【正文】 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。 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)。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(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。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。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。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)中各個功能區(qū)如港口、車站、樞紐定義為節(jié)點(diǎn)或中轉(zhuǎn)點(diǎn)。與交通規(guī)劃關(guān)心航段的運(yùn)量及流量不同，作為一個航運(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。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。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)。[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： t0, n =0, 1, 2, 3… 為船舶平均到達(dá)率。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。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(duì)服務(wù)隊(duì)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)：。見35：表35 各貨類公路運(yùn)輸成本 單位：元/噸貨類公路運(yùn)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+*L2115集裝箱（元/箱）50+6*L510510滾裝（元/車）10+*L1515注: 1．L為運(yùn)輸距離，單位為km；集裝箱規(guī)格為20TEU；滾裝車載重量為12噸。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(yùn)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(yàn)初步方案實(shí)現(xiàn)過程中所存在的問題。船舶實(shí)體到達(dá)港口或通航設(shè)施的時間是隨機(jī)的，而且到達(dá)船舶的船型特征也是隨機(jī)的。③實(shí)體對排隊(duì)規(guī)則的影響。它可以很容易地建立諸如生產(chǎn)系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)等仿真模型；并可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定仿真參數(shù)進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)模擬，從而對實(shí)際的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效分析和處理。對于烏江多梯級樞紐系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，如果在同一層視圖內(nèi)呈現(xiàn)整個系統(tǒng)的模型邏輯過程，將顯得過于繁雜且不便于系統(tǒng)的調(diào)試及參數(shù)的輸入，利用Arena的sub model功能可以將不同的子模型封閉起來，每個子模型都有自己工作空間層，如果需要對子模型進(jìn)行編輯時，可以進(jìn)入該子模型的空間層，回到頂層后，各子模型內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)過程被隱藏起來，各子模型通過信息交換的接口根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的構(gòu)成組合成貨運(yùn)組織系統(tǒng)仿真模型，這種建模方式使模型具有清晰的邏輯構(gòu)成，方便模型的設(shè)計(jì)者及使用者。由此可見，Arena提供了一個可以適用于各種建模水平的仿真環(huán)境，兼?zhèn)湟子眯院挽`活性兩方面的優(yōu)點(diǎn)。例如船舶通過升船機(jī)的例子中，船舶到達(dá)開始排隊(duì)等候，到接受升船機(jī)而最終離開可稱為一個進(jìn)程。2）屬性屬性是實(shí)體行為相同或相近的特征描述，一般是實(shí)體所擁有的全部特征的一個子集，用特征參數(shù)或變量表示，可以作為屬性的特征參數(shù)和變量通?？梢苑譃槿N：①實(shí)體的類型。包含和不包含的功能以是否影響系統(tǒng)仿真目標(biāo)實(shí)現(xiàn)為劃分標(biāo)準(zhǔn)，在達(dá)到仿真目的的情況下盡可能的簡化模型。該方案不僅對各類船舶的運(yùn)輸路徑進(jìn)行了規(guī)劃組織，而且完成了各運(yùn)輸路徑的船舶運(yùn)力分配等問題。1）船舶運(yùn)輸成本船舶運(yùn)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(yùn)費(fèi)率體現(xiàn)。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。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。一般均假定{τn}獨(dú)立同分布。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)。否則為0。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。為了優(yōu)化多梯級樞紐區(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。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(yùn)輸造成嚴(yán)重影響。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)不能滿足新的市場需求和適應(yīng)新的航運(yùn)條件。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，30330（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。具體技術(shù)路線如圖11： 本文的研究思路第2章 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(yùn)條件差，航道等級低，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)動駁船組運(yùn)輸方式極少。針對樞紐區(qū)域的運(yùn)輸組織仿真研究目前還較少。該模型被應(yīng)用于智利圣地亞哥市的ESTRAUS項(xiàng)目。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。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，為此本文針對烏江多梯級樞紐區(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)出烏江多梯級樞紐區(qū)域高效船舶貨運(yùn)組織方案。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 內(nèi)河樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織方式研究烏江多梯級樞紐區(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。