问题描述
水路运输由交通参与者、船舶、助航设施和环境信息等要素共同作用完成，是典型的人员-信息-物理-社会系统，具有非线性、强耦合、高时变等特征。目前对航运系统控制的研究多停留在船舶交通组织、船货智能匹配、场桥货物调度、港口泊位优化等方面，尚未考虑水路运输中船舶、港口、货物等多要素协作运行的控制理论与方法，缺少对系统级、体系性的航运系统构建及运行控制理论的支撑，面临难以突破性提升交通运行效率、发挥资源配置优势等问题。如何描述水路交通系统的“船-港-货”组织运行机理，构建系统多目标优化与载体协同控制基础理论体系，研究“船-港-货”协同的航运系统运行智能控制方法，构建新一代航运控制系统的理论框架与方法体系，已经成为航海科学技术领域的重大科学问题，具体可分为三个方面：
（1）如何描述水路交通系统的“船-港-货”一体化组织运行机理；（2）如何创新水路交通系统的“船-港-货”一体化多目标优化与协同控制理论；（3）如何构建水路交通系统的“船-港-货”一体化的运行控制体系。问题背景
世界水路交通正处于重大技术变革期，正在向“岸基驾控为主，船端值守为辅”的新一代航运系统发展。我国水路运输的发展历经瓶颈制约、初步缓解、基本适应的过程，逐渐进入立体互联、域级融合、系统推进的新发展阶段，基本实现了从基础研究并跑，共性关键技术赶跑到应用研究并驾齐驱的突破，但在关键设备研发和核心技术攻关方面仍同发达国家存在一定差距，迫切需要突破颠覆性技术、实现体系性创新。
（1）复杂环境多因素耦合建模与影响参数辨识问题有待解决。“船-港-货”闭环系统的态势演化同时受到自然环境（势能场）、运动特征（动能场）、调度行为特性（行为场）等因素影响，亟需基于水上交通环境变化、船舶运动状态解析，开展航运要素影响权重和分布特征研究，揭示系统运行规律并预测演化趋势。（2）对“船-港-货”交互作用机理认知不足。目前研究更多聚焦于单一交通要素，船-港、船-船、港-货及“船-港-货”相互作用机理尚未明晰，缺乏典型场景下船舶与货物调度对于船舶自组织运行体系影响的深入研究，亟需探寻水路交通系统中“船-港-货”交互作用机理和运行特性，在安全、绿色、经济等多维约束下，创新多目标优化与协同控制理论。（3）现有研究工作多面向“船-港-货”的单个要素的自主性和智能性提升，侧重于智能决策和自动控制等方面，在真实复杂动态环境下航运系统整体安全性和可信度难以得到保证，面向不同智能水平的港口与船舶，针对船-港间调度、船-货间调度和港-货间调度模式，基于联合设计框架的自主性边界判定、基于自主性协同系统的共享控制与基于序贯决策的“船-港-货”一体化运行控制方法仍需进一步研究。综上，迫切需要开展复杂环境多要素耦合建模方法和模型影响参数辨识研究，实现对系统运行规律的表征和演化趋势的预测，促进航运系统的协同高效运行；构建“船-港-货”协同控制系统多目标优化与协同控制理论，实现高非确定性条件下多目标控制；面向不同智能等级的船舶与港口，突破航运系统多模态感知、面向典型场景和特定工况的决策策略等关键技术，构筑新一代航运控制系统理论体系，确保系统安全可信。最新进展（截止问题发布年度）
（1）针对“船-港-货”交互作用机理，现有研究主要聚焦于港口船舶调度、多目标协同优化和港口交通系统风险仿真等方面，云计算、物联网、计算机仿真技术正逐步应用于航道与泊位资源协调调度、港口内集卡调度、货物流向的控制分析，水路交通全水域共性规律和协同机制有待分析，典型场景下“船-港-货”耦合机理有待研究。
（2）针对“船-港-货”系统多目标优化与协同控制理论，现有研究更多关注于港口集群调度、船岸通信网络交互、港口船舶作业管理，物联网、5G通讯等新技术对于港区货物装卸效率的提升。航运系统的“”船-港-货耦合特性，导致现有方法缺乏对多船船队之间的协同控制、各操作系统之间的自适应，迫切需要构建对多维约束下航运系统多目标优化模型，形成整体协同控制方法。（3）在港航联动、货物组织等方面，现有研究主要围绕船舶调度优化、港口货物调度优化、多船协同等内容，船舶、港口、货物的跨域协同与一体化调度成为航运自主运行体系的发展方向，非确定性条件下多目标优化与协同控制是现有研究亟待解决的技术瓶颈。重要意义
现有航运系统自主决策机理和协同控制等方面的研究尚处于理论探索阶段且局限于理想环境，尚未考虑交通要素交互耦合作用，缺乏全面系统的基础理论支撑。同时，船-港信息交互特性与港-货序贯调度决策机制不明确，尚未建立统一的自主性边界描述框架，制约了航运系统自组织性的快速发展，自主式“船-港-货”协同决策机制亟待突破。因此，面向L2~L3等级智能船舶以及智慧港口，开展“船-港-货”协同控制系统决策机理与协同控制方法研究，构建“船-港-货”一体化的新一代航运系统运行控制理论体系，对于实现新一代水路运输的高效运行，保障“船-港-货”协同控制的安全可信，抢占世界智能航运科技制高点，带动航运、船舶、机械、电子、通信等产业转型升级，具有重要意义。
