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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063 )

目前，對于樞紐區(qū)域貨運組織系統(tǒng)的研究主要集中在局部分析系統(tǒng)瓶頸[1-2]方面，而從總體上定量分析多梯級樞紐區(qū)域貨運組織系統(tǒng)的還不太多。對于貨運組織方案的設(shè)計及航線配船問題過去通常采用的方法是通過建立數(shù)學(xué)規(guī)劃進行求解。數(shù)學(xué)規(guī)劃方法可以在給定約束條件下求得目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，但目標(biāo)函數(shù)的目標(biāo)局限性使得優(yōu)化結(jié)果缺乏全面的評價。仿真方法可以很好地彌補數(shù)學(xué)方法的不足，但仿真方法只能給問題的較優(yōu)解，而無法給出最優(yōu)解。本文將以烏江梯級樞紐區(qū)域的貨運組織優(yōu)化為例，在介紹綜合利用數(shù)學(xué)分析和仿真模擬的方法的基礎(chǔ)上，說明利用計算機仿真技術(shù)對貴州省內(nèi)烏江流域運輸網(wǎng)絡(luò)進行仿真建模優(yōu)化的過程，分析均衡利用系統(tǒng)資源的高效貨運組織方案。

1 計算機仿真優(yōu)化

計算機仿真的實現(xiàn)過程(見圖1a))中方案設(shè)計通常根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計，這類初步方案進行仿真模擬優(yōu)化結(jié)果只能得到較優(yōu)的方案，而利用數(shù)學(xué)模型求解多目標(biāo)最優(yōu)解設(shè)計的初步方案，能更好地結(jié)合仿真模型求解最優(yōu)方案,見圖1b)。

圖1 仿真優(yōu)化實現(xiàn)過程

1.1 問題描述

梯級樞紐區(qū)域運輸系統(tǒng)建模與仿真的目標(biāo)是側(cè)重解決利用理論方法求解的初始方案中所存在的問題。

1)通過仿真技術(shù)驗證數(shù)學(xué)規(guī)劃方案的實現(xiàn)情況；

2)運輸系統(tǒng)存在的貨運組織瓶頸，研究改進方法有效解決系統(tǒng)瓶頸；

3)運輸系統(tǒng)中的港口及通航設(shè)施運行頻率情況，探討合理利用通航設(shè)施的過閘規(guī)則。

1.2 系統(tǒng)描述

1)系統(tǒng)邊界。本研究主要解決研究區(qū)域內(nèi)所可能產(chǎn)生的運輸瓶頸問題，考察對象為研究區(qū)域內(nèi)各節(jié)點間的貨物組織方式，系統(tǒng)的上游邊界為烏江渡港區(qū)，下游邊界為沿河港區(qū)，運輸系統(tǒng)只考慮從上下游邊界或各港區(qū)進入運輸系統(tǒng)的船舶或運輸車輛。

2)系統(tǒng)基本構(gòu)成。梯級樞紐區(qū)域貨運組織研究重點應(yīng)集中在區(qū)域內(nèi)與系統(tǒng)有關(guān)的運輸功能區(qū)及運輸方式，所以系統(tǒng)應(yīng)由通航設(shè)施、港口、公路網(wǎng)、航道網(wǎng)，船舶及運輸車輛構(gòu)成，見圖2。

——河道；------公路

3)服務(wù)方式。運輸系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)主要有升船機和港口泊位。裝卸貨物的服務(wù)時間服從正態(tài)分布。對于升船機服務(wù)過程，可以分為以下部分：到達升船機并排隊等待、進入引航道并開始進入承船箱、承船箱移動到指定位置、船舶出承船箱、承船箱調(diào)整就緒至可接受下次船舶進箱[3]。

服務(wù)采用先到先服務(wù)(FIFO)的方式[4]。

1.3 仿真模型搭建

Arena軟件是面向?qū)ο蟮慕７抡孳浖?，利用Arena軟件分別對研究區(qū)域內(nèi)的不同功能區(qū)進行模塊化建模，具體包括：升船機模塊、港口泊位裝卸模塊、船舶翻壩模塊、船舶和運輸車輛生成器、運輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊、船舶和運輸車輛控制器。船舶及運輸車輛生成器的作用是根據(jù)船舶及運輸車輛到達方式生成具有不同類型和不同目的地屬性的船舶或車輛，而控制器的作用在與在不同節(jié)點和功能區(qū)內(nèi)對船舶或車輛的行駛路徑進行控制，以達到模擬方案的目標(biāo)。圖3為船舶到達水路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行流程圖。

