【碩士畢業(yè)論文】烏江高等級(jí)航道高效船舶貨運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)研究

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要烏江是貴州省內(nèi)第一大河，烏江多梯級(jí)樞紐的興建將極大改善烏江的航運(yùn)條件，為烏江區(qū)域經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)事業(yè)帶來了新的契機(jī)，烏江干流梯級(jí)水利樞紐將配套建設(shè)通航設(shè)施，但通航設(shè)施存在著通航設(shè)施建設(shè)進(jìn)度不一致、承船箱尺寸不一致、通過時(shí)間不一致、通航流量不一致等問題，直接形成“短板”效應(yīng)，隨著沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展，日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸需求與樞紐通航設(shè)施通過能力之間將產(chǎn)生矛盾，為未雨綢繆、最大限度地提高烏江通航設(shè)施通行效率，充分發(fā)揮烏江黃金水道的優(yōu)勢(shì)，合理利用運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中各種資源，優(yōu)化設(shè)計(jì)各貨類船舶的高效船舶貨運(yùn)組織方案已迫在眉睫。烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域的船舶貨運(yùn)組織屬于復(fù)雜運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前對(duì)于樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織的研究主要以定性分析為主，定量分析較少且沒有站在綜合運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)劃的角度分析，而針對(duì)烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。由于烏江船舶貨運(yùn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，構(gòu)建的理論優(yōu)化模型與實(shí)際可能會(huì)產(chǎn)生偏差，優(yōu)化的船舶貨運(yùn)組織方案的可行性需要驗(yàn)證，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展為其提供了手段，為此本文針對(duì)烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域通航環(huán)境特點(diǎn)，嘗試采用理論優(yōu)化與仿真模擬相結(jié)合的新方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)出烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域高效船舶貨運(yùn)組織方案。 本論文首先分析多梯級(jí)樞紐的建設(shè)對(duì)烏江船舶貨運(yùn)組織帶來的影響；其次針對(duì)烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)系統(tǒng)特點(diǎn)，改進(jìn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，構(gòu)建出廣義成本最小的烏江高效船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化模型，其中引入單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊(duì)系統(tǒng)模型確定船舶通過樞紐時(shí)間，并求解出初步優(yōu)化方案；接著針對(duì)烏江船舶貨運(yùn)系統(tǒng)離散特性，基于arena平臺(tái)構(gòu)建出面向?qū)ο蟮姆抡婺Ｐ?，以?yàn)證理論優(yōu)化方案的可行性及存在的問題；最后通過理論優(yōu)化方案與仿真模擬的交互優(yōu)化過程，最終提出適合烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的高效船舶貨運(yùn)組織方案。關(guān)鍵字：烏江 多梯級(jí)樞紐 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改進(jìn)模型 arena仿真建模 高效船舶貨運(yùn)組織方案AbstractWujiang 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 cant analysis the whole system in a overall view, whats 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.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 system73目 錄摘 要IAbstractII目 錄IV第1章 緒論11.1 研究背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.2.1 內(nèi)河樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織方式研究21.2.2 交通仿真建模研究31.3研究?jī)?nèi)容和研究方法41.3.1研究?jī)?nèi)容41.3.2研究方法5第2章 烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織環(huán)境及存在問題72.1船舶貨運(yùn)組織環(huán)境分析72.1.1貨種貨量82.1.2航道102.1.3港口102.1.4樞紐通航設(shè)施112.1.5運(yùn)輸船型112.2烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織存在的問題122.2.1烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨物需求量及供需缺口122.2.2烏江多梯級(jí)樞紐通航存在的問題142.3本章小結(jié)15第3章 烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織理論優(yōu)化模型建立及實(shí)現(xiàn)173.1貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)定義173.2基本假設(shè)及說明183.2.1中轉(zhuǎn)方式183.2.2目標(biāo)函數(shù)中的運(yùn)輸成本193.2.3廣義運(yùn)輸成本函數(shù)193.2.4港口吞吐量193.2.5航道及公路通過能力假設(shè)193.3模型建立193.3.1目標(biāo)函數(shù)203.3.2約束條件203.3.3單船年貨運(yùn)量求解方法213.4求解方法223.5單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊(duì)系統(tǒng)模型建立及應(yīng)用233.5.1排隊(duì)系統(tǒng)基本特征233.5.2排隊(duì)系統(tǒng)休假規(guī)則253.5.3排隊(duì)模型建立263.5.4船舶通過各梯級(jí)樞紐時(shí)間計(jì)算283.6理論優(yōu)化模型輸入?yún)?shù)計(jì)算293.6.1廣義運(yùn)輸成本293.6.2運(yùn)輸時(shí)間303.7船舶貨運(yùn)組織規(guī)劃313.8本章小結(jié)33第4章 烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織仿真建模與實(shí)現(xiàn)344.1系統(tǒng)仿真及仿真目的344.1.1系統(tǒng)仿真344.1.2仿真目的354.2仿真系統(tǒng)分析354.2.1系統(tǒng)邊界及構(gòu)成354.2.2系統(tǒng)特征364.2.3系統(tǒng)仿真平臺(tái)374.2.4系統(tǒng)仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)384.3仿真模型搭建394.3.1船舶生成子模型404.3.2港口子模型424.3.3升船機(jī)子模型464.3.4運(yùn)輸路徑控制節(jié)點(diǎn)子模型504.3.5翻壩運(yùn)輸子模型544.4模型效驗(yàn)與驗(yàn)證564.5理論優(yōu)化方案驗(yàn)證574.5.1參數(shù)輸入574.5.2運(yùn)行設(shè)置574.5.3結(jié)果輸出574.6本章小結(jié)59第5章 烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織總體方案研究605.1總體方案優(yōu)化過程605.2改進(jìn)策略615.3綜合優(yōu)化625.4優(yōu)化結(jié)果分析645.5本章小結(jié)65第6章 結(jié)論666.1總結(jié)666.2展望67致 謝68參考文獻(xiàn)69攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及參加的科研項(xiàng)目72第1章 緒論1.1 研究背景及意義烏江干流全長(zhǎng)1037公里，貫通貴州、重慶兩省市，于涪陵匯入長(zhǎng)江。烏江在貴州境內(nèi)長(zhǎng)802公里，流域面積6.7萬平方公里，占全省總面積的38%，是貴州省第一大河。隨著烏江航運(yùn)工程和各梯級(jí)樞紐的建設(shè)，烏江航道和水利樞紐的建設(shè)，將極大地改善烏江通航條件，極大地促進(jìn)貴州省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)布局調(diào)整，優(yōu)化貴州省綜合交通運(yùn)輸體系結(jié)構(gòu)，烏江將成為貴州省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的運(yùn)輸大動(dòng)脈。一條通江達(dá)海的水運(yùn)通道將把貴陽、遵義這兩大經(jīng)濟(jì)中心連接到長(zhǎng)江黃金水運(yùn)通道上，結(jié)束貴州省主要城市沒有水運(yùn)通道的歷史。但各梯級(jí)樞紐“重發(fā)電，輕航運(yùn)”的建設(shè)模式也給烏江航運(yùn)發(fā)展帶來了巨大阻礙，存在著通航設(shè)施建設(shè)進(jìn)度不一致、承船箱尺寸不一致、通過時(shí)間不一致、通航流量不一致等問題，而這些問題直接導(dǎo)致了樞紐的通過能力各不相同，直接形成“短板”效應(yīng)。隨著沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展，運(yùn)輸需求日益增長(zhǎng)將會(huì)使各樞紐通航設(shè)施通過能力不足及運(yùn)輸系統(tǒng)瓶頸問題日益顯現(xiàn)。為未雨綢繆、最大限度地烏江通航設(shè)施通行效率、合理利用運(yùn)輸系統(tǒng)資源，充分發(fā)揮水運(yùn)優(yōu)勢(shì)，降低綜合物流成本，急需站在運(yùn)輸系統(tǒng)綜合優(yōu)化角度，針對(duì)烏江船舶貨運(yùn)系統(tǒng)多梯級(jí)樞紐及多貨種多方式的特點(diǎn)，制定烏江高等級(jí)航道高效貨運(yùn)組織方方案。由于烏江流域內(nèi)具有水電樞紐，升船機(jī)、港口等多種水運(yùn)設(shè)施，水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)與公路及鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)連接，使得貨運(yùn)組織方式涉及多種運(yùn)輸方式、多式聯(lián)運(yùn)及中轉(zhuǎn)點(diǎn)設(shè)置問題。加上烏江流域運(yùn)輸系統(tǒng)空間跨度大等問題使其運(yùn)輸系統(tǒng)存在固有的復(fù)雜性。所以，考慮充分利用水路、公路、通航設(shè)施等綜合運(yùn)輸系統(tǒng)資源，對(duì)既定通航設(shè)施條件下的貨運(yùn)組織進(jìn)行定量的優(yōu)化研究，制定合理的貨運(yùn)組織方案是值得研究的問題。而目前針對(duì)水運(yùn)樞紐區(qū)域的貨運(yùn)組織研究，大部分都處于定性分析的研究階段，定量分析較少且沒有站在綜合運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)劃的角度分析，而針對(duì)烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。因此，定量的分析貨運(yùn)組織方案，做到各種運(yùn)輸方式內(nèi)部?jī)?yōu)化和運(yùn)輸方式之間的組合優(yōu)化對(duì)解決多梯級(jí)樞紐給貨運(yùn)組織帶來的問題和烏江流域整體經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益具有十分重要的意義。由于烏江船舶貨運(yùn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，構(gòu)建理論優(yōu)化模型存在一定難度，且模型的目標(biāo)局限性使優(yōu)化結(jié)果沒有全面考慮系統(tǒng)各項(xiàng)因素，優(yōu)化的船舶貨運(yùn)組織方案的可行性需要驗(yàn)證，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展為其提供了手段，本文針對(duì)烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域通航環(huán)境特點(diǎn)，首次嘗試采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證方案的可行性。針對(duì)理論優(yōu)化方法與仿真技術(shù)各自的優(yōu)劣，采用理論優(yōu)化與仿真模擬相結(jié)合的新方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)出烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域高效船舶貨運(yùn)組織方案，這對(duì)解決多樞紐河流船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化問題是一次有益的嘗試。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 內(nèi)河樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織方式研究烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織方式優(yōu)化涉及運(yùn)量分配、船型優(yōu)化選擇、航線配船等等。目前針對(duì)樞紐貨運(yùn)組織方式優(yōu)化的成果較少，張光磊（2009）2針對(duì)三峽樞紐區(qū)域運(yùn)輸組織存在問題，引入閾值的概念，通過對(duì)三峽船閘的調(diào)度優(yōu)化方案研究以提高船舶通過量，運(yùn)用評(píng)價(jià)方法分析各貨類的翻壩可行性及運(yùn)用Dijkstra算法得出最佳水陸聯(lián)運(yùn)路徑綜合確定船舶通過三峽樞紐區(qū)域的水路貨運(yùn)組織方案，但該文缺乏對(duì)整個(gè)系統(tǒng)貨運(yùn)組織綜合優(yōu)化研究。烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織方式優(yōu)化研究重點(diǎn)是怎樣定量地分析各類貨物合適的運(yùn)輸方式、運(yùn)輸路徑及確定相應(yīng)運(yùn)輸路徑上的貨運(yùn)量及各運(yùn)輸路徑上船舶的運(yùn)力分配問題。