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【碩士畢業(yè)論文】烏江高等級航道高效船舶貨運關(guān)鍵技術(shù)研究

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1、武漢理工大學碩士學位論文 摘 要 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)施,但通航設(shè)施存在著通航設(shè)施建設(shè)進度不一致、承船箱尺寸不一致、通過時間不一致、通航流量不一致等問題,直接形成“短板”效應,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雜運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),目前對

2、于樞紐區(qū)域船舶貨運組織的研究主要以定性分析為主,定量分析較少且沒有站在綜合運輸系統(tǒng)規(guī)劃的角度分析,而針對烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。由于烏江船舶貨運系統(tǒng)的復雜性,構(gòu)建的理論優(yōu)化模型與實際可能會產(chǎn)生偏差,優(yōu)化的船舶貨運組織方案的可行性需要驗證,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)域高效船舶貨運組織方案。 本論文首先分析多梯級樞紐的建設(shè)對烏江船舶貨運組織帶來的影響;其次針對烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運系統(tǒng)特點,改進現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型,構(gòu)建出廣義成本最小的烏江高效船舶貨運組織優(yōu)化模型,其中

3、引入單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊系統(tǒng)模型確定船舶通過樞紐時間,并求解出初步優(yōu)化方案;接著針對烏江船舶貨運系統(tǒng)離散特性,基于arena平臺構(gòu)建出面向?qū)ο蟮姆抡婺P?,以驗證理論優(yōu)化方案的可行性及存在的問題;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)域貨運網(wǎng)絡(luò)的高效船舶貨運組織方案。 關(guān)鍵字:烏江 多梯級樞紐 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改進模型 arena仿真建模 高效船舶貨運組織方案 Abstract Wujiang River is the largest river in Guizhou province, but the Wu River shipping

4、channel condition have not been able to meet the needs of development of shipping. the construction of cascade hydro-projects will greatly improve the shipping condition of Wujiang River and bring opportunity for the developing of regional economy and the shipping industry, the multi-hub cascade of

5、Wujiang will be supporting the shipping facilities, but there are several problem about shipping facilities: each shipping facilities has inconsistent construction progress, different size of ship lift, different time to have ship passed, different navigation flow problem and other issues, leading t

6、o a "short board" effect, by the development of economic along the Wujiang River, the conflict will be created by the different growing demand of transportation and passing capacity of navigation hub, bring a great difficulty for the organization of shipping in restriction of Wujiang multi-cascade h

7、ydro-projects. To plan ahead to maximize the efficiency of high-grade channel and navigation facilities in Wujiang ,giving full play to the advantages of the Wujiang River golden waterway, rational using of transport network resources, a efficient multi-cargo organization program should be made so t

8、hat the whole channel Wujiang cascade hydro-projects district will be eased off. Currently, the qualitative analysis play a main role in the research of shipping organization in the hub region, quantitative analysis is not much and can’t analysis the whole system in a overall view, what’s more, th

9、e shipping organization like Wujiang River multi-cascade hydro-projects issue has not yet been addressed. Network optimization model often be taken used of in solving the complex organization freight transport networks, but the limitations goal of network optimization model can not make a comprehens

10、ive assessment optimization results. Computer simulation technology have gradually entered the field of transportation planning, but simulation technology mainly work out as a tool of validation and evaluation, taking use the simulation technology to optimize will be effected by subjective factor an

11、d difficult to find the optimal solution. Based on the above reasons, the following aspects will be taken in the research work. First, qualitative analysis the influence of construction of a multi-cascade hydro-projects on shipping organization, then based on the characteristics of Wujiang multi-ca

12、scade hydro-projects, improving the exist network optimization model to make out a lowest generalized cost model of shipping organization in Wujiang multi-cascade hydro-projects region, solving the model to get the initial optimization shipping organization program. on the other hand, introduction t