圖3 船舶到達水路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行流程

2 仿真模型應(yīng)用

2.1 案例描述

烏江內(nèi)河運輸網(wǎng)絡(luò)研究區(qū)域內(nèi)存在4個不同港區(qū)和一個下游邊界，共6個貨物進出口節(jié)點，各節(jié)點間產(chǎn)生的貨運量構(gòu)成貨運量OD矩陣。船舶進入運輸系統(tǒng)的到達方式為Poisson過程，即2個船舶相繼到達時刻之間的間隔時間τ服從負指數(shù)分布[5]。系統(tǒng)的服務(wù)資源為升船機和港口泊位，研究區(qū)域內(nèi)共有3個樞紐，每個樞紐均設(shè)置一個可雙向通行的升船機，但每個升船機的上下游水頭差并不相同，也就是服務(wù)時間不同。研究區(qū)域內(nèi)共有8個主要港口，其中5個港口集中在烏江渡至構(gòu)皮灘航段，其它港口則分別位于另外3個航段?？紤]到烏江渡至構(gòu)皮灘的5個港口均處于研究區(qū)域內(nèi)3個樞紐之外，其它理位置不會給仿真模型帶來太大影響，且為了簡化計算和減少數(shù)據(jù)搜集的難度，本模型將將5個港口劃分為一個港區(qū)，共10個泊位。其它港口均有2個泊位。

2.2 仿真變量和仿真參數(shù)設(shè)置

在模型運行前首先輸入各個模塊的參數(shù)指標(biāo)，部分參數(shù)指標(biāo)以分布的形式輸入。通過建立以最小成本為目標(biāo)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，得到初步貨運組織方案，然后通過控制每個入口的船舶生成量并附目的地屬性及在運輸系統(tǒng)節(jié)點對貨物流量比例進行調(diào)節(jié)的方法完成貨運組織方案的輸入。

1)船舶生成模塊。船舶到達規(guī)律；完成全年貨運量所需要的船舶數(shù)量；不同的船型的船舶數(shù)量(按噸位和功能劃分)。

2)運輸系統(tǒng)節(jié)點模塊。不同船舶選擇進入港口卸貨的數(shù)量；不同運輸車輛選擇進入港口卸貨的數(shù)量；不同船舶選擇過升船機的數(shù)量。

3)港口模塊。港口泊位數(shù)；船舶進港靠泊時間；船舶離港時間；各型船舶貨物轉(zhuǎn)運時間；各型船舶卸貨時間；各型船舶裝貨時間。

4)升船機。當(dāng)升船機等待船舶數(shù)量不足時調(diào)動錨地船舶的數(shù)量；船舶到導(dǎo)航墻的時間；船舶到錨地時間；船舶從錨地到導(dǎo)航墻時間；船舶從導(dǎo)航墻到升船機時間；升船機承船箱門開啟關(guān)閉時間；船舶進入和離開承船箱時間；升船機上下游水頭落差；承船箱移動速度；船舶離開導(dǎo)航墻的時間。

仿真運輸系統(tǒng)的運行時間設(shè)置為365 d以完成1年貨運量，仿真系統(tǒng)工作時間為16 h/d，重復(fù)運行周期為10次以保證仿真輸出指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

2.3 仿真運行結(jié)果分析

運行此模型，仿真結(jié)束后系統(tǒng)將自動生成統(tǒng)計文件，顯示模型中所有統(tǒng)計的仿真指標(biāo)。部分仿真指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 初始方案仿真輸出結(jié)果

