烏江高等級航道高效貨運組織方案

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文PAGE76烏江是貴州省內(nèi)第一大河，烏江多梯級樞紐的興建將極大改善烏江的航運條件，為烏江區(qū)域經(jīng)濟(jì)和航運事業(yè)帶來了新的契機(jī)，烏江干流梯級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，日益增長的運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，合理利用運輸網(wǎng)絡(luò)中各種資源，優(yōu)化設(shè)計各貨類船舶的高效船舶貨運組織方案已迫在眉睫。烏江多梯級樞紐區(qū)域的船舶貨運組織屬于復(fù)雜運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前對于樞紐區(qū)域船舶貨運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輸系統(tǒng)規(guī)劃的角度分析，而針對烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。由于烏江船舶貨運系統(tǒng)的復(fù)雜性，構(gòu)建的理論優(yōu)化模型與實際可能會產(chǎn)生偏差，優(yōu)化的船舶貨運組織方案的可行性需要驗證，計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展為其提供了手段，為此本文針對烏江多梯級樞紐區(qū)域通航環(huán)境特點，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)計出烏江多梯級樞紐區(qū)域高效船舶貨運組織方案。本論文首先分析多梯級樞紐的建設(shè)對烏江船舶貨運組織帶來的影響；其次針對烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運系統(tǒng)特點，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樞紐排隊系統(tǒng)模型確定船舶通過樞紐時間，并求解出初步優(yōu)化方案；接著針對烏江船舶貨運系統(tǒng)離散特性，基于arena平臺構(gòu)建出面向?qū)ο蟮姆抡婺Ｐ?，以驗證理論優(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樞紐區(qū)域貨運網(wǎng)絡(luò)的高效船舶貨運組織方案。關(guān)鍵字：烏江多梯級樞紐網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改進(jìn)模型arena仿真建模高效船舶貨運組織方案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,introductiontheideaof??queuingtheorytoanalysisthemulti-cascadehydro-projects.Then,onthebasedofanalysisofthediscretefreightsystemofWujiangmulti-cascaderegion,buildingthesimulationmodelinaideologicalofobject-orientedtosimulateandtesttheinitialprogramtofindoutthepossibleproblemwiththeinitialprogram.Finally,takinguseofcomputersimulationtechnologyandmathematicalprogrammingmethodingeneraltooptimizetheinitialprogramofWujiangmulti-cascadehydro-projectsshippingorganization,gettingareasonableprogramwhichcantakeuseofWujiangmulti-cascadehydro-projectsshippingsysteminaefficientway.Keywords:multi-cascadehydro-projects；computersimulation；optimizationforfreightshippingorganization；thequeuingsystem摘要 IAbstract II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)域貨運組織方式研究 21.2.2交通仿真建模研究 31.3研究內(nèi)容和研究方法 41.3.1研究內(nèi)容 41.3.2研究方法 5第2章烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織環(huán)境及存在問題 72.1船舶貨運組織環(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運輸船型 112.2烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織存在的問題 122.2.1烏江多梯級樞紐區(qū)域貨物需求量及供需缺口 122.2.2烏江多梯級樞紐通航存在的問題 142.3本章小結(jié) 15第3章烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織理論優(yōu)化模型建立及實現(xiàn) 173.1貨運網(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)中的運輸成本 193.2.3廣義運輸成本函數(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樞紐排隊系統(tǒng)模型建立及應(yīng)用 233.5.1排隊系統(tǒng)基本特征 233.5.2排隊系統(tǒng)休假規(guī)則 253.5.3排隊模型建立 263.5.4船舶通過各梯級樞紐時間計算 283.6理論優(yōu)化模型輸入?yún)?shù)計算 293.6.1廣義運輸成本 293.6.2運輸時間 303.7船舶貨運組織規(guī)劃 313.8本章小結(jié) 33第4章烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織仿真建模與實現(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 374.2.4系統(tǒng)仿真評價指標(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運輸路徑控制節(jié)點子模型 504.3.5翻壩運輸子模型 544.4模型效驗與驗證 564.5理論優(yōu)化方案驗證 574.5.1參數(shù)輸入 574.5.2運行設(shè)置 574.5.3結(jié)果輸出 574.6本章小結(jié) 59第5章烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織總體方案研究 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目 721.1研究背景及意義烏江干流全長1037公里，貫通貴州、重慶兩省市，于涪陵匯入長江。烏江在貴州境內(nèi)長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。隨著烏江航運工程和各梯級樞紐的建設(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輸體系結(jié)構(gòu)，烏江將成為貴州省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的運輸大動脈。一條通江達(dá)海的水運通道將把貴陽、遵義這兩大經(jīng)濟(jì)中心連接到長江黃金水運通道上，結(jié)束貴州省主要城市沒有水運通道的歷史。但各梯級樞紐“重發(fā)電，輕航運”的建設(shè)模式也給烏江航運發(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，運輸需求日益增長將會使各樞紐通航設(shè)施通過能力不足及運輸系統(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、合理利用運輸系統(tǒng)資源，充分發(fā)揮水運優(yōu)勢，降低綜合物流成本，急需站在運輸系統(tǒng)綜合優(yōu)化角度，針對烏江船舶貨運系統(tǒng)多梯級樞紐及多貨種多方式的特點，制定烏江高等級航道高效貨運組織方方案。