13、he idea of ??queuing theory to analysis the multi-cascade hydro-projects. Then, on the based of analysis of the discrete freight system of Wujiang multi-cascade region, building the simulation model in a ideological of object-oriented to simulate and test the initial program to find out the possible

14、 problem with the initial program. Finally, taking use of computer simulation technology and mathematical programming method in general to optimize the initial program of Wujiang multi-cascade hydro-projects shipping organization, getting a reasonable program which can take use of Wujiang multi-casc

15、ade hydro-projects shipping system in a efficient way. Keywords: multi-cascade hydro-projects;computer simulation;optimization for freight shipping organization;the queuing system 73 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1 研究背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 內(nèi)河樞紐區(qū)域貨運組織方式研究 2 1.2.2 交通仿真建模

16、研究 3 1.3研究內(nèi)容和研究方法 4 1.3.1研究內(nèi)容 4 1.3.2研究方法 5 第2章 烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織環(huán)境及存在問題 7 2.1船舶貨運組織環(huán)境分析 7 2.1.1貨種貨量 8 2.1.2航道 10 2.1.3港口 10 2.1.4樞紐通航設(shè)施 11 2.1.5運輸船型 11 2.2烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織存在的問題 12 2.2.1烏江多梯級樞紐區(qū)域貨物需求量及供需缺口 12 2.2.2烏江多梯級樞紐通航存在的問題 14 2.3本章小結(jié) 15 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) 17 3.1貨運網(wǎng)絡(luò)定義

17、17 3.2基本假設(shè)及說明 18 3.2.1中轉(zhuǎn)方式 18 3.2.2目標函數(shù)中的運輸成本 19 3.2.3廣義運輸成本函數(shù) 19 3.2.4港口吞吐量 19 3.2.5航道及公路通過能力假設(shè) 19 3.3模型建立 19 3.3.1目標函數(shù) 20 3.3.2約束條件 20 3.3.3單船年貨運量求解方法 21 3.4求解方法 22 3.5單重休假規(guī)則M/G/1樞紐排隊系統(tǒng)模型建立及應用 23 3.5.1排隊系統(tǒng)基本特征 23 3.5.2排隊系統(tǒng)休假規(guī)則 25 3.5.3排隊模型建立 26 3.5.4船舶通過各梯級樞紐時間計算 28 3.6理論優(yōu)化模型輸入?yún)?shù)計

18、算 29 3.6.1廣義運輸成本 29 3.6.2運輸時間 30 3.7船舶貨運組織規(guī)劃 31 3.8本章小結(jié) 33 第4章 烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織仿真建模與實現(xiàn) 34 4.1系統(tǒng)仿真及仿真目的 34 4.1.1系統(tǒng)仿真 34 4.1.2仿真目的 35 4.2仿真系統(tǒng)分析 35 4.2.1系統(tǒng)邊界及構(gòu)成 35 4.2.2系統(tǒng)特征 36 4.2.3系統(tǒng)仿真平臺 37 4.2.4系統(tǒng)仿真評價指標 38 4.3仿真模型搭建 39 4.3.1船舶生成子模型 40 4.3.2港口子模型 42 4.3.3升船機子模型 46 4.3.4運輸路徑控制節(jié)點子模型 5

19、0 4.3.5翻壩運輸子模型 54 4.4模型效驗與驗證 56 4.5理論優(yōu)化方案驗證 57 4.5.1參數(shù)輸入 57 4.5.2運行設(shè)置 57 4.5.3結(jié)果輸出 57 4.6本章小結(jié) 59 第5章 烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織總體方案研究 60 5.1總體方案優(yōu)化過程 60 5.2改進策略 61 5.3綜合優(yōu)化 62 5.4優(yōu)化結(jié)果分析 64 5.5本章小結(jié) 65 第6章 結(jié)論 66 6.1總結(jié) 66 6.2展望 67 致 謝 68 參考文獻 69 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及參加的科研項目 72 第1章 緒論 1.1 研究背景及意義