這類問題的解決方式更類似于交通規(guī)劃中的運(yùn)量分配問題，即為多貨種多方式從系統(tǒng)最優(yōu)的角度出發(fā)，選取網(wǎng)絡(luò)中總的運(yùn)輸費(fèi)用或運(yùn)輸貨物里程最小作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化運(yùn)輸路徑。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型是普遍公認(rèn)的最合適、定量分配貨流的模型。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型主要關(guān)注多種運(yùn)輸方式下運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的合理表示、方式間轉(zhuǎn)運(yùn)的處理、決定貨物運(yùn)輸?shù)亩嘀刂笜?biāo)、網(wǎng)絡(luò)中擁擠效用以及網(wǎng)絡(luò)流分布模式的階段性比較分析。例如，F(xiàn)RIESZ.T.L（1986）3通過給定每個(gè)運(yùn)輸貨輪的具體運(yùn)輸線路，整合后得到航運(yùn)公司的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)運(yùn)輸貨輪均選擇最小費(fèi)用的路線運(yùn)輸，航運(yùn)公司則通過交通網(wǎng)絡(luò)均衡原則選擇運(yùn)輸貨輪。遵循上述思路，HARKER P T(1988)4-6給出了更加完善的模型。FLORIAN M(2002)7建立了一個(gè)具有層次化Logit選擇模式的多種需求條件下多類別多方式的網(wǎng)絡(luò)平衡模型。該文采用變分不等式的建模方法，求解時(shí)采用了GaussSeidel塊分解耦合相繼平均法的求解策略。該模型被應(yīng)用于智利圣地亞哥市的ESTRAUS項(xiàng)目。該模型面向城市交通，但是為解決區(qū)域運(yùn)輸中多方式多貨種問題提供了參照。該模型的缺陷是方式間的協(xié)作和轉(zhuǎn)化沒有得到充分考慮。韓印（2008）8為了實(shí)現(xiàn)交通網(wǎng)絡(luò)混合交通流隨機(jī)平衡分配，分析了廣義費(fèi)用下多用戶多方式的路徑選擇機(jī)理與網(wǎng)絡(luò)平衡條件及信息條件下多用戶多方式對(duì)路徑選擇的影響特征，運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論，建立了基于信息條件的隨機(jī)混合交通平衡分配模型，并證明了模型解的等價(jià)性與唯一性。對(duì)于水運(yùn)樞紐區(qū)域的多貨種多方式的貨運(yùn)組織方式優(yōu)化目前也有一定的研究，朱凱（2008）9將道路交通網(wǎng)絡(luò)中多用戶多模式交通分配研究應(yīng)用在三峽樞紐的貨物分配上，通過合理的對(duì)水路運(yùn)輸方式做公路運(yùn)輸?shù)牡刃鎿Q，將水運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化轉(zhuǎn)變成道路交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，利用transcad對(duì)三峽區(qū)域各貨類進(jìn)行貨流分配，得到各路段各貨類的流量值。劉鐵鑫（2010）10根據(jù)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)流分配理論和運(yùn)輸路徑選擇優(yōu)化方法，以系統(tǒng)最優(yōu)為目標(biāo)，建立了具有較好通用性的基于廣義運(yùn)輸費(fèi)用的綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)平衡優(yōu)化模型，并利用k優(yōu)運(yùn)輸路徑的遺傳算法來求解多貨種多方式的綜合貨運(yùn)組織優(yōu)化模型并將模型運(yùn)用到三峽樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織方式優(yōu)化的研究中，但該研究對(duì)船舶通過三峽樞紐的通過時(shí)間考慮不足?？偟膩碚f，對(duì)于多貨種多方式貨運(yùn)組織優(yōu)化目前主要集中在道路與鐵路，對(duì)于水路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究及實(shí)踐應(yīng)用還比較少，且主要集中在流量分配，缺乏對(duì)航運(yùn)系統(tǒng)決策者關(guān)心的水路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)貨運(yùn)組織優(yōu)化方案中航次數(shù)及船舶數(shù)量的研究，且對(duì)多梯級(jí)樞紐貨運(yùn)組織方案優(yōu)化研究還處于空白階段。1.2.2 交通仿真建模研究計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在各種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，仿真技術(shù)也得到了一定的應(yīng)用。國外方面,MattiPursula（1999）11使用了先進(jìn)的建模方法，把需求建模與街道和道路上的交通流行為結(jié)合在一起，試圖描述一個(gè)仿真環(huán)境中整個(gè)交通系統(tǒng)的行為。目標(biāo)是再現(xiàn)某一小區(qū)內(nèi)居民群體的出行類型(包括數(shù)目，時(shí)間，目的等)。W David Kelton12 (2000)對(duì)離散系統(tǒng)仿真理論以及如何運(yùn)用Arena進(jìn)行離散仿真建模和優(yōu)化進(jìn)行了闡述。LAIKK13 (2000)等用仿真技術(shù)對(duì)3種可能的道口擴(kuò)容方法進(jìn)行評(píng)估，目的是提高港口經(jīng)營(yíng)工作的效率以適應(yīng)集裝箱量的快速增長(zhǎng)。國內(nèi)方面，盧方勇（2000）14針對(duì)永久船閘的運(yùn)行了系統(tǒng)仿真研究；何軍紅(2001) 15等人對(duì)三峽船閘的五級(jí)船閘運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，建立了相應(yīng)的連續(xù)系統(tǒng)模型以及離散系統(tǒng)模型,首次提出了利用雙傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型仿真結(jié)果進(jìn)行信息融合的機(jī)制來進(jìn)行故障診斷和決策的方法,并采用面向?qū)ο蟮姆椒ǔ醪綄?shí)現(xiàn)了該仿真系統(tǒng),給出了船閘系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果,為系統(tǒng)后期的運(yùn)行控制提供了依據(jù)。沙梅（2006）16對(duì)通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了研究。李旭宏(2007) 17基于Arena對(duì)物流配送中心分批揀貨策略和單一揀貨策略比較進(jìn)行了仿真，為配送中心揀貨作業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化提供決策支持、王永輝基于Arena對(duì)港口泊位作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真、楊神化(2007) 18應(yīng)用Multi-agent 系統(tǒng)（MAS）理論和技術(shù)，構(gòu)建和開發(fā)了基于MAS 和船舶操縱模擬器（SHS）的智能港口交通流模擬系統(tǒng)，提出了比較實(shí)用的港口調(diào)度算法和船舶自動(dòng)航行算法。