由于烏江流域內(nèi)具有水電樞紐，升船機(jī)、港口等多種水運設(shè)施，水運網(wǎng)絡(luò)與公路及鐵路運輸網(wǎng)絡(luò)連接，使得貨運組織方式涉及多種運輸方式、多式聯(lián)運及中轉(zhuǎn)點設(shè)置問題。加上烏江流域運輸系統(tǒng)空間跨度大等問題使其運輸系統(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)施等綜合運輸系統(tǒng)資源，對既定通航設(shè)施條件下的貨運組織進(jìn)行定量的優(yōu)化研究，制定合理的貨運組織方案是值得研究的問題。而目前針對水運樞紐區(qū)域的貨運組織研究，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輸系統(tǒng)規(guī)劃的角度分析，而針對烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。因此，定量的分析貨運組織方案，做到各種運輸方式內(nèi)部優(yōu)化和運輸方式之間的組合優(yōu)化對解決多梯級樞紐給貨運組織帶來的問題和烏江流域整體經(jīng)濟(jì)和社會效益具有十分重要的意義。由于烏江船舶貨運系統(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)各項因素，優(yōu)化的船舶貨運組織方案的可行性需要驗證，計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展為其提供了手段，本文針對烏江多梯級樞紐區(qū)域通航環(huán)境特點，首次嘗試采用計算機(jī)仿真技術(shù)對多梯級樞紐區(qū)域貨運組織進(jìn)行仿真，以驗證方案的可行性。針對理論優(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)計出烏江多梯級樞紐區(qū)域高效船舶貨運組織方案，這對解決多樞紐河流船舶貨運組織優(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)域貨運組織方式研究烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織方式優(yōu)化涉及運量分配、船型優(yōu)化選擇、航線配船等等。目前針對樞紐貨運組織方式優(yōu)化的成果較少，張光磊（2009）[2]針對三峽樞紐區(qū)域運輸組織存在問題，引入閾值的概念，通過對三峽船閘的調(diào)度優(yōu)化方案研究以提高船舶通過量，運用評價方法分析各貨類的翻壩可行性及運用Dijkstra算法得出最佳水陸聯(lián)運路徑綜合確定船舶通過三峽樞紐區(qū)域的水路貨運組織方案，但該文缺乏對整個系統(tǒng)貨運組織綜合優(yōu)化研究。烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織方式優(yōu)化研究重點是怎樣定量地分析各類貨物合適的運輸方式、運輸路徑及確定相應(yīng)運輸路徑上的貨運量及各運輸路徑上船舶的運力分配問題。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)中總的運輸費用或運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)注多種運輸方式下運輸網(wǎng)絡(luò)的合理表示、方式間轉(zhuǎn)運的處理、決定貨物運輸?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]通過給定每個運輸貨輪的具體運輸線路，整合后得到航運公司的運輸網(wǎng)絡(luò)。每個運輸貨輪均選擇最小費用的路線運輸，航運公司則通過交通網(wǎng)絡(luò)均衡原則選擇運輸貨輪。遵循上述思路，HARKERPT(1988)[4-6]給出了更加完善的模型。FLORIANM(2002)[7]建立了一個具有層次化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，求解時采用了Gauss—Seidel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項目。該模型面向城市交通，但是為解決區(qū)域運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路徑選擇的影響特征，運用數(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性與唯一性。對于水運樞紐區(qū)域的多貨種多方式的貨運組織方式優(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，通過合理的對水路運輸方式做公路運輸?shù)牡刃鎿Q，將水運交通網(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)運輸網(wǎng)絡(luò)流分配理論和運輸路徑選擇優(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輸費用的綜合運輸網(wǎng)絡(luò)平衡優(yōu)化模型，并利用k優(yōu)運輸路徑的遺傳算法來求解多貨種多方式的綜合貨運組織優(yōu)化模型并將模型運用到三峽樞紐區(qū)域貨運組織方式優(yōu)化的研究中，但該研究對船舶通過三峽樞紐的通過時間考慮不足?？偟膩碚f，對于多貨種多方式貨運組織優(yōu)化目前主要集中在道路與鐵路，對于水路運輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究及實踐應(yīng)用還比較少，且主要集中在流量分配，缺乏對航運系統(tǒng)決策者關(guān)心的水路運輸網(wǎng)絡(luò)貨運組織優(yōu)化方案中航次數(shù)及船舶數(shù)量的研究，且對多梯級樞紐貨運組織方案優(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，試圖描述一個仿真環(huán)境中整個交通系統(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，時間，目的等)。WDavidKelton[12](2000)對離散系統(tǒng)仿真理論以及如何運用Arena進(jìn)行離散仿真建模和優(yōu)化進(jìn)行了闡述。LAIKK[13](2000)等用仿真技術(shù)對3種可能的道口擴(kuò)容方法進(jìn)行評估，目的是提高港口經(jīng)營工作的效率以適應(yīng)集裝箱量的快速增長。國內(nèi)方面，盧方勇（2000）[14]針對永久船閘的運行了系統(tǒng)仿真研究；何軍紅(2001)[15]等人對三峽船閘的五級船閘運行系統(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測數(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醪綄崿F(xiàn)了該仿真系統(tǒng),給出了船閘系統(tǒng)的動態(tài)運行結(jié)果,為系統(tǒng)后期的運行控制提供了依據(jù)。沙梅（2006）[16]對通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)進(jìn)行了研究。李旭宏(2007)[17]基于Arena對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)，提出了比較實用的港口調(diào)度算法和船舶自動航行算法。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)計方案的評估論證提供了參考依據(jù)。針對樞紐區(qū)域的運輸組織仿真研究目前還較少。朱凱（2008）[9]對三峽區(qū)域運輸情況進(jìn)行了計算機(jī)仿真建模研究，通過仿真運算發(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間之間的量化關(guān)系。但該研究只是針對三峽樞紐進(jìn)行方案的優(yōu)化，沒有考慮到改進(jìn)方案優(yōu)化對運輸系統(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)效率和運輸成本的最優(yōu)解?？