20、烏江干流全長1037公里,貫通貴州、重慶兩省市,于涪陵匯入長江。烏江在貴州境內(nèi)長802公里,流域面積6.7萬平方公里,占全省總面積的38%,是貴州省第一大河。 隨著烏江航運工程和各梯級樞紐的建設(shè),烏江航道和水利樞紐的建設(shè),將極大地改善烏江通航條件,極大地促進貴州省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、工業(yè)布局調(diào)整,優(yōu)化貴州省綜合交通運輸體系結(jié)構(gòu),烏江將成為貴州省社會經(jīng)濟發(fā)展的運輸大動脈。一條通江達海的水運通道將把貴陽、遵義這兩大經(jīng)濟中心連接到長江黃金水運通道上,結(jié)束貴州省主要城市沒有水運通道的歷史。但各梯級樞紐“重發(fā)電,輕航運”的建設(shè)模式也給烏江航運發(fā)展帶來了巨大阻礙,存在著通航設(shè)施建設(shè)進度不一致、承船箱尺寸不一致、通

21、過時間不一致、通航流量不一致等問題,而這些問題直接導致了樞紐的通過能力各不相同,直接形成“短板”效應。隨著沿江經(jīng)濟發(fā)展,運輸需求日益增長將會使各樞紐通航設(shè)施通過能力不足及運輸系統(tǒng)瓶頸問題日益顯現(xiàn)。為未雨綢繆、最大限度地烏江通航設(shè)施通行效率、合理利用運輸系統(tǒng)資源,充分發(fā)揮水運優(yōu)勢,降低綜合物流成本,急需站在運輸系統(tǒng)綜合優(yōu)化角度,針對烏江船舶貨運系統(tǒng)多梯級樞紐及多貨種多方式的特點,制定烏江高等級航道高效貨運組織方方案。 由于烏江流域內(nèi)具有水電樞紐,升船機、港口等多種水運設(shè)施,水運網(wǎng)絡(luò)與公路及鐵路運輸網(wǎng)絡(luò)連接,使得貨運組織方式涉及多種運輸方式、多式聯(lián)運及中轉(zhuǎn)點設(shè)置問題。加上烏江流域運輸系統(tǒng)空間跨度

22、大等問題使其運輸系統(tǒng)存在固有的復雜性。所以,考慮充分利用水路、公路、通航設(shè)施等綜合運輸系統(tǒng)資源,對既定通航設(shè)施條件下的貨運組織進行定量的優(yōu)化研究,制定合理的貨運組織方案是值得研究的問題。而目前針對水運樞紐區(qū)域的貨運組織研究,大部分都處于定性分析的研究階段,定量分析較少且沒有站在綜合運輸系統(tǒng)規(guī)劃的角度分析,而針對烏江的相關(guān)研究至今尚未涉及。因此,定量的分析貨運組織方案,做到各種運輸方式內(nèi)部優(yōu)化和運輸方式之間的組合優(yōu)化對解決多梯級樞紐給貨運組織帶來的問題和烏江流域整體經(jīng)濟和社會效益具有十分重要的意義。由于烏江船舶貨運系統(tǒng)的復雜性,構(gòu)建理論優(yōu)化模型存在一定難度,且模型的目標局限性使優(yōu)化結(jié)果沒有全面考

23、慮系統(tǒng)各項因素,優(yōu)化的船舶貨運組織方案的可行性需要驗證,計算機仿真技術(shù)的發(fā)展為其提供了手段,本文針對烏江多梯級樞紐區(qū)域通航環(huán)境特點,首次嘗試采用計算機仿真技術(shù)對多梯級樞紐區(qū)域貨運組織進行仿真,以驗證方案的可行性。針對理論優(yōu)化方法與仿真技術(shù)各自的優(yōu)劣,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)域高效船舶貨運組織方案,這對解決多樞紐河流船舶貨運組織優(yōu)化問題是一次有益的嘗試。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 內(nèi)河樞紐區(qū)域貨運組織方式研究 烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織方式優(yōu)化涉及運量分配、船型優(yōu)化選擇、航線配船等等。目前針對樞紐貨運組織方式優(yōu)化的成果較少,張光磊(20

