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摘 要

乌江是贵州省内第一大河，乌江多梯级枢纽的兴建将极大改善乌江的航运条件，为乌江区域经济和航运事业带来了新的契机，乌江干流梯级水利枢纽将配套建设通航设施，但通航设施存在着通航设施建设进度不一致、承船箱尺寸不一致、通过时间不一致、通航流量不一致等问题，直接形成“短板”效应，随着沿江经济发展，日益增长的运输需求与枢纽通航设施通过能力之间将产生矛盾，为未雨绸缪、最大限度地提高乌江通航设施通行效率，充分发挥乌江黄金水道的优势，合理利用运输网络中各种资源，优化设计各货类船舶的高效船舶货运组织方案已迫在眉睫。

乌江多梯级枢纽区域的船舶货运组织属于复杂运输网络系统，目前对于枢纽区域船舶货运组织的研究主要以定性分析为主，定量分析较少且没有站在综合运输系统规划的角度分析，而针对乌江的相关研究至今尚未涉及。由于乌江船舶货运系统的复杂性，构建的理论优化模型与实际可能会产生偏差，优化的船舶货运组织方案的可行性需要验证，计算机仿真技术的发展为其提供了手段，为此本文针对乌江多梯级枢纽区域通航环境特点，尝试采用理论优化与仿真模拟相结合的新方法，优化设计出乌江多梯级枢纽区域高效船舶货运组织方案。

本论文首先分析多梯级枢纽的建设对乌江船舶货运组织带来的影响；其次针对乌江多梯级枢纽区域船舶货运系统特点，改进现有网络优化模型，构建出广义成本最小的乌江高效船舶货运组织优化模型，其中引入单重休假规则M/G/1枢纽排队系统模型确定船舶通过枢纽时间，并求解出初步优化方案；接着针对乌江船舶货运系统离散特性，基于arena平台构建出面向对象的仿真模型，以验证理论优化方案的可行性及存在的问题；最后通过理论优化方案与仿真模拟的交互优化过程，最终提出适合乌江多梯级枢纽区域货运网络的高效船舶货运组织方案。

关键字：乌江 多梯级枢纽 网络优化改进模型 arena仿真建模 高效船舶货

运组织方案

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Abstract

Wujiang River is the largest river in Guizhou province, but the Wu River shipping channel condition have not been able to meet the needs of development of shipping. the construction of cascade hydro-projects will greatly improve the shipping condition of Wujiang River and bring opportunity for the developing of regional economy and the shipping industry, the multi-hub cascade of Wujiang will be supporting the shipping facilities, but there are several problem about shipping facilities: each shipping facilities has inconsistent construction progress, different size of ship lift, different time to have ship passed, different navigation flow problem and other issues, leading to a \"short board\" effect, by the development of economic along the Wujiang River, the conflict will be created by the different growing demand of transportation and passing capacity of navigation hub, bring a great difficulty for the organization of shipping in restriction of Wujiang multi-cascade hydro-projects. To plan ahead to maximize the efficiency of high-grade channel and navigation facilities in Wujiang ,giving full play to the advantages of the Wujiang River golden waterway, rational using of transport network resources, a efficient multi-cargo organization program should be made so that the whole channel Wujiang cascade hydro-projects district will be eased off.

Currently, the qualitative analysis play a main role in the research of shipping organization in the hub region, quantitative analysis is not much and can’t analysis the whole system in a overall view, what’s more, the shipping organization like Wujiang River multi-cascade hydro-projects issue has not yet been addressed. Network optimization model often be taken used of in solving the complex organization freight transport networks, but the limitations goal of network optimization model can not make a comprehensive assessment optimization results. Computer simulation technology have gradually entered the field of transportation planning, but simulation technology mainly work out as a tool of validation and evaluation, taking use the simulation technology to optimize will be effected by subjective factor and difficult to find the optimal solution.

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Based on the above reasons, the following aspects will be taken in the research work. First, qualitative analysis the influence of construction of a multi-cascade hydro-projects on shipping organization, then based on the characteristics of Wujiang multi-cascade hydro-projects, improving the exist network optimization model to make out a lowest generalized cost model of shipping organization in Wujiang multi-cascade hydro-projects region, solving the model to get the initial optimization shipping organization program. on the other hand, introduction the idea of queuing theory to analysis the multi-cascade hydro-projects. Then, on the based of analysis of the discrete freight system of Wujiang multi-cascade region, building the simulation model in a ideological of object-oriented to simulate and test the initial program to find out the possible problem with the initial program. Finally, taking use of computer simulation technology and mathematical programming method in general to optimize the initial program of Wujiang multi-cascade hydro-projects shipping organization, getting a reasonable program which can take use of Wujiang multi-cascade hydro-projects shipping system in a efficient way.

Keywords: multi-cascade hydro-projects；computer simulation；optimization for

freight shipping organization；the queuing system

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目 录

摘 要 ............................................................................................................................................... 1 Abstract ............................................................................................................................................ 2 目 录 ............................................................................................................................................... 1 第1章 绪论 ................................................................................................................................. 1

1.1 研究背景及意义 .............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 2

1.2.1 内河枢纽区域货运组织方式研究 ........................................................................ 2 1.2.2 交通仿真建模研究 ............................................................................................... 3 1.3研究内容和研究方法 ....................................................................................................... 4

1.3.1研究内容 ................................................................................................................ 4 1.3.2研究方法 ................................................................................................................ 5

第2章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织环境及存在问题 .................................................... 7

2.1船舶货运组织环境分析 ................................................................................................... 7

2.1.1货种货量 ................................................................................................................ 8 2.1.2航道 ...................................................................................................................... 10 2.1.3港口 ...................................................................................................................... 10 2.1.4枢纽通航设施 ....................................................................................................... 11 2.1.5运输船型 ............................................................................................................... 11 2.2乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织存在的问题 .......................................................... 12

2.2.1乌江多梯级枢纽区域货物需求量及供需缺口 ................................................... 12 2.2.2乌江多梯级枢纽通航存在的问题 ....................................................................... 14 2.3本章小结 ......................................................................................................................... 15 第3章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织理论优化模型建立及实现 .................................. 17

3.1货运网络定义 ................................................................................................................. 17 3.2基本假设及说明 ............................................................................................................. 18

3.2.1中转方式 .............................................................................................................. 18 3.2.2目标函数中的运输成本....................................................................................... 19 3.2.3广义运输成本函数 .............................................................................................. 19 3.2.4港口吞吐量 .......................................................................................................... 19 3.2.5航道及公路通过能力假设 ................................................................................... 19 3.3模型建立 ......................................................................................................................... 19

3.3.1目标函数 .............................................................................................................. 20 3.3.2约束条件 .............................................................................................................. 20 3.3.3单船年货运量求解方法....................................................................................... 21 3.4求解方法 ......................................................................................................................... 22 3.5单重休假规则M/G/1枢纽排队系统模型建立及应用 ................................................. 23

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3.5.1排队系统基本特征 .............................................................................................. 23 3.5.2排队系统休假规则 .............................................................................................. 25 3.5.3排队模型建立 ...................................................................................................... 26 3.5.4船舶通过各梯级枢纽时间计算 ........................................................................... 28 3.6理论优化模型输入参数计算.......................................................................................... 29

3.6.1广义运输成本 ...................................................................................................... 29 3.6.2运输时间 .............................................................................................................. 30 3.7船舶货运组织规划 ......................................................................................................... 31 3.8本章小结 ......................................................................................................................... 33 第4章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织仿真建模与实现 ................................................ 34

4.1系统仿真及仿真目的 ..................................................................................................... 34

4.1.1系统仿真 .............................................................................................................. 34 4.1.2仿真目的 .............................................................................................................. 35 4.2仿真系统分析 ................................................................................................................. 35

4.2.1系统边界及构成 .................................................................................................. 35 4.2.2系统特征 .............................................................................................................. 36 4.2.3系统仿真平台 ...................................................................................................... 37 4.2.4系统仿真评价指标 .............................................................................................. 38 4.3仿真模型搭建 ................................................................................................................. 39

4.3.1船舶生成子模型 .................................................................................................. 40 4.3.2港口子模型 .......................................................................................................... 42 4.3.3升船机子模型 ...................................................................................................... 46 4.3.4运输路径控制节点子模型 ................................................................................... 50 4.3.5翻坝运输子模型 .................................................................................................. 54 4.4模型效验与验证 ............................................................................................................. 56 4.5理论优化方案验证 ......................................................................................................... 57

4.5.1参数输入 .............................................................................................................. 57 4.5.2运行设置 .............................................................................................................. 57 4.5.3结果输出 .............................................................................................................. 57 4.6本章小结 ......................................................................................................................... 59 第5章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织总体方案研究 ...................................................... 60

5.1总体方案优化过程 ......................................................................................................... 60 5.2改进策略 ......................................................................................................................... 61 5.3综合优化 ......................................................................................................................... 62 5.4优化结果分析 ................................................................................................................. 5.5本章小结 ......................................................................................................................... 65 第6章 结论 ................................................................................................................................. 66

6.1总结 ................................................................................................................................. 66 6.2展望 ................................................................................................................................. 67 致 谢 ........................................................................................................................................... 68 参考文献 ....................................................................................................................................... 69

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攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目 .................................................................... 72

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

乌江干流全长1037公里，贯通贵州、重庆两省市，于涪陵汇入长江。乌江在贵州境内长802公里，流域面积6.7万平方公里，占全省总面积的38%，是贵州省第一大河。

随着乌江航运工程和各梯级枢纽的建设，乌江航道和水利枢纽的建设，将极大地改善乌江通航条件，极大地促进贵州省产业结构、工业布局调整，优化贵州省综合交通运输体系结构，乌江将成为贵州省社会经济发展的运输大动脉。一条通江达海的水运通道将把贵阳、遵义这两大经济中心连接到长江黄金水运通道上，结束贵州省主要城市没有水运通道的历史。但各梯级枢纽“重发电，轻航运”的建设模式也给乌江航运发展带来了巨大阻碍，存在着通航设施建设进度不一致、承船箱尺寸不一致、通过时间不一致、通航流量不一致等问题，而这些问题直接导致了枢纽的通过能力各不相同，直接形成“短板”效应。随着沿江经济发展，运输需求日益增长将会使各枢纽通航设施通过能力不足及运输系统瓶颈问题日益显现。为未雨绸缪、最大限度地乌江通航设施通行效率、合理利用运输系统资源，充分发挥水运优势，降低综合物流成本，急需站在运输系统综合优化角度，针对乌江船舶货运系统多梯级枢纽及多货种多方式的特点，制定乌江高等级航道高效货运组织方方案。

由于乌江流域内具有水电枢纽，升船机、港口等多种水运设施，水运网络与公路及铁路运输网络连接，使得货运组织方式涉及多种运输方式、多式联运及中转点设置问题。加上乌江流域运输系统空间跨度大等问题使其运输系统存在固有的复杂性。所以，考虑充分利用水路、公路、通航设施等综合运输系统资源，对既定通航设施条件下的货运组织进行定量的优化研究，制定合理的货运组织方案是值得研究的问题。而目前针对水运枢纽区域的货运组织研究，大部分都处于定性分析的研究阶段，定量分析较少且没有站在综合运输系统规划的角度分析，而针对乌江的相关研究至今尚未涉及。因此，定量的分析货运组织方案，做到各种运输方式内部优化和运输方式之间的组合优化对解决多梯级

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枢纽给货运组织带来的问题和乌江流域整体经济和社会效益具有十分重要的意义。由于乌江船舶货运系统的复杂性，构建理论优化模型存在一定难度，且模型的目标局限性使优化结果没有全面考虑系统各项因素，优化的船舶货运组织方案的可行性需要验证，计算机仿真技术的发展为其提供了手段，本文针对乌江多梯级枢纽区域通航环境特点，首次尝试采用计算机仿真技术对多梯级枢纽区域货运组织进行仿真，以验证方案的可行性。针对理论优化方法与仿真技术各自的优劣，采用理论优化与仿真模拟相结合的新方法，优化设计出乌江多梯级枢纽区域高效船舶货运组织方案，这对解决多枢纽河流船舶货运组织优化问题是一次有益的尝试。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 内河枢纽区域货运组织方式研究

乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织方式优化涉及运量分配、船型优化选择、航线配船等等。目前针对枢纽货运组织方式优化的成果较少，张光磊（2009）[2]针对三峡枢纽区域运输组织存在问题，引入阈值的概念，通过对三峡船闸的调度优化方案研究以提高船舶通过量，运用评价方法分析各货类的翻坝可行性及运用Dijkstra算法得出最佳水陆联运路径综合确定船舶通过三峡枢纽区域的水路货运组织方案，但该文缺乏对整个系统货运组织综合优化研究。乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织方式优化研究重点是怎样定量地分析各类货物合适的运输方式、运输路径及确定相应运输路径上的货运量及各运输路径上船舶的运力分配问题。这类问题的解决方式更类似于交通规划中的运量分配问题，即为多货种多方式从系统最优的角度出发，选取网络中总的运输费用或运输货物里程最小作为目标函数进行优化，得到优化运输路径。

网络优化模型是普遍公认的最合适、定量分配货流的模型。网络优化模型主要关注多种运输方式下运输网络的合理表示、方式间转运的处理、决定货物运输的多重指标、网络中拥挤效用以及网络流分布模式的阶段性比较分析。例如，FRIESZ.T.L（1986）[3]通过给定每个运输货轮的具体运输线路，整合后得到航运公司的运输网络。每个运输货轮均选择最小费用的路线运输，航运公司则通过交通网络均衡原则选择运输货轮。遵循上述思路，HARKER P T(1988)[4-6]给出了更加完善的模型。FLORIAN M(2002)[7]建立了一个具有层次化Logit选择

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模式的多种需求条件下多类别多方式的网络平衡模型。该文采用变分不等式的建模方法，求解时采用了Gauss—Seidel块分解耦合相继平均法的求解策略。该模型被应用于智利圣地亚哥市的ESTRAUS项目。该模型面向城市交通，但是为解决区域运输中多方式多货种问题提供了参照。该模型的缺陷是方式间的协作和转化没有得到充分考虑。韩印（2008）[8]为了实现交通网络混合交通流随机平衡分配，分析了广义费用下多用户多方式的路径选择机理与网络平衡条件及信息条件下多用户多方式对路径选择的影响特征，运用数学规划理论，建立了基于信息条件的随机混合交通平衡分配模型，并证明了模型解的等价性与唯一性。

