乌江多梯级枢纽区域货运网络的高效船舶货运组织方案硕士学位论文.docx
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乌江多梯级枢纽区域货运网络的高效船舶货运组织方案硕士学位论文
硕士学位论文
乌江多梯级枢纽区域货运网络的高效船舶货运组织方案
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
Abstract
WujiangRiveristhelargestriverinGuizhouprovince,buttheWuRivershippingchannelconditionhavenotbeenabletomeettheneedsofdevelopmentofshipping.theconstructionofcascadehydro-projectswillgreatlyimprovetheshippingconditionofWujiangRiverandbringopportunityforthedevelopingofregionaleconomyandtheshippingindustry,themulti-hubcascadeofWujiangwillbesupportingtheshippingfacilities,butthereareseveralproblemaboutshippingfacilities:
eachshippingfacilitieshasinconsistentconstructionprogress,differentsizeofshiplift,differenttimetohaveshippassed,differentnavigationflowproblemandotherissues,leadingtoa"shortboard"effect,bythedevelopmentofeconomicalongtheWujiangRiver,theconflictwillbecreatedbythedifferentgrowingdemandoftransportationandpassingcapacityofnavigationhub,bringagreatdifficultyfortheorganizationofshippinginrestrictionofWujiangmulti-cascadehydro-projects.Toplanaheadtomaximizetheefficiencyofhigh-gradechannelandnavigationfacilitiesinWujiang,givingfullplaytotheadvantagesoftheWujiangRivergoldenwaterway,rationalusingoftransportnetworkresources,aefficientmulti-cargoorganizationprogramshouldbemadesothatthewholechannelWujiangcascadehydro-projectsdistrictwillbeeasedoff.
Currently,thequalitativeanalysisplayamainroleintheresearchofshippingorganizationinthehubregion,quantitativeanalysisisnotmuchandcan’tanalysisthewholesysteminaoverallview,what’smore,theshippingorganizationlikeWujiangRivermulti-cascadehydro-projectsissuehasnotyetbeenaddressed.Networkoptimizationmodeloftenbetakenusedofinsolvingthecomplexorganizationfreighttransportnetworks,butthelimitationsgoalofnetworkoptimizationmodelcannotmakeacomprehensiveassessmentoptimizationresults.Computersimulationtechnologyhavegraduallyenteredthefieldoftransportationplanning,butsimulationtechnologymainlyworkoutasatoolofvalidationandevaluation,takingusethesimulationtechnologytooptimizewillbeeffectedbysubjectivefactoranddifficulttofindtheoptimalsolution.
Basedontheabovereasons,thefollowingaspectswillbetakenintheresearchwork.First,qualitativeanalysistheinfluenceofconstructionofamulti-cascadehydro-projectsonshippingorganization,thenbasedonthecharacteristicsofWujiangmulti-cascadehydro-projects,improvingtheexistnetworkoptimizationmodeltomakeoutalowestgeneralizedcostmodelofshippingorganizationinWujiangmulti-cascadehydro-projectsregion,solvingthemodeltogettheinitialoptimizationshippingorganizationprogram.ontheotherhand,introductiontheideaofqueuingtheorytoanalysisthemulti-cascadehydro-projects.Then,onthebasedofanalysisofthediscretefreightsystemofWujiangmulti-cascaderegion,buildingthesimulationmodelinaideologicalofobject-orientedtosimulateandtesttheinitialprogramtofindoutthepossibleproblemwiththeinitialprogram.Finally,takinguseofcomputersimulationtechnologyandmathematicalprogrammingmethodingeneraltooptimizetheinitialprogramofWujiangmulti-cascadehydro-projectsshippingorganization,gettingareasonableprogramwhichcantakeuseofWujiangmulti-cascadehydro-projectsshippingsysteminaefficientway.
Keywords:
multi-cascadehydro-projects；computersimulation；optimizationforfreightshippingorganization；thequeuingsystem
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，HARKERPT（1988）[4-6]给出了更加完善的模型。
FLORIANM（2002）[7]建立了一个具有层次化Logit选择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）。
WDavidKelton[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。
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。
具体技术路线如图1-1：
图1.1本文的研究思路
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。
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：
表2-1分货类预测（单位：
万吨）
上行
下行
合计
煤炭
0
237.08
253.83
磷化工产品
0
81.23
81.23
金属矿石
0
4.04
4.04
矿建材料
19.32
10.68
30
水泥
4.46
23.45
27.91
木材
0
0.13
0.13
非金属矿石
3.05
8.11
1
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