【正文】 是成批到達(dá)。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(dá)規(guī)律來看，船舶的數(shù)量應(yīng)該是無限的。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。要完全刻畫一個輸入過程需要如下三方面。圖 為兩個經(jīng)典排隊模式：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(jìn)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。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(dá)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。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。求解分枝問題。（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。（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。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。適用分枝定界法來求解。船舶停泊時間： （）式中船舶為裝載時間，船舶為卸載時間，為其他停泊時間，如加油等。每艘船舶的年貨運量： （）式中為船舶裝載因數(shù)；為總運量；為船舶年往返航次數(shù)。：是通過路段a的路徑，其值為1。否則為0。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： （）3）某類船在某條運輸路徑上船舶艘數(shù)應(yīng)大于等于0： （）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： （）：第u個樞紐的年通過能力。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。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。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。樞紐通過能力在2. 1節(jié)已說明。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)滿足烏江貨運運輸需求。因此，暫不考慮路段廣義運輸成本受貨流量的影響。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。按成本的支出可將其分為變動成本和固定成本。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)運輸。圖31 運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)施的停航檢修、船舶的停航等等。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(jìn)行多種運輸方式聯(lián)運。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?？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。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。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。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。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)。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(jìn)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。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。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。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)。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。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。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：1）各梯級樞紐通航設(shè)施建設(shè)通過能力不統(tǒng)一烏江構(gòu)皮灘至龔灘流域梯級樞紐通航設(shè)施承船箱不統(tǒng)一的尺度規(guī)劃給船型標(biāo)準(zhǔn)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(shè)施年通過能力為510萬噸/年，最小的通航設(shè)施只有140萬噸/年，樞紐通航設(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”。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，降低運輸成本、提高運輸安全性。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(gòu)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(jié)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(gòu)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。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(guān)鍵技術(shù)研究》中“貴州省烏江干流水路貨運需求預(yù)測” [1]對各類船舶的貨運量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。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。各樞紐建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化、大型化的發(fā)展。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。從表23中可以看出，各通航設(shè)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(nèi)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(shè)施運輸。沙沱、思林、構(gòu)皮灘、彭水四座樞紐在建中，其過船建筑物與樞紐工程同步實施。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)計貨運吞吐能力（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)航運事業(yè)的發(fā)展并為船舶多方式聯(lián)運提供有利條件。根據(jù)《貴州省內(nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃》，烏江沿江港口將以開陽港、江界河等地區(qū)重要港口為重點，其它一般港口為基礎(chǔ)，滿足資源外運中轉(zhuǎn)出口需要，發(fā)揮烏江出省通道的優(yōu)勢，計劃將新建烏江渡、楠木渡、江界河、開陽港區(qū)4個500噸級泊位，沿江渡、河閃渡、德江碼頭3個碼頭、小碼頭14個、?？奎c20個。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)。烏江貴州省境內(nèi)現(xiàn)有大小港口4個，吞吐能力10萬t以上的只有3個，即思南、德江和沿河港，而且沿江仍以客渡碼頭、?？奎c為主。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。烏江航道在多梯級樞紐建設(shè)之前一直存在灘多流急，航運條件差，航道等級低，運量小，航運發(fā)展緩慢等問題。烏江流域目前只有少量貴陽、遵義的集裝箱運輸，只能通過汽車運到重慶港裝船，而公路運費高，不經(jīng)濟，因此集裝箱運量很少。集裝箱運輸目前在烏江流域還屬于初步發(fā)展階段，除烏江渡港區(qū)內(nèi)主要港口開陽港外，沿岸其他港口并不具備進(jìn)行集裝箱裝卸作業(yè)的能力。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出烏江至廣州、上海等地。煤炭主要是織金、甕安、福泉等地煤礦經(jīng)由烏江渡港區(qū)或江河界碼頭水運外銷湖北、江蘇、上海等地區(qū)。烏江多梯級樞紐區(qū)域圖見圖21。烏江自西南向東北蜿蜒流經(jīng)貴州省中部和重慶市邊陲，在涪陵匯入長江，全長1037km。 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)致烏江航運中斷，烏江航運轉(zhuǎn)為區(qū)間短途運輸，到2018年烏江多梯級樞紐全線通行時，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。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)域船舶貨運組織方案。3）使用離散系統(tǒng)仿真技術(shù)對烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模。1）在研究已有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型及分析烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上，提出了以廣義成本最小為目標(biāo)的烏江多梯級樞紐區(qū)域多貨種多方式船舶貨運組織優(yōu)化模型。4）烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運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)和計算機仿真技術(shù)對烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織進(jìn)行優(yōu)化。3）烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織仿真建模與實現(xiàn)鑒于數(shù)學(xué)方法不能全面分析貨運組織方案優(yōu)劣的缺點，提出利用計算機仿真技術(shù)對多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織系統(tǒng)進(jìn)行分析。2）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)根據(jù)烏江多梯級樞紐區(qū)域運輸系統(tǒng)的特點，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排隊模型，求解船舶通過各樞紐的時間，對各運輸路徑的運輸時間計算提供數(shù)據(jù)支撐?？偟膩碚f，計算機仿真技術(shù)在水運運輸領(lǐng)域已有研究，但針對樞紐區(qū)域船舶貨運組織的仿真研究還較少，特別對多梯級樞紐這種存在多貨種，多運輸方式，多運輸路徑，多級排隊的復(fù)雜運輸系統(tǒng)的仿真研究還處于空白階段。朱凱（2008）[9]對三峽區(qū)域運輸情況進(jìn)行了計算機仿真建模研究，通過仿真運算發(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間之間的量化關(guān)系。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)計方案的論證研究中，仿真了規(guī)劃水域的船舶交通流狀況，為港口規(guī)劃設(shè)計方案的評估論證提供了參考依據(jù)。沙梅（2006）[16]對通用性集裝箱碼頭工藝方案設(shè)計仿真系統(tǒng)進(jìn)行了研究。LAIKK[13] (2000)等用仿真技術(shù)對3種可能的道口擴容方法進(jìn)行評估，目的是提高港口經(jīng)營工作的效率以適應(yīng)集裝箱量的快速增長。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，時間，目的等)。 交通仿真建模研究計算機仿真技術(shù)在各種領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在交通運輸領(lǐng)域，仿真技術(shù)也得到了一定的應(yīng)用。劉鐵鑫（2010）[10]根據(jù)運輸網(wǎng)絡(luò)流分配理論和運輸路徑選擇優(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輸費用的綜合運輸網(wǎng)絡(luò)平衡優(yōu)化模型，并利用k優(yōu)運輸路徑的遺傳算法來求解多貨種多方式的綜合貨運組織優(yōu)化模型并將模型運用到三峽樞紐區(qū)域貨運組織方式優(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。韓?。?008）[8]為了實現(xiàn)交通網(wǎng)絡(luò)混合交通流隨機平衡分配，分析了廣義費用下多用戶多方式的路徑選擇機理與網(wǎng)絡(luò)平