对于水运枢纽区域的多货种多方式的货运组织方式优化目前也有一定的研究，朱凯（2008）[9]将道路交通网络中多用户多模式交通分配研究应用在三峡枢纽的货物分配上，通过合理的对水路运输方式做公路运输的等效替换，将水运交通网络优化转变成道路交通网络优化问题，利用transcad对三峡区域各货类进行货流分配，得到各路段各货类的流量值。刘铁鑫（2010）[10]根据运输网络流分配理论和运输路径选择优化方法，以系统最优为目标，建立了具有较好通用性的基于广义运输费用的综合运输网络平衡优化模型，并利用k优运输路径的遗传算法来求解多货种多方式的综合货运组织优化模型并将模型运用到三峡枢纽区域货运组织方式优化的研究中，但该研究对船舶通过三峡枢纽的通过时间考虑不足。

总的来说，对于多货种多方式货运组织优化目前主要集中在道路与铁路，对于水路运输网络优化研究及实践应用还比较少，且主要集中在流量分配，缺乏对航运系统决策者关心的水路运输网络货运组织优化方案中航次数及船舶数量的研究，且对多梯级枢纽货运组织方案优化研究还处于空白阶段。

1.2.2 交通仿真建模研究

计算机仿真技术在各种领域得到了广泛应用，在交通运输领域，仿真技术也得到了一定的应用。国外方面,MattiPursula（1999）[11]使用了先进的建模方法，把需求建模与街道和道路上的交通流行为结合在一起，试图描述一个仿真环境中整个交通系统的行为。目标是再现某一小区内居民群体的出行类型(包括数目，时间，目的等)。W David Kelton[12] (2000)对离散系统仿真理论以及如何运用Arena进行离散仿真建模和优化进行了阐述。LAIKK[13] (2000)等用仿真技术对3种可能的道口扩容方法进行评估，目的是提高港口经营工作的效率以适

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应集装箱量的快速增长。

国内方面，卢方勇（2000）[14]针对永久船闸的运行了系统仿真研究；何军红(2001) [15]等人对三峡船闸的五级船闸运行系统进行了仿真研究，建立了相应的连续系统模型以及离散系统模型,首次提出了利用双传感器实测数据和模型仿真结果进行信息融合的机制来进行故障诊断和决策的方法,并采用面向对象的方法初步实现了该仿真系统,给出了船闸系统的动态运行结果,为系统后期的运行控制提供了依据。沙梅（2006）[16]对通用性集装箱码头工艺方案设计仿真系统进行了研究。李旭宏(2007) [17]基于Arena对物流配送中心分批拣货策略和单一拣货策略比较进行了仿真，为配送中心拣货作业系统的优化提供决策支持、王永辉基于Arena对港口泊位作业系统进行了仿真、杨神化(2007)

[18]

应用

Multi-agent 系统（MAS）理论和技术，构建和开发了基于MAS 和船舶操纵模拟器（SHS）的智能港口交通流模拟系统，提出了比较实用的港口调度算法和船舶自动航行算法。并将开发的系统应用到青岛前湾港区不同规划设计方案的论证研究中，仿真了规划水域的船舶交通流状况，为港口规划设计方案的评估论证提供了参考依据。

针对枢纽区域的运输组织仿真研究目前还较少。朱凯（2008）[9]对三峡区域运输情况进行了计算机仿真建模研究，通过仿真运算发现了组织方案的不足，提出系列改进方案发现了货物翻坝比例和锚地等待时间之间的量化关系。但该研究只是针对三峡枢纽进行方案的优化，没有考虑到改进方案优化对运输系统造成的影响，最后的优化结果并非是平衡系统服务效率和运输成本的最优解。

总的来说，计算机仿真技术在水运运输领域已有研究，但针对枢纽区域船舶货运组织的仿真研究还较少，特别对多梯级枢纽这种存在多货种，多运输方式，多运输路径，多级排队的复杂运输系统的仿真研究还处于空白阶段。

1.3研究内容和研究方法

1.3.1研究内容

1）乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织环境及存在问题

分析了乌江梯级枢纽区域船舶货运组织的历史及现状，各梯级枢纽的情况，阐述了种种梯级枢纽建成后对船舶货运组织产生有利影响及不利影响，说明了乌江梯级枢纽全线通航后给船舶货运组织带来的问题，为后续研究打下基础。

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2）乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织理论优化模型建立及实现

根据乌江多梯级枢纽区域运输系统的特点，经过对系统的抽象定义与基本假设，提出以广义成本最小的乌江多梯级枢纽区域多货种多方式船舶货运组织优化模型，其中针对根据船舶通过枢纽的调度规则，提出建立了枢纽单重休假规则M/G/1排队模型，求解船舶通过各枢纽的时间，对各运输路径的运输时间计算提供数据支撑。最后，利用多货种多方式货流分配模型对乌江多梯级枢纽船舶货运组织进行优化，得到以广义成本最小的船舶货运组织优化方案。

3）乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织仿真建模与实现

鉴于数学方法不能全面分析货运组织方案优劣的缺点，提出利用计算机仿真技术对多梯级枢纽区域船舶货运组织系统进行分析。首先分析乌江多梯级枢纽区域货运组织系统仿真的目的，其次分析系统边界、构成、特征及仿真指标，接着以面向对象建模的思想利用arena软件对乌江多梯级枢纽进行仿真建模，构建仿真模型并运用于数学优化方法得到的货运组织方案，评价方案的可行性。

4）乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织总体方案研究

根据数学方法和仿真技术各自的优势和不足，尝试综合利用数学和计算机仿真技术对乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织进行优化。首先针对初步方案不足提出多种改进策略，并将改进策略转化为数学理论优化方法中的约束条件，再次进行从数学理论优化模型到仿真模型优化过程，从而发现一定的规律，研究在完成既定货运量优化方案及船舶在多梯级枢纽区域航行较为通畅的条件下，广义成本最小的乌江多梯级枢纽船舶货运组织总体优化方案。

1.3.2研究方法

1）在研究已有网络优化模型及分析乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织系统特征的基础上，提出了以广义成本最小为目标的乌江多梯级枢纽区域多货种多方式船舶货运组织优化模型。

2）根据乌江多梯级枢纽通航设施排队系统的排队规则，引入适合该排队规则的M/G/1单重休假排队模型，求解船舶通过枢纽的平均通过时间。

3）使用离散系统仿真技术对乌江多梯级枢纽区域货运系统进行仿真建模。并运用仿真模型对数学优化方法得到的船舶货运组织方案进行评价。

4）基于理论优化与仿真模拟交互作用，对数学方法得到的船舶货运组织初步方案进行改进优化，得到合理高效的乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织方案。

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具体技术路线如图1-1：

图1.1 本文的研究思路

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第2章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织环境及存在

问题

目前乌江通航河段（乌江渡—涪陵）在多梯级枢纽建设之前一直存在航道滩多流急，航运条件差，航道等级低，航运未完全通畅，运量小，航运发展缓慢等问题，乌江货运的主要运输方式是散杂货自航船，拖驳船队或机动驳船组运输方式极少。 2004年，乌江贵州流域构皮滩、思林、沙沱、彭水各梯级枢纽均已动工修建，由于施工截流导致乌江航运中断，乌江航运转为区间短途运输，到2018年乌江多梯级枢纽全线通行时，乌江航道可全年通行500t船舶，将成为贵州省与长江黄金水道对接的第二条高等级航道。乌江多梯级枢纽建设将给未来乌江这条高等级航道带来一系列影响，给船舶的货运组织带来新的问题。

2.1船舶货运组织环境分析

乌江自西南向东北蜿蜒流经贵州省中部和重庆市边陲，在涪陵汇入长江，全长1037km。其中，河源到乌江渡为乌江上游区域，因水流急，河床狭窄，两岸高山悬崖，常有大型崩岩堵滩而无法行船，因此乌江通航河段指乌江渡至涪陵航段，该航段由4个水电枢纽组成乌江多梯级枢纽群，下面从航道、港口、枢纽通航设施、运输船型等方面分析乌江多梯级枢纽区域船舶货运通航环境。乌江多梯级枢纽区域图见图2-1。

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图2-1 乌江多梯级枢纽区域图

2.1.1货种货量

根据贵州交通厅项目《乌江高等级航道高效货运组织关键技术研究》中“贵州省乌江干流水路货运需求预测”部分研究结果，2020年分类货运量预测结果见表2-1：

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表2-1 分货类预测 （单位：万吨） 上行 煤炭 0 磷化工产品 0 金属矿石 0 矿建材料 19.32 水泥 4.46 木材 0 非金属矿石 3.05 化肥及农药 2.26 盐 0.02 粮食 0.02 硫磺及合成氨 25 烤烟 0 茶叶 0 其它 21.72 合计 76.48 下行 237.08 81.23 4.04 10.68 23.45 0.13 8.11 6.12 0.06 0.06 0 5.45 8 29.77 414.18 合计 253.83 81.23 4.04 30 27.91 0.13 11.16 8.38 0.08 0.08 25 5.45 8 44.17 499.46 由表可以看出，乌江流域货类种类繁多，主要货种为煤炭、磷化工、矿石、水泥、硫磺及合成氨及其他大件或机械货种。煤炭主要是织金、、福泉等地煤矿经由乌江渡港区或江河界码头水运外销湖北、江苏、上海等地区。磷化工产品主要是分布于、福泉等地，由江界河码头装船运到运往华中、华东、华北。以乌江下游的矿石资源丰富，矿石及矿建材料资源以大理石资源为主，还有石灰石、砂石料、砖等，主要由思南港及沿河港运出乌江至广州、上海等地。

对于表中时效性较强的茶叶、烤烟及其他高附加值的货物考虑利用集装箱进行运输。集装箱运输目前在乌江流域还属于初步发展阶段，除乌江渡港区内主要港口开阳港外，沿岸其他港口并不具备进行集装箱装卸作业的能力。但其他河流水运发展表明、集装箱运输是重要的运输方式,如长江的集装箱运输,从上游宜宾,泸州、重庆、涪陵、万县、宜昌至中下游各港的水运集装箱发展速度很快。乌江流域目前只有少量贵阳、遵义的集装箱运输，只能通过汽车运到重庆港装船，而公路运费高，不经济，因此集装箱运量很少。贵阳市乌江至长江水运通道一经建成开通及乌江各水电枢纽建成，将为发展贵阳市水运集装箱运输创造有利条件。

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2.1.2航道

乌江航道在多梯级枢纽建设之前一直存在滩多流急，航运条件差，航道等级低，运量小，航运发展缓慢等问题。随着乌江各梯级枢纽的建成及乌江航道整治工程的同步进行，库区航道条件得到了显著改善：水位上升淹没险滩，流速减缓，乌江航道等级将由V级提升到IV级，船舶通航尺度将达到1.6×30×330（m），乌江航道通过能力将达到1000多万吨，500吨级船舶将由涪陵直达乌江渡。因此，航道通航条件的改善和通过能力的提升将促进船舶向大型化、标准化发展。

2.1.3港口

梯级枢纽兴建前，乌江流域港口水域中水期河宽较窄，到了枯水期甚至出现无法满足船舶的停靠的问题，港区水域常年航行、停靠、作业困难，而洪水期又存在流速大的问题，更加影响船舶的正常停泊。乌江贵州省境内现有大小港口4个，吞吐能力10万t以上的只有3个，即思南、德江和沿河港，而且沿江仍以客渡码头、停靠点为主。码头规模小，设施落后，无法满足沿江两岸社会经济发展的需要。

梯级枢纽兴建后，航道及库区港口水域条件得到改善，方便了船舶的正常作业。另外，多梯级枢纽的兴建使得库区江湾增多、乌江支流河面增宽、航道延伸，使港口布局更为有利，为建设大型货运港口提供了基础条件。根据《贵州省内河航运发展规划》，乌江沿江港口将以开阳港、江界河等地区重要港口为重点，其它一般港口为基础，满足资源外运中转出口需要，发挥乌江出省通道的优势，计划将新建乌江渡、楠木渡、江界河、开阳港区4个500吨级泊位，沿江渡、河闪渡、德江码头3个码头、小码头14个、停靠点20个。未来计划扩建和新建的主要货运港口情况见表2-2。

表2-2 未来港口规划 码头名称 乌江渡 开阳港 沿江渡 江界河 码头 泊位 1 8 1 7 最大靠泊 设计货运吞吐 能力（吨） 能力（万t/年） 500 500 500 500 11 94.6 18 75 10

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河闪渡 思南 德江 沿河 2 2 7 4 500 500 500 500 21.5 23.9 70 50 综上，未来港口的发展将促进航运事业的发展并为船舶多方式联运提供有利条件。

2.1.4枢纽通航设施

贵州省乌江通航河段共有有沙沱、思林、构皮滩、彭水枢纽；上游紧接本河段的乌江渡枢纽已建成投产，该枢纽未建过船建筑物，只留有过船建筑物位置。沙沱、思林、构皮滩、彭水四座枢纽在建中，其过船建筑物与枢纽工程同步实施。各枢纽通航设施参数见表2-3：

表2-3 通航设施参数

项目 过船设施 单位 构皮滩 三级升船机 143 59×11.7×2.5 12 500 630 197.1 思林 升船机 341 60×12×2.5 12 500 440 71 沙沱 升船机 334.1 彭水 升船机及船闸 510 设计年通过能力 万t 承船厢或船闸有m 效尺寸 承船厢移动速度 m．min-1 一次过坝最大船t 舶吨位 m 正常蓄水位 m 利用水头 60×12×2.5 59×11.4×2.3 12 500 360 75.5 12 500 310 66 枢纽通航设施建设将为船舶通航提供条件，而且为了合理利用通航设施船闸或升船机的有效面积，将促使船舶逐步标准化。从表2-3中可以看出，各通航设施承船厢或船闸有效尺寸较小，一次装载只能容纳一条船，使得顶推等内河常用船舶货运组织方式无法实现，只能考虑自航船过通航设施运输。