偟膩碚f，計算機(jī)仿真技術(shù)在水運運輸領(lǐng)域已有研究，但針對樞紐區(qū)域船舶貨運組織的仿真研究還較少，特別對多梯級樞紐這種存在多貨種，多運輸方式，多運輸路徑，多級排隊的復(fù)雜運輸系統(tǒng)的仿真研究還處于空白階段。1.3研究內(nèi)容和研究方法1.3.1研究內(nèi)容1）烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織環(huán)境及存在問題分析了烏江梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織的歷史及現(xiàn)狀，各梯級樞紐的情況，闡述了種種梯級樞紐建成后對船舶貨運組織產(chǎn)生有利影響及不利影響，說明了烏江梯級樞紐全線通航后給船舶貨運組織帶來的問題，為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。2）烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織理論優(yōu)化模型建立及實現(xiàn)根據(jù)烏江多梯級樞紐區(qū)域運輸系統(tǒng)的特點，經(jīng)過對系統(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樞紐區(qū)域多貨種多方式船舶貨運組織優(yōu)化模型，其中針對根據(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排隊模型，求解船舶通過各樞紐的時間，對各運輸路徑的運輸時間計算提供數(shù)據(jù)支撐。最后，利用多貨種多方式貨流分配模型對烏江多梯級樞紐船舶貨運組織進(jìn)行優(yōu)化，得到以廣義成本最小的船舶貨運組織優(yōu)化方案。3）烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織仿真建模與實現(xiàn)鑒于數(shù)學(xué)方法不能全面分析貨運組織方案優(yōu)劣的缺點，提出利用計算機(jī)仿真技術(shù)對多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織系統(tǒng)進(jìn)行分析。首先分析烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運組織系統(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軟件對烏江多梯級樞紐進(jìn)行仿真建模，構(gòu)建仿真模型并運用于數(shù)學(xué)優(yōu)化方法得到的貨運組織方案，評價方案的可行性。4）烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運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)勢和不足，嘗試綜合利用數(shù)學(xué)和計算機(jī)仿真技術(shù)對烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織進(jìn)行優(yōu)化。首先針對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量優(yōu)化方案及船舶在多梯級樞紐區(qū)域航行較為通暢的條件下，廣義成本最小的烏江多梯級樞紐船舶貨運組織總體優(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樞紐區(qū)域船舶貨運組織系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，提出了以廣義成本最小為目標(biāo)的烏江多梯級樞紐區(qū)域多貨種多方式船舶貨運組織優(yōu)化模型。2）根據(jù)烏江多梯級樞紐通航設(shè)施排隊系統(tǒng)的排隊規(guī)則，引入適合該排隊規(guī)則的M/G/1單重休假排隊模型，求解船舶通過樞紐的平均通過時間。3）使用離散系統(tǒng)仿真技術(shù)對烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模。并運用仿真模型對數(shù)學(xué)優(yōu)化方法得到的船舶貨運組織方案進(jìn)行評價。4）基于理論優(yōu)化與仿真模擬交互作用，對數(shù)學(xué)方法得到的船舶貨運組織初步方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，得到合理高效的烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織方案。具體技術(shù)路線如圖1-1：圖1.1本文的研究思路目前烏江通航河段（烏江渡—涪陵）在多梯級樞紐建設(shè)之前一直存在航道灘多流急，航運條件差，航道等級低，航運未完全通暢，運量小，航運發(fā)展緩慢等問題，烏江貨運的主要運輸方式是散雜貨自航船，拖駁船隊或機(jī)動駁船組運輸方式極少。2004年，烏江貴州流域構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水各梯級樞紐均已動工修建，由于施工截流導(dǎo)致烏江航運中斷，烏江航運轉(zhuǎn)為區(qū)間短途運輸，到2018年烏江多梯級樞紐全線通行時，烏江航道可全年通行500t船舶，將成為貴州省與長江黃金水道對接的第二條高等級航道。烏江多梯級樞紐建設(shè)將給未來烏江這條高等級航道帶來一系列影響，給船舶的貨運組織帶來新的問題。2.1船舶貨運組織環(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，在涪陵匯入長江，全長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個水電樞紐組成烏江多梯級樞紐群，下面從航道、港口、樞紐通航設(shè)施、運輸船型等方面分析烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運通航環(huán)境。烏江多梯級樞紐區(qū)域圖見圖2-1。圖2-1烏江多梯級樞紐區(qū)域圖2.1.1貨種貨量根據(jù)貴州交通廳項目《烏江高等級航道高效貨運組織關(guān)鍵技術(shù)研究》中“貴州省烏江干流水路貨運需求預(yù)測”部分研究結(jié)果，2020年分類貨運量預(yù)測結(jié)果見表2-1：表2-1分貨類預(yù)測（單位：萬噸）上行下行合計煤炭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到運往華中、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出烏江至廣州、上海等地。對于表中時效性較強(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)行運輸。集裝箱運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。但其他河流水運發(fā)展表明、集裝箱運輸是重要的運輸方式,如長江的集裝箱運輸,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、遵義的集裝箱運輸，只能通過汽車運到重慶港裝船，而公路運費高，不經(jīng)濟(jì)，因此集裝箱運量很少。貴陽市烏江至長江水運通道一經(jīng)建成開通及烏江各水電樞紐建成，將為發(fā)展貴陽市水運集裝箱運輸創(chuàng)造有利條件。2.1.2航道烏江航道在多梯級樞紐建設(shè)之前一直存在灘多流急，航運條件差，航道等級低，運量小，航運發(fā)展緩慢等問題。隨著烏江各梯級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：水位上升淹沒險灘，流速減緩，烏江航道等級將由V級提升到IV級，船舶通航尺度將達(dá)到1.6×30×330（m），烏江航道通過能力將達(dá)到1000多萬噸，500噸級船舶將由涪陵直達(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，吞吐能力10萬t以上的只有3個，即思南、德江和沿河港，而且沿江仍以客渡碼頭、?？奎c為主。碼頭規(guī)模小，設(shè)施落后，無法滿足沿江兩岸社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。梯級樞紐興建后，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)大型貨運港口提供了基礎(chǔ)條件。