【正文】 本系統(tǒng)不研究兩條或兩條以上船舶同時(shí)到達(dá)的情況。下面結(jié)合烏江多梯級樞紐排隊(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對其排隊(duì)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)。將整數(shù)規(guī)劃問題分解為子問題，即“分枝”。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。：是通過樞紐u的路徑，其值為1。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。對船舶來說，變動成本包括港使費(fèi)、燃料費(fèi)、裝卸費(fèi)和其他費(fèi)用等。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(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)。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。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。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(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。表24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(jì)方案。各樞紐通航設(shè)施參數(shù)見表23： 表23 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t143341510承船廂或船閘有效尺寸m596012601259承船廂移動速度m．min112121212一次過壩最大船舶噸位t500500500500正常蓄水位m630440360310利用水頭m7166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。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。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。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樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)通航環(huán)境。2）根據(jù)烏江多梯級樞紐通航設(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。 1）烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織環(huán)境及存在問題分析了烏江梯級樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)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(yùn)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(yùn)組織帶來的問題，為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。國內(nèi)方面，盧方勇（2000）[14]針對永久船閘的運(yùn)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(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)。對于水運(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。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。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(jì)出烏江多梯級樞紐區(qū)域高效船舶貨運(yùn)組織方案，這對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。隨著沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)展，運(yùn)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(yùn)輸系統(tǒng)瓶頸問題日益顯現(xiàn)。烏江多梯級樞紐區(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，而針對烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。隨著烏江航運(yùn)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(yùn)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(yùn)輸大動脈。而目前針對水運(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，而針對烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。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。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。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)。朱凱（2008）[9]對三峽區(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。4）烏江多梯級樞紐區(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)對烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織進(jìn)行優(yōu)化。 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(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，將成為貴州省與長江黃金水道對接的第二條高等級航道。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。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。表22 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8500沿江渡150018江界河750075河閃渡2500思南2500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。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。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(yùn)輸成本、提高運(yùn)輸安全性。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)。第3章 烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織理論優(yōu)化模型建立及實(shí)現(xiàn)烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化是針對不同貨種的運(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)。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)納入多梯級樞紐區(qū)域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中。