摘 要

为更好促进液化天然气（Liquefied Natural Gas）产业的发展，保障船舶、码头安全与经济发展相协调，本文提出一种基于元胞自动机（Cellular Automata，CA）与多智能体（Multi-Agent System，MAS）混合的微观交通流模拟模型，对LNG船舶进行通过能力仿真评价研究。该方法将元胞自动机与多智能体系统有机结合，利用元胞自动机强大的计算功能与多智能体的交互功能，在对真实交通流进行准确仿真的基础上，实现了对渤海湾典型港口水域LNG船舶进出港的建模与仿真，大大提高了仿真效率，不仅为海事部门的监督管理提供参考，还为码头建设及规划进行指导。

首先，通过对元胞自动机及多智能体理论的深入学习和研究，分析两者在水上交通仿真中的优点与不足，在此基础上，提出元胞自动机与多智能体混合模型的结合方法。

然后，进行元胞自动机与多智能体混合模型构建。以元胞自动机体系作为混合模型的系统总体框架，需对航道进行离散化处理，包括航道空间和时间离散化；根据LNG船舶的速度、移动安全和习惯航路、进出港和靠泊信息等，构建LNG船舶的多智能体模型，将多智能体模块加入到主程序中，完成仿真模型的建立。

最后，基于以上理论方法，通过对AIS数据的分析得出目标水域交通流特征，根据所得交通流分布生成目标水域交通流，模拟LNG进出港航行过程及对交通流的影响。仿真结果表明模型能真实模拟LNG船舶对交通流的影响，可作为LNG船舶通过能力评价方法，最后对港口码头建设提出了合理建议。

关键词：元胞自动机；多智能体；微观交通流；LNG船

Abstract

In order to better promote the development of the LNG industry and ensure the coordination of ship and terminal safety and economic development, this paper proposes a traffic flow simulation model based on Cellular Automata (CA) and Multi-Agent System (MAS).This model can be used to evaluate the passing ability of LNG ships. The method combines the cellular automaton with the multi-agent system, and utilizes the powerful computing function of the cellular automaton and the interactive function of the multi-agent system greatly improve the simulation efficiency. Based on the accurate simulation of the real traffic flow, the typical Bohai Bay model of the inbound and outbound port of LNG ships in port waters is realized. This model not only providing reference for the supervision and management of the maritime department, but also guiding the construction and planning of the terminal.

Firstly, through the in-depth study and research on the cellular automata and multi-agent theory, the advantages and disadvantages of the two in the water traffic simulation are analyzed. On this basis, propose a combined approach of the hybrid model of cellular automata and multi-agent system.

Then, the next work is to construct a cellular automaton and a multi-agent hybrid model. With the cellular automata system as the overall framework of the hybrid model, the channel needs to be discretized, including the space and time discretization of the channel. And then according to the speed, mobile safety and customary routes, inbound and outbound and berthing information of the LNG ships to build a multi-agent model of LNG ships. Then add the multi-agent module to the main program to complete the establishment of the simulation model.

Finally, based on the above theoretical methods, the characteristics of the target waters flow are obtained through the analysis of the AIS data, and the target water flow is generated according to the obtained traffic flow distribution, simulating the impact of the LNG in and out of the port and the impact on the traffic flow. The simulation results show that the model can realistically simulate the impact of LNG ships on traffic flow, and can be used as a method for evaluating the passing capacity of LNG ships. Finally, reasonable suggestions for port terminal construction are put forward.

Key words: cellular automata; multi-agent system; Microscopic traffic flow; LNG ship

