毕业论文-乌江多梯级枢纽高效船舶货运组织方案

1、摘 要乌江是贵州省内第一大河，乌江多梯级枢纽的兴建将极大改善乌江的航运条件，为乌江区域经济和航运事业带来了新的契机，乌江干流梯级水利枢纽将配套建设通航设施，但通航设施存在着通航设施建设进度不一致、承船箱尺寸不一致、通过时间不一致、通航流量不一致等问题，直接形成“短板”效应，随着沿江经济发展，日益增长的运输需求与枢纽通航设施通过能力之间将产生矛盾，为未雨绸缪、最大限度地提高乌江通航设施通行效率，充分发挥乌江黄金水道的优势，合理利用运输网络中各种资源，优化设计各货类船舶的高效船舶货运组织方案已迫在眉睫。乌江多梯级枢纽区域的船舶货运组织属于复杂运输网络系统，目前对于枢纽区域船舶货运组织的研究主要以定

2、性分析为主，定量分析较少且没有站在综合运输系统规划的角度分析，而针对乌江的相关研究至今尚未涉及。由于乌江船舶货运系统的复杂性，构建的理论优化模型与实际可能会产生偏差，优化的船舶货运组织方案的可行性需要验证，计算机仿真技术的发展为其提供了手段，为此本文针对乌江多梯级枢纽区域通航环境特点，尝试采用理论优化与仿真模拟相结合的新方法，优化设计出乌江多梯级枢纽区域高效船舶货运组织方案。 本论文首先分析多梯级枢纽的建设对乌江船舶货运组织带来的影响；其次针对乌江多梯级枢纽区域船舶货运系统特点，改进现有网络优化模型，构建出广义成本最小的乌江高效船舶货运组织优化模型，其中引入单重休假规则M/G/1枢纽排队系统模

3、型确定船舶通过枢纽时间，并求解出初步优化方案；接着针对乌江船舶货运系统离散特性，基于arena平台构建出面向对象的仿真模型，以验证理论优化方案的可行性及存在的问题；最后通过理论优化方案与仿真模拟的交互优化过程，最终提出适合乌江多梯级枢纽区域货运网络的高效船舶货运组织方案。关键字：乌江 多梯级枢纽 网络优化改进模型 arena仿真建模 高效船舶货运组织方案AbstractWujiang River is the largest river in Guizhou province, but the Wu River shipping channel condition have not been

4、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 Wujiang will be supporting the s

5、hipping 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 to a short board effect, by the d

6、evelopment 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 hydro-projects. To plan ahead to ma

7、ximize 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 that the whole channel Wujiang casc

8、ade 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 cant analysis the whole system in a overall view, whats more, the shipping organization like Wujiang R

9、iver 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 comprehensive assessment optimization results. C

10、omputer 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 and difficult to find the optimal soluti

11、on.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-cascade hydro-projects, improving the exis

12、t 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 the idea of queuing theory to analysis th

13、e 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 problem with the initial program. Finally

14、, 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-cascade hydro-projects shipping system in a ef

15、ficient way.Keywords: multi-cascade hydro-projects；computer simulation；optimization for freight shipping organization；the queuing system目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc294261341 摘 要 PAGEREF _Toc294261341 h I HYPERLINK l _Toc294261342 Abstract PAGEREF _Toc294261342 h II HYPERLINK l _Toc294261343

16、目 录 PAGEREF _Toc294261343 h IV HYPERLINK l _Toc294261344 第1章 绪论 PAGEREF _Toc294261344 h 1 HYPERLINK l _Toc294261345 1.1 研究背景及意义 PAGEREF _Toc294261345 h 1 HYPERLINK l _Toc294261346 1.2 国内外研究现状 PAGEREF _Toc294261346 h 2 HYPERLINK l _Toc294261347 1.2.1 内河枢纽区域货运组织方式研究 PAGEREF _Toc294261347 h 2 HYPERLINK

17、 l _Toc294261348 1.2.2 交通仿真建模研究 PAGEREF _Toc294261348 h 3 HYPERLINK l _Toc294261349 1.3研究内容和研究方法 PAGEREF _Toc294261349 h 4 HYPERLINK l _Toc294261350 研究内容 PAGEREF _Toc294261350 h 4 HYPERLINK l _Toc294261351 研究方法 PAGEREF _Toc294261351 h 5 HYPERLINK l _Toc294261352 第2章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织环境及存在问题 PAGEREF _T