根據(jù)《貴州省內(nèi)河航運發(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，其它一般港口為基礎(chǔ)，滿足資源外運中轉(zhuǎn)出口需要，發(fā)揮烏江出省通道的優(yōu)勢，計劃將新建烏江渡、楠木渡、江界河、開陽港區(qū)4個500噸級泊位，沿江渡、河閃渡、德江碼頭3個碼頭、小碼頭14個、?？奎c20個。未來計劃擴(kuò)建和新建的主要貨運港口情況見表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)計貨運吞吐能力（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)航運事業(yè)的發(fā)展并為船舶多方式聯(lián)運提供有利條件。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)項目單位構(gòu)皮灘思林沙沱彭水過船設(shè)施三級升船機(jī)升船機(jī)升船機(jī)升船機(jī)及船閘設(shè)計年通過能力萬t143341334.1510承船廂或船閘有效尺寸m59×11.7×2.560×12×2.560×12×2.559×11.4×2.3承船廂移動速度m．min-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)河常用船舶貨運組織方式無法實現(xiàn)，只能考慮自航船過通航設(shè)施運輸。2.1.5運輸船型烏江屬山區(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，船型多為尖瘦型，主機(jī)功率比平原高一倍以上。貨運的運輸方式是機(jī)動駁，一般采用半艙或深艙型式，噸位主要100～300t級，有少量500t級航行在龔灘以下。船舶呈現(xiàn)的平均噸位小、船型機(jī)型多、運輸效率較低等問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新的市場需求和適應(yīng)新的航運條件。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)揮水運優(yōu)勢的要求、各梯級樞紐間水庫蓄水、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，選擇散貨船、集裝箱船及滾裝船進(jìn)行烏江各類貨物的運輸。其中散貨船運輸煤炭、磷化工、礦石、水泥、硫磺及合成氨等貨物；集裝箱船運輸茶葉、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樞紐區(qū)域各類標(biāo)準(zhǔn)化船舶優(yōu)化設(shè)計方案。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m53.0044.0036.6555279.00100型寬m10.007.806.410.810.819.2019.2型深m2.502.403.903.9設(shè)計吃水m2.4結(jié)構(gòu)吃水m2.6方形系數(shù)0.750.7970.770.7970.7640.6470.643載重量t500300200473.930038車50車設(shè)計吃水時航速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90×290×2110×2110×2110×2441×2500×22.2烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織存在的問題2.2.1烏江多梯級樞紐區(qū)域貨物需求量及供需缺口根據(jù)貴州交通廳項目《烏江高等級航道高效貨運組織關(guān)鍵技術(shù)研究》中“貴州省烏江干流水路貨運需求預(yù)測”[1]對各類船舶的貨運量OD預(yù)測結(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散貨船運量ODOD終點起

點ABCDEA000.810201.2B0000.720.8C0.70.100.5811.9D01.50031.2E20.24.94.671.20合計：300.46萬噸表2-6集裝箱船貨運量ODOD終點起

點ABCDEA000018B00000C000040D00002.1E4.25.46.83.70合計：80.2萬噸表2-7滾裝船運量ODOD終點起

點ABCDEA000044.3B000029.8C000020.0D00005.4E6.14.23.21.30合計：114.1萬噸在考慮滾裝運輸全部不過壩和不考慮客運量的情況下，未來特征年烏江梯級樞紐區(qū)域貨運量需求和樞紐通過能力供需缺口如表2-8所示。表2-8烏江各梯級樞紐特征年過壩貨運量單位：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量均大于樞紐的年最大通過能力，到2030年，貨運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量增長的要求，加大了船舶貨運組織的難度，從而制約烏江貨運量的進(jìn)一步增長。2.2.2烏江多梯級樞紐通航存在的問題烏江多梯級樞紐的建設(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，降低運輸成本、提高運輸安全性。但另一方面，烏江多梯級樞紐的規(guī)劃和建設(shè)，是以發(fā)電為主，航運為輔，對通航設(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，對船舶的貨運組織產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：1）各梯級樞紐通航設(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，船舶不同的通過時間和通過流量使四個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)不匹配烏江各梯級樞紐建成后的水運貨運量包括區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的貨運量和水運條件改善后誘發(fā)的貨運量。烏江在樞紐在規(guī)劃時對誘發(fā)運量預(yù)測偏低，通航設(shè)施通過能力不足的問題在各梯級樞紐全部建成通航后將變得明顯。根據(jù)《貴陽市烏江水運通道研究》[20]中航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)確定烏江流域設(shè)計航道通過能力達(dá)1080萬噸/年，而各梯級樞紐通過能力遠(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)，給貨運組織帶來巨大困難。3）貨運翻壩設(shè)施建設(shè)難度大烏江是一條山區(qū)河流，烏江兩岸的地理條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，這些因素對貨物的翻壩運輸造成嚴(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)和變動回水區(qū)。常年回水區(qū)水深航寬，通行條件較好，變動回水區(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）梯級樞紐運營期水庫調(diào)峰將對通航造成影響水庫在洪水期會增加下泄流量，將對航行安全造成影響，如下泄流量過大還會導(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。為了保障各梯級樞紐間船舶的通航安全，減少水上交通事故的發(fā)生，對樞紐通航時間的限制在所難免，在洪水期烏江梯級樞紐泄洪時段將限制船舶通過各梯級樞紐，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)重時甚至?xí)璧K兩壩間庫區(qū)內(nèi)的通航，使整個烏江多梯級樞紐區(qū)域水運系統(tǒng)陷入癱瘓。而在枯水期，為了追求發(fā)電效益，航電樞紐在運營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，烏江多梯級樞紐的建設(shè)將烏江流域整個運輸系統(tǒng)帶來巨大的變化，必需站在綜合分析的角度，利用合理的方法對未來多梯級樞紐全線通航后的船舶貨運組織方式進(jìn)行研究，充分發(fā)揮水運優(yōu)勢，實現(xiàn)運輸?