（管理科学与工程专业论文）提高三峡船闸通航能力的研究.pdf

摘要 船闸通过能力提高是个现实存在着的，而且理论上尚不存在成熟解决方 法的问题。本研究运用与前人不同的观点、思路和方法，通过优化探讨研究三 峡船闸通过能力的提高问题。 船闸的实际通过能力不是固定值，并说明有别于其设计值，从而开拓问题解 决的思路。有别于固守设计通过能力的不实际比较之中。 通过能力供给与需求平衡的思路分析船舶过闸与船闸伺服的相互作用，从而 建立提高通过能力的准确的解决方法。有剐于动态规划与模拟方法状态辨识或 模拟精度的限制。 本研究的方法：其一，运用排队论方法，分析船舶过闸随机过程与船闸伺 服过程，从而得以建立需求与伺服对应关系；其二，成功地分解船闸伺服过程 的控制变量，通过对各个分解变量的优化，达到对伺服过程的流程整体优化控 制：其三，根据分解变量的特征，对各个分解变量分别采用不同优化方法：二 维离散排序、最短路径( 图论) 、线性规划优化在研究思路与解决现实问题方 法上，本研究着眼于现实问题，而不是套用固定的模型。 从上述观点、思路和方法中，本研究建立了船闸t b c 模型，( 因数据资源限 制) 有选择地将t b c 分解为船闸闸室平面布局、过闸时间三个控制变量( 模型 。 建立三个优化目标：通过货载量最大、通过船舶数量最多、通过时间最短本 研究分别建立v s c ( v s c a m c ，v s c a l l vv s c a m t ) 、d p s 模型，通过模拟( 缺乏足 够估计样本) 与优化，计算得到提高船闸通过能力的最优解即船闸运行的控制 因素的最优值。由此，推荐船闸最优运行的建议。供参考。 本研究从经济学、交通工程、运筹学和工程设计四个层面，分析并探讨船 闸通过能力提高问题。 本论文内容编排顺序是：背景( 为说明区别于自动控制，增加扩大了背景 篇幅) 、建立总体模型、分解成子模型、估计、在不同日标下优化予模型、优化 计算结果、建议。 关键词：船闸通过能力闸室平面布局船闸最优控制船闸模型 学科代码：l1 0 7 4 4 5 ，1 2 0 5 0 0 9 ，5 7 0 1 0 9 9 a b s t r a c t t h ei m p r o v e m e n to fas h i p l o c kc a p a c i t yi sar e a l i s t i ca n du n s o l v e dp r o b l e m t h i sd i s s e r t a t i o nt r i e st od e v e l o pm o d e l sa n dm e t h o d o l o g i e sw i t hu n p r e c e d e n t e d c o n c e p t s ，l o g i ca n d m e t h o d st os o l v et h ec a p a c i t yo f t h r e e - g o r g ed a ms h i p l o c k - t h ec o n c e p md i f f e r e n tf r o mp r e v i o u si n c l u d et h ed e f i n i t i o no fs h i p l o c kc a p a c i t y w h i c h , i nt h i sw o r k , i sv a r i e dv a l u e ，r a t h e rt h a naf i x e dn u m b e r , d e p e n d i n go n c o n d i t i o n sd i f f e r e n tf r o mt h ed e s i g n e dv a l u e ，w h i c hi sl e s sd i r e c t i v et os o l v i n g p r o b l e mo fs h i p l o c k t h en e w l o g i co fa p p r o a c h i n gc a p a c i t yi st h a tt h ee q u i l i b r i u mo fc a p a c i t yd e m a n d o nc a p a c i t yf r o mv e s s e l sa n ds u p p l yw i t hc a p a c i t yb ys h i p l o c ks h o u l db et h ef o c u s ， t h a ti s ，t h ei n t e r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a s so fv e s s e l sa n ds e r v i c eo fs h i p l o c k s h o u l db et h ef o c u s 。