24、09)[2]針對三峽樞紐區(qū)域運輸組織存在問題,引入閾值的概念,通過對三峽船閘的調(diào)度優(yōu)化方案研究以提高船舶通過量,運用評價方法分析各貨類的翻壩可行性及運用Dijkstra算法得出最佳水陸聯(lián)運路徑綜合確定船舶通過三峽樞紐區(qū)域的水路貨運組織方案,但該文缺乏對整個系統(tǒng)貨運組織綜合優(yōu)化研究。烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織方式優(yōu)化研究重點是怎樣定量地分析各類貨物合適的運輸方式、運輸路徑及確定相應運輸路徑上的貨運量及各運輸路徑上船舶的運力分配問題。這類問題的解決方式更類似于交通規(guī)劃中的運量分配問題,即為多貨種多方式從系統(tǒng)最優(yōu)的角度出發(fā),選取網(wǎng)絡(luò)中總的運輸費用或運輸貨物里程最小作為目標函數(shù)進行優(yōu)化,得到優(yōu)化運

25、輸路徑。 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型是普遍公認的最合適、定量分配貨流的模型。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型主要關(guān)注多種運輸方式下運輸網(wǎng)絡(luò)的合理表示、方式間轉(zhuǎn)運的處理、決定貨物運輸?shù)亩嘀刂笜?、網(wǎng)絡(luò)中擁擠效用以及網(wǎng)絡(luò)流分布模式的階段性比較分析。例如,F(xiàn)RIESZ.T.L(1986)[3]通過給定每個運輸貨輪的具體運輸線路,整合后得到航運公司的運輸網(wǎng)絡(luò)。每個運輸貨輪均選擇最小費用的路線運輸,航運公司則通過交通網(wǎng)絡(luò)均衡原則選擇運輸貨輪。遵循上述思路,HARKER P T(1988)[4-6]給出了更加完善的模型。FLORIAN M(2002)[7]建立了一個具有層次化Logit選擇模式的多種需求條件下多類別多方式的網(wǎng)絡(luò)平衡模型。該

26、文采用變分不等式的建模方法,求解時采用了Gauss—Seidel塊分解耦合相繼平均法的求解策略。該模型被應用于智利圣地亞哥市的ESTRAUS項目。該模型面向城市交通,但是為解決區(qū)域運輸中多方式多貨種問題提供了參照。該模型的缺陷是方式間的協(xié)作和轉(zhuǎn)化沒有得到充分考慮。韓印(2008)[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)平衡條件及信息條件下多用戶多方式對路徑選擇的影響特征,運用數(shù)學規(guī)劃理論,建立了基于信息條件的隨機混合交通平衡分配模型,并證明了模型解的等價性與唯一性。 對于水運樞紐區(qū)域的多貨種多方式的貨運組織方式優(yōu)化目前也有一定的研究,朱凱

27、(2008)[9]將道路交通網(wǎng)絡(luò)中多用戶多模式交通分配研究應用在三峽樞紐的貨物分配上,通過合理的對水路運輸方式做公路運輸?shù)牡刃鎿Q,將水運交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化轉(zhuǎn)變成道路交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題,利用transcad對三峽區(qū)域各貨類進行貨流分配,得到各路段各貨類的流量值。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,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。 總的來說,對于多貨種