18、oc294261352 h 7 HYPERLINK l _Toc294261353 2.1船舶货运组织环境分析 PAGEREF _Toc294261353 h 7 HYPERLINK l _Toc294261354 货种货量 PAGEREF _Toc294261354 h 8 HYPERLINK l _Toc294261355 航道 PAGEREF _Toc294261355 h 10 HYPERLINK l _Toc294261356 港口 PAGEREF _Toc294261356 h 10 HYPERLINK l _Toc294261357 枢纽通航设施 PAGEREF _Toc2942

19、61357 h 11 HYPERLINK l _Toc294261358 运输船型 PAGEREF _Toc294261358 h 11 HYPERLINK l _Toc294261359 2.2乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织存在的问题 PAGEREF _Toc294261359 h 12 HYPERLINK l _Toc294261360 乌江多梯级枢纽区域货物需求量及供需缺口 PAGEREF _Toc294261360 h 12 HYPERLINK l _Toc294261361 乌江多梯级枢纽通航存在的问题 PAGEREF _Toc294261361 h 14 HYPERLINK l _

20、Toc294261362 2.3本章小结 PAGEREF _Toc294261362 h 15 HYPERLINK l _Toc294261363 第3章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织理论优化模型建立及实现 PAGEREF _Toc294261363 h 17 HYPERLINK l _Toc294261364 3.1货运网络定义 PAGEREF _Toc294261364 h 17 HYPERLINK l _Toc294261365 3.2基本假设及说明 PAGEREF _Toc294261365 h 18 HYPERLINK l _Toc294261366 中转方式 PAGEREF _T

21、oc294261366 h 18 HYPERLINK l _Toc294261367 目标函数中的运输成本 PAGEREF _Toc294261367 h 19 HYPERLINK l _Toc294261368 广义运输成本函数 PAGEREF _Toc294261368 h 19 HYPERLINK l _Toc294261369 港口吞吐量 PAGEREF _Toc294261369 h 19 HYPERLINK l _Toc294261370 航道及公路通过能力假设 PAGEREF _Toc294261370 h 19 HYPERLINK l _Toc294261371 3.3模型建立

22、 PAGEREF _Toc294261371 h 19 HYPERLINK l _Toc294261372 目标函数 PAGEREF _Toc294261372 h 20 HYPERLINK l _Toc294261373 约束条件 PAGEREF _Toc294261373 h 20 HYPERLINK l _Toc294261374 单船年货运量求解方法 PAGEREF _Toc294261374 h 21 HYPERLINK l _Toc294261375 3.4求解方法 PAGEREF _Toc294261375 h 22 HYPERLINK l _Toc294261376 3.5单重

23、休假规则M/G/1枢纽排队系统模型建立及应用 PAGEREF _Toc294261376 h 23 HYPERLINK l _Toc294261377 排队系统基本特征 PAGEREF _Toc294261377 h 23 HYPERLINK l _Toc294261378 排队系统休假规则 PAGEREF _Toc294261378 h 25 HYPERLINK l _Toc294261379 排队模型建立 PAGEREF _Toc294261379 h 26 HYPERLINK l _Toc294261380 船舶通过各梯级枢纽时间计算 PAGEREF _Toc294261380 h 28

24、 HYPERLINK l _Toc294261381 3.6理论优化模型输入参数计算 PAGEREF _Toc294261381 h 29 HYPERLINK l _Toc294261382 广义运输成本 PAGEREF _Toc294261382 h 29 HYPERLINK l _Toc294261383 运输时间 PAGEREF _Toc294261383 h 30 HYPERLINK l _Toc294261384 3.7船舶货运组织规划 PAGEREF _Toc294261384 h 31 HYPERLINK l _Toc294261385 3.8本章小结 PAGEREF _Toc2

25、94261385 h 33 HYPERLINK l _Toc294261386 第4章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织仿真建模与实现 PAGEREF _Toc294261386 h 34 HYPERLINK l _Toc294261387 4.1系统仿真及仿真目的 PAGEREF _Toc294261387 h 34 HYPERLINK l _Toc294261388 系统仿真 PAGEREF _Toc294261388 h 34 HYPERLINK l _Toc294261389 仿真目的 PAGEREF _Toc294261389 h 35 HYPERLINK l _Toc29426139