r a t h e rt h a no n l yo n es i d e ，o ft h er e s e a r c h t h i si sw h 钎et h e m e t h o d so ft h i sw o r ka r ed e r i v e df r o m ，d i f f e r e n tf r o me i t h e rd y n a m i cp r o g r a m m i n g o rs i m u l a t i o nw o r k e do n l yo no n es i d eo ft h er e l a t i o n s h i p t h eu n p r e c e d e n t e dm e t h o d o l o g i e sa p p l i e di nt h i sw o r ka r eq u e u i n gt h e o r yu s e d f o rt h es t o c h a s t i cp r o c e s so fs h i p l o c ks e r v i c es ot h a tt h er e l a t i o n s h i po fd e m a n da n d s u p p l yc a nb ee s t a b l i s h e d ；i d e n t i f y i n ga n dd e c o m p o s i t i o no fc o n t r o l l i n g v a r i a b l e so f s h i p l o c kc a p a c i t y , i no r d e rt oo p t i m i z et h ec a p a c i t y ；t w o d i m e n s i o nd i s c r e t eo r d e r i n g m e t h o d ，m i n - p a t hm e t h o da n dl i n e a rp r o g r a m m i n ga r ea p p l i e d t o o p t i m i z i n g d e c o m p o s e dc o n t r o l l i n gv a r i a b l e sb a s e do ne a c hv a r i a b l ep r o p e r t i e s i nt h i sw o r k , t b cm o d e li sb u i l tf o rs h i p l o c kc a p a c i t ya n d ，d u et ol a c ko f s a m p l i n gd a t a , s c l e c t e df a c t o r s ：v e s s e l a l l o c a t i o nw i t h i ns h i p l o c kc h a m b e r , c o m b i n a t i o no fc h a m b e r si no p e r a t i o na n dd u r a t i o no fp a s s i n gs h i p l o c kw h i c ha r et h e c o n t r o l l i n gt h ec a p a c i t ya r ed e f i n e da sv a r i a b l e si nt b cm o d e l t h r e eo p t i m a l o b j e c t i v e s a l es e tf o r t ha s ：t h em a x i m u mc a r g op a s s i n gs h i p l o c k , t h em a x i m u m n u m b e ro fv e s s e l sp a s s e da n dt h em i n i m u mp a s s i n gd u r a t i o nt i m e s o m es u b m o d e l s ， l i k ev a s c ( v s c a m c , v s c a m vv s c a m t ) ，d p sa r ee s t a b l i s h e df o rv a r i a b l e o p t i m i z a t i o n t h e nt h eo p t i m a ls o l u t ： ! cc o m p u t e df o rt h eo p t i m a lc o n t r o lo f s h i p l o c ko p e r a t i o n ，a sr e f e r e n c et os h i p l o c ka u t h o r i t y 1 1 t h i sw o r ka p p r o a c hs h i p l o c kc a p a c i t yp r o b l e mf r o mp e r s p e c t i v e so fe c o n o m i c s ， t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ，o p e r a t