一种轮渡航线优化设计的计算方法

一种轮渡航线优化设计的计算方法

作者：谢学恒 盛辉 程进伟 孟祥超 聂志喜 来源：《科技创新导报》2011年第05期

摘 要:通过运用模糊数学,从轮渡航线优化设计的安全、时间、经济、舒适四个主要方面建模,得出了一种轮渡航线优化设计的计算方法——优化度算法。 关键词:模糊数学 优化度算法 轮渡航线 优化设计

中图分类号:F562 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0069-02

最优航线应是在一定规模的航区范围内变化着的海底地形、海洋水文、气象条件下,获得航行安全、航时最省、人员舒适、经济代价最小的一条理想的航线。只有对上述诸条件与目标加以综合平衡,才能制定出最优的航线。 1 优化度算法 1.1 模糊数学分析

影响航线设计的因素很多,设计人员将所有因素都考虑周全是不现实的。因此,应从大量的影响因素中选取最接近实际情况,并具有代表性的目标。

设水深因素为目标A1、流速流向因素为目标A2、风速风向因素为目标A3、航程因素为目标A4。设目标论域为: U={u1,u2,u3,u4}

其中,u1为安全因素、u2为时间因素、u3为经济因素、u4为舒适因素。

对于目标[AK——影响航线设计的因素{k=1,2,3,4}]由模糊论域分析之后,得出U的4个模糊子集AK{k=1,2,3,4}: A1=(u11,u21,u31,u41) A2=(u12,u22,u32,u42) A3=(u13,u23,u33,u43) A4=(u14,u24,u34,u44)

其中,模糊子集中的值如u11,u21,u31,u41等定义为隶属度。

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接下来的问题是对模糊子集中的论域因素进行优劣性判断。 1.2 优劣性判断

首先,我们由船体自身条件可确定以下参数:临界安全水深dr、临界垂向安全水流流速vwr1、临界垂向安全风速vfr1、临界逆流流速vwr2、临界逆风风速vfr2。

我们结合实际情形与经验,对模糊子集中的论域因素进行优劣性判断,并得出优劣隶属度。 (1)对于A1子集,考虑到水深与安全、舒适有关,与时间、经济无关; (2)对于A2子集,考虑到流速流向与安全、时间、经济、舒适均有关; (3)对于A3子集,考虑到风速风向与安全、时间、经济、舒适均有关; (4)对于A4子集,考虑到航程与时间、经济、舒适有关（如表1）。

其中,dx为水深,C1为大于最大的dx的常数,剔除劣影响,再进行A2子集分析;vwx1为垂向流速,vwx2为逆向流速,C2为小于等于最小的vwx1的常数,即最小垂向流速,剔除劣影响,再进行A3子集分析;vfx1为垂向风速,vfx2为逆向风速,C3为小于等于最小的vfx1的常数,即最小垂向风速,剔除劣影响,再进行A4子集分析;D为航程;C4为小于等于最小的D的常数,即大地线航程。

接下来,通过估计论域因素的权重,计算子集Ak{k=1,2,3,4}的优化度。 1.3 优化度计算

定义优化度为:模糊子集中各论域因素的优化隶属度与相应权重之积的累和。在此,我们估计论域因素权重向量为a(1.0,0.9,0.95,0.9),计算得优化度如下: A1=(1-dr/dx)+0.9dx/C1 (1)

A2=(1-vwx1/vwr1)+0.9(1-vwx2/vwr2)+0.95(1-vwx2/vwr2)+0.9C2/vwx1(2) A3=(1-vfx1/vfr1)+0.9(1-vfx2/vfr2)+0.95(1-vfx2/vfr2)+0.9C3/vfx1 (3) A4=0.9C4/D+0.95C4/D+0.9C4/D(4) 我们可以假设水流流向与风向一致,并注意到

vwx1=vwxcosа,vwx2=vwxsinа,vfx1=vfxcosа,vfx2=vfxsinа,其中vwx为水流流速值,vfx为风速值,а为流向和风向与船夹角的余角。

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整理得:

A1=(1-dr/dx)+0.9dx/C1 (5)

A2=(1-vwxcosа/vwr1)+1.85(1-vwxsinа/vwr2)+0.9C2/vwx1 (6) A3=(1-vfxcosа/vfr1)+1.85(1-vfxsinа/vfr2)+0.9C3/vfx1 (7) A4=2.75C4/D (8) 航线总体优化度为: =∑(A1+A2+A3)+A4 (9) 2应用实例

对胶州湾海域青岛-黄岛轮渡航线进行了优化设计,提供了优化度算法的航线优化设计实例。

3结论与建议

(1)提出航线设计的优化度算法,较为接近实际情形及经验常识;

(2)对胶州湾海域青-黄轮渡航线进行了优化设计,提供了优化度算法的轮渡航线优化设计实例。 参考文献

[1] YE Qing,YU Zhen-wei.The Improved Shortcut Algorithm and It’s Application in Selecting Ships’Optimum Route [J].Navigation of China,2003,5(2):15～17.叶清,郁振伟,改进最短路径算法在最佳航线选择中的应用[J].中国航海,2003,55(2):15～17.

[2] WANG Ke.A Study for Designing Navigation Route Based on ECDIS [D].Dalian:Naval Academy,2004.王科.基于电子海图的航线设计研究[D].大连:海军大连舰艇学院,2004. [3] 施闻明,杨晓东,徐彬.基于模糊数学的舰船最佳航线设计[J].中国航海,2006,(6):85～89. [4] 阎新兴,吴明阳,刘国亭.胶州湾地貌特征及海床演变分析[J].水道港口,2000,(4):23～29. [5] 宋小冬,钮心毅.地理信息系统实习教程[M].科学出版社,2007.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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