26、0 4.2仿真系统分析 PAGEREF _Toc294261390 h 35 HYPERLINK l _Toc294261391 系统边界及构成 PAGEREF _Toc294261391 h 35 HYPERLINK l _Toc294261392 系统特征 PAGEREF _Toc294261392 h 36 HYPERLINK l _Toc294261393 系统仿真平台 PAGEREF _Toc294261393 h 37 HYPERLINK l _Toc294261394 系统仿真评价指标 PAGEREF _Toc294261394 h 38 HYPERLINK l _Toc2942

27、61395 4.3仿真模型搭建 PAGEREF _Toc294261395 h 39 HYPERLINK l _Toc294261396 船舶生成子模型 PAGEREF _Toc294261396 h 40 HYPERLINK l _Toc294261397 港口子模型 PAGEREF _Toc294261397 h 42 HYPERLINK l _Toc294261398 升船机子模型 PAGEREF _Toc294261398 h 46 HYPERLINK l _Toc294261399 运输路径控制节点子模型 PAGEREF _Toc294261399 h 50 HYPERLINK l

28、_Toc294261400 翻坝运输子模型 PAGEREF _Toc294261400 h 54 HYPERLINK l _Toc294261401 4.4模型效验与验证 PAGEREF _Toc294261401 h 56 HYPERLINK l _Toc294261402 4.5理论优化方案验证 PAGEREF _Toc294261402 h 57 HYPERLINK l _Toc294261403 参数输入 PAGEREF _Toc294261403 h 57 HYPERLINK l _Toc294261404 运行设置 PAGEREF _Toc294261404 h 57 HYPERL

29、INK l _Toc294261405 结果输出 PAGEREF _Toc294261405 h 57 HYPERLINK l _Toc294261406 4.6本章小结 PAGEREF _Toc294261406 h 59 HYPERLINK l _Toc294261407 第5章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织总体方案研究 PAGEREF _Toc294261407 h 60 HYPERLINK l _Toc294261408 5.1总体方案优化过程 PAGEREF _Toc294261408 h 60 HYPERLINK l _Toc294261409 5.2改进策略 PAGEREF _

30、Toc294261409 h 61 HYPERLINK l _Toc294261410 5.3综合优化 PAGEREF _Toc294261410 h 62 HYPERLINK l _Toc294261411 5.4优化结果分析 PAGEREF _Toc294261411 h 64 HYPERLINK l _Toc294261412 5.5本章小结 PAGEREF _Toc294261412 h 65 HYPERLINK l _Toc294261413 第6章 结论 PAGEREF _Toc294261413 h 66 HYPERLINK l _Toc294261414 6.1总结 PAGER

31、EF _Toc294261414 h 66 HYPERLINK l _Toc294261415 6.2展望 PAGEREF _Toc294261415 h 67 HYPERLINK l _Toc294261416 致 谢 PAGEREF _Toc294261416 h 68 HYPERLINK l _Toc294261417 参考文献 PAGEREF _Toc294261417 h 69 HYPERLINK l _Toc294261418 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目 PAGEREF _Toc294261418 h 72第1章 绪论1.1 研究背景及意义乌江干流全长1037公里，

32、贯通贵州、重庆两省市，于涪陵汇入长江。乌江在贵州境内长802公里，流域面积6.7万平方公里，占全省总面积的38%，是贵州省第一大河。随着乌江航运工程和各梯级枢纽的建设，乌江航道和水利枢纽的建设，将极大地改善乌江通航条件，极大地促进贵州省产业结构、工业布局调整，优化贵州省综合交通运输体系结构，乌江将成为贵州省社会经济发展的运输大动脉。一条通江达海的水运通道将把贵阳、遵义这两大经济中心连接到长江黄金水运通道上，结束贵州省主要城市没有水运通道的历史。但各梯级枢纽“重发电，轻航运”的建设模式也给乌江航运发展带来了巨大阻碍，存在着通航设施建设进度不一致、承船箱尺寸不一致、通过时间不一致、通航流量不一致等