并將開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用到青島前灣港區(qū)不同規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的論證研究中，仿真了規(guī)劃水域的船舶交通流狀況，為港口規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的評(píng)估論證提供了參考依據(jù)。針對(duì)樞紐區(qū)域的運(yùn)輸組織仿真研究目前還較少。朱凱（2008）9對(duì)三峽區(qū)域運(yùn)輸情況進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真建模研究，通過仿真運(yùn)算發(fā)現(xiàn)了組織方案的不足，提出系列改進(jìn)方案發(fā)現(xiàn)了貨物翻壩比例和錨地等待時(shí)間之間的量化關(guān)系。但該研究只是針對(duì)三峽樞紐進(jìn)行方案的優(yōu)化，沒有考慮到改進(jìn)方案優(yōu)化對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)造成的影響，最后的優(yōu)化結(jié)果并非是平衡系統(tǒng)服務(wù)效率和運(yùn)輸成本的最優(yōu)解。總的來說，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水運(yùn)運(yùn)輸領(lǐng)域已有研究，但針對(duì)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織的仿真研究還較少，特別對(duì)多梯級(jí)樞紐這種存在多貨種，多運(yùn)輸方式，多運(yùn)輸路徑，多級(jí)排隊(duì)的復(fù)雜運(yùn)輸系統(tǒng)的仿真研究還處于空白階段。 1.3研究?jī)?nèi)容和研究方法1.3.1研究?jī)?nèi)容1）烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織環(huán)境及存在問題分析了烏江梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織的歷史及現(xiàn)狀，各梯級(jí)樞紐的情況，闡述了種種梯級(jí)樞紐建成后對(duì)船舶貨運(yùn)組織產(chǎn)生有利影響及不利影響，說明了烏江梯級(jí)樞紐全線通航后給船舶貨運(yùn)組織帶來的問題，為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。2）烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織理論優(yōu)化模型建立及實(shí)現(xiàn)根據(jù)烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的抽象定義與基本假設(shè)，提出以廣義成本最小的烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域多貨種多方式船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化模型，其中針對(duì)根據(jù)船舶通過樞紐的調(diào)度規(guī)則，提出建立了樞紐單重休假規(guī)則M/G/1排隊(duì)模型，求解船舶通過各樞紐的時(shí)間，對(duì)各運(yùn)輸路徑的運(yùn)輸時(shí)間計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。最后，利用多貨種多方式貨流分配模型對(duì)烏江多梯級(jí)樞紐船舶貨運(yùn)組織進(jìn)行優(yōu)化，得到以廣義成本最小的船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化方案。3）烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織仿真建模與實(shí)現(xiàn)鑒于數(shù)學(xué)方法不能全面分析貨運(yùn)組織方案優(yōu)劣的缺點(diǎn)，提出利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織系統(tǒng)進(jìn)行分析。首先分析烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織系統(tǒng)仿真的目的，其次分析系統(tǒng)邊界、構(gòu)成、特征及仿真指標(biāo)，接著以面向?qū)ο蠼５乃枷肜胊rena軟件對(duì)烏江多梯級(jí)樞紐進(jìn)行仿真建模，構(gòu)建仿真模型并運(yùn)用于數(shù)學(xué)優(yōu)化方法得到的貨運(yùn)組織方案，評(píng)價(jià)方案的可行性。4）烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織總體方案研究根據(jù)數(shù)學(xué)方法和仿真技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)和不足，嘗試綜合利用數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織進(jìn)行優(yōu)化。首先針對(duì)初步方案不足提出多種改進(jìn)策略，并將改進(jìn)策略轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)理論優(yōu)化方法中的約束條件，再次進(jìn)行從數(shù)學(xué)理論優(yōu)化模型到仿真模型優(yōu)化過程，從而發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律，研究在完成既定貨運(yùn)量?jī)?yōu)化方案及船舶在多梯級(jí)樞紐區(qū)域航行較為通暢的條件下，廣義成本最小的烏江多梯級(jí)樞紐船舶貨運(yùn)組織總體優(yōu)化方案。1.3.2研究方法1）在研究已有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型及分析烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，提出了以廣義成本最小為目標(biāo)的烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域多貨種多方式船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化模型。2）根據(jù)烏江多梯級(jí)樞紐通航設(shè)施排隊(duì)系統(tǒng)的排隊(duì)規(guī)則，引入適合該排隊(duì)規(guī)則的M/G/1單重休假排隊(duì)模型，求解船舶通過樞紐的平均通過時(shí)間。3）使用離散系統(tǒng)仿真技術(shù)對(duì)烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模。并運(yùn)用仿真模型對(duì)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法得到的船舶貨運(yùn)組織方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。4）基于理論優(yōu)化與仿真模擬交互作用，對(duì)數(shù)學(xué)方法得到的船舶貨運(yùn)組織初步方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，得到合理高效的烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織方案。具體技術(shù)路線如圖1-1：圖1.1 本文的研究思路第2章 烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織環(huán)境及存在問題目前烏江通航河段（烏江渡涪陵）在多梯級(jí)樞紐建設(shè)之前一直存在航道灘多流急，航運(yùn)條件差，航道等級(jí)低，航運(yùn)未完全通暢，運(yùn)量小，航運(yùn)發(fā)展緩慢等問題，烏江貨運(yùn)的主要運(yùn)輸方式是散雜貨自航船，拖駁船隊(duì)或機(jī)動(dòng)駁船組運(yùn)輸方式極少。 