【文章內容簡介】 三級升船機升船機升船機升船機及船閘設計年通過能力萬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樞紐通航設施建設將為船舶通航提供條件，而且為了合理利用通航設施船閘或升船機的有效面積，將促使船舶逐步標準化。從表23中可以看出，各通航設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施運輸。烏江屬山區(qū)河流，各樞紐建設前，為適應山區(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，主機功率比平原高一倍以上。貨運的運輸方式是機動駁，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、船型機型多、運輸效率較低等問題，遠遠不能滿足新的市場需求和適應新的航運條件。各樞紐建設后，由于存在地區(qū)經(jīng)濟發(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)域船舶的標準化、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24為《貴州省兩江一河（烏江）高等級航道主要船型標準化研究》[25]通過技術經(jīng)濟論證確定的烏江未來梯級樞紐區(qū)域各類標準化船舶優(yōu)化設計方案。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設計吃水 m結構吃水 m方形系數(shù)載重量 t50030020030038車50車設計吃水時航速km/h千噸公里油耗kg/主機功率90290211021102110244125002根據(jù)貴州交通廳項目《烏江高等級航道高效貨運組織關鍵技術研究》中“貴州省烏江干流水路貨運需求預測” [1]對各類船舶的貨運量OD預測結果見表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。下同）(單位：萬噸)：表25 散貨船運量ODOD終點起點　ABCDEA0 00 B000C0 D00 0 E 0 合計：表26 集裝箱船貨運量ODOD終點起點　ABCDEA0 0 0 018 B00 0 00C0 00 040D000 0 E 0合計：表27 滾裝船運量ODOD終點起點　ABCDEA0 0 0 0 B00 0 0 C000 0 D000 0 E 0 合計：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28所示。表28 烏江各梯級樞紐特征年過壩貨運量 單位：萬噸 樞紐年份構皮灘思林沙沱彭水2020年上行下行合計供需缺口無缺口無缺口2030年上行下行合計供需缺口根據(jù)各樞紐年通過能力結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一步增長。烏江多梯級樞紐的建設改善了烏江流域的航道條件，推進船舶標準化、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，是以發(fā)電為主，航運為輔，對通航設施的規(guī)劃和建設并不重視，航電樞紐礙航現(xiàn)象較為嚴重，對船舶的貨運組織產生一定的負面影響。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：1）各梯級樞紐通航設施建設通過能力不統(tǒng)一烏江構皮灘至龔灘流域梯級樞紐通航設施承船箱不統(tǒng)一的尺度規(guī)劃給船型標準化帶來困難，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施年通過能力為510萬噸/年，最小的通航設施只有140萬噸/年，樞紐通航設施不統(tǒng)一的建設規(guī)模，直接形成“短板”效應，產生新的運輸系統(tǒng)“瓶頸”。2）通航設施通過能力與航道建設標準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)運量預測偏低，通航設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]中航道建設標準確定烏江流域設計航道通過能力達1080萬噸/年，而各梯級樞紐通過能力遠遠小于航道通過能能力，無法滿足不了航道的建設標準，給貨運組織帶來巨大困難。3）貨運翻壩設施建設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存在巨大困難。以構皮灘樞紐為例，樞紐上下游適合建設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大型翻壩碼頭，且構皮灘樞紐附近的山體并不適合建設翻壩盤山公路，這些因素對貨物的翻壩運輸造成嚴重影響。4）航道條件仍不完善構皮灘、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雜的烏江航道變得更為復雜。5）梯級樞紐運營期水庫調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)及航道內滯留，嚴重時甚至會阻礙兩壩間庫區(qū)內的通航，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。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給烏江流域船舶貨運組織帶來的新的機遇，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。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)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，在完成預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)存在固有的復雜性。解決這類運輸網(wǎng)絡系統(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將貨物OD流量合理地分配到具體的運輸網(wǎng)絡上，以便得出貨運網(wǎng)絡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計原理，是面向運輸網(wǎng)絡決策者的。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)絡運輸不同于公路網(wǎng)絡中車輛運輸所具有路徑選擇隨機性，水運網(wǎng)絡運輸具有一定的計劃性，船舶依靠航運公司指定的航線進行運輸作業(yè)，這也使為烏江多梯級樞紐這種復雜網(wǎng)絡制定合理貨運組織方案并有效實施成為了可能。烏江多梯級樞紐區(qū)域運輸網(wǎng)絡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)絡與水路運輸網(wǎng)絡銜接的最好且具有合理的成本而應納入多梯級樞紐區(qū)域運輸網(wǎng)絡中。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)絡形成運輸網(wǎng)絡過于復雜而被排除。因此，本文研究的烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運網(wǎng)絡由公路網(wǎng)、水路網(wǎng)、港口、樞紐、中轉車站組成。為了方便后文構造數(shù)學模型，先對相關變量和有關參數(shù)進行抽象定義和說明：將烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運網(wǎng)絡中各個功能區(qū)如港口、車站、樞紐定義為節(jié)點或中轉點。用N表示節(jié)點和中轉點集合，I為運輸網(wǎng)絡中路段集合，節(jié)點間可以通過中轉點進行多種運輸方式聯(lián)運。（圖31）定義兩節(jié)點間的貨運組織方式為：o，d，l(oO, d D, 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)絡中所有貨物OD起點的集合，D代表網(wǎng)絡中所有貨物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31 運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡圖現(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成了復雜的運輸網(wǎng)絡，為了減少復雜情況帶來的建模困難，有必要在建模之前做出如下假設及說明：為保證運輸?shù)倪B續(xù)性，在港口進行運輸方式中轉只考慮船舶進港卸貨直接裝車或車輛進港后直接裝船兩種水陸聯(lián)運的中轉方式。暫不考慮貨物在港口堆場存儲停留，即貨物進入港口如有需要將立即進行中轉運輸。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，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、供應費、及其它經(jīng)營管理費等。 [25]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。港口同通航設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，假設運輸系統(tǒng)各港口的吞吐量不受限制。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，遠遠滿足烏江貨運運輸需求。公路運輸應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)化結果確定公路運量，為公路建設做出建議。樞紐通過能力在2. 1節(jié)已說明。與交通規(guī)劃關心航段的運量及流量不同，作為一個航運系統(tǒng)的決策者，更關心的問題是貨物組織方案實現(xiàn)需要產生的航次數(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)化模型的目標函數(shù)將以各船型船舶艘數(shù)為自變量。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。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。結合多梯級樞紐貨運組織特點，可以設計得到系統(tǒng)廣義成本最小的目標函數(shù)：Min (CT) =min [] （）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。1）某類船舶某OD間貨運量與該OD間所有路徑產生的貨運量之和相等： （）：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貨流設置裕度：