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樞紐建成后貨運環(huán)境的改善說明多梯級樞紐的建設(shè)給烏江流域船舶貨運組織帶來的新的機(jī)遇，其次從烏江多梯級樞紐區(qū)域未來貨運量需求發(fā)展及多梯級樞紐通航后產(chǎn)生的問題兩方面分析未來多梯級樞紐船舶貨運組織所存在的問題，提出進(jìn)行未來烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織優(yōu)化的必要性。烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織優(yōu)化是針對不同貨種的運輸特點，以綜合效益最優(yōu)為目標(biāo)，在完成預(yù)定貨運量下在已知貨物OD流量的條件下使選擇各類貨種合適的運輸方式和運輸路徑，并求得各貨類各運輸方式在各運輸路徑上的運量，對于船舶來說，還必須求得每條運輸路徑上完成分配得到的不同貨類的運量所需要的船舶數(shù)。然而，烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運組織系統(tǒng)存在空間跨度大，貨種多樣，運輸方式多樣，不同運輸方式間的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，加上樞紐有限的通航能力等問題，種種問題使其貨運系統(tǒng)存在固有的復(fù)雜性。解決這類運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的船舶貨運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，即在保證運輸線路運輸能力及運輸樞紐通過能力滿足的條件下按照廣義運輸成本最小的目標(biāo)將貨物OD流量合理地分配到具體的運輸網(wǎng)絡(luò)上，以便得出貨運網(wǎng)絡(luò)中各貨類各運輸方式在各運輸路徑上的流量。Wardrop第二原理作為一個設(shè)計原理，是面向運輸網(wǎng)絡(luò)決策者的。對公路網(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，這在實際中是不太可能的。但水路網(wǎng)絡(luò)運輸不同于公路網(wǎng)絡(luò)中車輛運輸所具有路徑選擇隨機(jī)性，水運網(wǎng)絡(luò)運輸具有一定的計劃性，船舶依靠航運公司指定的航線進(jìn)行運輸作業(yè)，這也使為烏江多梯級樞紐這種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)制定合理貨運組織方案并有效實施成為了可能。3.1貨運網(wǎng)絡(luò)定義烏江多梯級樞紐區(qū)域運輸網(wǎng)絡(luò)除水路外還存在多種運輸方式，如鐵路、航空、公路等。為了優(yōu)化多梯級樞紐區(qū)域的水路運輸，必須考慮水路和其他運輸方式相結(jié)合的運輸路徑以解決水利樞紐通過能力不足的問題。考慮三種運輸方式，只有公路運輸因其運輸網(wǎng)絡(luò)與水路運輸網(wǎng)絡(luò)銜接的最好且具有合理的成本而應(yīng)納入多梯級樞紐區(qū)域運輸網(wǎng)絡(luò)中。航空運輸運能較小且成本過高，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樞紐區(qū)域貨運網(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：將烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運網(wǎng)絡(luò)中各個功能區(qū)如港口、車站、樞紐定義為節(jié)點或中轉(zhuǎn)點。用N表示節(jié)點和中轉(zhuǎn)點集合，I為運輸網(wǎng)絡(luò)中路段集合，節(jié)點間可以通過中轉(zhuǎn)點進(jìn)行多種運輸方式聯(lián)運。（圖3-1）定義兩節(jié)點間的貨運組織方式為：o，d，l(oO,dD,lL)其中，o代表貨運起始節(jié)點，d代表貨運終止節(jié)點，l代表od之間的某種運輸路徑，O代表網(wǎng)絡(luò)中所有貨物OD起點的集合，D代表網(wǎng)絡(luò)中所有貨物OD終點的集合，L代表OD間所有運輸路徑的集合，a為某航段或路段，集合為A。圖3-1運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖3.2基本假設(shè)及說明現(xiàn)實中的梯級樞紐運輸系統(tǒng)往往包含各種影響運輸系統(tǒng)正常運行的因素，如天氣、水位、通航設(shè)施的停航檢修、船舶的停航等等。各種運輸方式及其他影響因素構(gòu)成了復(fù)雜的運輸網(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)方式為保證運輸?shù)倪B續(xù)性，在港口進(jìn)行運輸方式中轉(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)運的中轉(zhuǎn)方式。暫不考慮貨物在港口堆場存儲停留，即貨物進(jìn)入港口如有需要將立即進(jìn)行中轉(zhuǎn)運輸。3.2.2目標(biāo)函數(shù)中的運輸成本運輸成本由運輸路徑和運輸方式?jīng)Q定。按成本的支出可將其分為變動成本和固定成本。對船舶來說，變動成本包括港使費、燃料費、裝卸費和其他費用等。固定成本是指在一定的時間范圍內(nèi)，其總額不受具體運量和運距的影響而相對固定的費用，包括船舶折舊費、船員工資、管理人員工資、保險費、維修保養(yǎng)費、潤料費、物料費、供應(yīng)費、及其它經(jīng)營管理費等。[25]3.2.3廣義運輸成本函數(shù)廣義運輸成本函數(shù)表示廣義運輸成本會受到航道貨運量的影響，但烏江多梯級樞紐區(qū)域航運發(fā)展處于規(guī)劃階段，運輸成本和航道貨運量之間的相互影響機(jī)制在研究上存在一定的難度，同時烏江流域過去航運資料表明，烏江航運的廣義運輸成本變化很小。因此，暫不考慮路段廣義運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問題，為了減小排隊問題給貨運組織優(yōu)化帶來的誤差及避免對港口吞吐量約束造成的規(guī)劃模型無解的情況，假設(shè)運輸系統(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)滿足烏江貨運運輸需求。公路運輸應(yīng)作為平衡水路運輸運量的重要運輸方式，不考慮限制公路的通過能力，決策者可以根據(jù)貨運組織優(yōu)化結(jié)果確定公路運量，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)心航段的運量及流量不同，作為一個航運系統(tǒng)的決策者，更關(guān)心的問題是貨物組織方案實現(xiàn)需要產(chǎn)生的航次數(shù)及運輸路徑上水運航段所需要的船舶數(shù)量。因此，烏江多梯級樞紐區(qū)域多貨種多方式貨運組織優(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)貨運組織系統(tǒng)廣義成本最小化，對所有航線上的廣義運輸成本進(jìn)行求和，所需的廣義運輸總成本作為貨運組織優(yōu)化模型的決策指標(biāo)。貨運組織方案通過確定運輸船舶在各條運輸航線上一年的運量及船舶艘數(shù)決定。結(jié)合多梯級樞紐貨運組織特點，可以設(shè)計得到系統(tǒng)廣義成本最小的目標(biāo)函數(shù)：Min(CT)=min[]（3.1）變量：：某類船在某條運輸路徑上完成年貨運量所需的船舶艘數(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；：貨運起點；：貨運訖點；：OD起訖節(jié)點間的某條運輸路徑；：某OD起訖節(jié)點間的運輸路徑集合；：某類船在某條運輸路徑上每噸貨物廣義運輸成本函數(shù)；：型船m噸級船舶每艘船的年貨運量。3.3.2約束條件1）某類船舶某OD間貨運量與該OD間所有路徑產(chǎn)生的貨運量之和相等：（3.2）：f型船的運量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)施的各類船舶運輸航線產(chǎn)生的年總貨運量應(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際貨運通過量小于其通過能力：（3.6）：第a個路段的最大年通過能力。