2.1.5运输船型

乌江属山区河流，各枢纽建设前，为适应山区河流弯曲、狭窄、比降大、流速急、流态紊乱的特点，船型多为尖瘦型，主机功率比平原高一倍以上。货运的运输方式是机动驳，一般采用半舱或深舱型式，吨位主要100～300t级，有少量500t级航行在龚滩以下。船舶呈现的平均吨位小、船型机型多、运输效

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率较低等问题，远远不能满足新的市场需求和适应新的航运条件。

各枢纽建设后，由于存在地区经济发展、充分发挥水运优势的要求、各梯级枢纽间水库蓄水、船舶过闸尺度要求等诸多原因，加快了乌江梯级枢纽区域船舶的标准化、大型化的发展。

根据各货种的特点，选择散货船、集装箱船及滚装船进行乌江各类货物的运输。其中散货船运输煤炭、磷化工、矿石、水泥、硫磺及合成氨等货物；集装箱船运输茶叶、烤烟及其他高附加值的货物；乌江未来滚装船将主要运载上游的水泥及下游的部分矿石等货种。表2-4为《贵州省两江一河（乌江）高等级航道主要船型标准化研究》

[25]

通过技术经济论证确定的乌江未来梯级枢纽区域

各类标准化船舶优化设计方案。

表2-4 各类船型参数 船型 垂线间长 m 型宽 m 型深 m 设计吃水 m 结构吃水 m 方形系数 载重量 t 设计吃水时航速km/h 千吨公里油耗kg/kt.km 主机功率 散货船 500t 53.00 10.00 2.50 1.6 1.8 0.75 500 16.49 9.18 90×2 300t 44.00 7.80 2.40 1.5 1.7 0.797 300 17.06 12.81 90×2 200t 36.6 6.4 2.3 1.4 1.6 0.77 200 16.57 16.99 110×2 集装箱船 48TEU 55 10.8 2.4 1.6 1.8 0.797 473.9 21.9 11.18 110×2 30TEU 52 10.8 2.3 1.5 1.7 0.7 300 22.4 15.4 110×2 滚装船 38车 79.00 19.20 3.90 2.4 2.6 0.7 38车 21.08 12.56 441×2 50车 100 19.2 3.9 2.4 2.6 0.3 50车 21.71 11.78 500×2 2.2乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织存在的问题

2.2.1乌江多梯级枢纽区域货物需求量及供需缺口

根据贵州交通厅项目《乌江高等级航道高效货运组织关键技术研究》中“贵州省乌江干流水路货运需求预测” [1]对各类船舶的货运量OD预测结果见表2-5至2-7（A表示乌江渡港区，B表示河闪渡港区，C表示思南港区，D表示沿河港区，E表示彭水下游边界。下同）(单位：万吨)：

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表2-5 散货船运量OD OD A 起 点 B C D E 合计：300.46万吨 A 0 0 0.7 0 20.2 B 0 0 0.1 1.5 4.9 终点 C 0.81 0 0 0 4.67 D 0 0.7 0.58 0 1.2 E 201.2 20.8 11.9 31.2 0 表2-6 集装箱船货运量OD OD A 起 点 B C D E 合计：80.2万吨 A 0 0 0 0 4.2 B 0 0 0 0 5.4 终点 C 0 0 0 0 6.8 D 0 0 0 0 3.7 E 18 0 40 2.1 0 表2-7 滚装船运量OD OD A 起 点 B C D E 合计：114.1万吨 A 0 0 0 0 6.1 B 0 0 0 0 4.2 终点 C 0 0 0 0 3.2 D 0 0 0 0 1.3 E 44.3 29.8 20.0 5.4 0 在考虑滚装运输全部不过坝和不考虑客运量的情况下，未来特征年乌江梯级枢纽区域货运量需求和枢纽通过能力供需缺口如表2-8所示。

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表2-8 乌江各梯级枢纽特征年过坝货运量 单位：万吨 枢纽 年份 上行 2020年 下行 合计 供需缺口 上行 2030年 下行 合计 供需缺口 构皮滩 44.99 200.11 245.11 102.11 143.99 0.36 784.35 1.35 思林 51.01 226. 277.9 无缺口 163.25 636.03 809.36 468.36 沙沱 62.79 281.26 342.05 1.05 180.93 793.63 974.56 0.56 彭水 68.17 303.2 371.37 无缺口 240.16 970.23 1010.39 500.39 根据各枢纽年通过能力结合过坝货运量表中数据可知，到2020年，乌江通航河段的构皮滩枢纽、沙沱枢纽的下行过坝运量均大于枢纽的年最大通过能力，到2030年，货运过坝量将全面超过各枢纽的通过能力。这说明枢纽的通过能力不能满足乌江运量增长的要求，加大了船舶货运组织的难度，从而制约乌江货运量的进一步增长。

2.2.2乌江多梯级枢纽通航存在的问题

乌江多梯级枢纽的建设改善了乌江流域的航道条件，推进船舶标准化、大型化，降低运输成本、提高运输安全性。但另一方面，乌江多梯级枢纽的规划和建设，是以发电为主，航运为辅，对通航设施的规划和建设并不重视，航电枢纽碍航现象较为严重，对船舶的货运组织产生一定的负面影响。具体表现为以下几个方面：

1）各梯级枢纽通航设施建设通过能力不统一

乌江构皮滩至龚滩流域梯级枢纽通航设施承船箱不统一的尺度规划给船型标准化带来困难，船舶不同的通过时间和通过流量使四个枢纽通过能力各不相同，通过能力最大的通航设施年通过能力为510万吨/年，最小的通航设施只有140万吨/年，枢纽通航设施不统一的建设规模，直接形成“短板”效应，产生新的运输系统“瓶颈”。

2）通航设施通过能力与航道建设标准不匹配

乌江各梯级枢纽建成后的水运货运量包括区域经济发展带来的货运量和水运条件改善后诱发的货运量。乌江在枢纽在规划时对诱发运量预测偏低，通航设施通过能力不足的问题在各梯级枢纽全部建成通航后将变得明显。根据《贵

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阳市乌江水运通道研究》[20]中航道建设标准确定乌江流域设计航道通过能力达1080万吨/年，而各梯级枢纽通过能力远远小于航道通过能能力，无法满足不了航道的建设标准，给货运组织带来巨大困难。

3）货运翻坝设施建设难度大

乌江是一条山区河流，乌江两岸的地理条件使得翻坝公路建设存在巨大困难。以构皮滩枢纽为例，枢纽上下游适合建设翻坝港口的河岸间相距超过10公里，岸线条件差不适合建设大型翻坝码头，且构皮滩枢纽附近的山体并不适合建设翻坝盘山公路，这些因素对货物的翻坝运输造成严重影响。

4）航道条件仍不完善

构皮滩、思林、沙沱及其龚滩下游40km处的彭水四座水电枢纽工程，将航道分割成常年回水区和变动回水区。常年回水区水深航宽，通行条件较好，变动回水区航道水深和通航条件随枢纽下泄流量的变化使得原本复杂的乌江航道变得更为复杂。

5）梯级枢纽运营期水库调峰将对通航造成影响

水库在洪水期会增加下泄流量，将对航行安全造成影响，如下泄流量过大还会导致停航。如三峡大坝，03年至07年三峡河段水域共发生航运交通事故72起，其中60％为近坝水流条件的改变导致的。为了保障各梯级枢纽间船舶的通航安全，减少水上交通事故的发生，对枢纽通航时间的在所难免，在洪水期乌江梯级枢纽泄洪时段将船舶通过各梯级枢纽，而这必然引起该期间大量船舶在库区及航道内滞留，严重时甚至会阻碍两坝间库区内的通航，使整个乌江多梯级枢纽区域水运系统陷入瘫痪。而在枯水期，为了追求发电效益，航电枢纽在运营期间将减少下泄流量，造成航道维护水深不足，船舶不得不减载航行甚至停止通航。

以上种种分析表明，乌江多梯级枢纽的建设将乌江流域整个运输系统带来巨大的变化，必需站在综合分析的角度，利用合理的方法对未来多梯级枢纽全线通航后的船舶货运组织方式进行研究，充分发挥水运优势，实现运输的通畅、安全和高效。

2.3本章小结

本章将首先从描述乌江流域多梯级枢纽建成后货运环境的改善说明多梯级枢纽的建设给乌江流域船舶货运组织带来的新的机遇，其次从乌江多梯级枢纽

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区域未来货运量需求发展及多梯级枢纽通航后产生的问题两方面分析未来多梯级枢纽船舶货运组织所存在的问题，提出进行未来乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织优化的必要性。

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第3章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织理论优化模

型建立及实现

乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织优化是针对不同货种的运输特点，以综合效益最优为目标，在完成预定货运量下在已知货物OD流量的条件下使选择各类货种合适的运输方式和运输路径，并求得各货类各运输方式在各运输路径上的运量，对于船舶来说，还必须求得每条运输路径上完成分配得到的不同货类的运量所需要的船舶数。然而，乌江多梯级枢纽区域货运组织系统存在空间跨度大，货种多样，运输方式多样，不同运输方式间的中转环节，加上枢纽有限的通航能力等问题，种种问题使其货运系统存在固有的复杂性。解决这类运输网络系统的船舶货运组织问题通常采用的做法是利用Wardrop第二原理建立网络配流模型，即在保证运输线路运输能力及运输枢纽通过能力满足的条件下按照广义运输成本最小的目标将货物OD流量合理地分配到具体的运输网络上，以便得出货运网络中各货类各运输方式在各运输路径上的流量。

Wardrop第二原理作为一个设计原理，是面向运输网络决策者的。对公路网而言，第二原理所描述的状态要求司机互相协作为系统最优化而努力，这在实际中是不太可能的。但水路网络运输不同于公路网络中车辆运输所具有路径选择随机性，水运网络运输具有一定的计划性，船舶依靠航运公司指定的航线进行运输作业，这也使为乌江多梯级枢纽这种复杂网络制定合理货运组织方案并有效实施成为了可能。

3.1货运网络定义

乌江多梯级枢纽区域运输网络除水路外还存在多种运输方式，如铁路、航空、公路等。为了优化多梯级枢纽区域的水路运输，必须考虑水路和其他运输方式相结合的运输路径以解决水利枢纽通过能力不足的问题。考虑三种运输方式，只有公路运输因其运输网络与水路运输网络衔接的最好且具有合理的成本而应纳入多梯级枢纽区域运输网络中。航空运输运能较小且成本过高，铁路的通过能力已接近饱和且与水路和公路网络形成运输网络过于复杂而被排除。因此，本文研究的乌江多梯级枢纽区域货运网络由公路网、水路网、港口、枢纽、

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中转车站组成。为了方便后文构造数学模型，先对相关变量和有关参数进行抽象定义和说明：

将乌江多梯级枢纽区域货运网络中各个功能区如港口、车站、枢纽定义为节点或中转点。用N表示节点和中转点集合，I为运输网络中路段集合，节点间可以通过中转点进行多种运输方式联运。（图3-1）定义两节点间的货运组织方式为：

o，d，l(oO, d D, lL)

其中，o代表货运起始节点，d代表货运终止节点，l代表od之间的某种运输路径，O代表网络中所有货物OD起点的集合，D代表网络中所有货物OD终点的集合，L代表OD间所有运输路径的集合，a为某航段或路段，集合为A。

车站 1车站 2车站 3车站 4构皮滩枢纽乌江渡港区闪河渡港区思林枢纽思南港区沙沱枢纽沿河港区彭水枢纽彭水下游图3-1 运输系统网络图

3.2基本假设及说明

现实中的梯级枢纽运输系统往往包含各种影响运输系统正常运行的因素，如天气、水位、通航设施的停航检修、船舶的停航等等。各种运输方式及其他影响因素构成了复杂的运输网络，为了减少复杂情况带来的建模困难，有必要在建模之前做出如下假设及说明：

3.2.1中转方式

为保证运输的连续性，在港口进行运输方式中转只考虑船舶进港卸货直接装车或车辆进港后直接装船两种水陆联运的中转方式。暂不考虑货物在港口堆场存储停留，即货物进入港口如有需要将立即进行中转运输。

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3.2.2目标函数中的运输成本

运输成本由运输路径和运输方式决定。按成本的支出可将其分为变动成本和固定成本。对船舶来说，变动成本包括港使费、燃料费、装卸费和其他费用等。固定成本是指在一定的时间范围内，其总额不受具体运量和运距的影响而相对固定的费用，包括船舶折旧费、船员工资、管理人员工资、保险费、维修保养费、润料费、物料费、供应费、及其它经营管理费等。 [25]

3.2.3广义运输成本函数

广义运输成本函数表示广义运输成本会受到航道货运量的影响，但乌江多梯级枢纽区域航运发展处于规划阶段，运输成本和航道货运量之间的相互影响机制在研究上存在一定的难度，同时乌江流域过去航运资料表明，乌江航运的广义运输成本变化很小。因此，暂不考虑路段广义运输成本受货流量的影响。

3.2.4港口吞吐量

港口同通航设施一样涉及到船舶排队问题，为了减小排队问题给货运组织优化带来的误差及避免对港口吞吐量约束造成的规划模型无解的情况，假设运输系统各港口的吞吐量不受。

3.2.5航道及公路通过能力假设

根据《贵州省交通“十二五”发展规划》[27]，乌江未来航道及库区通过能力最小的航段为1080万吨，最大为3.2亿万吨，远远满足乌江货运运输需求。公路运输应作为平衡水路运输运量的重要运输方式，不考虑公路的通过能力，决策者可以根据货运组织优化结果确定公路运量，为公路建设做出建议。枢纽通过能力在2. 1节已说明。

3.3模型建立

与交通规划关心航段的运量及流量不同，作为一个航运系统的决策者，更关心的问题是货物组织方案实现需要产生的航次数及运输路径上水运航段所需要的船舶数量。因此，乌江多梯级枢纽区域多货种多方式货运组织优化模型的目标函数将以各船型船舶艘数为自变量。