33、问题，而这些问题直接导致了枢纽的通过能力各不相同，直接形成“短板”效应。随着沿江经济发展，运输需求日益增长将会使各枢纽通航设施通过能力不足及运输系统瓶颈问题日益显现。为未雨绸缪、最大限度地乌江通航设施通行效率、合理利用运输系统资源，充分发挥水运优势，降低综合物流成本，急需站在运输系统综合优化角度，针对乌江船舶货运系统多梯级枢纽及多货种多方式的特点，制定乌江高等级航道高效货运组织方方案。由于乌江流域内具有水电枢纽，升船机、港口等多种水运设施，水运网络与公路及铁路运输网络连接，使得货运组织方式涉及多种运输方式、多式联运及中转点设置问题。加上乌江流域运输系统空间跨度大等问题使其运输系统存在固有的复杂

34、性。所以，考虑充分利用水路、公路、通航设施等综合运输系统资源，对既定通航设施条件下的货运组织进行定量的优化研究，制定合理的货运组织方案是值得研究的问题。而目前针对水运枢纽区域的货运组织研究，大部分都处于定性分析的研究阶段，定量分析较少且没有站在综合运输系统规划的角度分析，而针对乌江的相关研究至今尚未涉及。因此，定量的分析货运组织方案，做到各种运输方式内部优化和运输方式之间的组合优化对解决多梯级枢纽给货运组织带来的问题和乌江流域整体经济和社会效益具有十分重要的意义。由于乌江船舶货运系统的复杂性，构建理论优化模型存在一定难度，且模型的目标局限性使优化结果没有全面考虑系统各项因素，优化的船舶货运组织

35、方案的可行性需要验证，计算机仿真技术的发展为其提供了手段，本文针对乌江多梯级枢纽区域通航环境特点，首次尝试采用计算机仿真技术对多梯级枢纽区域货运组织进行仿真，以验证方案的可行性。针对理论优化方法与仿真技术各自的优劣，采用理论优化与仿真模拟相结合的新方法，优化设计出乌江多梯级枢纽区域高效船舶货运组织方案，这对解决多枢纽河流船舶货运组织优化问题是一次有益的尝试。1.2 国内外研究现状1.2.1 内河枢纽区域货运组织方式研究乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织方式优化涉及运量分配、船型优化选择、航线配船等等。目前针对枢纽货运组织方式优化的成果较少，张光磊（2009）2针对三峡枢纽区域运输组织存在问题，引入

36、阈值的概念，通过对三峡船闸的调度优化方案研究以提高船舶通过量，运用评价方法分析各货类的翻坝可行性及运用Dijkstra算法得出最佳水陆联运路径综合确定船舶通过三峡枢纽区域的水路货运组织方案，但该文缺乏对整个系统货运组织综合优化研究。乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织方式优化研究重点是怎样定量地分析各类货物合适的运输方式、运输路径及确定相应运输路径上的货运量及各运输路径上船舶的运力分配问题。这类问题的解决方式更类似于交通规划中的运量分配问题，即为多货种多方式从系统最优的角度出发，选取网络中总的运输费用或运输货物里程最小作为目标函数进行优化，得到优化运输路径。网络优化模型是普遍公认的最合适、定量分配货

37、流的模型。网络优化模型主要关注多种运输方式下运输网络的合理表示、方式间转运的处理、决定货物运输的多重指标、网络中拥挤效用以及网络流分布模式的阶段性比较分析。例如，（1986）3通过给定每个运输货轮的具体运输线路，整合后得到航运公司的运输网络。每个运输货轮均选择最小费用的路线运输，航运公司则通过交通网络均衡原则选择运输货轮。遵循上述思路，HARKER P T(1988)4-6给出了更加完善的模型。FLORIAN M(2002)7建立了一个具有层次化Logit选择模式的多种需求条件下多类别多方式的网络平衡模型。该文采用变分不等式的建模方法，求解时采用了GaussSeidel块分解耦合相继平均法的求

38、解策略。该模型被应用于智利圣地亚哥市的ESTRAUS项目。该模型面向城市交通，但是为解决区域运输中多方式多货种问题提供了参照。该模型的缺陷是方式间的协作和转化没有得到充分考虑。韩印（2008）8为了实现交通网络混合交通流随机平衡分配，分析了广义费用下多用户多方式的路径选择机理与网络平衡条件及信息条件下多用户多方式对路径选择的影响特征，运用数学规划理论，建立了基于信息条件的随机混合交通平衡分配模型，并证明了模型解的等价性与唯一性。对于水运枢纽区域的多货种多方式的货运组织方式优化目前也有一定的研究，朱凯（2008）9将道路交通网络中多用户多模式交通分配研究应用在三峡枢纽的货物分配上，通过合理的对水

