【正文】 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(nèi)滯留，嚴重時甚至會阻礙兩壩間庫區(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 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。 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，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。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、 18 中轉(zhuǎn)車站 組成。 為了方便后文構(gòu)造數(shù)學模型，先對相關(guān)變量和有關(guān)參數(shù)進行抽象定義和說明： 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)成了復雜的運輸網(wǎng)絡(luò)，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(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。 19 目標函數(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] 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，遠遠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)化模型的目標函數(shù)將以各船型船舶艘數(shù)為自變量。 20 目標函數(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。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： 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 fo d o d o dQ 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? ? （ ） 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。 將整數(shù)規(guī)劃問題分解為子問題，即“分枝”。 求解分枝問題。 檢查分枝問題。 23 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 排隊系統(tǒng)基本特征 排隊系統(tǒng)， 也稱隨機服務(wù)系統(tǒng) , 即隨機性是排隊系統(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： 顧 客 接 受 服務(wù)排 隊顧 客 到 達 顧 客 離 開 顧 客 接 受 服務(wù)排 隊顧 客 到 達顧 客 離 開顧 客 接 受 服務(wù)顧 客 離 開顧 客 接 受 服務(wù)顧 客 離 開 圖 32 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。要完全刻畫一個輸入過程需要如下三方面。 ① 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)出故障的機器數(shù)顯然是有限的，到達 24 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規(guī)律來看，船舶的數(shù)量應(yīng)該是無限的。 ② 船舶到達的類型。是單個到達，還是成批到達。為了簡化模型，方便統(tǒng)計船舶到達間隔時間分布情況，本系統(tǒng)不研究兩條或兩條以上船舶同時到達的情況。 ③ 相繼船舶到達的間隔時間概率分布。 令 T0=0， Tn 表示第