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，但該研究對船舶通過三峽樞紐的通過時間考慮不足。2）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)根據(jù)烏江多梯級樞紐區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(yùn)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(duì)模型，求解船舶通過各樞紐的時間，對各運(yùn)輸路徑的運(yùn)輸時間計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。烏江多梯級樞紐區(qū)域圖見圖21。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)。表24 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 m5552100型寬 m型深 m設(shè)計(jì)吃水 m結(jié)構(gòu)吃水 m方形系數(shù)載重量 t50030020030038車50車設(shè)計(jì)吃水時航速km/h千噸公里油耗kg/主機(jī)功率90290211021102110244125002根據(jù)貴州交通廳項(xiàng)目《烏江高等級航道高效貨運(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” [1]對各類船舶的貨運(yùn)量OD預(yù)測結(jié)果見表25至27（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。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(yùn)系統(tǒng)陷入癱瘓。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)。因此，烏江多梯級樞紐區(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。適用分枝定界法來求解。要完全刻畫一個輸入過程需要如下三方面。其概率分布函數(shù)為：2）排隊(duì)規(guī)則排隊(duì)規(guī)則刻畫顧客接受服務(wù)的先后次序。③服務(wù)時間的分布。隊(duì)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．表中所有數(shù)據(jù)均為全年平均成本。所謂系統(tǒng)仿真（system simulation），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(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。2）港口或通航設(shè)施的活動受離散事件的驅(qū)動。對船舶實(shí)體建立不同的“優(yōu)先級”屬性可以幫助建立“按優(yōu)先級排隊(duì)”的規(guī)則建立，如集裝箱船因時效性強(qiáng)的特點(diǎn)過壩時應(yīng)優(yōu)先。Arena基于面向?qū)ο蟮乃枷牒徒Y(jié)構(gòu)化的建模概念，將專用仿真語言的靈活性和仿真器的易用性很好地融合到一起，直接根據(jù)實(shí)際運(yùn)行流程構(gòu)建仿真模型，符合常規(guī)的思維習(xí)慣。為了完整的建立貨運(yùn)組織系統(tǒng)并體現(xiàn)面向?qū)ο蠼７绞降囊子眯院屯ㄓ眯蕴攸c(diǎn)，貨運(yùn)組織系統(tǒng)的仿真建模將在面向?qū)ο笏枷虢；A(chǔ)上結(jié)合離散系統(tǒng)仿真的仿真建模過程根據(jù)各功能區(qū)的不同功能建立五個不同的子模型，即船舶生成子模型、升船機(jī)子模型、港口子模型、船舶翻壩子模型、運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型。Arena可以通過可視化的仿真環(huán)境將各層次的建模方法交替使用，獲得不同的建模能力。一個進(jìn)程描述了它所包括的事件及活動間的相互邏輯關(guān)系及時序關(guān)系。系統(tǒng)中臨時實(shí)體的到達(dá)和離開及實(shí)體之間的相互作用促使系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化。在仿真建模之前的系統(tǒng)分析階段必須定義系統(tǒng)邊界，只有明確了系統(tǒng)邊界，才能繼續(xù)進(jìn)行下面的分析、設(shè)計(jì)等工作。 以船舶運(yùn)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(yùn)組織進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)編程優(yōu)化計(jì)算得到各類船舶完成預(yù)測年貨運(yùn)量的貨運(yùn)組織方案。圖 34通航設(shè)施休假規(guī)則排隊(duì)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(duì)隊(duì)列里有i艘船舶，在[0,t]時間內(nèi)有i1艘從上下游到達(dá)的船舶，則i1艘船舶全部通過所需時間為：第i艘船舶排隊(duì)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：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31 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)皮灘思林沙陀彭水利用單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊(duì)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(duì)時間及通過時間為：表32 各樞紐船舶平均排隊(duì)及通過時間樞紐構(gòu)皮灘思林沙陀彭水平均排隊(duì)時間（小時）通過時間（小時）廣義運(yùn)輸成本由路段運(yùn)輸成本、中轉(zhuǎn)成本、貨種時間價值及貨損成本組成。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(dú)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。①通航設(shè)施數(shù)量及構(gòu)成形式。(interarrival time)。排隊(duì)系統(tǒng)，也稱隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng), 即隨機(jī)性是排隊(duì)系統(tǒng)的一個共性。：是通過路段a的路徑，其值為1。因此，暫不考慮路段廣義運(yùn)輸成本受貨流量的影響。烏江多梯級樞紐區(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。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。貨運(yùn)的運(yùn)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。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(yùn)條件差，航道等級低，運(yùn)量小，航運(yùn)發(fā)展緩慢等問題。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(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樞紐區(qū)域船舶貨運(yùn)組織方案。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