39、路运输方式做公路运输的等效替换，将水运交通网络优化转变成道路交通网络优化问题，利用transcad对三峡区域各货类进行货流分配，得到各路段各货类的流量值。刘铁鑫（2010）10根据运输网络流分配理论和运输路径选择优化方法，以系统最优为目标，建立了具有较好通用性的基于广义运输费用的综合运输网络平衡优化模型，并利用k优运输路径的遗传算法来求解多货种多方式的综合货运组织优化模型并将模型运用到三峡枢纽区域货运组织方式优化的研究中，但该研究对船舶通过三峡枢纽的通过时间考虑不足。总的来说，对于多货种多方式货运组织优化目前主要集中在道路与铁路，对于水路运输网络优化研究及实践应用还比较少，且主要集中在流量分配

40、，缺乏对航运系统决策者关心的水路运输网络货运组织优化方案中航次数及船舶数量的研究，且对多梯级枢纽货运组织方案优化研究还处于空白阶段。1.2.2 交通仿真建模研究计算机仿真技术在各种领域得到了广泛应用，在交通运输领域，仿真技术也得到了一定的应用。国外方面,MattiPursula（1999）11使用了先进的建模方法，把需求建模与街道和道路上的交通流行为结合在一起，试图描述一个仿真环境中整个交通系统的行为。目标是再现某一小区内居民群体的出行类型(包括数目，时间，目的等)。W David Kelton12 (2000)对离散系统仿真理论以及如何运用Arena进行离散仿真建模和优化进行了阐述。LAIK

41、K13 (2000)等用仿真技术对3种可能的道口扩容方法进行评估，目的是提高港口经营工作的效率以适应集装箱量的快速增长。国内方面，卢方勇（2000）14针对永久船闸的运行了系统仿真研究；何军红(2001) 15等人对三峡船闸的五级船闸运行系统进行了仿真研究，建立了相应的连续系统模型以及离散系统模型,首次提出了利用双传感器实测数据和模型仿真结果进行信息融合的机制来进行故障诊断和决策的方法,并采用面向对象的方法初步实现了该仿真系统,给出了船闸系统的动态运行结果,为系统后期的运行控制提供了依据。沙梅（2006）16对通用性集装箱码头工艺方案设计仿真系统进行了研究。李旭宏(2007) 17基于Aren

42、a对物流配送中心分批拣货策略和单一拣货策略比较进行了仿真，为配送中心拣货作业系统的优化提供决策支持、王永辉基于Arena对港口泊位作业系统进行了仿真、杨神化(2007) 18应用Multi-agent 系统（MAS）理论和技术，构建和开发了基于MAS 和船舶操纵模拟器（SHS）的智能港口交通流模拟系统，提出了比较实用的港口调度算法和船舶自动航行算法。并将开发的系统应用到青岛前湾港区不同规划设计方案的论证研究中，仿真了规划水域的船舶交通流状况，为港口规划设计方案的评估论证提供了参考依据。针对枢纽区域的运输组织仿真研究目前还较少。朱凯（2008）9对三峡区域运输情况进行了计算机仿真建模研究，通过仿

43、真运算发现了组织方案的不足，提出系列改进方案发现了货物翻坝比例和锚地等待时间之间的量化关系。但该研究只是针对三峡枢纽进行方案的优化，没有考虑到改进方案优化对运输系统造成的影响，最后的优化结果并非是平衡系统服务效率和运输成本的最优解。总的来说，计算机仿真技术在水运运输领域已有研究，但针对枢纽区域船舶货运组织的仿真研究还较少，特别对多梯级枢纽这种存在多货种，多运输方式，多运输路径，多级排队的复杂运输系统的仿真研究还处于空白阶段。 1.3研究内容和研究方法1.3.1研究内容1）乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织环境及存在问题分析了乌江梯级枢纽区域船舶货运组织的历史及现状，各梯级枢纽的情况，阐述了种种梯级

