【導(dǎo)讀】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)濟和航運事業(yè)帶來了新的契機，烏江干流梯級水利樞紐將配套建設(shè)通航設(shè)。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。角度分析，而針對烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。證，計算機仿真技術(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)。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

　　

【正文】 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)《貴武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 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遇， 其次從烏江多梯級樞紐武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 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。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 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(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。 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?？紤]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)進行 抽象 定義和說明 ： 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 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(o?O, d ?D, l?L) 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。 烏江渡港區(qū)車站 1 車站 2 車站 3 車站 4閃河渡港區(qū) 思南港區(qū) 沿河港區(qū) 彭水下游構(gòu)皮灘樞紐 思林樞紐 沙沱樞紐 彭水樞紐圖 31 運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖 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： 中轉(zhuǎn)方式 為保證運輸?shù)倪B續(xù)性， 在港口進行 運輸方式中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn) 運輸。 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武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 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] 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。 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 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。 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。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 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 [( ) ( ),f o dododfm l fm lfmf F m M o d l LQ CX? ? ?? ? ? ?] （ ） 變量： odfmlX ： 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)： f ： 某一類船舶 ； F ： 船舶的類型 集合 ； m ： 船舶噸位類型； ()Mf: f 船舶噸位類型 集合； o ： 貨運起點； d ： 貨運 訖 點； l ： OD 起訖 節(jié)點 間的 某條 運輸路徑 ； ()Lod ： 某 OD 起訖 節(jié)點間的運輸路徑 集合 ； odfmlC ： 某類船 在某條運輸路徑上 每噸貨物 廣義 運輸成本 函數(shù) ； fmQ ： f 型船 m 噸 級船舶 每艘船的年貨運量 。 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 ： 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 ()( ) ( )ff o dod odfm lfmm M l L X????? ,od f? （ ） ()fodQ ： 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 ： ( ) ( ) ( )0. 99 1. 01f f fod od odQ Q Q?? （ ） 3） 某類船在某條運輸路徑上 船舶艘數(shù) 應(yīng)大于 等于 0： 0odfmlX ? , , , ,o d f m l? （ ） 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 ： ( ) ( ),f o dodod ufm l ulfmf F m M o d l LVQ X ?? ? ??? ? ? ? u? （ ） uV ：第 u 個樞紐的年通過能力。 ,odul? ： l 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 ： ( ) ( ),f o dodod afm l alfmf F m M o d l LVQ X ?? ? ??? ? ? ? a? （ ） aV ： 第 a 個路段的最大年通過能力。 ,odal? ： l 是通過路段 a 的路徑 ，其值為 1。否則為 0。 單船年貨 運量求解方法 每艘船舶的年貨運量 ： 2 D D TQ C f R? ? ?? （ ） 式中 Df 為 船舶裝載因數(shù) ； DC 為總運量； TR 為 船舶年往返航次數(shù) 。 DTDDOR SP? ? （ ） 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 22 船舶單航次往返時間 DS ： ()1 .1AAD G nssDDSTVV? ? ? （ ） 式中 AD 為運距，滿載服務(wù)航速為 sV ， 壓載空放的航行時間為 ， ()GnT 為船舶通過第 n 個樞紐時的平均時間。 船舶停泊時間 DP ： D L U OP T T T? ? ? （ ） 式中 LT 船舶為裝載時間， UT 船舶為卸載時間， OT 為其他停泊時間，如加油等。 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 : 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