交通组织与靠离泊协调压力加大的问题。单航道通航能力低、易排队拥堵；多航道尤其双单向航道下船舶流相互作用更复杂，而拖轮资源稀缺进一步放大了交通组织与拖轮调度协同难度。现有文献要么只做船舶交通组织，要么只做拖轮调度，或把拖轮视为同质资源、忽略马力异质性与调运航线，难以反映真实港口双向耦合机制。因此，研究人员需要建立同时纳入双单向航道航行冲突、异构拖轮分配与调运路径的统一调度框架。

该研究以中国北方繁忙海港为案例，港口含南、北双单向航道、六个码头区与集中拖轮基地，>300 m船舶走北航道并停靠特定集装箱码头，其余船舶走南航道；各码头调头池仅允许一艘船调头，船舶与拖轮在时空上紧密耦合。研究人员构建双目标MILP模型，目标为最小化总加权船舶等待时间F₁与总拖轮燃油消耗F₂，约束覆盖单向航道规则、潮汐时间窗、共享水域安全间距、靠离泊作业、拖轮马力匹配与任务链调运。模型把连续航迹抽象为Waypoint 1-8，在Waypoint 5汇流处施加跨航道安全分离。

关键技术方法上，研究人员采用规则启发式初始化生成高质量种群；以归档引导自适应多邻域扰动算子替代常规交叉变异以提升搜索效率；维护外部精英归档（external elite archive）自适应选择扰动方向；用中国北方海港一日计划期内到离港船舶与异构拖轮队列表作为实验样本来源，对比CPLEX与基准启发式算法验证NSGA-II-AAMNS的收敛性与多样性。

研究结果按原文小节可归纳为：引言部分指出单/双航道、同质拖轮与顺序优化假设脱离现实，说明集成优化必要；文献综述部分从船舶交通组织、拖轮调度及二者集成三方面梳理，指出现有模型少同时处理多信道、异构拖轮与完全同步多目标；方法部分的问题描述给出双单向航道冲突逻辑与进港三阶段、出港两阶段拖轮服务边界，模型概述给出假设、符号与双目标MILP，算法设计为NSGA-II-AAMNS三大增强模块；计算实验部分通过算法校验、对比实验与灵敏度分析，得出船舶交通密度与拖轮船队配置显著改变服务效率—能耗帕累托前沿，归档引导邻域搜索在短时内获得高质量解；结论部分研究人员总结双单向航道下船舶—拖轮集成调度框架可扩展既有研究适用边界，管理上可指导港口按船型与交通负荷配置拖轮马力和数量。

讨论与结论翻译：研究人员表明，所提VTOHTS框架在双单向航道海港中同时协调船舶通行序列、通行时刻、拖轮指派、任务排序与服务时刻，使总加权船舶等待时间与总拖轮燃油消耗可在帕累托意义上权衡。算例显示，忽略拖轮异构性或航道间共享水域冲突会导致次优调度与额外拥堵或空驶能耗。该工作将现有集成调度从单航道、同质拖轮推进到多航道—异构资源—同步双目标情形，对港口运营系统性节能提效具有理论与实践意义。