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的、意义及方法 1

1.1.1 研究目的和意义 1

1.1.2 研究方法 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 交通流仿真研究现状 2

1.2.2 元胞自动机研究现状 3

1.2.3 多智能体研究现状 4

1.2.4 LNG船舶研究现状 4

1.3 论文主要研究内容 5

第2章 通过能力与仿真方法 6

2.1 航道通过能力 6

2.1.1 航道通过能力基本概念 6

2.1.2 通过能力评价方法 6

2.2 元胞自动机 8

2.2.1 元胞自动机特性 8

2.2.2 元胞自动机优点与不足 9

2.3 多智能体 10

2.3.1 多智能体特性 10

2.3.2 多智能体优点与不足 11

2.4 本章小结 11

第3章 基于元胞自动机与多智能体的仿真模型构建 12

3.1 元胞自动机与多智能体结合方法 12

3.2 LNG船舶通航特性 12

3.3 数据处理与交通流特征分析 14

3.3.1 数据处理 14

3.3.2 交通流特征分析 15

3.4 仿真模型构建 19

3.4.1 航道离散化规则 19

3.4.2 船舶随机生成 20

3.4.3 船舶的运动规则 21

3.4.4 LNG多智能体船舶运动模型 22

3.5 本章小结 23

第4章 渤海湾LNG船舶通过能力仿真 24

4.1 目标水域交通条件分析 24

4.1.1 目标水域航行规则 24

4.1.2 目标水域LNG接收站进出港组织条件分析 27

4.2 仿真工况设定 27

4.3 仿真结果与分析 29

4.3.1 天津南疆港仿真结果与分析 29

4.3.2 曹妃甸仿真结果与分析 34

4.4小结 38

第5章 结论与展望 39

5.1 结论 39

5.1.1 渤海湾LNG船舶通过能力分析 39

5.1.2 总结 39

5.2 展望 40

参考文献 41

致谢 43

附录 44

附录A 关键仿真程序 44

第1章 绪论

1.1 研究的目的、意义及方法

1.1.1 研究目的和意义

在倡导绿色、节约、环保新理念的世界经济格局中，能源成为制约国家发展的重要因素。同时在全球化的影响下人们逐渐意识到化石燃料的使用对环境造成的污染以及化石能源的匮乏，寻找或研发出新的绿色能源成为了专家学者们的新难题。液化天然气(LNG)作为绿色能源界的新星，受到世界的普遍关注。液化天然气的主要成分为甲烷，这种物质完全燃烧后只生成二氧化碳和水，不会对环境造成任何污染。LNG的出现也让能源界看到在环保领域的曙光。

LNG不仅受到世界的关注，在我国也获得广泛使用。据统计，从2017年起，我国进口LNG总量达3813万吨，并超过韩国成为仅次于日本的世界第二大LNG进口国。而在2018年全年我国LNG进口量已达5378万吨，为了满足天然气与日俱增的需求，我国也在大量建设天然气接收站，以方便天然气的接收。自国内首座LNG接收站——中海油大鹏LNG接收站2006年投产以来，全国已建成投产17座接收站，16万方及以上的LNG储罐达54座，接收处理能力5740万吨/年，并有多个接收站在建设中，主要分布于沿海地区。

目前我国进口的天然气大部分是使用LNG船进行运输的，虽然科学技术的发展使LNG船的建造工艺获得提升，但由于液化天然气的易燃易爆等性质使LNG船成为高危险船舶。同时，LNG船舶建造中使用材料具有特殊性，且对驾驶船员要求高，相比于其他船舶来说造价以及运营成本更高，因此一旦船舶发生事故不仅可能导致液化天然气的泄漏，且泄漏达到一定数量时还会危及到本船及周围船舶的航行安全，造成巨大的损失。此外LNG船舶在航道内航行时，特别是在进出港过程中，需要对其进行交通管制，会限制其他船舶的正常航行，从而导致航道堵塞，影响港口使用率和港口效益。因此，对渤海湾各主要LNG接收站港口水域进行通过能力评价具有重要意义。

1.1.2 研究方法

本文拟采用一种元胞自动机与多智能体混合建模方法进行交通流仿真，以元胞自动机为模型框架，在此基础上将LNG船舶智能体模块引入元胞自动机中，实现对LNG船舶与其他船舶的混合交通流模拟。首先，通过对船舶航行环境的离散化，以达到降低计算机编程难度和简化计算机运算量的目的。其次，根据元胞自动机中通过设置简单规则就能获得复杂系统这一特征，将Muti-Agent System中部分功能简化为元胞自动机更新规则，从而降低模型复杂度。最终，在保留交通流复杂非线性行为和其他物理特征的同时，使模型更易于通过计算机仿真实现。具体技术路线图如图1.1所示。

图1.1 研究技术路线图

1.2 国内外研究现状

1.2.1 交通流仿真研究现状

对交通流进行仿真研究一直都是国内外学者在交通流领域研究的热点，主要是因为仿真研究有可任意确定时空要素或运行条件，不受空间制约，可再现实际试验过程，模拟计划中的交通组织，对危险和灾难性后果的交通事件进行仿真，试验费用低，容易定量表述比较复杂的因素间的关系，适合于预测和决策等优点。

日本和欧洲学者在过去几十年中在船舶交通流仿真方面进行了大量研究。日本学者杉崎昭生在研究浦贺水道的交通容量时构建了船舶交通流微观模型；山田和三木等日本学者分别进行了研究了船舶交通流控制模型和闸门通航能力模型。在西欧共同体各国的合作研究成果《C0ST301》(Cooperation of Science and Technology)的报告中，对西欧海上交通进行了调研论述。欧洲近年来的研究成果主要有：B.A.Colley^[1]等对多佛尔海峡分道通航制的主西南分道进行了仿真；Mehmet E. Birpınar^[2]等从船舶尺度、种类和交通流量等方面调查分析了伊斯坦布尔海峡的船舶交通流现状；T. M. de Boer^[3]通过对鹿特丹等港口AIS资料的分析，对船舶在港口水域的行为特征进行了较为系统的研究；Rawson A^[4]使用门分析法，统计出泰晤士河不同位置的上下游方向上船舶交通流频率分别具有正态分布特征和均匀分布特征。