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3.3.1目标函数

货运组织系统广义成本最小化，对所有航线上的广义运输成本进行求和，所需的广义运输总成本作为货运组织优化模型的决策指标。货运组织方案通过确定运输船舶在各条运输航线上一年的运量及船舶艘数决定。结合多梯级枢纽货运组织特点，可以设计得到系统广义成本最小的目标函数：

Min (CT) =min [

变量：

fFmM(f)o,dlL(od)odQfmXodfmlCfml] （3.1）

Xfml：某类船在某条运输路径上完成年货运量所需的船舶艘数。

参数：

f：某一类船舶；

F

od：船舶的类型集合；

m：船舶吨位类型；

M(f): f船舶吨位类型集合；

o：货运起点；

d：货运讫点；

l：OD起讫节点间的某条运输路径；

L(od)：某OD起讫节点间的运输路径集合；

Cfml：某类船在某条运输路径上每吨货物广义运输成本函数；

odQfm：f型船m吨级船舶每艘船的年货运量。

3.3.2约束条件

1）某类船舶某OD间货运量与该OD间所有路径产生的货运量之和相等：

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mM(f)lL(od)QfmXodfmlQod(f) o,d,f （3.2）

Qod(f)：f型船的运量OD。

2）防止整数规划出现无解的情况，为OD货流设置裕度：

0.99Qod(f)Qod(f)1.01Qod(f) （3.3）

3）某类船在某条运输路径上船舶艘数应大于等于0：

Xodfml0 o,d,f,m, l （3.4）

4）所有通过枢纽通航设施的各类船舶运输航线产生的年总货运量应小于等于通航设施的年通过能力，即通航设施通过能力约束：

odu,lfFmM(f)o,dlL(od)odQfmXodfmlu,lVu u （3.5）

Vu：第u个枢纽的年通过能力。

：l是通过枢纽u的路径，其值为1;否则为0。

5）所有在某路段上的实际货运通过量小于其通过能力：

fFmM(f)o,dlL(od)odQfmXodfmla,lVa a （3.6）

Va：第a个路段的最大年通过能力。

oda,l：l是通过路段a的路径，其值为1;否则为0。

3.3.3单船年货运量求解方法

每艘船舶的年货运量： 式中

Q2CDfDRT （3.7）

fD为船舶装载因数；CD为总运量；RT为船舶年往返航次数。

ODRTSDPD （3.8）

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船舶单航次往返时间SD：

DADASDTG(n) （3.9）

Vs1.1Vs式中DA为运距，满载服务航速为Vs，压载空放的航行时间为1.1Vs，TG(n)为船舶通过第n个枢纽时的平均时间。 船舶停泊时间PD：

PDTLTUTO （3.10）

式中TL船舶为装载时间，TU船舶为卸载时间，TO为其他停泊时间，如加油等。

3.4求解方法

以上数学模型其问题求解是在线性规划中求解船舶艘数的整数解的规划问题。适用分枝定界法来求解。分枝定界法既可以求解纯整数规划问题，也可以求解混合整数规划问题。其基本思想:先求出相应的线性规划最优解，如果此最优解不符合整数条件，则将原问题分枝为若干个子问题，继续求解，直到求出最优解。解题步骤如下:

1、不考虑整数约束，把原问题作为一般线性规划问题求解。 （1）若相应的线性规划问题无可行解，则整数规划问题无可行解。

（2）若求得的线性规划问题的解为整数解，则这个解为整数规划问题最优解。 （3）若求得的线性规划问题的解为非整数解，则转入第三步。 2、将整数规划问题分解为子问题，即“分枝”。 3、求解分枝问题。 4、检查分枝问题。

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3.5单重休假规则M/G/1枢纽排队系统模型建立及应用

3.5.1排队系统基本特征

排队系统，也称随机服务系统, 即随机性是排队系统的一个共性。具体是指顾客来到的时间与接受服务的时间都随各种时机与条件变化而变化的系统。

一个排队系统能抽象地描述为如下：为了获得某种服务而到达的顾客，若不能立即获得服务，而又允许排队等待，则加入等待队伍;获得服务之后离开系统。图 为两个经典排队模式：

顾客接受服务顾客到达排队顾客离开

顾客接受服务顾客离开顾客接受服务顾客到达排队顾客离开顾客接受服务顾客离开

图3-2 经典排队模式

实际的排队系统虽然千差万别，然而它们却有一些共同的特征，使我们能对它们进行统一的处理，主要由三个基本部分构成：输入过程、排队规则和服务规则。下面结合乌江多梯级枢纽排队系统的特点，对其排队系统的特征进行分析： 1）输入过程

输入过程就是刻画船舶按怎样的规律到达。要完全刻画一个输入过程需要如下三方面。

①船舶总体(船舶发生源)数。排队系统中“顾客”可能是有限的，也可能是无限的，甚至非可数无限的。例如工厂内出故障的机器数显然是有限的，到达

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售票窗口前的顾客总体可看作是无限的，因不存在最大数。对于乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织优化来说，研究的是完成一年货运量的船舶数，但从通航设施实际运行情况及为了得到统计平衡下船舶的到达规律来看，船舶的数量应该是无限的。

②船舶到达的类型。是单个到达，还是成批到达。为了简化模型，方便统计船舶到达间隔时间分布情况，本系统不研究两条或两条以上船舶同时到达的情况。

③相继船舶到达的间隔时间概率分布。

令T0=0，Tn表示第n个船舶的到达时间，在顾客单个到达的情况下，有

0=T0τ

n是第

n个船舶到达时刻与第n- 1个船舶到达时刻之差，称为第n个到达

间隔时间。(inter-arrival time)。一般均假定{τn}同分布。其分布函数一般有定长分布、二项分布、泊松流(最简单流)、爱尔朗分布等若干种。

本研究认为船舶是不定期到达通航设施的，在一段时间到达的船舶数仅与这段时间的长短有关，不相交的时间段到达的船舶数量是相互的。根据前人对内河船舶过闸到达登记时间数据分析和车辆到港时间数据分析得出船舶和运输车辆的到达为Poisson过程，即2个船舶或车辆相继到达时刻之间的间隔时间T服从负指数分布,则对应的到达数目N服从Poisson分布。[3]具体规律如下：

船舶到达为Poisson过程，即最简单流的概率分布函数为：

Pn(t)tn!et t>0, n =0, 1, 2, 3…

为船舶平均到达率。 其概率分布函数为：

F(t)1et(t0)

2）排队规则

排队规则刻画顾客接受服务的先后次序。也分几种情形。一般可以分为损失制、等待制和混合制等3大类。损失制是指指如果顾客到达排队系统时，所有服务台都已被先来的顾客占用，那么他们就自动离开系统永不再来；等待制有三种情况为先到先服务、后到先服务、随机服务、优先权服务。混合制是等待制与损失制相结合的一种服务规则，一般是指允许排队，但又不允许队列无

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限长下去。具体说来，大致有三种：队长有限、等待时间有限、逗留时间(等待时间与服务时间之和)有限。

乌江各梯级枢纽排队规则实行等待制，在只有一个方向的船舶到达枢纽时，实行先到先服务的排队规则，即按船舶到达的先后顺序调度船舶通过枢纽。但升船机通航设施服务系统不同于一般的单队列服务系统，升船机必须同时处理来自上下游的船舶，也就是单服务员多队列服务系统。当升船机上下游分别有船舶到达的时候，船闸通常采用的方式是调度升船机有船到达的一侧过坝，当一侧船舶全部通过后，再调度升船机另一侧船舶通行，这种调度规则类似于城市十字路口或内河航路交汇区的调度规则，为了处理这种特殊的排队系统，考虑引入单重休假规则进行通过时间的计算，具体分析见下节。 3）服务机构

完全刻画枢纽通航设施机构有以下几个方面:通航设施的数目；在任一时刻接受服务的船舶数即是单个地进行服务还是成批地进行服务；服务时间的分布。

①通航设施数量及构成形式。从数量上说，通航设施有通航服务设施和多通航服务设施，例如三峡枢纽通航设施就是典型的多通航服务设施。乌江各梯级枢纽均只设置一个通航服务设施。

从构成形式上看，服务台有单队列单服务台式及单队列多服务台并联式等（见图），通航设施的构成形式为多队列单服务台，见图

②通航设施服务方式。这是指在某一时刻接受服务的船舶数，它有单个服务和成批服务两种。三峡闸室有效面积较大可以同时通行多艘船舶，而乌江各梯级枢纽通航设施承船箱一次只能服务一艘船舶。

③服务时间的分布。David等的研究表明[5]密西西比河部分船闸服务时间服从正态分布，本研究将给出服务时间的统计拟合，其服务时间概率分布函数为：

f(x)1e2(x)222,x(,)

12则通航设施服务时间的均值为，平均服务率为，方差为； 3.5.2排队系统休假规则

通常的服务系统的模式包括单队列单服务员，如工厂的加工设备；多队列

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多服务员，如超市收银处，还有各种串并联服务系统等。这些排队系统存在一个共同点：讨论的都是单个服务员处理单个顾客队列的情况，而对于像航道通航设施这种单服务员多个队列的情况并不能处理（如图）。为此，必须引入一个新的规则：服务员休假策略。休假规则排队系统的产生是由于现实排队系统存在允许服务台在一段时间不接待顾客的情况而对经典排队系统进行的一个延伸，其中暂时中断服务的时间(一般是随机变量)统称为休假。暂时中断服务的情况有很多种。例如:服务设施的故障或保养；为充分利用服务资源，在相对空闲的时候从事其他工作视为对原队列顾客的休假；队列中存在两种不同的优先级别，把优先级别不同的顾客分成两个队列，在服务优先级低的顾客的时候因高优先级顾客的到达而中断服务视为服务员对低优先级顾客的休假。

船舶离开（上行）通航设施提供服务船舶到达（上行）t10船舶到达（下行）t4排队t1t2t3排队t11船舶离开（下行）图3-3通航设施排队模式

对不同的系统背景而言，休假规则分为两种，单重休假规则和多重休假规则。

单重休假规则是指每当系统空闲时服务员开始休假，若休假结束时系统中有顾客等待，就开始提供服务进入忙期并持续到系统再次空闲;若休假结束时系统中没有顾客等待，服务员就进入闲期，直到有顾客到达时开始进入新的忙期。

多重休假规则是在休假结束时系统中仍就没有顾客等待而开始另一次同分布的休假，到休假结束时系统中出现顾客等待，服务员就终止休假并开始接待顾客，直到服务台再次变成空闲。

这两种规则的不同之处在于单重休假规则下的服务员有忙期、假期、闲期三种状态之一。而多重休假规则的服务员只有忙期和假期。假期与闲期并不相同，对顾客而言，两者的区别在于其间第一个到达的顾客是否立即被服务;对系统而言，假期服务员可不在岗，而闲期虽无顾客，服务员仍在岗。

3.5.3排队模型建立

内河航道通航设施必须同时对来自上下游的船舶进行服务，即存在上下游两个排队服务队列，根据船舶通过通航设施的服务规则，可以将服务过程分为

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三个状态：

1.忙期。队列L1的船舶正在接受服务，L2 船舶必须等到L1的船舶通过才能接受服务。

2.假期。队列L1中有多艘船舶正在等待通过，这时L2有船舶到达，L2必须等到L1中的船舶全部通过后才能接受服务，即通航设施对L2的船舶休假。

3.闲期。无船通过通航设施，通航设施处于空闲状态，如果任一队列有船到达将立即接受服务。

通过以上分析，可以认为船舶通过通航设施的服务过程符合单重休假规则，为此需对单重休假规则下的M/G/1枢纽排队模型进行详细的描述。

假设有若干船舶分别从通航设施的上下游通过通航设施，到达通航设施排队系统的时间分别为t1,t2, t3 … t11；t1< t2< t3 … t11，当有船连续从一个方向驶向通航设施时，形成排队队列L1。当引入休假的规则后（如图3-4），通航设施每次提供服务必须判断当前服务排队队列L1是否全部接受了服务，而L2中的船舶必须等到L1中船舶离开通航设施后才能开始接受服务。当L1中无船舶等待通过而L2排队队列有船舶正接受服务，即表示通航设施对L1进入休假期，反之亦然。当L1，L2中均无船舶等待通过时，通航设施进入闲期。

船舶到达（上行）船舶离开（上行）升船机处接受服务t11船舶到达（下行）t10t4t3t2t1船舶离开（下行）

图 3-4通航设施休假规则排队模式

第l艘船舶正在通过通航设施，总通过时间为Tp(l)剩余通过时间为Tr(l)，假设通航设施等待通过的排队队列里有i艘船舶，在[0,t]时间内有i-1艘从上下游到达的船舶，则i-1艘船舶全部通过所需时间Tw(i1)为：

Tw(i1)Tp(n)

n1i1第i艘船舶排队等待接受服务时间Tw(i)为：

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Tw(i)Tp(l)Tp(i1)Tp(l)Tw(n)n1i1

对上式求平均值Tw为：

Tw(i)E(Tp(i))E(Tp(n))

n1i1令T,Tw(i)limTw(i)，通航设施服务强度为T，则：

Tw(i)TrTp(n1)(i1)

Tr(i1)TrTw(i)TrTw(i)Tw(i)

Tr1

TTrlimT0i1Tr(i)di TTr(n)Tp(n)2TlimT1limTi11Tp(n)2

2T22222

船舶通过通航设施的平均等待时间为：

Tp2Tr222Tw12(1)

船舶通过通航设施的总时间为：

TGTw

3.5.4船舶通过各梯级枢纽时间计算

根据枢纽年通过能力大小，可以估算出各枢纽船舶到达分布及服务时间分布为：

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表3-1 各枢纽船舶到达分布及服务时间分布 枢纽 参数 构皮滩 思林 沙陀 彭水 船舶到达规律（possion分布） λ 0.71 0.88 0.91 0.72 通航设施服务规律(正态分布) μ 1.1 0.6 0.62 0.38 σ 2.32 2.55 2.45 2.34 利用单重休假规则M/G/1枢纽排队模型，可以求得稳定状态下船舶通过各枢纽的平均排队时间及通过时间为：

表3-2 各枢纽船舶平均排队及通过时间 枢纽 平均排队时间（小时） 通过时间（小时） 构皮滩 10.68 11.78 思林 6.39 6.99 沙陀 6.66 7.28 彭水 3.782 4.162 3.6理论优化模型输入参数计算