2004年，烏江貴州流域構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水各梯級(jí)樞紐均已動(dòng)工修建，由于施工截流導(dǎo)致烏江航運(yùn)中斷，烏江航運(yùn)轉(zhuǎn)為區(qū)間短途運(yùn)輸，到2018年烏江多梯級(jí)樞紐全線通行時(shí)，烏江航道可全年通行500t船舶，將成為貴州省與長(zhǎng)江黃金水道對(duì)接的第二條高等級(jí)航道。烏江多梯級(jí)樞紐建設(shè)將給未來烏江這條高等級(jí)航道帶來一系列影響，給船舶的貨運(yùn)組織帶來新的問題。2.1船舶貨運(yùn)組織環(huán)境分析烏江自西南向東北蜿蜒流經(jīng)貴州省中部和重慶市邊陲，在涪陵匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)1037km。其中，河源到烏江渡為烏江上游區(qū)域，因水流急，河床狹窄，兩岸高山懸崖，常有大型崩巖堵灘而無法行船，因此烏江通航河段指烏江渡至涪陵航段，該航段由4個(gè)水電樞紐組成烏江多梯級(jí)樞紐群，下面從航道、港口、樞紐通航設(shè)施、運(yùn)輸船型等方面分析烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)通航環(huán)境。烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域圖見圖2-1。 圖2-1 烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域圖2.1.1貨種貨量根據(jù)貴州交通廳項(xiàng)目烏江高等級(jí)航道高效貨運(yùn)組織關(guān)鍵技術(shù)研究中“貴州省烏江干流水路貨運(yùn)需求預(yù)測(cè)”部分研究結(jié)果，2020年分類貨運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果見表2-1：表2-1 分貨類預(yù)測(cè) （單位：萬噸）上行下行合計(jì)煤炭0237.08253.83磷化工產(chǎn)品081.2381.23金屬礦石04.044.04礦建材料19.3210.6830水泥4.4623.4527.91木材00.130.13非金屬礦石3.058.1111.16化肥及農(nóng)藥2.266.128.38鹽0.020.060.08糧食0.020.060.08硫磺及合成氨25025烤煙05.455.45茶葉088其它21.7229.7744.17合計(jì)76.48414.18499.46由表可以看出，烏江流域貨類種類繁多，主要貨種為煤炭、磷化工、礦石、水泥、硫磺及合成氨及其他大件或機(jī)械貨種。煤炭主要是織金、甕安、福泉等地煤礦經(jīng)由烏江渡港區(qū)或江河界碼頭水運(yùn)外銷湖北、江蘇、上海等地區(qū)。磷化工產(chǎn)品主要是分布于甕安、福泉等地，由江界河碼頭裝船運(yùn)到運(yùn)往華中、華東、華北。以烏江下游的礦石資源豐富，礦石及礦建材料資源以大理石資源為主，還有石灰石、砂石料、磚等，主要由思南港及沿河港運(yùn)出烏江至廣州、上海等地。對(duì)于表中時(shí)效性較強(qiáng)的茶葉、烤煙及其他高附加值的貨物考慮利用集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸。集裝箱運(yùn)輸目前在烏江流域還屬于初步發(fā)展階段，除烏江渡港區(qū)內(nèi)主要港口開陽港外，沿岸其他港口并不具備進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)的能力。但其他河流水運(yùn)發(fā)展表明、集裝箱運(yùn)輸是重要的運(yùn)輸方式,如長(zhǎng)江的集裝箱運(yùn)輸,從上游宜賓,瀘州、重慶、涪陵、萬縣、宜昌至中下游各港的水運(yùn)集裝箱發(fā)展速度很快。烏江流域目前只有少量貴陽、遵義的集裝箱運(yùn)輸，只能通過汽車運(yùn)到重慶港裝船，而公路運(yùn)費(fèi)高，不經(jīng)濟(jì)，因此集裝箱運(yùn)量很少。貴陽市烏江至長(zhǎng)江水運(yùn)通道一經(jīng)建成開通及烏江各水電樞紐建成，將為發(fā)展貴陽市水運(yùn)集裝箱運(yùn)輸創(chuàng)造有利條件。2.1.2航道烏江航道在多梯級(jí)樞紐建設(shè)之前一直存在灘多流急，航運(yùn)條件差，航道等級(jí)低，運(yùn)量小，航運(yùn)發(fā)展緩慢等問題。隨著烏江各梯級(jí)樞紐的建成及烏江航道整治工程的同步進(jìn)行，庫區(qū)航道條件得到了顯著改善：水位上升淹沒險(xiǎn)灘，流速減緩，烏江航道等級(jí)將由V級(jí)提升到IV級(jí)，船舶通航尺度將達(dá)到1.630330（m），烏江航道通過能力將達(dá)到1000多萬噸，500噸級(jí)船舶將由涪陵直達(dá)烏江渡。因此，航道通航條件的改善和通過能力的提升將促進(jìn)船舶向大型化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。2.1.3港口梯級(jí)樞紐興建前，烏江流域港口水域中水期河寬較窄，到了枯水期甚至出現(xiàn)無法滿足船舶的停靠的問題，港區(qū)水域常年航行、?？?、作業(yè)困難，而洪水期又存在流速大的問題，更加影響船舶的正常停泊。烏江貴州省境內(nèi)現(xiàn)有大小港口4個(gè)，吞吐能力10萬t以上的只有3個(gè)，即思南、德江和沿河港，而且沿江仍以客渡碼頭、停靠點(diǎn)為主。碼頭規(guī)模小，設(shè)施落后，無法滿足沿江兩岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。梯級(jí)樞紐興建后，航道及庫區(qū)港口水域條件得到改善，方便了船舶的正常作業(yè)。另外，多梯級(jí)樞紐的興建使得庫區(qū)江灣增多、烏江支流河面增寬、航道延伸，使港口布局更為有利，為建設(shè)大型貨運(yùn)港口提供了基礎(chǔ)條件。根據(jù)貴州省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃，烏江沿江港口將以開陽港、江界河等地區(qū)重要港口為重點(diǎn)，其它一般港口為基礎(chǔ)，滿足資源外運(yùn)中轉(zhuǎn)出口需要，發(fā)揮烏江出省通道的優(yōu)勢(shì)，計(jì)劃將新建烏江渡、楠木渡、江界河、開陽港區(qū)4個(gè)500噸級(jí)泊位，沿江渡、河閃渡、德江碼頭3個(gè)碼頭、小碼頭14個(gè)、?？奎c(diǎn)20個(gè)。未來計(jì)劃擴(kuò)建和新建的主要貨運(yùn)港口情況見表2-2。表2-2 未來港口規(guī)劃碼頭名稱碼頭泊位最大靠泊能力（噸）設(shè)計(jì)貨運(yùn)吞吐能力（萬t/年）烏江渡150011開陽港850094.6沿江渡150018江界河750075河閃渡250021.5思南250023.9德江750070沿河450050綜上，未來港口的發(fā)展將促進(jìn)航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展并為船舶多方式聯(lián)運(yùn)提供有利條件。2.1.4樞紐通航設(shè)施貴州省烏江通航河段共有有沙沱、思林、構(gòu)皮灘、彭水樞紐；上游緊接本河段的烏江渡樞紐已建成投產(chǎn)，該樞紐未建過船建筑物，只留有過船建筑物位置。沙沱、思林、構(gòu)皮灘、彭水四座樞紐在建中，其過船建筑物與樞紐工程同步實(shí)施。各樞紐通航設(shè)施參數(shù)見表2-3： 表2-3 通航設(shè)施參數(shù)項(xiàng)目單位構(gòu)皮灘思林沙沱彭水過船設(shè)施三級(jí)升船機(jī)升船機(jī)升船機(jī)升船機(jī)及船閘設(shè)計(jì)年通過能力萬t143341334.1510承船廂或船閘有效尺寸m5911.72.560122.560122.55911.42.3承船廂移動(dòng)速度mmin-112121212一次過壩最大船舶噸位t500500500500正常蓄水位m630440360310利用水頭m197.17175.566樞紐通航設(shè)施建設(shè)將為船舶通航提供條件，而且為了合理利用通航設(shè)施船閘或升船機(jī)的有效面積，將促使船舶逐步標(biāo)準(zhǔn)化。