i o n sr e s e a r c ha n df a c i l i t yd e s i g np r o c e d u r et os t u d y t h ei m p r o v e m e n to fs h i p l o c kc a p a c i t y t h ec o n t e n ts e q u e n c eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni s ：r e s e a r c hb a c k g r o u n d ( c i t e ds o m e w i d e ra n dm o r ci na u t o m a t i o nf o rb e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h i sw o r k ) m o d e l sb u i l d i n g , m o d e l sd e c o m p o s i t i o n , e s t i m a t i o n , o p t i m i z a t i o no fm o d e l s ，c o m p u t a t i o no ft h e o p t i m u m sa n ds u g g e s t i o n st os h i p l o c ko p e r a t i o n k e y w o r d s ：s h i p l o c kc a p a c i t y , v e s s e l a l l o c a t i o nw i t h i n c h a m b e r , s h i p l o c k o p t i m i z a t i o n , s h i p l o e km o d e l l i j 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与 我一同工作的同志对本研究所做的4 - s = 4 - - r 贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意 签名：型! 堕叁日期：! q q 生! q 旦2 1 璺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学博士学位论文 第1 章本研究选题背景与创新点 在第一章中。首先简介选题背景， 内容与目标。最后，就本研究的内容， 本章是本研究后续工作的铺垫。 1 1 本研究背景 然后分析产生原因，由此引出本研究的 概述国内外相关研究和应用的最新发展。 长江是中国最大河流，干流全长6 3 0 0 k m ，流域集水总面积1 8 0 万平方i ( ， 年平均入海水流量约9 6 0 0 余亿立方米。从干流长度和入海水量论，长江均居世 界第三位。长江三峡由西陵峡、巫峡和瞿塘峡组成，三峡全长1 9 3 k m 。 三蛱船闸是三峡水利工程的重要部分，船闸为双线连续五级船闸，两线船 闸平行布置，中心线间距9 4 m ，中隔墩宽5 7 m ：每线船闸均布置6 个闸首、5 个 闸室，l 闸首至6 闸首为船闸主体段。全长1 6 2 1 m 矧。 三峡船闸主体结构段长1 6 0 7 m 。下游引航道直线段9 3 0 m ，后接向下游左转 5 4 。、转弯半径为1 0 0 0 m 的转弯段9 4 2 m ，再下接8 5 0 m 直线段，奎长2 7 2 0 m 。上 游引航道导航段底宽1 5 2 m ，停靠段宽1 8 0 m ，堤头口门底宽2 2 0 m 。上游导航墙段 长2 5 0 m ，下游导航墙段长2 2 0 m ，上、下游靠船墩段各长2 0 0 m 三峡船闸闸室有 效尺寸为2 8 0 r e x 3 4 m 5 m ( 长x 宽x 起始水深) 。三蛱船闸上游最高通航水位 1 7 5 m ，最低通航水位1 3 5 m ，下游最高通航水位7 3 8 ，最低通航水位6 2 m 。船闸 总水头1 1 3 m 根据水级划分，五级船闸中间级最大水头为4 5 2 m 。船闸可一次 通过i + g xi 0 0 0 吨或1 + 4 3 0 0 0 吨船队，是当今世界上水头最高，规模最大， 技术最复杂的船闸工程 船闸主体段的上、下游分别布置了长度为2 1 1 3 m 和2 7 0 8 m 的引航道，通过 各长5 3 0 m 的口门区以及曲线段与库区航线和下游河道平顺连接。引航道口门水 流条件，允许设计流速为纵向流速不大于2 0 米秒，横向流速不大于0 3 米 秒，回流流速不大于0 4 米秒。各闸首输水系统阀门以2 分钟双侧开启，最大 流量7 0 0 立方米秒，闸室水面最大上升( 下降) 速度达4 0 2 米分钟，平均速 度2 3 2 米分钟，输水时间不超过i 0 0 分钟，小于设计要求的1 2 0 分钟。单 侧阀门以2 分钟开启，最大流量4 2 0 立方米秒，闸室水面最大上升( 下降) 速 提高二峡船闸通航能力的研究 度达2 4 2 米分钟，平均速度1 4 2 米分钟，输水时间不超过1 8 0 分钟嘲。 