44、枢纽建成后对船舶货运组织产生有利影响及不利影响，说明了乌江梯级枢纽全线通航后给船舶货运组织带来的问题，为后续研究打下基础。2）乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织理论优化模型建立及实现根据乌江多梯级枢纽区域运输系统的特点，经过对系统的抽象定义与基本假设，提出以广义成本最小的乌江多梯级枢纽区域多货种多方式船舶货运组织优化模型，其中针对根据船舶通过枢纽的调度规则，提出建立了枢纽单重休假规则M/G/1排队模型，求解船舶通过各枢纽的时间，对各运输路径的运输时间计算提供数据支撑。最后，利用多货种多方式货流分配模型对乌江多梯级枢纽船舶货运组织进行优化，得到以广义成本最小的船舶货运组织优化方案。3）乌江多梯级枢纽

45、区域船舶货运组织仿真建模与实现鉴于数学方法不能全面分析货运组织方案优劣的缺点，提出利用计算机仿真技术对多梯级枢纽区域船舶货运组织系统进行分析。首先分析乌江多梯级枢纽区域货运组织系统仿真的目的，其次分析系统边界、构成、特征及仿真指标，接着以面向对象建模的思想利用arena软件对乌江多梯级枢纽进行仿真建模，构建仿真模型并运用于数学优化方法得到的货运组织方案，评价方案的可行性。4）乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织总体方案研究根据数学方法和仿真技术各自的优势和不足，尝试综合利用数学和计算机仿真技术对乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织进行优化。首先针对初步方案不足提出多种改进策略，并将改进策略转化为数学理论优

46、化方法中的约束条件，再次进行从数学理论优化模型到仿真模型优化过程，从而发现一定的规律，研究在完成既定货运量优化方案及船舶在多梯级枢纽区域航行较为通畅的条件下，广义成本最小的乌江多梯级枢纽船舶货运组织总体优化方案。1.3.2研究方法1）在研究已有网络优化模型及分析乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织系统特征的基础上，提出了以广义成本最小为目标的乌江多梯级枢纽区域多货种多方式船舶货运组织优化模型。2）根据乌江多梯级枢纽通航设施排队系统的排队规则，引入适合该排队规则的M/G/1单重休假排队模型，求解船舶通过枢纽的平均通过时间。3）使用离散系统仿真技术对乌江多梯级枢纽区域货运系统进行仿真建模。并运用仿真模型

47、对数学优化方法得到的船舶货运组织方案进行评价。4）基于理论优化与仿真模拟交互作用，对数学方法得到的船舶货运组织初步方案进行改进优化，得到合理高效的乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织方案。具体技术路线如图1-1：图1.1 本文的研究思路第2章 乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织环境及存在问题目前乌江通航河段（乌江渡涪陵）在多梯级枢纽建设之前一直存在航道滩多流急，航运条件差，航道等级低，航运未完全通畅，运量小，航运发展缓慢等问题，乌江货运的主要运输方式是散杂货自航船，拖驳船队或机动驳船组运输方式极少。 2004年，乌江贵州流域构皮滩、思林、沙沱、彭水各梯级枢纽均已动工修建，由于施工截流导致乌江航运中断，乌

48、江航运转为区间短途运输，到2018年乌江多梯级枢纽全线通行时，乌江航道可全年通行500t船舶，将成为贵州省与长江黄金水道对接的第二条高等级航道。乌江多梯级枢纽建设将给未来乌江这条高等级航道带来一系列影响，给船舶的货运组织带来新的问题。2.1船舶货运组织环境分析乌江自西南向东北蜿蜒流经贵州省中部和重庆市边陲，在涪陵汇入长江，全长1037km。其中，河源到乌江渡为乌江上游区域，因水流急，河床狭窄，两岸高山悬崖，常有大型崩岩堵滩而无法行船，因此乌江通航河段指乌江渡至涪陵航段，该航段由4个水电枢纽组成乌江多梯级枢纽群，下面从航道、港口、枢纽通航设施、运输船型等方面分析乌江多梯级枢纽区域船舶货运通航环境

49、。乌江多梯级枢纽区域图见图2-1。 图2-1 乌江多梯级枢纽区域图2.1.1货种货量根据贵州交通厅项目乌江高等级航道高效货运组织关键技术研究中“贵州省乌江干流水路货运需求预测”部分研究结果，2020年分类货运量预测结果见表2-1：表2-1 分货类预测 （单位：万吨）上行下行合计煤炭0237.08253.83磷化工产品081.2381.23金属矿石04.044.04矿建材料19.3210.6830水泥4.4623.4527.91木材00.130.13非金属矿石3.058.1111.16化肥及农药2.266.128.38盐0.020.060.08粮食0.020.060.08硫磺及合成氨25025烤