3.6.1广义运输成本

广义运输成本由路段运输成本、中转成本、货种时间价值及货损成本组成。 1）船舶运输成本

船舶运输成本受船舶船型参数成本构成的影响，通过必要货运费率体现。因此，考虑计算不同运距下各类船舶的必要货运费率确定各运输路径的单位货物船舶运输成本。船舶成本构成表见表3-3：

表3-3 船舶的成本构成 营运成本 1 燃料费 2 润料费 3 事故损失费 4 物料费 5 其他费用 固定成本 1 船员工资 3 修理费 200000 0.03%船价 2 船舶年折旧费 按n=20年直线折旧，5%残值 6000元/吨 6%燃料费 0.3元/千吨.艘 营运收入2% 营运收入10% 注：船舶港务费及港使费算入中转成本中 利用船型参数、船舶成本构成及各运输路径航段运距，可以算出不同船舶

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在不同运距下的必要运费率。见表3-4

表3-4 各类船舶不同运距必要运费率 单位：元/吨 运距 100km 200km 300km 400km 散货船 500t 14.14 26.74 39.60 54.13 300t 15.71 29.71 44.00 60.14 200t 20.00 36.29 52.14 70.86 集装箱船 48TEU 37.71 71.31 30TEU 39.43 73.14 滚装船 38车 23.57 44.57 66.00 90.21 50车 24.43 46.43 69.43 87.47 105.60 108.93 144.86 151.14 2）公路运输成本及货运中转成本

根据贵州省物价局《关于公路货运成本费用及价格的调查报告》[26]及乌江实地对港口装卸货费用的调查确定各货类的公路运输成本和运输方式间的中转成本。见3-5：

表3-5 各货类公路运输成本 单位：元/吨 货类 散货（元/吨） 集装箱（元/箱） 滚装（元/车） 公路运输成本 10+0.62*L 50+6*L 10+2.8*L 船转车中转成本 21 510 15 车转船中转成本 15 510 15 注: 1．L为运输距离，单位为km；集装箱规格为20TEU；滚装车载重量为12吨。 2．表中所有数据均为全年平均成本。 3）时间价值

目前对货物时间价值的研究较为成熟，但时间价值的计算需要大量数据，本文简化时间价值的求解过程，根据各种货类市场价值及运输方式估算货物利用不同运输工具的时间价值:散货：0.05元/吨·天；集装箱：10元/TEU·天；滚装货：5元/车·天。 4）货损成本

三种不同的运输方式除集装箱外，滚装运输与散货运输都存在这货损的问题，滚装相对较小，因此本文只考虑散货中转运输的货损，假设散货中转运输中有0.05%的货损，货损价值为0.2元/吨。

3.6.2运输时间

1）航段运输时间

根据各类船舶平均设计航速，车辆港区间距离及通过枢纽排队等待时间可以核算出各航段的运输时间，见表3-6。

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表3-6 各航段的运输时间 航段 货类 散货 集装箱 滚装 乌江渡—河闪渡 公路 3.77 3.77 3.77 水路 6.85 5.23 5.38 河闪渡—思南 公路 3.33 3.33 3.33 水路 6.06 4.63 4.76 思南—沿河 公路 3.27 3.27 3.27 水路 5.94 4.54 4.67 沿河—彭水下游 公路 3.67 3.67 3.67 水路 6.67 5.09 5.24 2）运输方式中转时间

为了简化计算，各类船舶不同吨位的船型的中转时间取其均值，见表3-7：

表3-7 运输方式中转时间

船型 船转车时间（h） 车转船时间（h） 滚装船 2.5 2.5 散货船 4.5 5 集装箱船 1.5 1.5 3）滚装船翻坝时间

滚装船最大的优势就是转运方便，不需要港口装卸货设备且速度较快，是三种船型中最适宜进行水陆联运的船型。本文利用的系列滚装船吨位及尺寸均超过承船箱设计要求，不能通过各梯级枢纽，只能在两坝之间运输。而其他船型对装卸设备要求较高，但乌江两岸山险而陡峭，并不适合建设大的翻坝码头，因此只考虑滚装船翻坝运输，滚装船翻坝运输时间见表3-8：

表3-8 滚装船各枢纽翻坝转运时间 枢纽 翻坝运输时间（h） 乌江渡 1.5 思林 1.2 沙陀 1.2 彭水 1.2 4）营运时间

根据航运的实际情况，设每艘船的营运时间为300天/年。

3.7船舶货运组织规划

以船舶运输系统广义成本最小为目标，采用理论优化模型对乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织进行优化，经编程优化计算得到各类船舶完成预测年货运量的货运组织方案。该方案不仅对各类船舶的运输路径进行了规划组织，而且完成了各运输路径的船舶运力分配等问题。各类船舶货运组织方案见表3-9至表3-11：

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表3-9 散货船货运组织方案 运输路径（━━表示水路运输；┅┅表示公路运输） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 乌江渡港区━━彭水下游 乌江渡┅┅思南━━彭水下游 河闪渡港区━━彭水下游 思南港区┅┅沿河港区中转━━彭水下游 思南港区━━彭水下游 沿河港区━━彭水下游 河闪渡港区━━沿河港区 乌江渡港区━━思南港区中转┅┅沿河港区 乌江渡港区┅┅河闪渡港区中转━━思南港区 思南港区┅┅沿河港区 河闪渡港区━━思南港区 合计 货运量散货船运力分配（运量/船舶数量）500t 300t 200t （万吨） 119.44 7.92 25.7 4.53 12.04 32.4 1.83 0.38 1.51 0.58 0.1 300.46 105.18 27 14.26 85.03 0 25.7 0 `12.04 32.4 0 0 0 0 0 20 0 4 0 1 2 0 0 0 0 0 9 7.92 0 4.53 0 0 1.83 0.38 1.51 0 0 6 3 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 乌江渡港区┅┅河闪渡港区中转━━彭水下游 94.03 248.31 54 39.43 14

表3-10集装箱船船舶货运组织方案 货运量运输路径（━━表示水路运输；┅┅表示公路运输） （万吨） 1 2 3 4

乌江渡港区━━彭水下游 河闪渡港区━━彭水下游 思南港区━━彭水下游 沿河港区━━彭水下游 合计 22.2 5.4 46.8 5.8 80.2 集装箱船运力分配（运量/船舶数量） 48TEU 21.02 5.4 46.8 0 73.22 8 1 8 0 17 30TEU 1.62 0 0 5.8 7.42 1 0 0 1 2 表3-11滚装船船舶货运组织方案 滚装船运力分配（运量/船舶数量） 货运量运输路径（━━表示水路运输；┅┅表示公路运输） 38车 50车 （万吨） 1 2 3 4 乌江渡港区━河闪渡港区━思南港区━沿河港区━彭水下游 河闪渡港区━思南港区━沿河港区━彭水下游 思南港区━沿河港区━彭水下游 沿河港区━━彭水下游 合计 50 34.2 23.2 6.7 114.1 0 0 0 6.7 6.7 0 0 0 1 1 50 34.2 23.2 0 107.4 20 12 3 0 35 32

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3.8本章小结

因乌江多梯级枢纽特点，使其船舶货运系统更趋复杂性，组织方式优化有别于其他船舶货运组织系统，本章针对复杂网络系统，利用多货种多方式理论优化模型对乌江多梯级枢纽船舶货运组织进行优化，其中针对乌江多梯级枢纽的特点建立单重休假规则M/G/1枢纽排队系统模型，分析船舶通过枢纽通航设施的通过时间，最后综合考虑各项成本及运输时间并应用数学理论优化模型得到以广义成本最小的船舶货运组织优化方案。

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第4章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织仿真建模

与实现

由于乌江船舶货运系统的复杂性，构建的理论优化模型与实际可能会产生偏差，优化的船舶货运组织方案的可行性需要验证，计算机仿真技术的发展为其提供了手段。乌江多梯级枢纽区域货运组织系统仿真研究的目的是掌握系统的运动规律，反映数学优化方法所不能反映的问题，为数学优化得到的货运组织方案的改进提供数据支撑。本章首先分析系统仿真的目的，接着研究乌江多梯级枢纽运输系统特征及其基本要素，要素间的相互关系等问题，利用何种仿真平台，接着进行乌江多梯级枢纽系统建模，最后对初步方案进行仿真模拟，检验初步方案实现过程中所存在的问题。

4.1系统仿真及仿真目的

4.1.1系统仿真

所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。利用系统仿真技术研究乌江梯级枢纽区域货运组织有以下作用：

1）系统仿真能够考虑数学理论优化模型所不能考虑的问题。当系统无法通过建立数学模型求解时，如仿真技术能有效地来处理。如船舶通过枢纽时间受各种因素影响，并不是定值，仿真模型可以按照实际过程进行处理。

2）仿真是一种人为的试验手段。它可以对无法直接进行实验的系统进行仿真研究，从而节省大量的能源和费用。

3） 系统仿真是通过实验来分析求解问题的技术，通过仿真实验，可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展，了解系统的内在联系和系统状态变化的全过程。

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4.1.2仿真目的

对于乌江多梯级枢纽区域货运组织系统来说，系统仿真可以更好的理解系统在给定条件下的行为，反映出数学理论模型因其局限性而不能反映出的问题。乌江多梯级枢纽区域货运组织系统仿真建模应以解决以下问题进行： 1）初步货运组织方案能否通过仿真模拟得以实现？

2）运输系统瓶颈在哪里，采取何种方法有效解决系统瓶颈？

3）运输系统中的港口及通航设施是否存在高负荷运行的情况，采用何种过闸规则合理利用通航设施？

4.2仿真系统分析

4.2.1系统边界及构成

仿真建模前应先明确系统的构成、边界、环境和约束。系统边界，即系统包含的功能与系统不包含的功能之间的界限。在仿真建模之前的系统分析阶段必须定义系统边界，只有明确了系统边界，才能继续进行下面的分析、设计等工作。包含和不包含的功能以是否影响系统仿真目标实现为划分标准，在达到仿真目的的情况下尽可能的简化模型。仿真研究的航段是贵州乌江通航航段，主要解决研究区域内货运组织所可能产生的运输瓶颈问题，多梯级枢纽区域货运组织仿真系统的重点应集中在区域内与货运组织有关的运输功能区及运输方式，所以系统由通航设施、港口、公路网、航道网，各类船舶及运输车辆构成。在研究区域内，上游最顶端为乌江渡枢纽，下游最底端为彭水枢纽，所以仿真系统的上游边界定为乌江渡港区，下游边界定为彭水枢纽，运输系统只考虑从下游边界或各港区进入运输系统的船舶或运输车辆。运输系统仿真模型系统网络图见图4-1：

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图4-1 运输系统仿真模型系统网络图

4.2.2系统特征

乌江多梯级枢纽区域运输系统是典型的离散事件系统，其主要特征为： 1）船舶到达为离散事件。船舶实体到达港口或通航设施的时间是随机的，而且到达船舶的船型特征也是随机的。

2）港口或通航设施的活动受离散事件的驱动。船舶实体到达通航设施会触发通航设施设备的占用，后来到达的船舶会形成排队，队列的长度也是离散变化的。同样，当船舶实体到达港口时也会引起泊位状态的变化，装卸设备的活动等等。系统中，对系统内部状态变化起作用的是一些离散事件，而不是连续变化的量。

根据系统的边界、构成及乌江梯级枢纽区域货运系统的特征其他离散事件系统一样，乌江多梯级枢纽区域离散事件运输系统的基本要素除所有系统都存在的基本要素以外，还存在几个特有的元素来帮助描述系统的特征。 1）实体

对建模而言，系统就是由相互存在一定关系的实体集合组成的，实体间的相互联系和作用产生系统特定的行为。在乌江多梯级枢纽离散事件系统中的实体可分为两类，即临时实体和永久实体。临时实体指各类船舶及运输车辆，是系统中活动的部分，船舶及车辆按一定规则由系统外部到达系统，在系统中接受升船机及港口等永久实体的作用，按照一定的流程通过系统，最后离开系统。因此，临时船舶及车辆实体只在系统中存在一段时间即自行消失。而升船机及港口等永久实体是系统中固定的部分，永久实体也称为系统资源。系统中临时

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实体的到达和离开及实体之间的相互作用促使系统的内部状态发生变化。 2）属性

属性是实体行为相同或相近的特征描述，一般是实体所拥有的全部特征的一个子集，用特征参数或变量表示，可以作为属性的特征参数和变量通常可以分为三种：①实体的类型。如船型参数，包括类型及吨位等。②实体行为的描述。如船舶实体运行的方向，速度等。③实体对排队规则的影响。对船舶实体建立不同的“优先级”属性可以帮助建立“按优先级排队”的规则建立，如集装箱船因时效性强的特点过坝时应优先。 3）活动

离散事件系统中的活动，通常用于表示两个相邻的引起系统状态变化事件之间的过程。例如船舶到达升船机事件与船舶接受服务事件之间为等候活动，而船舶开始接受升船机服务到船舶通过升船机完毕离开两个事件之间为服务活动。等候活动标志着在升船机前船舶排队队列长度的变化，而服务活动则标志着升船机状态发生变化。一项活动因为某个事件开始，而活动结束时又产生另一个事件。 4）状态

对实体活动的特征状况或性态的描述，在乌江多梯级枢纽仿真模型中，船舶有“等待服务”、“接受服务”等状态，升船机及港口泊位有“忙”和“闲”等状态。 5）事件

事件就是引起系统状态发生变化的瞬间操作或行为。只有在事件的作用下，系统状态才会发生变化。如当船舶到达升船机，就可能使升船机从“闲”状态变为“忙”状态，而若升船机已是忙状态，新来的船舶只能等候，这就引起系统的另一状态即等候通过升船机的船舶数量发生变化。 6）进程

进程描述一个实体在系统中经历的完整过程，它包括若干个事件和若干项活动。一个进程描述了它所包括的事件及活动间的相互逻辑关系及时序关系。例如船舶通过升船机的例子中，船舶到达开始排队等候，到接受升船机而最终离开可称为一个进程。进程是事件与活动的组合。