三峡闸室停泊条件对4 x 3 0 0 0 吨船队的纵、横向允许系缆力分别为5 吨和3 吨。 三峡双线五级船闸中间级最大工作水头4 5 2 m ，第l 闸首人字工作门最大淹 没水深3 5 m ，闸室设计双边充( 泄) 水时间1 2 分钟，单边充( 泄) 水时间2 3 分 钟“。 长江三峡船闸自2 0 0 3 年6 月1 8 日到2 0 0 3 年1 2 月3 1 日，共运行闸次4 3 8 6 次。过船3 4 8 8 0 万艘次、旅客1 0 8 1 万人次、货物1 3 7 7 9 9 3 6 吨。 根据公布的统计资料彻： ( 1 ) 三峡船闸设计日运行闸次及通过量为每线日运行2 2 小时，运行2 2 1 阐次，年单向通过量5 1 5 2 x 1 0 吨。 实际运行情况：日均每线运行闸次1 2 4 个，日运行时间2 4 小时。 ( 2 ) 通常，每日会有一定数量的船舶候闸，为过闸船舶总数的9 8 9 6 2 2 5 。 ( 3 ) 在船闸因流量超限停航、枢纽冲砂、旅游黄金周、船闸应急抢修和计 划性停航等非正常通航状态下，通过能力明显不足，出现了较多候闸船舶，最 高达到北线单线运行时的3 4 9 艘次懈m ”。 根据公布的统计资料，在1 9 7 天试通航中，有候闸积压船舶的天数为1 1 9 天， 占通航天数的6 0 4 。候闸积压船舶主要为中小型货运船舶和滚装船。 截至2 0 0 5 年5 月，目均运行效率仅相当于设计水平的5 7 。公布的监测结 果还显示：船舶实际入闸间隔时间为1 1 6 分钟，比设计的5 9 7 分钟延长5 6 3 分钟， 具有代表性的是三峡船闸自己完成的并公布了两次典型的过闸测试( 详见 表3 - 1 ) 。它比较系统性地集中地概括上述船闸通过能力不足问题。将( 第二章 中 表3 一l 中的两次测试结果归纳成图卜l 。从图1 - 1 可见，船闸通过能力不足 问题主要出现在船队进出闸过程与船队通过闸室( 本研究简称为船队在闸室间 移动) 过程。 武汉理：大学博士学位论文 图i - i 船队通过船闸时间消耗统计分析 本研究选择通过优化控制船闸以提高三峡船闸通过能力课题，优化控制对 象是船闸运行管理中所涉及的变量，如闸室内船舶平面布局、闸室运行组合等， 而不涉及船闸硬件设施设备。本研究重点是针对( 图卜1 所示) 耗时大大超出 设计指标的“进出闸时间”与“通过闸室时间”，分析其中主要的决定性控制变 量，进行分析研究，探讨提高通过能力的措施。 1 2 本研究内容 进一步说，本研究的内容是通过优化船闸闸室的利用率、通过优化船闸闸 室运行的组合方式、通过直接和间接地优化船队过闸时间等三种船闸通过能力 的主要决定因素来达到减短过闸时间，并且提高单位船闸通过货载量，从而提 高船闸通过能力，如图1 - 2 所示。黄色着色的部分就表示为本研究的内容。 一 曦枨蛘斛幂强s啷蟋帐r拦捌明蟹器誊n土匝 磷器世h螺曦m七砷匿奄簟8 嘲卿接 认誊是r避鳝留厘馨警健卺丰 武汉理 ：大学博士学位论文 显然，影响船闸通过能力的变量众多，本研究不可能研究所有的船闸通过 能力的变量。 在现有的资源和时间范围内，本研究选择控制变量的原则如下： ( 1 ) 本研究通过船闸的系统分析，抓住船闸影响通过能力的主要矛盾因素 及其主要矛盾方面的决定性变量。 。 ( 2 ) 由于数据资源限制，本研究所选择的控制变量受限于可以获得公布数 据的变量选择范围内。 ( 3 ) 本研究所选择的控制变量是对本研究所建立三个优化目标影响较大变 量。本研究的三个优化目标是：通过时间最短、通过船舶最多、通过货载量最 大。对其他优化目标影响较大而对本研究的目标较小的，在本研究中则不作考 虑。 ( 4 ) 对于难以量化的影响变量没有考虑，诸如船驳船长驾驶技术影响、船 队牵引方式等变量即因素。其原因包括工作量过大，非以个人能力所及以及 对这些变量的优化，并非数学关系式力所能及的。 1 3 本研究目标及意义 本研究的目标可以用所确定的三个优化目标准确地表述出来。本研究目标 是从船闸管理与运行控制角度，通过研究如何通过时间最短、通过船舶最多、 通过货载量最大，从而达到通过能力提高的目标。 本研究的目的是通过选择若干控制变量，探讨本研究所提出的一个整体的 思路和方法系统，为更完善条件下的同类型研究，力图提供一个更好的提高船 闸通过能力的方案也就是说，本研究的变量选择适用于演示本研究的方法论。 本研究的目的在后者而变量的具体选择则不是本研究的重点。也就是说，变 量可以使另外的变量或者增加若干变量，运用本研究的思路和方法依然可以达 到优化控制船闸的目的。区别仅仅在于精确度。 本研究努力探讨船闸通过能力的优化，可以在不投资或者极少投资的状况 下，通过船闸控制水平的提升，提高船闸的通过能力。 提高船闸通过能力无疑对促进三峡经济发展，提高“两坝”协调能力，并 且为将来我国建造超大型水坝提供更加科学的经验和理论根据。 提高三峡船闸通航能力的研究 1 4 本研究思路与方法 本研究思路( 见图1 - 3 图解) 是：从船闸通过能力供给与需求关系，建立 船舶过闸与船闸伺服两个随机过程以便准确地反映船闸现实特征。分析船舶过 闸与船闸伺服两个随机过程的相互作用，构成船闸伺服船队的排队模型。然后， 利用两种统计方法建立恒等式，从中得到船闸伺服随机过程的数学特征。