28、多方式貨運組織優(yōu)化目前主要集中在道路與鐵路,對于水路運輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究及實踐應用還比較少,且主要集中在流量分配,缺乏對航運系統(tǒng)決策者關(guān)心的水路運輸網(wǎng)絡(luò)貨運組織優(yōu)化方案中航次數(shù)及船舶數(shù)量的研究,且對多梯級樞紐貨運組織方案優(yōu)化研究還處于空白階段。 1.2.2 交通仿真建模研究 計算機仿真技術(shù)在各種領(lǐng)域得到了廣泛應用,在交通運輸領(lǐng)域,仿真技術(shù)也得到了一定的應用。國外方面,MattiPursula(1999)[11]使用了先進的建模方法,把需求建模與街道和道路上的交通流行為結(jié)合在一起,試圖描述一個仿真環(huán)境中整個交通系統(tǒng)的行為。目標是再現(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)。W Da

29、vid Kelton[12] (2000)對離散系統(tǒng)仿真理論以及如何運用Arena進行離散仿真建模和優(yōu)化進行了闡述。LAIKK[13] (2000)等用仿真技術(shù)對3種可能的道口擴容方法進行評估,目的是提高港口經(jīng)營工作的效率以適應集裝箱量的快速增長。 國內(nèi)方面,盧方勇(2000)[14]針對永久船閘的運行了系統(tǒng)仿真研究;何軍紅(2001) [15]等人對三峽船閘的五級船閘運行系統(tǒng)進行了仿真研究,建立了相應的連續(xù)系統(tǒng)模型以及離散系統(tǒng)模型,首次提出了利用雙傳感器實測數(shù)據(jù)和模型仿真結(jié)果進行信息融合的機制來進行故障診斷和決策的方法,并采用面向?qū)ο蟮姆椒ǔ醪綄崿F(xiàn)了該仿真系統(tǒng),給出了船閘系統(tǒng)的動態(tài)運行結(jié)果

30、,為系統(tǒng)后期的運行控制提供了依據(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)進行了研究。李旭宏(2007) [17]基于Arena對物流配送中心分批揀貨策略和單一揀貨策略比較進行了仿真,為配送中心揀貨作業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化提供決策支持、王永輝基于Arena對港口泊位作業(yè)系統(tǒng)進行了仿真、楊神化(2007) [18]應用Multi-agent 系統(tǒng)(MAS)理論和技術(shù),構(gòu)建和開發(fā)了基于MAS 和船舶操縱模擬器(SHS)的智能港口交通流模擬系統(tǒng),提出了比較實用的港口調(diào)度算法和船舶自動航行算法。并將開發(fā)的系統(tǒng)應用到青島前灣港區(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

31、港口規(guī)劃設(shè)計方案的評估論證提供了參考依據(jù)。 針對樞紐區(qū)域的運輸組織仿真研究目前還較少。朱凱(2008)[9]對三峽區(qū)域運輸情況進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。但該研究只是針對三峽樞紐進行方案的優(yōu)化,沒有考慮到改進方案優(yōu)化對運輸系統(tǒng)造成的影響,最后的優(yōu)化結(jié)果并非是平衡系統(tǒng)服務效率和運輸成本的最優(yōu)解。 總的來說,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,多級排隊的復雜運輸系統(tǒng)的仿真研究還處于空白階段。 1

32、.3研究內(nèi)容和研究方法 1.3.1研究內(nèi)容 1)烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織環(huán)境及存在問題 分析了烏江梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織的歷史及現(xiàn)狀,各梯級樞紐的情況,闡述了種種梯級樞紐建成后對船舶貨運組織產(chǎn)生有利影響及不利影響,說明了烏江梯級樞紐全線通航后給船舶貨運組織帶來的問題,為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)。 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

33、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。最后,利用多貨種多方式貨流分配模型對烏江多梯級樞紐船舶貨運組織進行優(yōu)化,得到以廣義成本最小的船舶貨運組織優(yōu)化方案。 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)進行分析。首先分析烏江多梯級樞紐區(qū)域貨運組織系統(tǒng)仿真的目的,其次分析系統(tǒng)邊界、構(gòu)成、特征及仿真指標,接著以面向?qū)ο蠼5乃枷肜胊rena軟件對烏江多梯級樞紐進行仿真建模,構(gòu)建仿真模型并運用于數(shù)學優(yōu)化方法得到的貨運組織方案,評價方案的可行性。 4)烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶

34、貨運組織總體方案研究 根據(jù)數(shù)學方法和仿真技術(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)域船舶貨運組織進行優(yōu)化。首先針對初步方案不足提出多種改進策略,并將改進策略轉(zhuǎn)化為數(shù)學理論優(yōu)化方法中的約束條件,再次進行從數(shù)學理論優(yōu)化模型到仿真模型優(yōu)化過程,從而發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律,研究在完成既定貨運量優(yōu)化方案及船舶在多梯級樞紐區(qū)域航行較為通暢的條件下,廣義成本最小的烏江多梯級樞紐船舶貨運組織總體優(yōu)化方案。 1.3.2研究方法 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

35、。 2)根據(jù)烏江多梯級樞紐通航設(shè)施排隊系統(tǒng)的排隊規(guī)則,引入適合該排隊規(guī)則的M/G/1單重休假排隊模型,求解船舶通過樞紐的平均通過時間。 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)進行仿真建模。并運用仿真模型對數(shù)學優(yōu)化方法得到的船舶貨運組織方案進行評價。 4)基于理論優(yōu)化與仿真模擬交互作用,對數(shù)學方法得到的船舶貨運組織初步方案進行改進優(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。 具體技術(shù)路線如圖1-1: 圖1.1 本文的研究思路 第2章 烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織環(huán)境及存在問題 目前烏江通航河段(烏江渡—涪陵)在多梯級樞紐建設(shè)之前一直存在航道灘多流

36、急,航運條件差,航道等級低,航運未完全通暢,運量小,航運發(fā)展緩慢等問題,烏江貨運的主要運輸方式是散雜貨自航船,拖駁船隊或機動駁船組運輸方式極少。 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。烏江多梯級樞紐建設(shè)將給未來烏江這條高等級航道帶來一系列影響,給船舶的貨運組織帶來新的問題。 2.1船舶貨運組織環(huán)境分析 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。

37、其中,河源到烏江渡為烏江上游區(qū)域,因水流急,河床狹窄,兩岸高山懸崖,常有大型崩巖堵灘而無法行船,因此烏江通航河段指烏江渡至涪陵航段,該航段由4個水電樞紐組成烏江多梯級樞紐群,下面從航道、港口、樞紐通航設(shè)施、運輸船型等方面分析烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運通航環(huán)境。烏江多梯級樞紐區(qū)域圖見圖2-1。 圖2-1 烏江多梯級樞紐區(qū)域圖 2.1.1貨種貨量 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測”部分研究結(jié)果,2020年分類貨運量預測結(jié)果見表2-1: 表2-1 分貨類預測 (單位:萬噸) 上行 下行 合計

38、煤炭 0 237.08 253.83 磷化工產(chǎn)品 0 81.23 81.23 金屬礦石 0 4.04 4.04 礦建材料 19.32 10.68 30 水泥 4.46 23.45 27.91 木材 0 0.13 0.13 非金屬礦石 3.05 8.11 11.16 化肥及農(nóng)藥 2.26 6.12 8.38 鹽 0.02 0.06 0.08 糧食 0.02 0.06 0.08 硫磺及合成氨 25 0 25 烤煙 0 5.45 5.45 茶葉 0 8 8 其它 21.72 29.77 44

39、.17 合計 76.48 414.18 499.46 由表可以看出,烏江流域貨類種類繁多,主要貨種為煤炭、磷化工、礦石、水泥、硫磺及合成氨及其他大件或機械貨種。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)。磷化工產(chǎn)品主要是分布于甕安、福泉等地,由江界河碼頭裝船運到運往華中、華東、華北。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。 對于表中時效性較強的茶葉、烤煙及其他高附加值的貨物考慮利用集裝箱進行運輸。集裝箱運輸目前在烏江流域還屬于初步發(fā)展階段,除