50、烟05.455.45茶叶088其它21.7229.7744.17合计76.48414.18499.46由表可以看出，乌江流域货类种类繁多，主要货种为煤炭、磷化工、矿石、水泥、硫磺及合成氨及其他大件或机械货种。煤炭主要是织金、瓮安、福泉等地煤矿经由乌江渡港区或江河界码头水运外销湖北、江苏、上海等地区。磷化工产品主要是分布于瓮安、福泉等地，由江界河码头装船运到运往华中、华东、华北。以乌江下游的矿石资源丰富，矿石及矿建材料资源以大理石资源为主，还有石灰石、砂石料、砖等，主要由思南港及沿河港运出乌江至广州、上海等地。对于表中时效性较强的茶叶、烤烟及其他高附加值的货物考虑利用集装箱进行运输。集装箱运输目

51、前在乌江流域还属于初步发展阶段，除乌江渡港区内主要港口开阳港外，沿岸其他港口并不具备进行集装箱装卸作业的能力。但其他河流水运发展表明、集装箱运输是重要的运输方式,如长江的集装箱运输,从上游宜宾,泸州、重庆、涪陵、万县、宜昌至中下游各港的水运集装箱发展速度很快。乌江流域目前只有少量贵阳、遵义的集装箱运输，只能通过汽车运到重庆港装船，而公路运费高，不经济，因此集装箱运量很少。贵阳市乌江至长江水运通道一经建成开通及乌江各水电枢纽建成，将为发展贵阳市水运集装箱运输创造有利条件。2.1.2航道乌江航道在多梯级枢纽建设之前一直存在滩多流急，航运条件差，航道等级低，运量小，航运发展缓慢等问题。随着乌江各梯级

52、枢纽的建成及乌江航道整治工程的同步进行，库区航道条件得到了显著改善：水位上升淹没险滩，流速减缓，乌江航道等级将由V级提升到IV级，船舶通航尺度将达到1.630330（m），乌江航道通过能力将达到1000多万吨，500吨级船舶将由涪陵直达乌江渡。因此，航道通航条件的改善和通过能力的提升将促进船舶向大型化、标准化发展。2.1.3港口梯级枢纽兴建前，乌江流域港口水域中水期河宽较窄，到了枯水期甚至出现无法满足船舶的停靠的问题，港区水域常年航行、停靠、作业困难，而洪水期又存在流速大的问题，更加影响船舶的正常停泊。乌江贵州省境内现有大小港口4个，吞吐能力10万t以上的只有3个，即思南、德江和沿河港，而且沿

53、江仍以客渡码头、停靠点为主。码头规模小，设施落后，无法满足沿江两岸社会经济发展的需要。梯级枢纽兴建后，航道及库区港口水域条件得到改善，方便了船舶的正常作业。另外，多梯级枢纽的兴建使得库区江湾增多、乌江支流河面增宽、航道延伸，使港口布局更为有利，为建设大型货运港口提供了基础条件。根据贵州省内河航运发展规划，乌江沿江港口将以开阳港、江界河等地区重要港口为重点，其它一般港口为基础，满足资源外运中转出口需要，发挥乌江出省通道的优势，计划将新建乌江渡、楠木渡、江界河、开阳港区4个500吨级泊位，沿江渡、河闪渡、德江码头3个码头、小码头14个、停靠点20个。未来计划扩建和新建的主要货运港口情况见表2-2。

54、表2-2 未来港口规划码头名称码头泊位最大靠泊能力（吨）设计货运吞吐能力（万t/年）乌江渡150011开阳港850094.6沿江渡150018江界河750075河闪渡250021.5思南250023.9德江750070沿河450050综上，未来港口的发展将促进航运事业的发展并为船舶多方式联运提供有利条件。2.1.4枢纽通航设施贵州省乌江通航河段共有有沙沱、思林、构皮滩、彭水枢纽；上游紧接本河段的乌江渡枢纽已建成投产，该枢纽未建过船建筑物，只留有过船建筑物位置。沙沱、思林、构皮滩、彭水四座枢纽在建中，其过船建筑物与枢纽工程同步实施。各枢纽通航设施参数见表2-3： 表2-3 通航设施参数项目单位构