分解 控制船闸伺服随机过程的数学特征的变量，从而进一步建立优化船闸伺服过程 的子模型。通过在不同目标下的优化，得到提高通过能力的优化结果。 本研究的研究三峡船闸通过能力的思路在论文中钓陈述次序( 见图卜3 图 解) 是： ( 1 ) 从基本概念入手，首先船闸通过能力的概念及其定义方法，由此进而 探讨船闸通过能力的本研究的通过能力度量方法，继续从本研究的度量中，分 析出决定本研究中船闸通过能力的控制变量。 ( 2 ) 接下来，建立船闸通过能力的需求与供给关系。所谓船闸通过能力供 给是指船闸伺服船舶通过船闸的过程；所谓船闸通过能力需求是指船舶对船闸 伺服的需求。与此。建立在船闸中的船舶到达与船闸伺服两个随机过程的相互 作用关系，即建立伺服过程的排队模型。 1 ) 也可认为是在考虑了货运量在1 2 个月中分布不均衡特性，从而对船闸通过 能力打个折扣。显然，可对不均衡系数b 进行进一步的拓展和延伸，采用日到船 不均衡系数确定船闸的服务水平。将船闸上行或下行或全部船舶的日到船量( 艘 数或吨位) 从大到小排列，按船闸服务水平等级划分方法，取排序在第l 、7 、3 0 、 9 0 和1 8 2 日的到船量为船闸的日到船特征量，并定义日到船不均衡系数以反映不 同时间保证率所对应的日到船特征量偏离年平均状态的程度。 主要结论及建议 ( a ) 船闸的通过能力应包括质( 船舶候闸时间) 与量( 船舶通过量) 两个方面 因素，而目前通过能力研究中主要强调了量，而忽略了质。为此，还需参考道路服 务水平的研究方法，引入船闸服务水平概念，综合考虑船闸的运行质量与通过能 力的关系，使得船闸通过能力的确定更趋科学合理。 ( b ) 船闸服务水平主要是对于船闸基础设施本身的通过能力评价，其划分 标准可采用船舶平均候闸时间和通过能力保证率。根据船闸通过能力保证率的 不同，可将船闸服务水平分为5 个等级，分别对应于日、周、月、季以及半年等 时间单位，服务水平系数可由日到船不均衡系数求出。 ( 4 ) 国外有关船闸通过能力度量方法 美国、欧洲国家如波兰等国家船闸通过能力按下式计算“叫： p = 2 ( n - 一n o ) nb ib t b 其中：= 标准船舶的吨位； n _ 为日平均过闸次数欣， 届为昼夜内非运货船过闸次数欣，； b = 船闸使用不均匀系数； b ：= 港口吞吐量不均匀系数； = 0 7 5 ： b = 1 0 ( 中等尺度船闸) ，b = 0 8 ( 大船闸) 。 如果船闸单向运行，则1 个方向的运输能力可增加2 0 一2 5 。 在波兰奥得河上船闸：b = 0 8 ；b ：= 0 8 。 在计算力伊利诺斯水道船闸、汤比格比水道船闸、娥亥俄河、坎耐尔顿船 1 9 提高二峡船闸通航能力的研究 闸以及田纳西河上船闸的实际通过能力。 表卜l 世界各国总水头3 0 m 以上的多级船闸一览表 总水头 闸室尺寸( m )线级有否中 建成 国剔船闸名称所在河流 ( 皿)数 数 间渠道 年份 长宽 中国 三峡长江1 1 3 02 8 03 4 0双5无2 0 0 3 中国 水口6 i i | 江5 9 01 6 0 1 2 0 重 3无1 9 9 8 中国双牌潇水 4 3 05 68 0 篮 2有 1 6 9 2 中国铬埠江三汶江 3 8 52 99 2 量 2 无 1 9 5 9 中国五强溪沅永 6 0 91 3 01 2 0 萱 3 无 1 9 9 5 俄罗斯布赫塔明额尔齐斯 6 8 。01 0 0 1 8 0 单4无1 9 6 1 罗马尼亚 铁门多瑙河3 4 43 1 0 3 4 0 双2无1 9 7 2 南斯拉夫 尼日利亚卡因齐尼日尔河 3 0 01 9 81 2 2 苴 2 无 1 9 6 0 巴西 库图鲁伊 托坎廷斯河 7 1 0 2 2 0 3 3 o 堕 2有 加拿大韦l 、2 、3韦兰匿列4 2 02 3 32 4 4 盟 3有1 9 3 2 加拿大韦4 、5 、6韦兰运河4 3 02 3 3 5 2 4 4 双3无1 9 3 2 美国威尔逊( 老)田纳西诃 3 0 51 8 33 3 5 笪 2 无 国外统计结果表明“叫“蚓o o e ，实际通过能力是理想最大通过能力的2 5 左 右，比尔斯费登船闸在莱因河一瑞士航道上巴塞尔附近，该数值是单向运输的结 果。有关国家船闸通过能力实际运量与理想运量之比。基本上在2 5 一3 0 范围 内。 r 1 5 3 最新研究领域之三：平面下料模型与算法 闸室平面布局相关模型：平面下料模型发展现状 二维平面优化排样问题广泛存在于重工业、轻工业、加工业等领域。有大 量的文献对这些矩形件、异形件的排样提出算法和改进，不同的实际情况也产 生了不同的模型及算法“州“。2 0 世纪9 0 年代以前对矩形件排样主要以各 种近似方法为主，如动态规划算法、基于最左最下原则的算法等；9 0 年代以后。 随着优化算法的目益成熟以及其在空间分配、任务调度等组合优化问题方面的 成功应用，这些算法与排放算法相结合被广泛用于二维优化排样问题的求解中， 如模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 、遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 、随 机搜索算法( r a n d o ms e a r c h ) 、进化算法( n a i v ee v o l u t i o n ) 等。