40、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行集裝箱裝卸作業(yè)的能力。但其他河流水運發(fā)展表明、集裝箱運輸是重要的運輸方式,如長江的集裝箱運輸,從上游宜賓,瀘州、重慶、涪陵、萬縣、宜昌至中下游各港的水運集裝箱發(fā)展速度很快。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。貴陽市烏江至長江水運通道一經(jīng)建成開通及烏江各水電樞紐建成,將為發(fā)展貴陽市水運集裝箱運輸創(chuàng)造有利條件。 2.1.2航道 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。隨著烏江各梯級樞紐的建成及烏江航道整治工

41、程的同步進行,庫區(qū)航道條件得到了顯著改善:水位上升淹沒險灘,流速減緩,烏江航道等級將由V級提升到IV級,船舶通航尺度將達到1.630330(m),烏江航道通過能力將達到1000多萬噸,500噸級船舶將由涪陵直達烏江渡。因此,航道通航條件的改善和通過能力的提升將促進船舶向大型化、標準化發(fā)展。 2.1.3港口 梯級樞紐興建前,烏江流域港口水域中水期河寬較窄,到了枯水期甚至出現(xiàn)無法滿足船舶的??康膯栴},港區(qū)水域常年航行、??俊⒆鳂I(yè)困難,而洪水期又存在流速大的問題,更加影響船舶的正常停泊。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、停

42、靠點為主。碼頭規(guī)模小,設(shè)施落后,無法滿足沿江兩岸社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。 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)。另外,多梯級樞紐的興建使得庫區(qū)江灣增多、烏江支流河面增寬、航道延伸,使港口布局更為有利,為建設(shè)大型貨運港口提供了基礎(chǔ)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、停靠點20個。未來計劃擴建和新建的主要貨運港口情況見表2-2。 表2-

43、2 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 1 500 11 開陽港 8 500 94.6 沿江渡 1 500 18 江界河 7 500 75 河閃渡 2 500 21.5 思南 2 500 23.9 德江 7 500 70 沿河 4 500 50 綜上,未來港口的發(fā)展將促進航運事業(yè)的發(fā)展并為船舶多方式聯(lián)運提供有利條件。 2.1.4樞紐通航設(shè)施 貴州省烏江通航河段共有有沙沱、思林、構(gòu)皮灘、彭水樞紐;上游緊接本河段的烏江渡樞紐已建成投產(chǎn),該樞紐未建過船建筑

44、物,只留有過船建筑物位置。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。各樞紐通航設(shè)施參數(shù)見表2-3: 表2-3 通航設(shè)施參數(shù) 項目 單位 構(gòu)皮灘 思林 沙沱 彭水 過船設(shè)施 三級升船機 升船機 升船機 升船機及船閘 設(shè)計年通過能力 萬t 143 341 334.1 510 承船廂或船閘有效尺寸 m 5911.72.5 60122.5 60122.5 5911.42.3 承船廂移動速度 m.min-1 12 12 12 12 一次過壩最大船舶噸位 t 500 500 500 500 正常蓄

45、水位 m 630 440 360 310 利用水頭 m 197.1 71 75.5 66 樞紐通航設(shè)施建設(shè)將為船舶通航提供條件,而且為了合理利用通航設(shè)施船閘或升船機的有效面積,將促使船舶逐步標準化。從表2-3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。 2.1.5運輸船型 烏江屬山區(qū)河流,各樞紐建設(shè)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100~3

46、00t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(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2-4為《貴州省兩江一河(烏江)高等級航道主要船型標準化研

47、究》[25]通過技術(shù)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(shè)計方案。 表2-4 各類船型參數(shù) 船型 散貨船 集裝箱船 滾裝船 500t 300t 200t 48TEU 30TEU 38車 50車 垂線間長 m 53.00 44.00 36.6 55 52 79.00 100 型寬 m 10.00 7.80 6.4 10.8 10.8 19.20 19.2 型深 m 2.50 2.40 2.3 2.4 2.3 3.90 3.9 設(shè)計吃水 m 1