4.2.3系统仿真平台

根据乌江多梯级枢纽离散系统的特点，选用Arena软件作为系统仿真的平

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台。Arena是美国Rockwell Software公司开发的通用仿真软件。它可以很容易地建立诸如生产系统、服务系统等仿真模型；并可以根据实际需要设定仿真参数进行动态系统模拟，从而对实际的复杂系统进行有效分析和处理。

Arena基于面向对象的思想和结构化的建模概念，将专用仿真语言的灵活性和仿真器的易用性很好地融合到一起，直接根据实际运行流程构建仿真模型，符合常规的思维习惯。

Arena面向对象的建模思想是通过利用基本仿真逻辑的组合来实现的[28-29]。Arena将一些常用的仿真逻辑封装在Block(块，模块)中，相关的Block集成在Template(模板)。模板有不同的层级，越高级的模板功能越丰富，构建模型的效率也越高，但是越不灵活；越低级的模板功能越单一，构建模型的效率也越低，但是越灵活。有些高级Block可以通过低级Block组合而成。一般应用高级模板即可方便快捷地构建仿真模型，对于非常复杂的仿真模型才需要用到低级模板。Arena不同版本的模板划分不尽相同，目前包含的模板中常用的有： ① “Basic Process”基本处理模板；②“Advanced Process”高级处理模板；③“Advanced Transfer”高级传输模板；④“Blocks”模块模板及“Elements”元素模板。包含各个低级模块。如果实际系统模型超出Arena功能模块范围，还可以利用过程语言（如VB、C/C++）实现更为复杂的建模。这种层次化的建模体系可以保证灵活地进行各个水平上的仿真建模。Arena可以通过可视化的仿真环境将各层次的建模方法交替使用，获得不同的建模能力。由此可见，Arena提供了一个可以适用于各种建模水平的仿真环境，兼备易用性和灵活性两方面的优点。

4.2.4系统仿真评价指标

多梯级枢纽区域货运组织系统建模应该紧紧围绕仿真目标展开，侧重解决初始方案遇到的问题，而解决问题的途径是通过分析仿真运行后得到一系列的运输系统服务水平指标实现的，在arena运行过程中可以查看这些指标的实时值，运行结束后可以得到仿真报告，报告将以数据和图表的形式表示这些指标的平均值，极大极小值或方差。通过这些指标，我们可以评价乌江多梯级枢纽区域

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各功能区的服务情况，进而评价输入方案的优劣。这些指标包括：

1）统计并分析多梯级枢纽区域运输系统中的港口泊位及通航建筑物的资源利用率；

2）运输系统中港口、通航建筑物排队队列的量化指标，如排队长度和排队时间； 3）仿真时段内各种船舶通过各级枢纽数量和翻坝数量； 4）运输系统仿真时段内完成的货运量； 5）船舶通过整个多梯级枢纽区域的最大时间。

4.3仿真模型搭建

对于乌江多梯级枢纽系统庞大而复杂，如果在同一层视图内呈现整个系统的模型逻辑过程，将显得过于繁杂且不便于系统的调试及参数的输入，利用Arena的sub model功能可以将不同的子模型封闭起来，每个子模型都有自己工作空间层，如果需要对子模型进行编辑时，可以进入该子模型的空间层，回到顶层后，各子模型内部逻辑实现过程被隐藏起来，各子模型通过信息交换的接口根据实际系统的构成组合成货运组织系统仿真模型，这种建模方式使模型具有清晰的逻辑构成，方便模型的设计者及使用者。

为了完整的建立货运组织系统并体现面向对象建模方式的易用性和通用性特点，货运组织系统的仿真建模将在面向对象思想建模基础上结合离散系统仿真的仿真建模过程根据各功能区的不同功能建立五个不同的子模型，即船舶生成子模型、升船机子模型、港口子模型、船舶翻坝子模型、运输网络节点模型。这五个子模型每个都有一个系统边界，内部实现过程被封装在内，当临时实体通过信息接口进入子系统时，就会触发该子系统中的事件的发生。货运组织系统存在可供各子系统任意调动的全局变量，当子模型之间需要信息交换时可以调用这些变量。另外，也可以通过临时实体触发其他子系统中的事件和活动的方法实现子系统间的信息交换。本节将从各子模型主要功能及逻辑流程、系统的进程组成、实体及其属性等方面说明系统的建模过程。 arena顶层仿真模型建模图见图4-2：

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图4-2 arena整体仿真模型

4.3.1船舶生成子模型

船舶生成子模型是船舶的产生器，每个港口子模型都配合一个船舶生成子模型，该子模型模拟港口产生的船舶，船舶产生后由港口或下游边界进入系统，如果需要在起点以公路方式运输，系统可以将船舶实体通过复制模块将船舶实体转化为一定数量的车辆实体进入系统。乌江多梯级枢纽里系统所有子模型的事件发生，资源状态改变，信息传递都是受船舶及车辆到达事件驱动的，因此合理设置船舶的生成规则及属性赋值特别重要。船舶生成子模型生成船舶的间隔时间可以设置成各种分布形式。3.1节分析船舶到达枢纽的随机过程服从泊松分布（possion），为使仿真结果与实际情况接近，假设从港口产生的船舶也服从泊松分布，到达间隔时间服从负指数分布，其数值利用各港口生成的年货运量除以年营运时间得到均值，各类船舶生成总数根据初步货运组织方案进行设定。

船舶生成进程生成船舶实体后将为实体赋各种属性以模拟不同船舶的货运组织过程。主要属性有：船舶装载量、船型、船舶起点（origin）与终点（destination）属性，另外系统根据货运组织方案决定各类船舶的数量。

为了模拟全年不同季度或月份运量的变化，每个港区货运发生点可设置多

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个船舶生成模块（create），每个船舶生成模块设置不同的船舶生成开始时间及各段时间中生成的船舶总数。

数学模型得到货运组织方案是各货类在各运输路径上运量及船舶航次数，方案模拟可以通过在仿真模型中设置不同船舶产生的数量来模拟各型船舶产生的航次数，而仿真模型对运输路径的控制是通过在不同运输系统节点中控制各类货流去向的比例来决定的，表4-1是A港区船舶生产子模型所需输入参数，其他港区所需参数类型相同。表4-3是船舶生产子模型的Arena运行逻辑图

表4-1 A港区船舶生产子系统输入参数

名称 A_Shiptye ton r_t1_cargo_ Ha r_t2_cargo_Ha r_t3_cargo_Ha r_t1_con_Ha r_t2_con_Ha r_t1_roro_Ha r_t2_ roro _Ha r_ cargo_HaWa r_ cargo_HaRa r_ con_ HaWa r_ con_ HaRa r_roro_ HaWa r_ roro_ HaRa origin destination r_ship1_Ha r_ship1_Ha r_ship1_Ha V_starttime E_number E_timeinterval 类型 属性 属性 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 属性 属性 变量 变量 变量 变量 分布 分布 含义 船型 船舶载重量属性disc（ton1，250，ton2，300，ton3，500）（以散货船为例） 生成250t散货船占A港区生成总散货船数的比例 生成300t散货船占A港区生成总散货船数的比例 生成500t散货船占A港区生成总散货船数的比例 生成30TEU集装箱船占A港区生成总集装箱船数的比例 生成48TEU集装箱船占A港区生成总集装箱船数的比例 生成38车滚装船占A港区生成总滚装船数的比例 生成50车滚装船占A港区生成总滚装船数的比例 A港区散货船通过水路运输占A港区生成总散货船数的比例 A港区散货船通过公路运输占A港区生成总散货船数的比例 A港区集装箱船通过水路运输占A港区生成总集装箱船数的比例 A港区集装箱船通过公路运输占A港区生成总集装箱船数的比例 A港区滚装船通过水路运输占A港区生成总滚装船数的比例 A港区滚装船通过公路运输占A港区生成总滚装船数的比例 船舶货运起点 船舶货运终点 A港区产生散货船的比例 A港区产生集装箱船的比例 A港区产生滚装船的比例 船舶生成模块开始生成船舶的时间（共有三个船舶生成模块，模拟全年不同时段船舶生成情况） 各时段船舶生成模块生成船舶总数量 各船舶生成模块生成船舶的规律分布 41

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图4-3 Arena运行逻辑

4.3.2港口子模型

港口子模型的在系统中的作用是检验在货运组织方式实际运行中，船舶在泊位停留装卸货物时造成的系统排队对整个运输系统船舶货运组织造成的影响。

由于本文研究的重点并不在港口具体运行流程，各种港口装卸工艺具体包括岸边装卸机、水平运输机、堆场装卸机及其之间的调配过程都不在本文的研究范围之内，港口装卸过程将予以简化。

同枢纽的通航设施一样，船舶进入港口泊位装卸货物也涉及到排队问题，属于多服务员单队列问题，其排队规则为先到先服务，即当所有泊位都处于占用状态时,有新的船舶请求服务则须排队等待。排队规则为先到先服务。

港口子模型作为船舶实体的起点（origin）、终点（destination）和中转点，具备船舶生成及船舶货运中转等功能。

由船舶生成子模型生成或由上下游到达港口的船舶进入港口装卸载及货运中转进程后，系统首先根据船舶起点属性判断起点是否为本港口，随后进入不同的货运组织过程。

起点为本港根据各类货物运输路径采用不同的起点运输方式：公路运输的货物利用duplicate模块转化成公路运输方式进入装货离港进程去往公路运输节点；水路运输的货物装货完毕后离开港口泊位去往水路运输节点。

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起点为非本港的根据货物终点是否为本港口分别进入港口卸载离开运输系统或港口中转进程。

终点非港口的货物进入货运中转过程后，中转过程将根据货物的来源属性（即根据是由公路运输节点到达还是由水路节点到达）判断货运中转模式为公路运输转水路运输还是水路运输转公路运输，随后利用装卸货进程装卸完毕后离港。

整个港口子模型最终将各类货物以不同的运输方式及终点属性通过模型三个接口分流进入公路运输节点、水路运输节点或离开运输系统。港口子模型逻辑流程图见图4-4-1及图4-4-2，港口arena逻辑建模见图4-5：

图4-4-1 港口子模型逻辑流程分流进程

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图4-4-2 港口子模型逻辑流程图装卸载进程

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图4-5港口arena逻辑建模

港口子模型运行需要输入的基本参数有货物港口装卸载时间（船舶及车辆）、进出泊位时间等。乌江多梯级枢纽区域未来各港口处于规划阶段，缺乏相

应的经验数据统计，故引用内河其他港口数据对港口子模型基本参数进行设置，且假设各港口基本运行参数相同。具体参数见表4-2

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表4-2 港口子模型基本运行参数 含义 港口泊位数 各类货物中转速度 类型 变量 参数值 10 分布 集装箱[tria（400，420，440）]；散货 [tria（220，250，270）]；滚装货[tria（390，400，410）]； 分布 集装箱[tria（480，500，510）]；散货 [tria（270，300，320）]；滚装货[tria（460，480，500）]； 分布 集装箱[tria（480，500，510）]；散货 [tria（270，300，320）]；滚装货[0]； 分布 分布 unif(4,6) unif(4,6) 各类船舶装卸载速度 车辆装卸载速度 船舶进入泊位时间 船舶离开泊位时间 4.3.3升船机子模型

升船机的通过能力是影响货运组合方式最重要的因素，因此对升船机运行过程的仿真模拟是本文研究的重点，对升船机运行过程进行仿真之前必须考虑升船机的服务过程。升船机服务过程可以分为以下部分：到达升船机并排队等待、进入引航道并开始进入承船箱、承船箱移动到指定位置、船舶出承船箱、承船箱调整就绪至可接受下次船舶进箱[22]。船闸一次服务时间为一次船舶过升船机占用升船机的所有时间,包括上述船舶通过船闸的后3个过程。Arena升船机子模型仿真模型排队规则3.1节已详细从数学理论层面进行了分析。

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图4-6 升船机运行流程

1）升船机子模型运行流程

根据离散事件系统的定义，将升船机子系统的进程划分为船舶分流进程、船舶排队进程、升船机进程。下面通过对各进程流程分析说明系统的运行过程。流程图见图4-6；arena逻辑建模图见图4-7；升船机子模型arena仿真动画见图4-8：

（1）船舶分流进程

船舶到达升船机子模型时首先进入船舶分流进程，根据设置的船舶翻坝规则，部分船舶进入翻坝系统，接着判断各类船舶的过升船机优先度，如果存在优先度高的船舶（如集装箱船运输的货物实效性较强，需要优先过坝）将直接

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调度该类船舶优先进入升船机进程，其他船舶根据升船机排队队列长度判断是直接进入升船机进程还是进入锚地排队进程等待。 （2）船舶排队进程

船舶进入锚地排队进程后，将在锚地排队等待调度信号，然后过引航道进入升船机进程。 （3）升船机进程

船舶进入升船机进程后，将在升船机前排队等待进入承船箱，如果承船箱空闲则判断承船箱位置，如果在装载位置，将直接进入承船箱，如不在装载位置，将等待承船箱移动到装载位置。进入承船箱后，承船箱将移动到指定位置，最后船舶离开乘船箱。船舶离开后，根据升船机排队队列长度判断是否需要调度锚地船舶进入升船机进程。

图4-7 升船机arena逻辑建模

2）参数输入

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（1）基本参数

升船机子模型运行需要输入的基本参数有各枢纽升船机承船箱装载移动时间时间、进出承船箱时间等。乌江多梯级枢纽区域锚地还处于规划状态，缺乏相应的经验数据统计，故引用其他枢纽数据进行参数设置，且假设各枢纽锚地情况相同。具体参数设置见表4-3：