总的来说，复 合算法的结果优于单纯排样算法，但各种算法都有效果不佳的问题实例，即对 武汉理工大学博士学位论文 矩形件排样目前还没有完全有效的方法。 。下料问题( c u t t i n gs t o c kp r o b l e m ) ”是把相同形状的一些原材料分割加 工成若干个不同规格大小的零件的问胚，此类问题在工程技术和工业生产中有 着重要和广泛的应用。一个好的下料方案首先应该使原材料的利用率晟大即平 面布局利用率最大。从而减少损失，降低成本，提高经济效益。这一点与本研 究的v s c 模型目的一致。其次要求所采用的不同的下料方式尽可能少，即希望 用最少的下料方式来完成任务。因为在生产中转换下料方式需要费用和时间， 既提高成本，又降低效率。此外，每种零件有各自的交货时间，每天下料的数 量受到企业生产能力的限制。因此实用下料问题的目标是在生产能力容许的条 件下，以最少数量的原材料，尽可能按时完成需求任务，同时下料方式数也尽量 地小。 。 单一原材料下料问题，大大减少了下料方式但由于零件的种类多，因此 下料方式仍然很多，计算量很大。近年来。国内外关于这方面的研究比较活跃， 并涌现出了不少近似算法，如g i l m o r e 与g o m o r y 用线性规划建立的一刀切问题 的数学模型；d y c k h o f f 提出的线性规划方法以及s a r k e r 提出的动态规划方法等 由于下料问题属于布局问题，不同于一般的数值性优化，近年又出现应用遗传算 法来求解下料优化问题。力图建立一种实用的模型多且标整数规划模型， 并提出一种新的优化思想方法一启发式多层次逐层优化方法，解决此问题； 同时与其他的求解方法进行比较。 对于二维下料问题，有的研究采用分类层次分析法，就是说零件的长边都是 顺着原材料的长边切割的。对每一类都可按一维下料问题的方式找最优的方案， 然后再把他们按上述的几种方式进行组合，以求得最优解。 启发式多层次逐层优化方法，方法的基本思想”“州“是：在每层求解时，对 于上层剩余的未完成的各零件数目，利用上面三个子模型可以在当前可行的下 料方式中选择最优的一种下料方式进行下料，并尽可能的重复使用此种下料方 式( 这是为了使得下料方式尽可能少) ；然后对剩余的未完成的各零件重新优化 选取新的最优的一种下料方式，不断反复上面的操作，直到所有剩余的未完成 的各零件数目都减少到0 为止。这样原问题的最优解就是各个层次优化问题所 求得的最优下料方式的总和。 2 1 提高二峡船闸通航能力的研究 1 5 4 最新研究领域之四：有关船闸控制研究的项目情况 2 0 0 5 年8 月1 0 日。也就是本研究启动的1 0 个月后，由交通部西部建设科 技项目管理中心批准立项的提高三峡船闸综合通过能力关键技术研究启动会 议在湖北宜昌召开”4 。 ， 三峡船闸自2 0 0 3 年6 月1 6 同试通航以来，系统运行总体正常，船闸操作 运行效率不断提高。但随着西部大开发战略的实施和长江航运的快速发展，三 峡船闸过坝运量激增，使三峡船闸的通过能力面临着严峻考验。为此，长江三 峡通航管理局与交通部水运科学研究所联合提出开展关于提高三峡船闸综合通 过能力的关键技术研究，以实现三峡通航”安全、畅通、和谐、高效的目标。 经前期调研和项目可行性研究，并经交通部西部建设科技项目管理中心组织专 家评审，该项目于今年8 月1 0 日正式启动，开展研究。该研究项目由交通部水 运科学研究所、长江三蛱通航管理局、中交水运规划设计院、武汉理工大学、 河海大学等单位共同承担 研究项目确定了4 个主要研究专题：提高三峡坝区通过能力的对策研究； 三峡一葛洲坝两坝航运联合调度优化技术与方案研究；船舶过闸与计算机调度 系统技术研究与开发：船闸设备运行管理和重大突发事件应急预案研究该项 目研究成果实施后，预计可有力提升三蛱船闸过坝调度、船闸运行管理水平， 使三峡船闸年均货运量的通过能力较大幅度提高，从而使三峡工程的航运效益 得到充分发挥。 1 6 本研究创新点 本研究创新点，即迄今没有其他研究涉及到的本研究有关船闸通过能力问 题的观点、分析及解决方法、或结论，主要包括： 1 ) 提出新的船闸通过能力概念及其度量，引入通过能力的供给与需求。是 有关船闸管理与控制的理论研究与船闸实际管理的创新观点和问题认识的新方 向。 2 ) 在通过能力的供给与需求平衡关系分析基础上。建立通过能力模型：“以 船队过闸流程的时间为度量基础的( 三峡) 船闸通过能力模型”( t i m e b a s e c a p a c i t ym o d e l ，简称t b c 模型) 。陔模型能够准确地描述船队通过船闸的随机 武汉理 ：大学博士学位论文 性、通过能力的供给与需求两个随机过程的相互作用关系。比较论文以前相关 的研究，该论文提出的是一个新的问题解决的思路，即排队伺服系统的思路， 来分析船闸的行为。 3 ) 针对三峡船闸现实状况，论文提出三种不同的优化目标。这些目标是针 对不同条件下、针对不同问题的船闸运行目标。工作做得细致、现实、有针对 性。