：是通過路段a的路徑，其值為1;否則為0。3.3.3單船年貨運量求解方法每艘船舶的年貨運量：（3.7）式中為船舶裝載因數(shù)；為總運量；為船舶年往返航次數(shù)。（3.8）船舶單航次往返時間：（3.9）式中為運距，滿載服務(wù)航速為，壓載空放的航行時間為，為船舶通過第n個樞紐時的平均時間。船舶停泊時間：（3.10）式中船舶為裝載時間，船舶為卸載時間，為其他停泊時間，如加油等。3.4求解方法以上數(shù)學(xué)模型其問題求解是在線性規(guī)劃中求解船舶艘數(shù)的整數(shù)解的規(guī)劃問題。適用分枝定界法來求解。分枝定界法既可以求解純整數(shù)規(guī)劃問題，也可以求解混合整數(shù)規(guī)劃問題。其基本思想:先求出相應(yīng)的線性規(guī)劃最優(yōu)解，如果此最優(yōu)解不符合整數(shù)條件，則將原問題分枝為若干個子問題，繼續(xù)求解，直到求出最優(yōu)解。解題步驟如下:1、不考慮整數(shù)約束，把原問題作為一般線性規(guī)劃問題求解。（1）若相應(yīng)的線性規(guī)劃問題無可行解，則整數(shù)規(guī)劃問題無可行解。（2）若求得的線性規(guī)劃問題的解為整數(shù)解，則這個解為整數(shù)規(guī)劃問題最優(yōu)解。（3）若求得的線性規(guī)劃問題的解為非整數(shù)解，則轉(zhuǎn)入第三步。2、將整數(shù)規(guī)劃問題分解為子問題，即“分枝”。3、求解分枝問題。4、檢查分枝問題。3.5單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊系統(tǒng)模型建立及應(yīng)用3.5.1排隊系統(tǒng)基本特征排隊系統(tǒng)，也稱隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng),即隨機(jī)性是排隊系統(tǒng)的一個共性。具體是指顧客來到的時間與接受服務(wù)的時間都隨各種時機(jī)與條件變化而變化的系統(tǒng)。一個排隊系統(tǒng)能抽象地描述為如下：為了獲得某種服務(wù)而到達(dá)的顧客，若不能立即獲得服務(wù)，而又允許排隊等待，則加入等待隊伍;獲得服務(wù)之后離開系統(tǒng)。圖為兩個經(jīng)典排隊模式：圖3-2經(jīng)典排隊模式實際的排隊系統(tǒng)雖然千差萬別，然而它們卻有一些共同的特征，使我們能對它們進(jìn)行統(tǒng)一的處理，主要由三個基本部分構(gòu)成：輸入過程、排隊規(guī)則和服務(wù)規(guī)則。下面結(jié)合烏江多梯級樞紐排隊系統(tǒng)的特點，對其排隊系統(tǒng)的特征進(jìn)行分析：1）輸入過程輸入過程就是刻畫船舶按怎樣的規(guī)律到達(dá)。要完全刻畫一個輸入過程需要如下三方面。=1\*GB3①船舶總體(船舶發(fā)生源)數(shù)。排隊系統(tǒng)中“顧客”可能是有限的，也可能是無限的，甚至非可數(shù)無限的。例如工廠內(nèi)出故障的機(jī)器數(shù)顯然是有限的，到達(dá)售票窗口前的顧客總體可看作是無限的，因不存在最大限制數(shù)。對于烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織優(yōu)化來說，研究的是完成一年貨運量的船舶數(shù)，但從通航設(shè)施實際運行情況及為了得到統(tǒng)計平衡下船舶的到達(dá)規(guī)律來看，船舶的數(shù)量應(yīng)該是無限的。=2\*GB3②船舶到達(dá)的類型。是單個到達(dá)，還是成批到達(dá)。為了簡化模型，方便統(tǒng)計船舶到達(dá)間隔時間分布情況，本系統(tǒng)不研究兩條或兩條以上船舶同時到達(dá)的情況。=3\*GB3③相繼船舶到達(dá)的間隔時間概率分布。令T0=0，Tn表示第n個船舶的到達(dá)時間，在顧客單個到達(dá)的情況下，有0=T0<T1<T2<…Tn<Tn+1令，τ=Tn-Tn-1,n=I,2,3,...τn是第n個船舶到達(dá)時刻與第n-1個船舶到達(dá)時刻之差，稱為第n個到達(dá)間隔時間。(inter-arrivaltime)。一般均假定{τn}獨立同分布。其分布函數(shù)一般有定長分布、二項分布、泊松流(最簡單流)、愛爾朗分布等若干種。本研究認(rèn)為船舶是不定期到達(dá)通航設(shè)施的，在一段時間到達(dá)的船舶數(shù)僅與這段時間的長短有關(guān)，不相交的時間段到達(dá)的船舶數(shù)量是相互獨立的。根據(jù)前人對內(nèi)河船舶過閘到達(dá)登記時間數(shù)據(jù)分析和車輛到港時間數(shù)據(jù)分析得出船舶和運輸車輛的到達(dá)為Poisson過程，即2個船舶或車輛相繼到達(dá)時刻之間的間隔時間T服從負(fù)指數(shù)分布,則對應(yīng)的到達(dá)數(shù)目N服從Poisson分布。[3]具體規(guī)律如下：船舶到達(dá)為Poisson過程，即最簡單流的概率分布函數(shù)為：t>0,n=0,1,2,3…為船舶平均到達(dá)率。其概率分布函數(shù)為：2）排隊規(guī)則排隊規(guī)則刻畫顧客接受服務(wù)的先后次序。也分幾種情形。一般可以分為損失制、等待制和混合制等3大類。損失制是指指如果顧客到達(dá)排隊系統(tǒng)時，所有服務(wù)臺都已被先來的顧客占用，那么他們就自動離開系統(tǒng)永不再來；等待制有三種情況為先到先服務(wù)、后到先服務(wù)、隨機(jī)服務(wù)、優(yōu)先權(quán)服務(wù)。混合制是等待制與損失制相結(jié)合的一種服務(wù)規(guī)則，一般是指允許排隊，但又不允許隊列無限長下去。具體說來，大致有三種：隊長有限、等待時間有限、逗留時間(等待時間與服務(wù)時間之和)有限。烏江各梯級樞紐排隊規(guī)則實行等待制，在只有一個方向的船舶到達(dá)樞紐時，實行先到先服務(wù)的排隊規(guī)則，即按船舶到達(dá)的先后順序調(diào)度船舶通過樞紐。但升船機(jī)通航設(shè)施服務(wù)系統(tǒng)不同于一般的單隊列服務(wù)系統(tǒng)，升船機(jī)必須同時處理來自上下游的船舶，也就是單服務(wù)員多隊列服務(wù)系統(tǒng)。當(dāng)升船機(jī)上下游分別有船舶到達(dá)的時候，船閘通常采用的方式是調(diào)度升船機(jī)有船到達(dá)的一側(cè)過壩，當(dāng)一側(cè)船舶全部通過后，再調(diào)度升船機(jī)另一側(cè)船舶通行，這種調(diào)度規(guī)則類似于城市十字路口或內(nèi)河航路交匯區(qū)的調(diào)度規(guī)則，為了處理這種特殊的排隊系統(tǒng)，考慮引入單重休假規(guī)則進(jìn)行通過時間的計算，具體分析見下節(jié)。3）服務(wù)機(jī)構(gòu)完全刻畫樞紐通航設(shè)施機(jī)構(gòu)有以下幾個方面:通航設(shè)施的數(shù)目；在任一時刻接受服務(wù)的船舶數(shù)即是單個地進(jìn)行服務(wù)還是成批地進(jìn)行服務(wù)；服務(wù)時間的分布。=1\*GB3①通航設(shè)施數(shù)量及構(gòu)成形式。從數(shù)量上說，通航設(shè)施有通航服務(wù)設(shè)施和多通航服務(wù)設(shè)施，例如三峽樞紐通航設(shè)施就是典型的多通航服務(wù)設(shè)施。烏江各梯級樞紐均只設(shè)置一個通航服務(wù)設(shè)施。從構(gòu)成形式上看，服務(wù)臺有單隊列單服務(wù)臺式及單隊列多服務(wù)臺并聯(lián)式等（見圖），通航設(shè)施的構(gòu)成形式為多隊列單服務(wù)臺，見圖=2\*GB3②通航設(shè)施服務(wù)方式。這是指在某一時刻接受服務(wù)的船舶數(shù)，它有單個服務(wù)和成批服務(wù)兩種。三峽閘室有效面積較大可以同時通行多艘船舶，而烏江各梯級樞紐通航設(shè)施承船箱一次只能服務(wù)一艘船舶。=3\*GB3③服務(wù)時間的分布。David等的研究表明[5]密西西比河部分船閘服務(wù)時間服從正態(tài)分布，本研究將給出服務(wù)時間的統(tǒng)計擬合，其服務(wù)時間概率分布函數(shù)為：則通航設(shè)施服務(wù)時間的均值為，平均服務(wù)率為，方差為；3.5.2排隊系統(tǒng)休假規(guī)則通常的服務(wù)系統(tǒng)的模式包括單隊列單服務(wù)員，如工廠的加工設(shè)備；多隊列多服務(wù)員，如超市收銀處，還有各種串并聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)等。