48、.6 1.5 1.4 1.6 1.5 2.4 2.4 結(jié)構(gòu)吃水 m 1.8 1.7 1.6 1.8 1.7 2.6 2.6 方形系數(shù) 0.75 0.797 0.77 0.797 0.764 0.647 0.643 載重量 t 500 300 200 473.9 300 38車 50車 設(shè)計吃水時航速km/h 16.49 17.06 16.57 21.9 22.4 21.08 21.71 千噸公里油耗kg/kt.km 9.18 12.81 16.99 11.18 15.4 12.

49、56 11.78 主機功率 902 902 1102 1102 1102 4412 5002 2.2烏江多梯級樞紐區(qū)域船舶貨運組織存在的問題 2.2.1烏江多梯級樞紐區(qū)域貨物需求量及供需缺口 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測” [1]對各類船舶的貨運量OD預測結(jié)果見表2-5至2-7(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2-5 散貨船運量OD OD 終點 起 點   A B C D E A 0

50、 0 0.81 0 201.2 B 0 0 0 0.7 20.8 C 0.7 0.1 0 0.58 11.9 D 0 1.5 0 0 31.2 E 20.2 4.9 4.67 1.2 0 合計:300.46萬噸 表2-6 集裝箱船貨運量OD OD 終點 起 點   A B C D E A 0 0 0 0 18 B 0 0 0 0 0 C 0 0 0 0 40 D 0 0 0 0 2.1 E 4.2 5.4 6.8 3.

51、7 0 合計:80.2萬噸 表2-7 滾裝船運量OD OD 終點 起 點   A B C D E A 0 0 0 0 44.3 B 0 0 0 0 29.8 C 0 0 0 0 20.0 D 0 0 0 0 5.4 E 6.1 4.2 3.2 1.3 0 合計:114.1萬噸 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2-8所示。 表2-8 烏江各梯級樞紐特征年過壩貨運量 單位:萬噸

52、 樞紐 年份 構(gòu)皮灘 思林 沙沱 彭水 2020年 上行 44.99 51.01 62.79 68.17 下行 200.11 226.89 281.26 303.2 合計 245.11 277.9 342.05 371.37 供需缺口 102.11 無缺口 1.05 無缺口 2030年 上行 143.99 163.25 180.93 240.16 下行 640.36 636.03 793.63 970.23 合計 784.35 809.36 974.56 1010.39 供需缺口 641

53、.35 468.36 640.56 500.39 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。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。 2.2.2烏江多梯級樞紐通航存在的問題 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(shè),是以發(fā)電為主,航運為輔,對通航設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)并不重視,航電

54、樞紐礙航現(xiàn)象較為嚴重,對船舶的貨運組織產(chǎn)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(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(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,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

55、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)《貴陽市烏江水運通道研究》[20]中航道建設(shè)標準確定烏江流域設(shè)計航道通過能力達1080萬噸/年,而各梯級樞紐通過能力遠遠小于航道通過能能力,無法滿足不了航道的建設(shè)標準,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重影響。 4)航道條件仍不完善 構(gòu)皮灘、思林、沙

56、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(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

57、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? 2.3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區(qū)域未來貨

58、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。 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

59、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

60、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。 3.1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)

61、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3-1)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(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。 圖3-1

62、運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖 3.2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: 3.2.1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。 3.2.2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

63、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、供應費、及其它經(jīng)營管理費等。 [25] 3.2.3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。 3.2.4港口吞吐量 港口同通航設(shè)施一樣

64、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。 3.2.5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3.2億萬噸,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(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。 3.3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

65、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。 3.3.1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 [] (3.1) 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

66、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。 3.3.2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: (3.2) :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: (3.3) 3)某類船在某條運輸路徑上船舶艘數(shù)應大于等于0: (3.4) 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: (3.5) :第u個樞紐的年通過能力。 :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

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