此前，尚无此类论文涉及船闸运行如此不同的优化目标。该论文并且进行 优化计算，得到不同目标下的船闸运行建议，对有关部门具有现实参考价值， 对未来相关研究工作有一定的理论参考意义 4 ) 运用t b c 模型，本论文成功地分解控制船闸通过能力的变量，并且建立 子模型，通过对子模型的优化实现对模型t b c 的优化。对于复杂大系统的优化， 本论文是成功的。在大系统的分解、大系统的分级优化方面是成功的。根据本 论文的实际工作与展望，这种大系统分解和分级优化可以扩展到其他控制变量。 在船闸相关的研究中，迄今尚无此类论文发表。 。 5 ) 在优化t b c 模型的子模型过程中，本论文创新计算方法，以解决船闸船 舶平面布局的优化与船闸闸室组合优化。前者v i s e 是二维一般性截面最大化问 题，后者s c m p 是图论中最短路径问题。本论文在前者具有创新性。对后者引入 图论有向图最短路径算法，为首例。迄今尚无类似论文发表。 6 ) 从整体上，本论文提出船闸通过能力提高的一个系统模型或者说系统方 法；从通过能力的度量方式( 第一章) 、模型( 第二章) 、优化目标( 第二章) 、 优化算法( 第二章、第三章) 、操作流程( 第四章) 本研究可以分别向纵向与 横向继续扩展研究与实际工作( 本研究展望) 。 7 ) 从通过能力的供给与需求平衡关系分析并建立通过能力模型。这种供给 与需求平衡关系是解决投资、设计与建设未来船闸的评价方式，是将船闸投资 成本与收益结合正确方法 提高三峡船闸通航能力的研究 第2 章通过能) j t b c 模型及其分析 第二章中用于简述整个三峡通航枢纽的通过能力( 模型) ，从中可以了解本 研究的三峡船闸通过能力，重点叙述三蛱船闸通过能力t b c 模型。 在第二章中，首先给出本研究的三峡通航枢纽整体o s c 模型，然后研究本 研究的主题三蛱船闸通过能力及其t b c 模型。o s c 模型描述三峡通航枢纽全 貌，t b c 模型专门研究三峡船闸，是的0 s c 模型一个部分，一个大系统中的子系 统( 模型) 。本研究重点在于研究t b c 模型三峡船闸通过能力及其优化。 本研究的t b c 模型是“以船队过闸流程的时间为度量基础的三峡船闸通过 能力模型”( t i m e b a s ec a p a c i l l ym o d e l ，简称t b c 模型) 。 2 1 三峡通航枢纽通过能力o s c 模型简述 三蛱通航枢纽由船闸、升船机和翻坝陆运组成。 2 1 1 本研究采用船闸通过能力度量方法 ( 1 ) 船闸通过能力度量 物理学中，我们通常有两种以上方法度量某种液体：或者直接重量表示、 或者与单位体积水的比重来表示。两种方法各有千秋。 同样，船闸通过能力也可以用不同的表述方式。以下我们首先探讨“通过 能力”概念，以及它的表述方式。 本研究采用时间度量的船闸通过能力：即“每闸次船队通过的时间”与“每 闸次中船队在闸室布局空间利用率”( 简称“闸室平面布局”) 两个变量之积。 现实中，这两个变量都是可以计量的。“每阐次船队通过的时间”和“阐室平面 布局”都可以经过统计过闸时间纪录褥知。事实上，三峡船闸有关部门已经公 布这样的统计数据。 其他的通过能力表述方式也可以从“每闸次船队通过的时间”与“闸室平 面布局”之积变换得到。例如。过闸货载吨位就可以用上述之积乘以平均吃水 量即可得到。 这种时间度量船闸通过能力的优点： 武汉理+ l 大学博士学位论文 其一，便于对船队过闸行为的描述。在其他因素不变的条件下，通过能力 反比于每闸次船队通过的时间，每闸次消耗时间越短，通过能力就越高； 其二，便于建立数学模型，便于优化控制： 其三，便于统一变量的度量单位，并且避免相互转换的麻烦： 其四，各个设备行为时段是相互独立的，有利于数学模型的参数估计； ( 2 ) 本研究船闸通过能力模型的变量 通过对国内外各种船闸通过能力的概念、度量方式和计算模型的调查( 详 见第一章) ，结合本研究确定的船闸通过能力度量思路( 详见第一章中的第1 4 节) ，归纳出通过能力度量或模型包括的变量有：船闸日平均过闸次数、船队单 向( 双向) 过闸时间、开关闸门时间、单向( 双向) 入闸时间、灌( 泄) 水时间、单 向( 双向) 出闸时间、船舶( 队) 进( 出) 闸间隔时间、每年通航天数、每次过闸货 运船舶的数量、过闸平均吨位、每艘船舶的平均货载量、年最大月货运量、年 平均月货运量、货运量不平衡系数、船闸日工作小时数、昼夜内非货运船舶过 闸次数、闸室利用系数。 本研究在了解把握上述船闸通过能力度量或模型的基础上，决定选用以下 要素作为本研究三峡船闸通过能力模型t b c 模型的各种类型变量： 船队在船闸闸室平面布局( 利用系数) 变量用于优化控制； 船闸闸室组合运行方式变量用于优化控制； 船队在闸室间移动时间变量用于优化控制： 船队入闸时间变量： 闸门开关时间约束变量： 灌水与泄水时间约束变量； 船舶尺寸类型约束变量； 每年通航天数参数； 船闸双线同向或逆向开放参数。 2 1 2 三峡通航枢纽整体的通过能力o s c 模型图示 三峡通航枢纽由船闸、升船机和翻坝陆运组成。 