這些排隊系統(tǒng)存在一個共同點：討論的都是單個服務(wù)員處理單個顧客隊列的情況，而對于像航道通航設(shè)施這種單服務(wù)員多個隊列的情況并不能處理（如圖）。為此，必須引入一個新的規(guī)則：服務(wù)員休假策略。休假規(guī)則排隊系統(tǒng)的產(chǎn)生是由于現(xiàn)實排隊系統(tǒng)存在允許服務(wù)臺在一段時間不接待顧客的情況而對經(jīng)典排隊系統(tǒng)進(jìn)行的一個延伸，其中暫時中斷服務(wù)的時間(一般是隨機(jī)變量)統(tǒng)稱為休假。暫時中斷服務(wù)的情況有很多種。例如:服務(wù)設(shè)施的故障或保養(yǎng)；為充分利用服務(wù)資源，在相對空閑的時候從事其他工作視為對原隊列顧客的休假；隊列中存在兩種不同的優(yōu)先級別，把優(yōu)先級別不同的顧客分成兩個隊列，在服務(wù)優(yōu)先級低的顧客的時候因高優(yōu)先級顧客的到達(dá)而中斷服務(wù)視為服務(wù)員對低優(yōu)先級顧客的休假。圖3-3通航設(shè)施排隊模式對不同的系統(tǒng)背景而言，休假規(guī)則分為兩種，單重休假規(guī)則和多重休假規(guī)則。單重休假規(guī)則是指每當(dāng)系統(tǒng)空閑時服務(wù)員開始休假，若休假結(jié)束時系統(tǒng)中有顧客等待，就開始提供服務(wù)進(jìn)入忙期并持續(xù)到系統(tǒng)再次空閑;若休假結(jié)束時系統(tǒng)中沒有顧客等待，服務(wù)員就進(jìn)入閑期，直到有顧客到達(dá)時開始進(jìn)入新的忙期。多重休假規(guī)則是在休假結(jié)束時系統(tǒng)中仍就沒有顧客等待而開始另一次獨立同分布的休假，到休假結(jié)束時系統(tǒng)中出現(xiàn)顧客等待，服務(wù)員就終止休假并開始接待顧客，直到服務(wù)臺再次變成空閑。這兩種規(guī)則的不同之處在于單重休假規(guī)則下的服務(wù)員有忙期、假期、閑期三種狀態(tài)之一。而多重休假規(guī)則的服務(wù)員只有忙期和假期。假期與閑期并不相同，對顧客而言，兩者的區(qū)別在于其間第一個到達(dá)的顧客是否立即被服務(wù);對系統(tǒng)而言，假期服務(wù)員可不在崗，而閑期雖無顧客，服務(wù)員仍在崗。3.5.3排隊模型建立內(nèi)河航道通航設(shè)施必須同時對來自上下游的船舶進(jìn)行服務(wù)，即存在上下游兩個排隊服務(wù)隊列，根據(jù)船舶通過通航設(shè)施的服務(wù)規(guī)則，可以將服務(wù)過程分為三個狀態(tài)：1.忙期。隊列L1的船舶正在接受服務(wù)，L2船舶必須等到L1的船舶通過才能接受服務(wù)。2.假期。隊列L1中有多艘船舶正在等待通過，這時L2有船舶到達(dá)，L2必須等到L1中的船舶全部通過后才能接受服務(wù)，即通航設(shè)施對L2的船舶休假。3.閑期。無船通過通航設(shè)施，通航設(shè)施處于空閑狀態(tài)，如果任一隊列有船到達(dá)將立即接受服務(wù)。通過以上分析，可以認(rèn)為船舶通過通航設(shè)施的服務(wù)過程符合單重休假規(guī)則，為此需對單重休假規(guī)則下的M/G/1樞紐排隊模型進(jìn)行詳細(xì)的描述。假設(shè)有若干船舶分別從通航設(shè)施的上下游通過通航設(shè)施，到達(dá)通航設(shè)施排隊系統(tǒng)的時間分別為t1,t2,t3…t11；t1<t2<t3…t11，當(dāng)有船連續(xù)從一個方向駛向通航設(shè)施時，形成排隊隊列L1。當(dāng)引入休假的規(guī)則后（如圖3-4），通航設(shè)施每次提供服務(wù)必須判斷當(dāng)前服務(wù)排隊隊列L1是否全部接受了服務(wù)，而L2中的船舶必須等到L1中船舶離開通航設(shè)施后才能開始接受服務(wù)。當(dāng)L1中無船舶等待通過而L2排隊隊列有船舶正接受服務(wù)，即表示通航設(shè)施對L1進(jìn)入休假期，反之亦然。當(dāng)L1，L2中均無船舶等待通過時，通航設(shè)施進(jìn)入閑期。圖3-4通航設(shè)施休假規(guī)則排隊模式第l艘船舶正在通過通航設(shè)施，總通過時間為剩余通過時間為，假設(shè)通航設(shè)施等待通過的排隊隊列里有i艘船舶，在[0,t]時間內(nèi)有i-1艘從上下游到達(dá)的船舶，則i-1艘船舶全部通過所需時間為：第i艘船舶排隊等待接受服務(wù)時間為：對上式求平均值為：令,，通航設(shè)施服務(wù)強(qiáng)度為，則：

船舶通過通航設(shè)施的平均等待時間為：船舶通過通航設(shè)施的總時間為：3.5.4船舶通過各梯級樞紐時間計算根據(jù)樞紐年通過能力大小，可以估算出各樞紐船舶到達(dá)分布及服務(wù)時間分布為：表3-1各樞紐船舶到達(dá)分布及服務(wù)時間分布樞紐船舶到達(dá)規(guī)律（possion分布）通航設(shè)施服務(wù)規(guī)律(正態(tài)分布)參數(shù)λμσ構(gòu)皮灘0.711.12.32思林0.880.62.55沙陀0.910.622.45彭水0.720.382.34利用單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊模型，可以求得穩(wěn)定狀態(tài)下船舶通過各樞紐的平均排隊時間及通過時間為：表3-2各樞紐船舶平均排隊及通過時間樞紐構(gòu)皮灘思林沙陀彭水平均排隊時間（小時）10.686.396.663.782通過時間（小時）11.786.997.284.1623.6理論優(yōu)化模型輸入?yún)?shù)計算3.6.1廣義運輸成本廣義運輸成本由路段運輸成本、中轉(zhuǎn)成本、貨種時間價值及貨損成本組成。1）船舶運輸成本船舶運輸成本受船舶船型參數(shù)成本構(gòu)成的影響，通過必要貨運費率體現(xiàn)。因此，考慮計算不同運距下各類船舶的必要貨運費率確定各運輸路徑的單位貨物船舶運輸成本。船舶成本構(gòu)成表見表3-3：表3-3船舶的成本構(gòu)成營運成本1燃料費6000元/噸2潤料費6%燃料費3事故損失費0.3元/千噸.艘4物料費營運收入2%5其他費用營運收入10%固定成本1船員工資2000002船舶年折舊費按n=20年直線折舊，5%殘值3修理費0.03%船價注：船舶港務(wù)費及港使費算入中轉(zhuǎn)成本中利用船型參數(shù)、船舶成本構(gòu)成及各運輸路徑航段運距，可以算出不同船舶在不同運距下的必要運費率。見表3-4表3-4各類船舶不同運距必要運費率單位：元/噸運距散貨船集裝箱船滾裝船500t300t200t48TEU30TEU38車50車100km14.1415.7120.0037.7139.4323.5724.43200km26.7429.7136.2971.3173.1444.5746.43300km39.6044.0052.14105.60108.9366.0069.43400km54.1360.1470.86144.86151.1490.2187.472）公路運輸成本及貨運中轉(zhuǎn)成本根據(jù)貴州省物價局《關(guān)于公路貨運成本費用及價格的調(diào)查報告》[26]及烏江實地對港口裝卸貨費用的調(diào)查確定各貨類的公路運輸成本和運輸方式間的中轉(zhuǎn)成本。見3-5：表3-5各貨類公路運輸成本單位：元/噸貨類公路運輸成本船轉(zhuǎn)車中轉(zhuǎn)成本車轉(zhuǎn)船中轉(zhuǎn)成本散貨（元/噸）10+0.62*L2115集裝箱（元/箱）50+6*L510510滾裝（元/車）10+2.8*L1515注:1．L為運輸距離，單位為km；集裝箱規(guī)格為20TEU；滾裝車載重量為12噸。2．表中所有數(shù)據(jù)均為全年平均成本。3）時間價值目前對貨物時間價值的研究較為成熟，但時間價值的計算需要大量數(shù)據(jù)，本文簡化時間價值的求解過程，根據(jù)各種貨類市場價值及運輸方式估算貨物利用不同運輸工具的時間價值:散貨：0.05元/噸·天；集裝箱：10元/TEU·天；滾裝貨：5元/車·天。4）貨損成本三種不同的運輸方式除集裝箱外，滾裝運輸與散貨運輸都存在這貨損的問題，滾裝相對較小，因此本文只考慮散貨中轉(zhuǎn)運輸?shù)呢洆p，假設(shè)散貨中轉(zhuǎn)運輸中有0.05%的貨損，貨損價值為0.2元/噸。3.6.2運輸時間1）航段運輸時間根據(jù)各類船舶平均設(shè)計航速，車輛港區(qū)間距離及通過樞紐排隊等待時間可以核算出各航段的運輸時間，見表3-6。