注：利用率指平均每天的利用率。

由表2可見，初始方案中，下行船舶過構(gòu)皮灘樞紐的排隊時間明顯高于下行船舶過思林樞紐和沙沱樞紐的時間，平均達到了32.03 h，已經(jīng)形成了明顯的堵船現(xiàn)象。另外，構(gòu)皮灘樞紐每天利用率均值已經(jīng)達到90%，長時間高負荷的運行會造成升船機故障頻發(fā)，而升船機發(fā)生故障又會引起堵船。而上行船舶由于貨運量較小，所以很難產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象。仿真結(jié)果證明貨運組織系統(tǒng)的瓶頸在烏江渡樞紐且可能出現(xiàn)的問題會阻礙最小成本運輸組織方案的實現(xiàn)。

2.4 運輸組織方案優(yōu)化

改進方法應(yīng)該從系統(tǒng)瓶頸，經(jīng)濟性，時間成本等影響因素綜合考慮，以期獲得更為理想的優(yōu)化方案。從貨運量情況中可以發(fā)現(xiàn)，由于烏江渡港區(qū)下行貨運量巨大，構(gòu)皮灘樞紐無法滿足如此大的通過量，加上通過構(gòu)皮灘升船機的船舶單次通行時間過長使得構(gòu)皮灘樞紐年通過能力小于其他樞紐，所以改進方案應(yīng)考慮選擇合理數(shù)量的船舶進行水陸中轉(zhuǎn)運輸。船舶貨物水陸中轉(zhuǎn)運輸可行性必須充分從價值量、時效性、裝卸要求、運輸成本、運輸安全的角度考慮貨類的轉(zhuǎn)運可行性，文獻[2]通過建立水路聯(lián)運運輸可行性評價體系并運用數(shù)學(xué)方法進行評價的分析得出集裝箱較散貨來說更容易進行中轉(zhuǎn)運輸，改進方案考慮調(diào)度通過構(gòu)皮灘樞紐的部分集裝箱船進行水陸中轉(zhuǎn)運輸?？紤]以上影響因素，并根據(jù)集裝箱船過壩船舶數(shù)量的變化，提出改進方法，見表2。

表2 改進方法

將各改進方法轉(zhuǎn)換成不同的參數(shù)輸入或約束條件，建立各改進方法下的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，求解廣義費用最低的貨運組織方案，總成本變化見圖4。

圖4 總成本變化情況

由圖4看出第6個方案是成本增長率發(fā)生變化的分界點，說明從第7個方案開始，后2個水運樞紐通過能力趨于飽和，運輸系統(tǒng)中公路運輸比例上升。為驗證數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果，選取5，6，7方案進行仿真模擬。仿真模擬結(jié)果見表3。

表3 改進方案仿真輸出結(jié)果

注：利用率指平均每天的利用率。

方案7驗證了該改進方法下的數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果，升船機利用率并不均衡且成本較高。方案5、6都在一定程度上解決了構(gòu)皮灘樞紐擁堵問題，但方案5的經(jīng)濟性顯然更好，且運輸系統(tǒng)其他功能區(qū)的排隊時間和利用率更為合理，因此可以考慮將方案5作為可行方案。

3 結(jié)論

1)實例表明，結(jié)合計算機仿真技術(shù)對理論方法的求解結(jié)果進行仿真模擬，在一定程度上可以評判初步方案的優(yōu)劣，為提出改進方案提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2)通過建模過程可以看出，這種面向?qū)ο蟮慕７椒ㄓ泻軓姷耐ㄓ眯院挽`活性，能夠幫助決策者更容易模擬真實系統(tǒng)的各項細節(jié)。

3)雖然結(jié)合理論方法和仿真技術(shù)可以進一步找到更為合理的方案，但是否是最優(yōu)方案還沒有相應(yīng)的評判機制，尋優(yōu)策略有待研究。

[1] 汪振華.黑龍江水系船舶運輸組織規(guī)劃研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2008.

[2] 張廣磊.三峽樞紐區(qū)域水路貨運綜合運輸組織模式研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

[3] 黃海鷗,張 瑋.基于排隊理論的京杭運河船閘通過能力研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版,2009,33(3):604-607.

[4] KELTON W D.Simulation with arena[M].New York:The McGraw-Hill Companies, 2002.

[5] 陸傳賚.排隊論[M].2版.北京:北京郵電大學(xué)出版社,2009.