提高三峡船闸通航能力的研究 鲁 统 图2 一l 三峡整体通航枢纽通过能力o s c 模型内容图示 武汉理工大学博士学位论文 2 1 3 三峡通航枢纽整体的通过能力o s c 模型表述 本研究定义：三峡整体通航枢纽通过能力模型为“三峡通航枢纽系统通过 能力优化模型”( o p t i m i z a t i o nm o d e l o ft h r e e g o r g ed a ms y s t e mc a p a c i t y ， 简称0 s c 模型) ( 1 ) o s c 模型构成之一：。系统优化层” 基于第一章的调查、分析和研究，本研究用数学表达式总结为以下三峡整 体通航枢纽的“系统优化层”模型( 参考第一章图卜2 ，第二章图2 - 3 ) ： c 3 = m i n l ( 5 。6h 3 。c 。c 。t ) a a a s o o 其中： 易岂三峡通航枢纽系统船舶排队长度最短目标值； ( ) s 这里选择船队排队长度为优化目标函数表示，也可以是其他 优化目标，如：通过货载量最大、通过船舶数量最多、过闸时间最短、过闸 耗水最少等； g 毫服从某种分布占，占，r 的船舶到达过程，万是分布期望值。r 。 是分布方差； c rz 船舶等待通过三峡通航枢纽成本： c ；船舶通过三峡通航枢纽成本； a a 3 s 一o o ；三峡通航枢纽系统排队模型 且满足 g ，石。r 。，：船舶到达随机过程 口，6 。f ，：三峡通航枢纽( 包括船闸) 通航( 服务) 随机过程 3 ：3 个服务者即船闸、升船机和翻坝陆运 s ：船舶进入三峡通航枢纽顺序类型，如货载量大先进入、船舶小先 进入、先到先进入、后到先迸入、等等进入三峡通航枢纽顺序 类型 一：到达三峡通航枢纽所有船舶集合容量，为无穷大 一：等待通过三峡通航枢纽船舶集合容量，为无穷大 t 为随机过程的时间变量 m i n ；求最小值，根据目标也能相应求最大值。 提高= 峡船闸通航能力的研究 上述模型 选择船队优化目标函数来说明三峡通航枢纽整体模型。 由于升船机尚未建成，加之本研究的时问、资金和人力限制，本研究对三 峡整体通航枢纽的“系统优化层”不做深入探讨，仅列出它的模型一般表述式 为止。 ( 2 ) o s c 模型构成之二；。通航设施优化层” 三峡整体通航枢纽的“通航设施优化层”是指三峡通航设施的通过能力模 型。它应该包括三蛱船闸、升船机和翻坝陆运三种通航设施。由于时问和精力 所限，本研究范围仅仅局限于三峡整体通航枢纽中的三峡船闸通过能力( t b c ) 模型及其优化。至于o s c 模型与后续介绍的“设备技术层”，不在本研究范围之 内i 三峡通航设施的通过能力模型是一个特殊类型的排队论模型，是个“带 休假批量处理排队”模型恤1 。所谓“带休假”是指在船队通过三峡通航设施的 任何一个设施时，它就关闭作业，运送船队过闸。这个船队对升船机而言就是 一个船舶。不是一般性，不妨统称为“船队”。此时三峡通航设施伺服表现为“休 假”( 尽管三峡通航设施内部还在运行) ：所谓“批量处理”是指在三峡通航设 施接受所伺服对象船舶是以批量的形式即船队进行的跏。 船舶到达需要实地观测采样，进行估计三峡通航设施的伺服过程即三峡 通航设施提供通过能力过程是具各e r l a n g 分布特征的。通过能力提供的时间是 从一个极限值随机增大的，即船队通过三峡通航设施时间不可能降为零，在某 个值( 设计值的一定区间内) 就不可能在缩短了，只能增大，即某次通过时间 可能拖得很长很长。任何一次过闸时间都不可能等于零。这一点，特别符合 e r l a n g 分布。当e r l a n g 分布仅有一个随机变量时，呈现为指数分布，而当随机 变量足够多时，又呈现为正态分布油1 。 三峡通航设施通过能力供给可以用伺服模型表示如下： c ：= m i n t ( 8 。e 。6 。cqc hc p t ) g ，e ，n s ，一l 其中： c ；三峡通航设施优化目标值： t ( ) ；优化目标函数，如：通过货载量最大、通过船舶数量最多、过 闸时问最短、过闸耗水最少等： gz 船舶到达过程c i s 。r 。，f ，占。是分布期望值，p 。是分布方差； c - ；船舶等待过闸成本i 武汉理工大学博士学位论文 o ；船舶通过船闸成本； g ，e a ，s 一一；鞣濑睫墼 且满足： g ，占。f 。，：船舶到达随机过程 f ，j 。，f ，：通过船闸的e r l a n g 随机过程 m 双线对开通航取l 、双线通向通航取2 s ：船舶进入船闸顺序类型，如货载量大先进入、船舶小先进入、先到 先进入、后到先进入、等等入闸顺序类型 一：到达船闸所有船舶集合容量，为无穷大 一：等待过闸船舶集合容量，为无穷大 t 为随机过程的时间变量 m i n ；求最小值，根据目标也能相应求最大值。 上述模型 选择船队优化目标函数来说明三峡通航枢纽整体模型。显然， 选择不同的模型 优化目标函数，由于构造不同、系数不同，都可导致不同 的优化搜索( 计算) 方向，在可行域不变条件下，最优解也将不同。 这就说明了这样一个道理：通过货载量最大、通过船舶数量最多、过闸时 间最短等最优目标下的( 下达给机电与自动化操作指令) 运行控制是通常有区 别的，甚至区别很大 ( 3 ) o s c 模型构成之三：。设备技术层” 三峡整体通航枢纽