從表2-3中可以看出，各通航設(shè)施承船廂或船閘有效尺寸較小，一次裝載只能容納一條船，使得頂推等內(nèi)河常用船舶貨運(yùn)組織方式無法實(shí)現(xiàn)，只能考慮自航船過通航設(shè)施運(yùn)輸。2.1.5運(yùn)輸船型烏江屬山區(qū)河流，各樞紐建設(shè)前，為適應(yīng)山區(qū)河流彎曲、狹窄、比降大、流速急、流態(tài)紊亂的特點(diǎn)，船型多為尖瘦型，主機(jī)功率比平原高一倍以上。貨運(yùn)的運(yùn)輸方式是機(jī)動(dòng)駁，一般采用半艙或深艙型式，噸位主要100300t級(jí)，有少量500t級(jí)航行在龔灘以下。船舶呈現(xiàn)的平均噸位小、船型機(jī)型多、運(yùn)輸效率較低等問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新的市場(chǎng)需求和適應(yīng)新的航運(yùn)條件。各樞紐建設(shè)后，由于存在地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、充分發(fā)揮水運(yùn)優(yōu)勢(shì)的要求、各梯級(jí)樞紐間水庫蓄水、船舶過閘尺度要求等諸多原因，加快了烏江梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶的標(biāo)準(zhǔn)化、大型化的發(fā)展。根據(jù)各貨種的特點(diǎn)，選擇散貨船、集裝箱船及滾裝船進(jìn)行烏江各類貨物的運(yùn)輸。其中散貨船運(yùn)輸煤炭、磷化工、礦石、水泥、硫磺及合成氨等貨物；集裝箱船運(yùn)輸茶葉、烤煙及其他高附加值的貨物；烏江未來滾裝船將主要運(yùn)載上游的水泥及下游的部分礦石等貨種。表2-4為貴州省兩江一河（烏江）高等級(jí)航道主要船型標(biāo)準(zhǔn)化研究25通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證確定的烏江未來梯級(jí)樞紐區(qū)域各類標(biāo)準(zhǔn)化船舶優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。表2-4 各類船型參數(shù)船型散貨船集裝箱船滾裝船500t300t200t48TEU30TEU38車50車垂線間長(zhǎng) m53.0044.0036.6555279.00100型寬 m10.007.806.410.810.819.2019.2型深 m2.502.402.32.42.33.903.9設(shè)計(jì)吃水 m1.61.51.41.61.52.42.4結(jié)構(gòu)吃水 m1.81.71.61.81.72.62.6方形系數(shù)0.750.7970.770.7970.7640.6470.643載重量 t500300200473.930038車50車設(shè)計(jì)吃水時(shí)航速km/h16.4917.0616.5721.922.421.0821.71千噸公里油耗kg/kt.km9.1812.8116.9911.1815.412.5611.78主機(jī)功率902902110211021102441250022.2烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織存在的問題2.2.1烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨物需求量及供需缺口根據(jù)貴州交通廳項(xiàng)目烏江高等級(jí)航道高效貨運(yùn)組織關(guān)鍵技術(shù)研究中“貴州省烏江干流水路貨運(yùn)需求預(yù)測(cè)” 1對(duì)各類船舶的貨運(yùn)量OD預(yù)測(cè)結(jié)果見表2-5至2-7（A表示烏江渡港區(qū)，B表示河閃渡港區(qū)，C表示思南港區(qū)，D表示沿河港區(qū)，E表示彭水下游邊界。下同）(單位：萬噸)：表2-5 散貨船運(yùn)量ODOD終點(diǎn)起點(diǎn)ABCDEA0 00.810 201.2B0000.720.8C0.70.10 0.58 11.9D01.50 031.2 E20.2 4.94.671.20 合計(jì)：300.46萬噸表2-6 集裝箱船貨運(yùn)量ODOD終點(diǎn)起點(diǎn)ABCDEA0 0 0 018 B00 0 00C0 00 040D000 0 2.1E4.25.4 6.8 3.7 0合計(jì)：80.2萬噸表2-7 滾裝船運(yùn)量ODOD終點(diǎn)起點(diǎn)ABCDEA0 0 0 0 44.3 B00 0 029.8 C000 0 20.0 D000 05.4 E6.14.2 3.21.30 合計(jì)：114.1萬噸在考慮滾裝運(yùn)輸全部不過壩和不考慮客運(yùn)量的情況下，未來特征年烏江梯級(jí)樞紐區(qū)域貨運(yùn)量需求和樞紐通過能力供需缺口如表2-8所示。表2-8 烏江各梯級(jí)樞紐特征年過壩貨運(yùn)量 單位：萬噸 樞紐年份構(gòu)皮灘思林沙沱彭水2020年上行44.9951.0162.7968.17下行200.11226.89281.26303.2合計(jì)245.11277.9342.05371.37供需缺口102.11無缺口1.05無缺口2030年上行143.99163.25180.93240.16下行640.36636.03793.63970.23合計(jì)784.35809.36974.561010.39供需缺口641.35468.36640.56500.39根據(jù)各樞紐年通過能力結(jié)合過壩貨運(yùn)量表中數(shù)據(jù)可知，到2020年，烏江通航河段的構(gòu)皮灘樞紐、沙沱樞紐的下行過壩運(yùn)量均大于樞紐的年最大通過能力，到2030年，貨運(yùn)過壩量將全面超過各樞紐的通過能力。這說明樞紐的通過能力不能滿足烏江運(yùn)量增長(zhǎng)的要求，加大了船舶貨運(yùn)組織的難度，從而制約烏江貨運(yùn)量的進(jìn)一步增長(zhǎng)。2.2.2烏江多梯級(jí)樞紐通航存在的問題烏江多梯級(jí)樞紐的建設(shè)改善了烏江流域的航道條件，推進(jìn)船舶標(biāo)準(zhǔn)化、大型化，降低運(yùn)輸成本、提高運(yùn)輸安全性。但另一方面，烏江多梯級(jí)樞紐的規(guī)劃和建設(shè)，是以發(fā)電為主，航運(yùn)為輔，對(duì)通航設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)并不重視，航電樞紐礙航現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對(duì)船舶的貨運(yùn)組織產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：1）各梯級(jí)樞紐通航設(shè)施建設(shè)通過能力不統(tǒng)一烏江構(gòu)皮灘至龔灘流域梯級(jí)樞紐通航設(shè)施承船箱不統(tǒng)一的尺度規(guī)劃給船型標(biāo)準(zhǔn)化帶來困難，船舶不同的通過時(shí)間和通過流量使四個(gè)樞紐通過能力各不相同，通過能力最大的通航設(shè)施年通過能力為510萬噸/年，最小的通航設(shè)施只有140萬噸/年，樞紐通航設(shè)施不統(tǒng)一的建設(shè)規(guī)模，直接形成“短板”效應(yīng)，產(chǎn)生新的運(yùn)輸系統(tǒng)“瓶頸”。2）通航設(shè)施通過能力與航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不匹配烏江各梯級(jí)樞紐建成后的水運(yùn)貨運(yùn)量包括區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的貨運(yùn)量和水運(yùn)條件改善后誘發(fā)的貨運(yùn)量。