表4-3 升船机子模型基本输入参数 名称 升船机位置（初始位置在底部） 当升船机上下游排队船舶长度小于此数调度锚地船舶过升船机 每次接到信号后从锚地调度过升船机的船舶数 从锚地同时出发的船舶启动间隔时间 上行船舶进入系统直接航行到承船箱时间 下行船舶进入系统直接航行到承船箱时间 上行船舶从锚地航行到上游承船箱时间 下行船舶从锚地航行到上游承船箱时间 上行船舶进入系统航行到上游锚地时间 上行船舶进入系统航行到上游锚地时间 船舶进入承船箱的时间 船舶离开承船箱的时间 承船箱满载时移动时间 类型 变量 变量 变量 分布 分布 分布 分布 分布 分布 分布 分布 分布 分布 参数值 1 6 3 unif（1，3） tria（15，18，20） tria（15，18，20） tria（10，12，14） tria（10，12，14） tria（3，5，7） tria（3，5，7） unif（4，6） unif（4，6） 构皮滩unif（40，50）；思林unif（7，8）；沙沱unif（7，8）； 彭水unif（4，6）； 构皮滩unif（35，45）；思林unif（6，7）；沙沱unif（6，7）； 彭水unif（3，5）； tria（4，5，6） 承船箱空载时移动时间 分布 船舶从升船机离开系统的时间 分布 （2）货运组织方案参数

升船机子模型中与货运组织方案有关的参数是各类船舶的翻坝比例，即各类船舶通过梯级枢纽不同方式。参数表见表4-4：

表4-4 升船机子模型货运组织方案参数

名称 V_per_cargo V_per_container V_per_roro 类型 变量 变量 变量 含义 散货船翻坝比例 集装箱船翻坝比例 滚装船翻坝比例 49

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图4-8 Arena升船机运行动画

4.3.4运输路径控制节点子模型

运输路径选择节点子模型是货运组织方式的主要控制系统，分为水路运输路径控制子模型和公路路径控制子模型，两者的基本逻辑相似，只是与之进行数据交换的子模型及运输方式的运输时间设置有差异。与水路运输路径控制子系统相连的是港口子模型和升船机子模型，而与公路运输路径控制子模型相连的是其他公路运输路径控制子模型和港口子模型。 1）运输路径控制节点子模型工作流程

以水路运输路径控制子模型为例：船舶到达系统后会先根据船舶的来源节点进入不同路径控制进程：来自港口的船舶根据货运组织方案判断其航行方向，然后进入船舶上下行分流进程；来自上下游升船机的船舶判断是否需要进港进行运输方式中转或继续航行到下一个运输路径控制节点。逻辑流程图见图4-11及图4-12；水路运输路径控制节点arena逻辑建模过程见图4-13： 2）参数输入 （1）基本参数

运输路径控制节点子模型需要输入的基本参数主要有各类船舶或车辆通过不同航段的航行时间。数学模型中考虑航行时间为定值，实际上船舶航行时受

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到各种因素（如水流速度、降雨、河流宽度等）的影响会存在一定的变化范围，车辆公路运输时也存在类似的问题。在arena里考虑用分布的形式表示运输时间变化情况。参数表见表4-5及表4-6：

表4-5 公路运输路径控制节点运输时间参数表

乌江渡—河闪渡 公路 tria（3.2/3.77/4.2） 河闪渡—思南 公路 tria(3/3.33/3.8) 思南—沿河 公路 tria(2.9/3.27/3.7) 沿河—彭水下游 公路 tria(3.1/3.67/4.1) 表4-6水路运输路径控制节点参数表

航段 船型 散货500t 散货300t 散货250t 集装箱48TEU 集装箱30TEU 滚装船38车 滚装船50车 乌江渡—河闪渡 公路 tria(6.3/6.85/7.1) tria(6.1/6.62/6.9) tria(6.0/6.52/6.8) tria(4.8/5.23/5.6) tria(4.7/5.13/5.5) tria(4.9/5.38/5.6) tria(5/5.48/5.7) 河闪渡—思南 公路 tria(5.5/5.86/6.1) 思南—沿河 公路 tria(5.4/5.74/6) 沿河—彭水下游 公路 tria(6.3/6.67/6.9) tria(6.1/6.45/6.7) tria(6.0/6.35/6.6) tria(4.7/5.09/5.3) tria(4.6/5 /5.2) tria(4.9/5.24/5.5) tria(5/5.34/5.6) tria(5.7/6.06/6.4) tria(5.6/5.94/6.2) tria(5.4/5.76/6.0) tria(5.3/5./5.2) tria(4.3/4.63/4.9) tria(4.2/4.54/4.8) tria(4.2/4.53/4.8) tria(4.1/4.44/4.7) tria(4.4/4.76/5) tria(4.5/4.86/5.1) tria(4.3/4.67/4.9) tria(4.4/4.77/5) （2）货运组织方案参数

1水路运输路径控制节点参数见表4-7： ○

表4-7 水路运输路径控制节点参数

名称 V_car_sl_down V_con_sl_down V_car_sl_up V_con_sl_up V_roro_sl_ up V_car_h_down V_con_h_down V_roro_h_down 类型 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 变量 含义 上游散货船去往下游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 上游集装箱船去往下游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 上游滚装船去往下游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 下游散货船去往上游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 下游集装箱船去往上游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 下游滚装船去往上游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 港口生成散货船去往下游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 港口生成集装箱船去往下游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 港口生成滚装船去往下游升船机航次数占该类船舶总航次数比例 V_roro_sl_down 变量 2公路运输路径控制节点参数见表4-8： ○

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表4-8 公路运输路径控制节点参数

名称 类型 含义 上游散货公路运输去往下游节点数量占该类运输总数比例 上游集装箱公路运输去往下游节点数量占该类运输总数比例 上游滚装公路运输去往下游节点数量占该类运输总数比例 下游散货公路运输去往上游节点数量占该类运输总数比例 下游集装箱公路运输去往上游节点数量占该类运输总数比例 下游滚装公路运输去往上游节点数量占该类运输总数比例 港口生成散货公路运输去往下游节点数量占该类运输总数比例 港口生成集装箱公路运输去往下游节点数量占该类运输总数比例 港口生成滚装公路运输去往下游节点数量占该类运输总数比例 V_van1_n_down 变量 V_van2_n_down 变量 V_van3_n_down 变量 V_van1_n _up V_van2_n _up V_van3_n _up 变量 变量 变量 V_van1_h_down 变量 V_van2_h_down 变量 V_van3_h_down 变量

图4-11 水路运输路径控制节点逻辑流程图

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图4-9 公路运输路径控制节点逻辑流程图

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图4-10 水路运输路径控制节点arena逻辑建模

4.3.5翻坝运输子模型

3.4.1节讨论了不同船型的翻坝可行性，滚装船翻坝被证明是一种重要的解决通航设施瓶颈的方式。翻坝运输子系统对船舶翻坝过程进行仿真模拟，船舶通过枢纽时如果需要翻坝运输，将会送到本系统，整个翻坝进程由码头卸货进程、运输进程、码头装货进程组成。 1）翻坝运输子系统流程

滚装船到达卸货码头后，如果泊位资源空闲直接靠泊，如果忙碌进入等待队列，靠泊后船舶进入卸货程序，卸货完毕后，运输方式转换为公路运输。通

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过翻坝公路进入枢纽另一端的翻坝码头进行装货完成翻坝运输过程。翻坝子系统逻辑流程图见图，arena建模见图4-14：

图4-11 翻坝子系统逻辑流程图

2）参数输入

翻坝子系统参数设置情况见表4-8：

表4-8 公路运输路径控制节点参数

含义 翻坝码头泊位数 滚装车装载量 平均每辆车下船时间 车辆通过翻坝公路时间 类型 变量 变量 分布 参数值 5 12 tria(8，10，12) 分布 构皮滩unif（40，50）；思林unif（33，40）；沙沱unif（31，39）；彭水unif（36，42）； 55

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图4-12 翻坝运输arena建模

4.4模型效验与验证

模型的验证需要回答下述问题，即系统模型(包括对系统组成成分、系统结构以及参数值的假设、抽象和简化)是否准确地由仿真模型或计算机程序表示出来，仿真系统组成成分、系统结构及其他特定条件是否与系统模型相吻合。最有效的方法是检验仿真模型的输出统计结果与真实系统运行的统计特征是否一致，但乌江多梯级枢纽区域并未全线通航，无历史数据与仿真输出统计结果进行对比，因此只能利用通过模型动画表现检验仿真模型逻辑是否正确及改变系统参数，并观察仿真模型是否对此有正确的反应进行检验。

通过输入乌江实地调研所提供的数据中得到的船舶及运输系统各组成部分的运行参数，运行并观察模型的二维动画，发现升船机及港口的排队规则及服务规则、各类船舶的货运组织方式符合系统模型设定，仿真模型逻辑正确，可以认为模型的运行与实际系统模型的表现吻合。

改变部分参数，例如增加通过各枢纽的船舶数，增加港口服务时间，船舶在港口和升船机前排队长度和时间增长，仿真模型有正确反应。

运行结束后，查看进入系统的实体个数，其个数等于离开系统的实体个数与正在系统中接受服务的实体之和。

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综上，可以判断此模型的建模方法是正确的。

4.5理论优化方案验证

仿真实验设计就是确定需要进行的仿真实验的方案。方案的选择与系统分析设计的目的以及模型可能的执行情况有关，通常仿真实验设计涉及到的内容包括初始化周期的长度、仿真运行时间、每次运行的重复次数等。本案例所要验证的货运组织方案参数来自上节数学规划模型的仿真结果，将仿真所需的各种参数及货运组织方案输入仿真模型，根据模拟结果查看货运量完成情况及乌江多梯级枢纽区域各运输服务区的排队和延误情况，以此来判断组织方案的优劣，为改进方案提出决策依据。

4.5.1参数输入

参数输入主要是把有调研得到的各类运输系统参数和数学规划得到货运组织方案输入到仿真系统中进行仿真模拟。

根据实际资料得到参数可以直接输入系统，如升船机的运输时间，港口的卸货时间等。船舶的生成分布规律可以通过将年航次数除以一年的时间可以各起点船舶生成规律分布函数中所需要的参数。货运组织方案的输入通过数学规划模型求解得到的各航线船舶航次数中得到各节点及各港区不同方向的航次数，然后将这些数据输入到港口子系统和运输路径选择子系统中。

4.5.2运行设置

以上各参数输入设置完成以后，再设置运行参数，运行时间设置为一年300天，由于系统是从0时刻开始运行的，这与实际情况不符，研究应关心系统稳定情况下的状态，所以在系统正常运行之前必须给出“预热”时间，经研究，将预热时间设置为10天，每天运行18小时。由于为了减小计算机仿真模拟中随机性带来的误差，采用多次模拟减小误差，本研究将重复模拟的次数设置为5。

4.5.3结果输出

Arena系统仿真软件的输出统计结果包涵了多个方面，可以从队列、资源、实体、进程等角度来评估系统的性能，为了全面而深入地评价货运组织方案的

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实现效率以及可能出现的问题，本章选取队列、实体、资源等评价指标货运组织方案进行评价。

利用各港区的record模块可以记录离开系统的船舶数，船舶离开系统表示运输到达目的地，结合港区生成的船舶数，可以知道货运量的完成情况。规划模型优化方案仿真结果见表4-9及表4-10：

表4-9船舶实体情况 船舶类型 进入系统总数（number in） 离开系统总数（number out） 滚装船 集装箱 散货船 3534 1628 5701 3530 1481 4318 表4-10 排队时间及利用率 仿真输出指标 下行船过构皮滩排队时间（小时） 下行船过思林排队时间（小时） 下行船过沙沱排队时间（小时） 下行船过彭水排队时间（小时） 上行船过构皮滩排队时间（小时） 上行船过思林排队时间（小时） 上行船过沙沱排队时间（小时） 上行船过彭水排队时间（小时） 构皮滩升船机每天利用率 思林升船机每天利用率 沙沱升船机每天利用率 彭水升船机每天利用率 最小值 18.80 1.72 10.57 0 14.81 1.21 5.87 0 1.00 0.32 0.93 0.03 均值 67.26 6.21 46.45 0.51 50.18 6.13 30.04 3.3 1.00 0.62 0.96 0.45 最大值 84.53 8.35 52.20 1.09 72.07 10.17 38. 4.52 1.00 0.71 1.00 0.55

运行结果表明，滚装船货运量完成情况较好，不需要进行优化。而集装箱船和散货船都有一部分没有正常离开系统，证明部分货物并没有运输到目的地，数学规划模型优化出的方案并不能正常实现，从下行船舶过构皮滩枢纽的排队时间也可以看出方案不能正常实现的原因是构皮滩枢纽及沙沱枢纽排队时间过长，已经形成了严重的堵船现象。另外，构皮滩枢纽每天利用率均值已经达到100%，长时间高负荷的运行会造成升船机故障频发，而升船机发生故障又会引起更为严重得堵船。仿真结果证明货运组织系统的瓶颈在乌江渡枢纽且可能出现的问题会阻碍最小成本船舶货运组织方案的实现。

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4.6本章小结

本章对乌江多梯级枢纽区域运输系统进行了计算机仿真建模研究。首先分析了仿真系统需解决的问题，其次制定了系统边界和仿真指标，通过运输系统各功能区不同特点进行流程分析，利用面向对象的建模思想建立了乌江多梯级枢纽运输系统仿真模型，通过模型检验，证明了该仿真模型合格。通过输入仿真模型所需要的参数及数学方法优化得到的货运组织方案并合理设置运行条件，运行后即得到乌江梯级枢纽运输系统各功能区仿真指标，为综合优化方法提供决策依据。

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第5章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织总体方案研

究

数学优化方法的优点是在给定约束条件下可以求得目标函数的最优值，但数学分析方法也存在一些缺点：1）求解问题时，要对系统加以抽象和近似处理，以适于用数学优化方法求解，致使很多影响优化结果的因素无法考虑。2）目标函数的目标局限性使得优化结果缺乏全面的评价。3）无法显示系统的运行流程，直观性不强。相比数学优化方法，仿真方法在某些方面有着巨大的优越性：1）它可以全面考虑系统各个细节，显现系统的运动过程及规律。2）它可以对无法直接进行实验的系统进行仿真研究，从而节省大量的能源和费用。仿真方法的主要缺点也是很明显的，即它主要起检验和评价作用，它只能给出问题的较优解，而无法给出最优解。[30]本文已先后利用数学理论方法及仿真技术对乌江梯级枢纽区域船舶货运组织进行了优化及仿真模拟，但仿真结果证明数学理论方法优化在实际运行中并不合理，而针对仿真结果提出改进方案又无法证明是否为最优解，因此本文考虑综合利用数学优化方法和仿真方法分析合理利用系统资源的高效船舶货运组织方案。