55、皮滩思林沙沱彭水过船设施三级升船机升船机升船机升船机及船闸设计年通过能力万t143341334.1510承船厢或船闸有效尺寸m5911.72.560122.560122.55911.42.3承船厢移动速度mmin-112121212一次过坝最大船舶吨位t500500500500正常蓄水位m630440360310利用水头m197.17175.566枢纽通航设施建设将为船舶通航提供条件，而且为了合理利用通航设施船闸或升船机的有效面积，将促使船舶逐步标准化。从表2-3中可以看出，各通航设施承船厢或船闸有效尺寸较小，一次装载只能容纳一条船，使得顶推等内河常用船舶货运组织方式无法实现，只能考虑自航船过

56、通航设施运输。2.1.5运输船型乌江属山区河流，各枢纽建设前，为适应山区河流弯曲、狭窄、比降大、流速急、流态紊乱的特点，船型多为尖瘦型，主机功率比平原高一倍以上。货运的运输方式是机动驳，一般采用半舱或深舱型式，吨位主要100300t级，有少量500t级航行在龚滩以下。船舶呈现的平均吨位小、船型机型多、运输效率较低等问题，远远不能满足新的市场需求和适应新的航运条件。各枢纽建设后，由于存在地区经济发展、充分发挥水运优势的要求、各梯级枢纽间水库蓄水、船舶过闸尺度要求等诸多原因，加快了乌江梯级枢纽区域船舶的标准化、大型化的发展。根据各货种的特点，选择散货船、集装箱船及滚装船进行乌江各类货物的运输。其中

57、散货船运输煤炭、磷化工、矿石、水泥、硫磺及合成氨等货物；集装箱船运输茶叶、烤烟及其他高附加值的货物；乌江未来滚装船将主要运载上游的水泥及下游的部分矿石等货种。表2-4为贵州省两江一河（乌江）高等级航道主要船型标准化研究25通过技术经济论证确定的乌江未来梯级枢纽区域各类标准化船舶优化设计方案。表2-4 各类船型参数船型散货船集装箱船滚装船500t300t200t48TEU30TEU38车50车垂线间长 m53.0044.0036.6555279.00100型宽 m10.007.806.410.810.819.2019.2型深 m2.502.402.32.42.33.903.9设计吃水 m1.61

58、.51.41.61.52.42.4结构吃水 m1.81.71.61.81.72.62.6方形系数0.750.7970.770.7970.7640.6470.643载重量 t500300200473.930038车50车设计吃水时航速km/h16.4917.0616.5721.922.421.0821.71千吨公里油耗kg/kt.km9.1812.8116.9911.1815.412.5611.78主机功率902902110211021102441250022.2乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织存在的问题2.2.1乌江多梯级枢纽区域货物需求量及供需缺口根据贵州交通厅项目乌江高等级航道高效货运组织关

59、键技术研究中“贵州省乌江干流水路货运需求预测” 1对各类船舶的货运量OD预测结果见表2-5至2-7（A表示乌江渡港区，B表示河闪渡港区，C表示思南港区，D表示沿河港区，E表示彭水下游边界。下同）(单位：万吨)：表2-5 散货船运量ODOD终点起点ABCDEA0 00.810 201.2B0000.720.8C0.70.10 0.58 11.9D01.50 031.2 E20.2 4.94.671.20 合计：300.46万吨表2-6 集装箱船货运量ODOD终点起点ABCDEA0 0 0 018 B00 0 00C0 00 040D000 0 2.1E4.25.4 6.8 3.7 0合计：80.

60、2万吨表2-7 滚装船运量ODOD终点起点ABCDEA0 0 0 0 44.3 B00 0 029.8 C000 0 20.0 D000 05.4 E6.14.2 3.21.30 合计：114.1万吨在考虑滚装运输全部不过坝和不考虑客运量的情况下，未来特征年乌江梯级枢纽区域货运量需求和枢纽通过能力供需缺口如表2-8所示。表2-8 乌江各梯级枢纽特征年过坝货运量 单位：万吨 枢纽年份构皮滩思林沙沱彭水2020年上行44.9951.0162.7968.17下行200.11226.89281.26303.2合计245.11277.9342.05371.37供需缺口102.11无缺口1.05无缺口20