表3-6各航段的運輸時間航段貨類烏江渡—河閃渡河閃渡—思南思南—沿河沿河—彭水下游公路水路公路水路公路水路公路水路散貨3.776.853.336.063.275.943.676.67集裝箱3.775.233.334.633.274.543.675.09滾裝3.775.383.334.763.274.673.675.242）運輸方式中轉(zhuǎn)時間為了簡化計算，各類船舶不同噸位的船型的中轉(zhuǎn)時間取其均值，見表3-7：表3-7運輸方式中轉(zhuǎn)時間船型滾裝船散貨船集裝箱船船轉(zhuǎn)車時間（h）車轉(zhuǎn)船時間（h）2.551.53）滾裝船翻壩時間滾裝船最大的優(yōu)勢就是轉(zhuǎn)運方便，不需要港口裝卸貨設(shè)備且速度較快，是三種船型中最適宜進(jìn)行水陸聯(lián)運的船型。本文利用的系列滾裝船噸位及尺寸均超過承船箱設(shè)計要求，不能通過各梯級樞紐，只能在兩壩之間運輸。而其他船型對裝卸設(shè)備要求較高，但烏江兩岸山險而陡峭，并不適合建設(shè)大的翻壩碼頭，因此只考慮滾裝船翻壩運輸，滾裝船翻壩運輸時間見表3-8：表3-8滾裝船各樞紐翻壩轉(zhuǎn)運時間樞紐烏江渡思林沙陀彭水翻壩運輸時間（h）1.24）營運時間根據(jù)航運的實際情況，設(shè)每艘船的營運時間為300天/年。3.7船舶貨運組織規(guī)劃以船舶運輸系統(tǒng)廣義成本最小為目標(biāo)，采用理論優(yōu)化模型對烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)編程優(yōu)化計算得到各類船舶完成預(yù)測年貨運量的貨運組織方案。該方案不僅對各類船舶的運輸路徑進(jìn)行了規(guī)劃組織，而且完成了各運輸路徑的船舶運力分配等問題。各類船舶貨運組織方案見表3-9至表3-11：表3-9散貨船貨運組織方案運輸路徑（━━表示水路運輸；┅┅表示公路運輸）貨運量（萬噸）散貨船運力分配（運量/船舶數(shù)量）500t300t200t1烏江渡港區(qū)━━彭水下游119.44105.182714.266002烏江渡港區(qū)┅┅河閃渡港區(qū)中轉(zhuǎn)━━彭水下游94.0385.032093003烏江渡┅┅思南━━彭水下游7.92007.921004河閃渡港區(qū)━━彭水下游25.725.7400005思南港區(qū)┅┅沿河港區(qū)中轉(zhuǎn)━━彭水下游4.53004.531006思南港區(qū)━━彭水下游12.04`12.04100007沿河港區(qū)━━彭水下游32.432.4200008河閃渡港區(qū)━━沿河港區(qū)1.83001.831009烏江渡港區(qū)━━思南港區(qū)中轉(zhuǎn)┅┅沿河港區(qū)0.38000.3810010烏江渡港區(qū)┅┅河閃渡港區(qū)中轉(zhuǎn)━━思南港區(qū)1.51001.5110011思南港區(qū)┅┅沿河港區(qū)0.5800000012河閃渡港區(qū)━━思南港區(qū)0.100000.11合計300.46248.315439.43140.11表3-10集裝箱船船舶貨運組織方案運輸路徑（━━表示水路運輸；┅┅表示公路運輸）貨運量（萬噸）集裝箱船運力分配（運量/船舶數(shù)量）48TEU30TEU1烏江渡港區(qū)━━彭水下游22.221.0281.6212河閃渡港區(qū)━━彭水下游5.45.41003思南港區(qū)━━彭水下游46.846.88004沿河港區(qū)━━彭水下游5.8005.81合計80.273.22177.422表3-11滾裝船船舶貨運組織方案運輸路徑（━━表示水路運輸；┅┅表示公路運輸）貨運量（萬噸）滾裝船運力分配（運量/船舶數(shù)量）38車50車1烏江渡港區(qū)━河閃渡港區(qū)━思南港區(qū)━沿河港區(qū)━彭水下游500050202河閃渡港區(qū)━思南港區(qū)━沿河港區(qū)━彭水下游34.20034.2123思南港區(qū)━沿河港區(qū)━彭水下游23.20023.234沿河港區(qū)━━彭水下游6.76.7100合計114.16.71107.4353.8本章小結(jié)因烏江多梯級樞紐特點，使其船舶貨運系統(tǒng)更趨復(fù)雜性，組織方式優(yōu)化有別于其他船舶貨運組織系統(tǒng)，本章針對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用多貨種多方式理論優(yōu)化模型對烏江多梯級樞紐船舶貨運組織進(jìn)行優(yōu)化，其中針對烏江多梯級樞紐的特點建立單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊系統(tǒng)模型，分析船舶通過樞紐通航設(shè)施的通過時間，最后綜合考慮各項成本及運輸時間并應(yīng)用數(shù)學(xué)理論優(yōu)化模型得到以廣義成本最小的船舶貨運組織優(yōu)化方案。由于烏江船舶貨運系統(tǒng)的復(fù)雜性，構(gòu)建的理論優(yōu)化模型與實際可能會產(chǎn)生偏差，優(yōu)化的船舶貨運組織方案的可行性需要驗證，計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展為其提供了手段。烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運組織系統(tǒng)仿真研究的目的是掌握系統(tǒng)的運動規(guī)律，反映數(shù)學(xué)優(yōu)化方法所不能反映的問題，為數(shù)學(xué)優(yōu)化得到的貨運組織方案的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。本章首先分析系統(tǒng)仿真的目的，接著研究烏江多梯級樞紐運輸系統(tǒng)特征及其基本要素，要素間的相互關(guān)系等問題，利用何種仿真平臺，接著進(jìn)行烏江多梯級樞紐系統(tǒng)建模，最后對初步方案進(jìn)行仿真模擬，檢驗初步方案實現(xiàn)過程中所存在的問題。4.1系統(tǒng)仿真及仿真目的4.1.1系統(tǒng)仿真所謂系統(tǒng)仿真（systemsimulation），就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程的、且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型，據(jù)此進(jìn)行試驗或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。利用系統(tǒng)仿真技術(shù)研究烏江梯級樞紐區(qū)域貨運組織有以下作用：1）系統(tǒng)仿真能夠考慮數(shù)學(xué)理論優(yōu)化模型所不能考慮的問題。當(dāng)系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學(xué)模型求解時，如仿真技術(shù)能有效地來處理。如船舶通過樞紐時間受各種因素影響，并不是定值，仿真模型可以按照實際過程進(jìn)行處理。2）仿真是一種人為的試驗手段。它可以對無法直接進(jìn)行實驗的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，從而節(jié)省大量的能源和費用。3）系統(tǒng)仿真是通過實驗來分析求解問題的技術(shù)，通過仿真實驗，可以比較真實地描述系統(tǒng)的運行、演變及其發(fā)展，了解系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系和系統(tǒng)狀態(tài)變化的全過程。4.1.2仿真目的對于烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運組織系統(tǒng)來說，系統(tǒng)仿真可以更好的理解系統(tǒng)在給定條件下的行為，反映出數(shù)學(xué)理論模型因其局限性而不能反映出的問題。烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運組織系統(tǒng)仿真建模應(yīng)以解決以下問題進(jìn)行：1）初步貨運組織方案能否通過仿真模擬得以實現(xiàn)？2）運輸系統(tǒng)瓶頸在哪里，采取何種方法有效解決系統(tǒng)瓶頸？3）運輸系統(tǒng)中的港口及通航設(shè)施是否存在高負(fù)荷運行的情況，采用何種過閘規(guī)則合理利用通航設(shè)施？4.2仿真系統(tǒng)分析4.2.1系統(tǒng)邊界及構(gòu)成仿真建模前應(yīng)先明確系統(tǒng)的構(gòu)成、邊界、環(huán)境和約束。