烏江在樞紐在規(guī)劃時(shí)對(duì)誘發(fā)運(yùn)量預(yù)測(cè)偏低，通航設(shè)施通過能力不足的問題在各梯級(jí)樞紐全部建成通航后將變得明顯。根據(jù)貴陽市烏江水運(yùn)通道研究20中航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)確定烏江流域設(shè)計(jì)航道通過能力達(dá)1080萬噸/年，而各梯級(jí)樞紐通過能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于航道通過能能力，無法滿足不了航道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，給貨運(yùn)組織帶來巨大困難。3）貨運(yùn)翻壩設(shè)施建設(shè)難度大烏江是一條山區(qū)河流，烏江兩岸的地理?xiàng)l件使得翻壩公路建設(shè)存在巨大困難。以構(gòu)皮灘樞紐為例，樞紐上下游適合建設(shè)翻壩港口的河岸間相距超過10公里，岸線條件差不適合建設(shè)大型翻壩碼頭，且構(gòu)皮灘樞紐附近的山體并不適合建設(shè)翻壩盤山公路，這些因素對(duì)貨物的翻壩運(yùn)輸造成嚴(yán)重影響。4）航道條件仍不完善構(gòu)皮灘、思林、沙沱及其龔灘下游40km處的彭水四座水電樞紐工程，將航道分割成常年回水區(qū)和變動(dòng)回水區(qū)。常年回水區(qū)水深航寬，通行條件較好，變動(dòng)回水區(qū)航道水深和通航條件隨樞紐下泄流量的變化使得原本復(fù)雜的烏江航道變得更為復(fù)雜。5）梯級(jí)樞紐運(yùn)營(yíng)期水庫調(diào)峰將對(duì)通航造成影響水庫在洪水期會(huì)增加下泄流量，將對(duì)航行安全造成影響，如下泄流量過大還會(huì)導(dǎo)致停航。如三峽大壩，03年至07年三峽河段水域共發(fā)生航運(yùn)交通事故72起，其中60為近壩水流條件的改變導(dǎo)致的。為了保障各梯級(jí)樞紐間船舶的通航安全，減少水上交通事故的發(fā)生，對(duì)樞紐通航時(shí)間的限制在所難免，在洪水期烏江梯級(jí)樞紐泄洪時(shí)段將限制船舶通過各梯級(jí)樞紐，而這必然引起該期間大量船舶在庫區(qū)及航道內(nèi)滯留，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)璧K兩壩間庫區(qū)內(nèi)的通航，使整個(gè)烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域水運(yùn)系統(tǒng)陷入癱瘓。而在枯水期，為了追求發(fā)電效益，航電樞紐在運(yùn)營(yíng)期間將減少下泄流量，造成航道維護(hù)水深不足，船舶不得不減載航行甚至停止通航。以上種種分析表明，烏江多梯級(jí)樞紐的建設(shè)將烏江流域整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)帶來巨大的變化，必需站在綜合分析的角度，利用合理的方法對(duì)未來多梯級(jí)樞紐全線通航后的船舶貨運(yùn)組織方式進(jìn)行研究，充分發(fā)揮水運(yùn)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)耐〞?、安全和高效?.3本章小結(jié)本章將首先從描述烏江流域多梯級(jí)樞紐建成后貨運(yùn)環(huán)境的改善說明多梯級(jí)樞紐的建設(shè)給烏江流域船舶貨運(yùn)組織帶來的新的機(jī)遇，其次從烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域未來貨運(yùn)量需求發(fā)展及多梯級(jí)樞紐通航后產(chǎn)生的問題兩方面分析未來多梯級(jí)樞紐船舶貨運(yùn)組織所存在的問題，提出進(jìn)行未來烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化的必要性。第3章 烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織理論優(yōu)化模型建立及實(shí)現(xiàn)烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化是針對(duì)不同貨種的運(yùn)輸特點(diǎn)，以綜合效益最優(yōu)為目標(biāo)，在完成預(yù)定貨運(yùn)量下在已知貨物OD流量的條件下使選擇各類貨種合適的運(yùn)輸方式和運(yùn)輸路徑，并求得各貨類各運(yùn)輸方式在各運(yùn)輸路徑上的運(yùn)量，對(duì)于船舶來說，還必須求得每條運(yùn)輸路徑上完成分配得到的不同貨類的運(yùn)量所需要的船舶數(shù)。然而，烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織系統(tǒng)存在空間跨度大，貨種多樣，運(yùn)輸方式多樣，不同運(yùn)輸方式間的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，加上樞紐有限的通航能力等問題，種種問題使其貨運(yùn)系統(tǒng)存在固有的復(fù)雜性。解決這類運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的船舶貨運(yùn)組織問題通常采用的做法是利用Wardrop第二原理建立網(wǎng)絡(luò)配流模型，即在保證運(yùn)輸線路運(yùn)輸能力及運(yùn)輸樞紐通過能力滿足的條件下按照廣義運(yùn)輸成本最小的目標(biāo)將貨物OD流量合理地分配到具體的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上，以便得出貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中各貨類各運(yùn)輸方式在各運(yùn)輸路徑上的流量。Wardrop第二原理作為一個(gè)設(shè)計(jì)原理，是面向運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)決策者的。對(duì)公路網(wǎng)而言，第二原理所描述的狀態(tài)要求司機(jī)互相協(xié)作為系統(tǒng)最優(yōu)化而努力，這在實(shí)際中是不太可能的。但水路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸不同于公路網(wǎng)絡(luò)中車輛運(yùn)輸所具有路徑選擇隨機(jī)性，水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸具有一定的計(jì)劃性，船舶依靠航運(yùn)公司指定的航線進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，這也使為烏江多梯級(jí)樞紐這種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)制定合理貨運(yùn)組織方案并有效實(shí)施成為了可能。3.1貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)定義烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)除水路外還存在多種運(yùn)輸方式，如鐵路、航空、公路等。為了優(yōu)化多梯級(jí)樞紐區(qū)域的水路運(yùn)輸，必須考慮水路和其他運(yùn)輸方式相結(jié)合的運(yùn)輸路徑以解決水利樞紐通過能力不足的問題。考慮三種運(yùn)輸方式，只有公路運(yùn)輸因其運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)與水路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)銜接的最好且具有合理的成本而應(yīng)納入多梯級(jí)樞紐區(qū)域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中。