船舶交通流理论由吴兆麟^[5]、齐传新^[6]引入到国内，此后涌现出许多优秀的交通流研究。邵哲平和方祥麟^[7]等根据海上交通工程方法对交通流的生成与发展规律进行了研究，认为门线上船舶的位置服从正态分布。卓永强^[8]等利用蒙特卡罗方法，在重点研究的航道设置微观模拟，而在其它航道采用宏观模拟，对海上交通流进行了仿真。余劲^[9]、刘敬贤^[10]等分别在西江航道和天津港主航道对船舶流的概率分布展开研究，得出船舶日到达规律服从正态分布。周锋^[12]等构建了基于元胞自动机理论的船舶交通流仿真模型，在考虑船舶到达规律、船舶结构、船舶行为、潮汐特征及航道通航方式等要素基础上，分进港、正常航行、穿越、会遇、装卸作业、靠泊和离泊7个过程建立了基于元胞自动机理论的船舶交通流仿真模型的演化规则。齐乐^[25]等提出了一种基于空间－逻辑映射规则的航道离散方法，解决了航道宽度变化产生的“伪换道”问题，为制定合理的元胞自动机演化规则奠定了基础。

1.2.2 元胞自动机研究现状

追溯元胞自动机（CA）的研究历史，CA最早的研究开始于1950年前后，此后，CA的研究受到计算等方面的限制，经历了很长一段时间的沉睡期，直到20世纪70年代，由于计算机的飞速发展和普及，以及英国数学家conway提出的“生命游戏”（Game of Life）理论，该理论能够使用简单方便的方式对复杂的行为和现象进行动态演化，广泛应用于各个领域，CA再次受到专家学者们的重视。S.Wolfram在20世纪80年代他提出了一维元胞自动机模型，也就是通常所说的184号规则。他不仅对一维的基本性质，规则及适用条件进行深入研究，还对一维设置特定规则，根据对这些规则作用出现的行为进行深入观察和分析，将一维按照行为模式分成了四类，为CA的进一步研究打好理论基础。

元胞自动机在船舶交通流领域的研究起步相比道路交通来说更晚，研究成果较少，国内外在船舶交通流方面的研究主要集中于以下3个方面：

（1）基于排队论和元胞自动机的混合船舶交通流模型^[13]，主要是针对船舶进港时的港口交通流。该模型中引入了排队论原理，同时在184号规则的基础上考虑安全距离，对184号规则进行拓展。

（2）基于元胞自动机的港口航道内的船舶交通流模型^[11]，该类模型通过分析港口航道内船舶的航行行为特征和船舶到达规律，并考虑不同船舶等级、安全距离和泊位的服务水平后，对184号等规则进行改进而建立的^[12]。

（3）基于Automatic Identification System(AIS)的元胞自动机模型，该类模型是基于NaSch模型建立的^[13]，通过船舶上AIS设备获取周围船舶在某一时刻的动态信息和静态信息，如船舶尺度、位置、速度等，再结合本船运动信息，得出下一时刻两船的相对位置关系，进而分析是否存在避碰危险。

1.2.3 多智能体研究现状

最早出现智能体的概念是在二十世纪五十年代，由J.mcCArthy和G..selfridge提出，名为“软件机器人”，正式提出“agent”这一概念的是Minsky，在他1986年出版的《思维的社会》一书中认为每一个agent被认为是一个个体，每个个体都具有某种技能，同时这些个体组成一个类似社会的群体，在这个群体中，agent都具有社会交互性，个体之间通过交流和学习协同解决问题。

国内外研究出许多基于多智能体的水上交通模型。Xiao Fang-liang^[14]等在MAS系统中加入长江水域特征，并在此基础上建立通信机制，构建了基于Mulity-agent System(MAS)的船舶仿真模型，实现多船舶间的协商通信。Henesey^[15][16]将SimPort与MAS相结合，构建了集装箱码头MAS系统，对港口交通流进行仿真，实现了对集装箱港口交通流的评估。M．Numano^[20]结合MAS系统中单个Agent的适应性和自主性，建立了一种海上交通模拟器，能够实现对复杂交通的模拟。王艳红^[17]等将MAS与船舶避碰理论相结合，提出了一种基于MAS的避碰决策模型。杨神化^[18]提出一种基于MAS的船舶自动避碰方法，并开发了多本船模拟器。祝贵兵^[19]等通过对船队个体行为的研究，结合船舶个体行为自律性的特点建立了基于MAS的船舶动态仿真系统，解决了多船舶协同运动问题。

1.2.4 LNG船舶研究现状

“LNG船”是液化天然气船的简称，是在零下163摄氏度低温下运输液化天然气的专用船舶。国内外对LNG船舶的研究起步较晚，主要研究内容集中在LNG船舶安全风险评估的研究。