5.1总体方案优化过程

综合优化方法首先利用仿真模型对数学理论优化模型得到的初始方案进行模拟，根据模拟结果判断方案的优劣，提出多种改进策略，并将改进策略转化为数学理论优化方法中的约束条件，再次进行从数学理论优化模型到仿真模型优化过程，从而发现一定的规律，研究在完成既定货运量优化方案及船舶在多梯级枢纽区域航行较为通畅的条件下，广义成本最小的乌江多梯级枢纽船舶货运组织总体优化方案。总体方案优化方法步骤见图5-1：

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图5-1 综合优化步骤

初步方案在第4章已进行了检验及评价，结论为初步方案不合理，存在不能有效完成既定货运量和船舶通过构皮滩枢纽及沙沱枢纽堵船现象严重等问题。本节将从改进策略的制定开始，通过综合优化过程，得到总体优化方案。

5.2改进策略

改进策略从系统瓶颈，经济性，时间成本等影响因素综合考虑，以期获得更为理想的优化方案。从初步货运组织方案仿真模拟结果可以看出，运输系统的瓶颈在乌江渡枢纽及沙沱枢纽，因此针对乌江渡枢纽及沙沱枢纽制定以下改进策略。

1）初步优化方案显示在充分利用乌江渡及沙沱枢纽通过能力的条件下，枢纽会产生严重的堵船现象，所以改进策略应考虑减小初步方案中通过乌江渡及沙沱枢纽的货运量，可以通过调整数学理论优化方法中的乌江渡枢纽通过能力约束实现，而沙陀枢纽通过能力供需缺口较小，利用其他改进策略即可解决沙

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沱枢纽的拥堵问题。

2）船舶货物水陆中转运输可行性必须充分从价值量、时效性、装卸要求、运输成本、运输安全的角度考虑货类的转运可行性，张广磊[2]通过建立水路联运运输可行性评价体系并运用数学方法进行评价得出集装箱较散货来说更容易进行中转运输的结论，因此改进策略在考虑减小通过构皮滩枢纽的散货船进行水陆中转运输之前，先调度通过拥堵枢纽的所有下行集装箱船进行水陆中转运输。

3）提高一次过升船机平均吨位是提高升船机年通过能力的有效手段[31]，相对于500t散货船而言，300t散货船对承船箱面积不能充分利用，进而影响升船机年通过能力的提升，改进策略考虑调度通过拥堵枢纽的散货船进行水陆中转运输时，先调度通过拥堵严重的乌江渡枢纽的300t散货船进行水陆中转运输。

考虑以上策略，可以得到一系列改进方法。见表5-1：

表5-1 改进方法 改进方法序号 1 2 3 4 5 6 策略2 策略3 通用改进策略 乌江渡通过能力约束（占原通过能力的百分比） 100% 90% 95% 96% 97% 98% 5.3综合优化

将各改进方法转换成不同的参数输入或约束条件，建立各改进方法下的数学规划模型，求解以最小成本为目标的船舶货运组织方案，得出改进方案后带入仿真模型进行仿真检验，并与原方案总成本进行比较，结果见表5-2：

表5-2 综合优化各改进方案

改进方案序号 方案1 方案2 方案3 方案4 各货类运输成本变化(元) 集装箱 散货 90908114 -66322863 90908114 -36847557 90908114 -58441607 90908114 -60017859 沙沱枢纽平均排乌江渡枢纽平均货运量 队时间（小时） 排队时间（小时） 完成情下行 上行 下行 上行 况 8.32 8.11 8.12 8.40 7.01 6.98 6.90 7.06 27.7 4.86 6.62 7.78 25.8 4.34 6.57 7.95 未完成 完成 完成 完成 62

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方案5 方案6 90908114 -61594110 90908114 -63170361 8.37 8.22 7.11 6.91 10.54 19.86 9.88 19.72 完成 完成 集装箱及散货运输改进方案系统运输总成本相对于初始方案的增长率变化见图5-2：

16%14%改进方案成本增长率12%10%8%6%4%2%0%123改进方案456

图5-2 改进方案的成本变化

其中方案4在服务质量与成本变化取得了很好的平衡，且仿真结果证明改变船舶通过瓶颈枢纽的货物组织方式对其他枢纽的通行情况影响较小，综合判定方案4为合理方案。方案4仿真验证指标见表5-3：

表5-3 最终方案仿真验证指标 仿真输出指标 下行船过构皮滩排队时间（小时） 下行船过思林排队时间（小时） 下行船过沙沱排队时间（小时） 下行船过彭水排队时间（小时） 上行船过构皮滩排队时间（小时） 上行船过思林排队时间（小时） 上行船过沙沱排队时间（小时） 上行船过彭水排队时间（小时） 构皮滩升船机每天利用率 思林升船机每天利用率 沙沱升船机每天利用率 最小值 4.25 1.67 5.22 0 4.11 3.32 4.81 0 0.84 0.43 0.85 均值 7.78 6.43 8.32 1.12 7.75 6.26 7.01 1.44 0.93 0.62 0.94 最大值 10.51 8.35 12.61 2.1 10.2 9.17 10. 3.49 1 0.78 1 63

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彭水升船机每天利用率 0.03 0.45 0.55 表5-4与表5-5为散货船及集装箱船总体货运组织优化方案，滚装船货运组织方案见3.7节：

表5-4 散货船总体货运组织优化方案 货运量散货船运力分配（运量/船舶数量） 运输路径（━━表示水路运输；┅┅表示公路运输） （万吨） 500t 300t 200t 1 2 3 4 5 6 7 8 9 乌江渡港区━━彭水下游 乌江渡港区┅┅河闪渡港区中转━━彭水下游 河闪渡港区━━彭水下游 思南港区━━彭水下游 沿河港区━━彭水下游 河闪渡港区━━沿河港区 乌江渡港区┅┅河闪渡港区中转━━思南港区 思南港区┅┅沿河港区 河闪渡港区━━思南港区 合计 134.21 87.19 25.7 16.57 32.4 2.2 1.51 0.58 0.1 300.46 134.21 34 74.7 25.7 11.46 32.4 0 0 0 0 4 1 2 0 0 0 0 0 0 5.14 0 2.21 1.51 0 0 0 4 0 1 0 1 1 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 15 12.49 278.47 56 21.35 表5-5 集装箱船总体货运组织优化方案 货运量运输路径（━━表示水路运输；┅┅表示公路运输） （万吨） 1 2 3 4 4 乌江渡港区━━彭水下游 乌江渡港区┅┅河闪渡港区中转━━彭水下游 河闪渡港区━━彭水下游 思南港区┅┅沿河港区━━彭水下游 思南港区━━彭水下游 沿河港区━━彭水下游 合计 18 4.2 5.4 40 6.8 5.8 80.2 集装箱船运力分配（运量/船舶数量） 48TEU 13.82 2.6 5.4 40 6.8 0 68.62 4 1 1 5 1 0 12 30TEU 4.18 1.6 0 0 0 5.8 11.58 1 1 0 0 0 1 3 5.4优化结果分析

从全局最优的角度分析得出的货运组织方案可以看出，并非所有货运OD都选择的广义运输费用最低的运输方式和运输路径。从以上分析及货运组织方案优化结果，可以得出以下几点结论：

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1）水路运输综合竞争力明显强于公路运输，公路运输或水陆联运的运输方式只有在枢纽通过能力不足的情况下才考虑采用；

2）所有水陆联运方式只存在一次中转的情况，即只存在水—陆或陆—水联运的情况，说明多次中转对成本及完成货运量影响较大；

3）在构皮滩枢纽与沙沱枢纽通过能力不够的情况下，散货货运组织中主要进行中转运输的船型为300t散货船，说明对于系统广义成本来说，主要为短途运输的300t散货船进行中转运输增加的成本比长途运输相同运量的500t散货船进行中转运输增加的成本要少；

4）虽然集装箱中转运输的成本高于散货，但中转速度也远远高于散货。乌江流域主要货源为杂散货，如果考虑集装箱船全部通过枢纽运输，将导致更大比例的散货船进行中转运输，仿真结果证明大量散货船进行中转运输将形成大量散货船在港口排队等待中转，增加运输时间，最终导致年货运量无法完成；

5）考虑利用传统方法计算的枢纽通过能力并不能考虑最大限度的利用枢纽通过能力，应结合货运量的完成情况及通航设施服务质量综合考虑货运组织方案。对系列改进方案的仿真结果表明，船舶通过枢纽的排队时间及排队长度对通过枢纽的船舶数量的变化敏感性较强，提示决策者在计算枢纽通过能力时留出一定的裕度，可以在一定程度上保证枢纽的正常通行，减少堵船现象；

6）货运组织方案表明有大量货物要求在乌江渡港区中转运输到江河界港区，其中乌江渡港区和江河界港区散货货运量，思南港区的集装箱货运量均超过现有及乌江流域规划中的港口的吞吐量，建议从未来货运量和货运组织方案等角度考虑对沿江港口的扩容方案。

5.5本章小结

本章针对数学理论方法和仿真技术各自的优势和不足，采用综合利用数学优化方法和仿真方法进行优化的方法，得到了在广义成本最小和货运组织系统运行效率间取得平衡的高效货运组织方案。

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第6章 结论

6.1总结

乌江多梯级枢纽区域航道条件的改善给航运发展创造了良好的条件，但各梯级枢纽有限的通航能力也给货运组织方案的制定带来了新的问题，本文在分析乌江多梯级枢纽建成后船舶货运组织环境及带来的问题的基础上，先后利用数学理论优化方法和仿真技术对乌江梯级枢纽区域船舶货运组织进行了优化及仿真模拟，并针对理论优化方法和仿真技术各自的特点，综合利用数学优化方法和仿真方法分析合理利用系统资源的高效船舶货运组织方案。 本文的主要工作及研究结论如下：

1）从乌江流域多梯级枢纽建成后货运环境的改善、货运量需求发展及多梯级枢纽通航后产生的问题几方面分析未来乌江船舶货运面临的机遇及阻碍，说明了对乌江多梯级枢纽船舶货运组织进行研究的实际意义。

2）提出了以广义成本最小为目标的乌江梯级枢纽区域多货种多方式的船舶货运组织优化模型，通过对乌江梯级枢纽区域各货类运输成本、中转成本、时间成本、货损成本的分析及网络优化模型的应用，得到广义成本最小的船舶货运组织方案。

3）利用排队论的思想建立基于单重休假规则的M/G/1枢纽排队模型，理论上分析船舶通过乌江各梯级枢纽的排队时间及通过时间，为各货类各运输方式的时间成本计算提供理论数据。通过实例证明，船舶通过枢纽的排队时间和船舶到达频率和船舶通过量密切相关，证明了排队模型求解结果的有效性。

4）对乌江多梯级枢纽货运组织系统仿真建模，对数学理论方法优化得到的船舶货运组织方案的优劣进行评价，为改进策略提出提供数据支撑。通过模型检验和应用，证明了该仿真模型可以作为乌江多梯级枢纽货运组织方案的评价和论证工具。

5）综合利用数学优化方法和仿真方法分析合理利用系统资源的高效船舶货运组织方案。其结果证明，这种综合利用数学规划方法和计算机仿真技术的方法比单纯使用数学规划方法所获得的货运组织方案更能把握广义成本与系统运

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行效率之间的平衡。

6.2展望

回顾本文内容，虽然在综合利用数学规划模型和仿真技术进行货运组织优化中做了一些工作，但由于作者水平有限，本文存在着许多不足，还有问题值得深入探讨。

1）乌江多梯级枢纽区域货运组织方式优化只包含水路运输及与水路运输衔接较好的公路运输方式，而没有考虑已趋于饱和的铁路运输方式，船舶类型也只根据实际情况选择了7种。但以后若出现更多元化的运输方式或船舶类型以及更加复杂的OD货流，运输网络将变得更加复杂，变量数量及约束条件将会大大增加，利用数学规划模型直接求解将变得更加困难，利用合理方法简化求解过程以解决大规模运输网络货运组织方案的优化还有待进一步研究。

2）计算机仿真技术对初步方案的检验虽能对改进方案的制定提供有效的数据支撑，但改进方案本身还是由决策者参考仿真结果主观制定，而改进方案的制定也决定了最终的优化结果是否全局最优，如何更为有效的利用仿真检验结果，合理的制定改进方案还需要进一步探讨。

3）乌江多梯级枢纽货运组织仿真模型虽然具有一定的通用性，可以根据枢纽或港口的实际情况进行变化，但需要专业人员进行操作，而且仿真模型并没有建立数据库及人机交互界面，这些问题使得仿真模型缺乏易用性，下一步工作将围绕这方面展开。

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致 谢

在这里，首先衷心感谢我的导师王丽铮教授在整个论文的开题和写作的过程中的悉心指导与帮助。从论文的选题、撰写，直到最后完稿，王老师都倾注了大量的心血。王老师对本文的选题、整体构思，以及论文的章节安排给予了耐心的指导，提出了大量宝贵的意见，使我受益良多。三年来，导师严谨的学风，深刻的思想，敏捷的思维，坚实的理底，以及高尚的品格深深影响着我，不仅使我在专业学术方面受益匪浅，更让我在今后的学习研究、工作和生活中终身受益。

其次，感谢尹靓老师和金雁老师在课题的研究中给予我的耐心指导和支持。在论文的写作期间，我们就有关问题进行了深入的有益的探讨和交流。两位老师让我接触及见识了大量研究领域的精华。

另外感谢在一起生活的同学们和朋友们，感谢你们平时对我的真挚关怀和热情帮助，你们是我人生中最宝贵的财富。在两年半的学习生活中，生活里的付出和收获，学习上的刻苦和拼搏，研究中的困难和喜悦，都将变成我心灵深处最美好的回忆，值得永久地珍藏和品味。我会永远记住这一段难忘的时光!在以后的学习、工作、生活中，不断求索，领悟人生的真谛。

最后，深深地感谢我的家人，是他们给予我无私的爱和支持，使我能够克服各种困难，顺利完成学业。

二零一一年五月

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攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

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二、参与科研项目

《乌江高等级航道高效船舶货运关键技术研究》，项目技术负责人，负责船舶货运组织理论模型的建模和仿真模型的建立。

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