航空運(yùn)輸運(yùn)能較小且成本過高，鐵路的通過能力已接近飽和且與水路和公路網(wǎng)絡(luò)形成運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜而被排除。因此，本文研究的烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)由公路網(wǎng)、水路網(wǎng)、港口、樞紐、中轉(zhuǎn)車站組成。為了方便后文構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，先對(duì)相關(guān)變量和有關(guān)參數(shù)進(jìn)行抽象定義和說明：將烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)功能區(qū)如港口、車站、樞紐定義為節(jié)點(diǎn)或中轉(zhuǎn)點(diǎn)。用N表示節(jié)點(diǎn)和中轉(zhuǎn)點(diǎn)集合，I為運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中路段集合，節(jié)點(diǎn)間可以通過中轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行多種運(yùn)輸方式聯(lián)運(yùn)。（圖3-1）定義兩節(jié)點(diǎn)間的貨運(yùn)組織方式為：o，d，l(oO, d D, lL)其中，o代表貨運(yùn)起始節(jié)點(diǎn)，d代表貨運(yùn)終止節(jié)點(diǎn)，l代表od之間的某種運(yùn)輸路徑，O代表網(wǎng)絡(luò)中所有貨物OD起點(diǎn)的集合，D代表網(wǎng)絡(luò)中所有貨物OD終點(diǎn)的集合，L代表OD間所有運(yùn)輸路徑的集合，a為某航段或路段，集合為A。圖3-1 運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖3.2基本假設(shè)及說明現(xiàn)實(shí)中的梯級(jí)樞紐運(yùn)輸系統(tǒng)往往包含各種影響運(yùn)輸系統(tǒng)正常運(yùn)行的因素，如天氣、水位、通航設(shè)施的停航檢修、船舶的停航等等。各種運(yùn)輸方式及其他影響因素構(gòu)成了復(fù)雜的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，為了減少復(fù)雜情況帶來的建模困難，有必要在建模之前做出如下假設(shè)及說明：3.2.1中轉(zhuǎn)方式為保證運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性，在港口進(jìn)行運(yùn)輸方式中轉(zhuǎn)只考慮船舶進(jìn)港卸貨直接裝車或車輛進(jìn)港后直接裝船兩種水陸聯(lián)運(yùn)的中轉(zhuǎn)方式。暫不考慮貨物在港口堆場(chǎng)存儲(chǔ)停留，即貨物進(jìn)入港口如有需要將立即進(jìn)行中轉(zhuǎn)運(yùn)輸。3.2.2目標(biāo)函數(shù)中的運(yùn)輸成本運(yùn)輸成本由運(yùn)輸路徑和運(yùn)輸方式?jīng)Q定。按成本的支出可將其分為變動(dòng)成本和固定成本。對(duì)船舶來說，變動(dòng)成本包括港使費(fèi)、燃料費(fèi)、裝卸費(fèi)和其他費(fèi)用等。固定成本是指在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，其總額不受具體運(yùn)量和運(yùn)距的影響而相對(duì)固定的費(fèi)用，包括船舶折舊費(fèi)、船員工資、管理人員工資、保險(xiǎn)費(fèi)、維修保養(yǎng)費(fèi)、潤(rùn)料費(fèi)、物料費(fèi)、供應(yīng)費(fèi)、及其它經(jīng)營(yíng)管理費(fèi)等。 253.2.3廣義運(yùn)輸成本函數(shù)廣義運(yùn)輸成本函數(shù)表示廣義運(yùn)輸成本會(huì)受到航道貨運(yùn)量的影響，但烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域航運(yùn)發(fā)展處于規(guī)劃階段，運(yùn)輸成本和航道貨運(yùn)量之間的相互影響機(jī)制在研究上存在一定的難度，同時(shí)烏江流域過去航運(yùn)資料表明，烏江航運(yùn)的廣義運(yùn)輸成本變化很小。因此，暫不考慮路段廣義運(yùn)輸成本受貨流量的影響。3.2.4港口吞吐量港口同通航設(shè)施一樣涉及到船舶排隊(duì)問題，為了減小排隊(duì)問題給貨運(yùn)組織優(yōu)化帶來的誤差及避免對(duì)港口吞吐量約束造成的規(guī)劃模型無解的情況，假設(shè)運(yùn)輸系統(tǒng)各港口的吞吐量不受限制。3.2.5航道及公路通過能力假設(shè)根據(jù)貴州省交通“十二五”發(fā)展規(guī)劃27，烏江未來航道及庫區(qū)通過能力最小的航段為1080萬噸，最大為3.2億萬噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足烏江貨運(yùn)運(yùn)輸需求。公路運(yùn)輸應(yīng)作為平衡水路運(yùn)輸運(yùn)量的重要運(yùn)輸方式，不考慮限制公路的通過能力，決策者可以根據(jù)貨運(yùn)組織優(yōu)化結(jié)果確定公路運(yùn)量，為公路建設(shè)做出建議。樞紐通過能力在2. 1節(jié)已說明。3.3模型建立與交通規(guī)劃關(guān)心航段的運(yùn)量及流量不同，作為一個(gè)航運(yùn)系統(tǒng)的決策者，更關(guān)心的問題是貨物組織方案實(shí)現(xiàn)需要產(chǎn)生的航次數(shù)及運(yùn)輸路徑上水運(yùn)航段所需要的船舶數(shù)量。因此，烏江多梯級(jí)樞紐區(qū)域多貨種多方式貨運(yùn)組織優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)將以各船型船舶艘數(shù)為自變量。3.3.1目標(biāo)函數(shù)貨運(yùn)組織系統(tǒng)廣義成本最小化，對(duì)所有航線上的廣義運(yùn)輸成本進(jìn)行求和，所需的廣義運(yùn)輸總成本作為貨運(yùn)組織優(yōu)化模型的決策指標(biāo)。貨運(yùn)組織方案通過確定運(yùn)輸船舶在各條運(yùn)輸航線上一年的運(yùn)量及船舶艘數(shù)決定。結(jié)合多梯級(jí)樞紐貨運(yùn)組織特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)得到系統(tǒng)廣義成本最小的目標(biāo)函數(shù)：Min (CT) =min （3.1）變量：某類船在某條運(yùn)輸路徑上完成年貨運(yùn)量所需的船舶艘數(shù)。參數(shù)： ：某一類船舶；：船舶的類型集合；：船舶噸位類型；: 船舶噸位類型集合；：貨運(yùn)起點(diǎn)；：貨運(yùn)訖點(diǎn)；：OD起訖節(jié)點(diǎn)間的某條運(yùn)輸路徑；：某OD起訖節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)輸路徑集合；：某類船在某條運(yùn)輸路徑上每噸貨物廣義運(yùn)輸成本函數(shù)；：型船m噸級(jí)船舶每艘船的年貨運(yùn)量。3.3.2約束條件1）某類船舶某OD間貨運(yùn)量與該OD間所有路徑產(chǎn)生的貨運(yùn)量之和相等： （3.2）：f型船的運(yùn)量OD。2）防止整數(shù)規(guī)劃出現(xiàn)無解的情況，為OD貨流設(shè)置裕度： （3.3）3）某類船在某條運(yùn)輸路徑上船舶艘數(shù)應(yīng)大于等于0： （3.4）4）所有通過樞紐通航設(shè)施的各類船舶運(yùn)輸航線產(chǎn)生的年總貨運(yùn)量應(yīng)小于等于通航設(shè)施的年通過能力，即通航設(shè)施通過能力約束： （3.5）：第u個(gè)樞紐的年通過能力。：是通過樞紐u的路徑，其值為1;否則為0。5）所有在某路段上的實(shí)際貨運(yùn)通過量小于