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(yùn)輸。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，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足烏江貨運(yùn)運(yùn)輸需求。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噸級船舶每艘船的年貨運(yùn)量。每艘船舶的年貨運(yùn)量： （）式中為船舶裝載因數(shù)；為總運(yùn)量；為船舶年往返航次數(shù)。（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。一個(gè)排隊(duì)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(duì)等待，則加入等待隊(duì)伍。對于烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織優(yōu)化來說，研究的是完成一年貨運(yùn)量的船舶數(shù)，但從通航設(shè)施實(shí)際運(yùn)行情況及為了得到統(tǒng)計(jì)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。其分布函數(shù)一般有定長分布、二項(xiàng)分布、泊松流(最簡單流)、愛爾朗分布等若干種?；旌现剖堑却婆c損失制相結(jié)合的一種服務(wù)規(guī)則，一般是指允許排隊(duì)，但又不允許隊(duì)列無限長下去。烏江各梯級樞紐均只設(shè)置一個(gè)通航服務(wù)設(shè)施。休假規(guī)則排隊(duì)系統(tǒng)的產(chǎn)生是由于現(xiàn)實(shí)排隊(duì)系統(tǒng)存在允許服務(wù)臺在一段時(shí)間不接待顧客的情況而對經(jīng)典排隊(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的一個(gè)延伸，其中暫時(shí)中斷服務(wù)的時(shí)間(一般是隨機(jī)變量)統(tǒng)稱為休假。而多重休假規(guī)則的服務(wù)員只有忙期和假期。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(duì)列有船到達(dá)將立即接受服務(wù)。因此，考慮計(jì)算不同運(yùn)距下各類船舶的必要貨運(yùn)費(fèi)率確定各運(yùn)輸路徑的單位貨物船舶運(yùn)輸成本。天。各類船舶貨運(yùn)組織方案見表39至表311：表39 散貨船貨運(yùn)組織方案運(yùn)輸路徑（━━表示水路運(yùn)輸；┅┅表示公路運(yùn)輸）貨運(yùn)量（萬噸）散貨船運(yùn)力分配（運(yùn)量/船舶數(shù)量）500t300t200t1烏江渡港區(qū)━━彭水下游276002烏江渡港區(qū)┅┅河閃渡港區(qū)中轉(zhuǎn)━━彭水下游　　2093003烏江渡┅┅思南━━彭水下游001004河閃渡港區(qū)━━彭水下游400005思南港區(qū)┅┅沿河港區(qū)中轉(zhuǎn)━━彭水下游001006思南港區(qū)━━彭水下游`100007沿河港區(qū)━━彭水下游200008河閃渡港區(qū)━━沿河港區(qū)001009　烏江渡港區(qū)━━思南港區(qū)中轉(zhuǎn)┅┅沿河港區(qū)0010010烏江渡港區(qū)┅┅河閃渡港區(qū)中轉(zhuǎn)━━思南港區(qū)0010011思南港區(qū)┅┅沿河港區(qū)00000012河閃渡港區(qū)━━思南港區(qū)00001合計(jì)54141 表310集裝箱船船舶貨運(yùn)組織方案運(yùn)輸路徑（━━表示水路運(yùn)輸；┅┅表示公路運(yùn)輸）貨運(yùn)量（萬噸）集裝箱船運(yùn)力分配（運(yùn)量/船舶數(shù)量）48TEU30TEU1烏江渡港區(qū)━━彭水下游812河閃渡港區(qū)━━彭水下游1003思南港區(qū)━━彭水下游8004沿河港區(qū)━━彭水下游001合計(jì)172表311滾裝船船舶貨運(yùn)組織方案運(yùn)輸路徑（━━表示水路運(yùn)輸；┅┅表示公路運(yùn)輸）貨運(yùn)量（萬噸）滾裝船運(yùn)力分配（運(yùn)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00123思南港區(qū)━沿河港區(qū)━彭水下游0034沿河港區(qū)━━彭水下游100合計(jì)135因?yàn)踅嗵菁墭屑~特點(diǎn)，使其船舶貨運(yùn)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(yùn)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(yùn)組織進(jìn)行優(yōu)化，其中針對烏江多梯級樞紐的特點(diǎn)建立單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊(duì)系統(tǒng)模型，分析船舶通過樞紐通航設(shè)施的通過時(shí)間，最后綜合考慮各項(xiàng)成本及運(yùn)輸時(shí)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(yùn)組織優(yōu)化方案。2）仿真是一種人為的試驗(yàn)手段。仿真研究的航段是貴州烏江通航航段，主要解決研究區(qū)域內(nèi)貨運(yùn)組織所可能產(chǎn)生的運(yùn)輸瓶頸問題，多梯級樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織仿真系統(tǒng)的重點(diǎn)應(yīng)集中在區(qū)域內(nèi)與貨運(yùn)組織有關(guān)的運(yùn)輸功能區(qū)及運(yùn)輸方式，所以系統(tǒng)由通航設(shè)施、港口、公路網(wǎng)、航道網(wǎng)，各類船舶及運(yùn)輸車輛構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)的邊界、構(gòu)成及烏江梯級樞紐區(qū)域貨運(yùn)系統(tǒng)的特征其他離散事件系統(tǒng)一樣，烏江多梯級樞紐區(qū)域離散事件運(yùn)輸系統(tǒng)的基本要素除所有系統(tǒng)都存在的基本要素以外，還存在幾個(gè)特有的元素來幫助描述系統(tǒng)的特征。如船型參數(shù)，包括類型及噸位等。一項(xiàng)活動因?yàn)槟硞€(gè)事件開始，而活動結(jié)束時(shí)又產(chǎn)生另一個(gè)事件。進(jìn)程是事件與活動的組合。有些高級Block可以通過低級Block組合而成。多梯級樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織系統(tǒng)建模應(yīng)該緊緊圍繞仿真目標(biāo)展開，側(cè)重解決初始方案遇到的問題，而解決問題的途徑是通過分析仿真運(yùn)行后得到一系列的運(yùn)輸系統(tǒng)服務(wù)水平指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的，在arena運(yùn)行過程中可以查看這些指標(biāo)的實(shí)時(shí)值，運(yùn)行結(jié)束后可以得到仿真報(bào)告，報(bào)告將以數(shù)據(jù)和圖表的形式表示這些指標(biāo)的平均值，極大極小值或方差。本節(jié)將從各子模型主要功能及邏輯流程、系統(tǒng)的進(jìn)程。這些指標(biāo)包括：1）統(tǒng)計(jì)并分析多梯級樞紐區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)中的港口泊位及通航建筑物的資源利用率； 2）運(yùn)輸系統(tǒng)中港口、通航建筑物排隊(duì)隊(duì)列的量化指標(biāo)，如排隊(duì)長度和排隊(duì)時(shí)間；3）仿真時(shí)段內(nèi)各種船舶通過各級樞紐數(shù)量和翻壩數(shù)量；4）運(yùn)輸系統(tǒng)仿真時(shí)段內(nèi)完成的貨運(yùn)量；5）船舶