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神华黄骅港煤炭港区5万t级双向航道工程于2012年10月26日通过海事部门验收并通航成功。但鉴于航道自然地理条件限制,《黄骅港煤炭港区航道双向通航推进会纪要》规定,航道特定航段船舶只允许单向通航,其余航段船舶实行有条件双向通航。而由于航道船舶交通情况等因素限制,当前该港区实际仍执行单向通航。因此,为提高黄骅港煤炭港区船舶进出港作业效率,本课题研究该港区限制性双向通航模式下船舶交通组织优化问题,主要研究工作如下:(1)在对黄骅港煤炭港区实地调研基础上,分析该港区限制性航道存在的船舶交通组织难点,归纳出船舶进出港一般调度流程,最终明确影响船舶进出黄骅港煤炭港区的安全和效率因素,并从该港区船舶交通组织问题中抽象出可描述的数学优化问题,为接下来限制性航道船舶交通组织优化模型的构建奠定基础;(2)考虑船舶属性、船舶交通情况、航道存在的限制性关键航路风险点等影响因素,基于航道船舶交通流特点及航行规则将限制性双向航道船舶交通组织过程分为多个子过程,再依次针对每个子过程构建船舶预航行准备、限制性/单向通航模式转换、限制性单/双向通航模式转换、关键航路风险点交通冲突消解、进出港船舶与拖轮协同调度以及泊位冲突消解等约束子模型,进而结合港口船舶交通组织有关部门的利益诉求,建立较为完整的限制性双向通航模式下船舶交通组织优化模型;(3)针对船舶交通组织问题多约束、多目标等特点,基于非支配排序遗传算法的遗传算子,设计常规单机版船舶交通组织多目标遗传算法;为提高算法的性能,基于Spark并行计算框架的多计算节点本地内存化等优势,结合非支配排序遗传算子的遗传操作天然并行性特点,实现一种基于Spark分布式架构的船舶交通组织多目标遗传算法;(4)基于黄骅港煤炭港区获取相应的实验仿真数据,建立30艘船舶交通仿真基础数据库;设计船舶航行时间挖掘算法,通过对港区船舶AIS数据进行条件筛选、航道船舶经纬度位置门限过滤、泊位经纬度位置聚类等操作获取航道各关键航路风险点间和港池内船舶航行时间参数;搭建Spark分布式高可用支持平台,以便将本文所设计的算法全部种群分散在多节点上,多进程、多线程的方式并行计算;最后基于船舶交通仿真数据库、船舶航行时间参数以及所搭建的分布式平台对构建的优化模型与算法的合理性及有效性进行仿真验证。实验结果表明提出的限制性双向航道船舶交通组织优化方法合理、有效,能够保证船舶在港区进出港作业的安全性和效率性。