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

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WujiangRiveristhelargestriverinGuizhouprovince,buttheWuRivershippingchannelconditionhavenotbeenabletomeettheneedsofdevelopmentofshipping.theconstructionofcascadehydro-projectswillgreatlyimprovetheshippingconditionofWujiangRiverandbringopportunityforthedevelopingofregionaleconomyandtheshippingindustry,themulti-hubcascadeofWujiangwillbesupportingtheshippingfacilities,butthereareseveralproblemaboutshippingfacilities:eachshippingfacilitieshasinconsistentconstructionprogress,differentsizeofshiplift,differenttimetohaveshippassed,differentnavigationflowproblemandotherissues,leadingtoa"shortboard"effect,bythedevelopmentofeconomicalongtheWujiangRiver,theconflictwillbecreatedbythedifferentgrowingdemandoftransportationandpassingcapacityofnavigationhub,bringagreatdifficultyfortheorganizationofshippinginrestrictionofWujiangmulti-cascadehydro-projects.Toplanaheadtomaximizetheefficiencyofhigh-gradechannelandnavigationfacilitiesinWujiang,givingfullplaytotheadvantagesoftheWujiangRivergoldenwaterway,rationalusingoftransportnetworkresources,aefficientmulti-cargoorganizationprogramshouldbemadesothatthewholechannelWujiangcascadehydro-projectsdistrictwillbeeasedoff.Currently,thequalitativeanalysisplayamainroleintheresearchofshippingorganizationinthehubregion,quantitativeanalysisisnotmuchandcan’tanalysisthewholesysteminaoverallview,what’smore,theshippingorganizationlikeWujiangRivermulti-cascadehydro-projectsissuehasnotyetbeenaddressed.Networkoptimizationmodeloftenbetakenusedofinsolvingthecomplexorganizationfreighttransportnetworks,butthelimitationsgoalofnetworkoptimizationmodelcannotmakeacomprehensiveassessmentoptimizationresults.Computersimulationtechnologyhavegraduallyenteredthefieldoftransportationplanning,butsimulationtechnologymainlyworkoutasatoolofvalidationandevaluation,takingusethesimulationtechnologytooptimizewillbeeffectedbysubjectivefactoranddifficulttofindtheoptimalsolution.Basedontheabovereasons,thefollowingaspectswillbetakenintheresearchwork.First,qualitativeanalysistheinfluenceofconstructionofamulti-cascadehydro-projectsonshippingorganization,thenbasedonthecharacteristicsofWujiangmulti-cascadehydro-projects,improvingtheexistnetworkoptimizationmodeltomakeoutalowestgeneralizedcostmodelofshippingorganizationinWujiangmulti-cascadehydro-projectsregion,solvingthemodeltogettheinitialoptimizationshippingorganizationprogram.ontheotherhand,introductiontheideaof​​queuingtheorytoanalysisthemulti-cascadehydro-projects.Then,onthebasedofanalysisofthediscretefreightsystemofWujiangmulti-cascaderegion,buildingthesimulationmodelinaideologicalofobject-orientedtosimulateandtesttheinitialprogramtofindoutthepossibleproblemwiththeinitialprogram.Finally,takinguseofcomputersimulationtechnologyandmathematicalprogrammingmethodingeneraltooptimizetheinitialprogramofWujiangmulti-cascadehydro-projectsshippingorganization,gettingareasonableprogramwhichcantakeuseofWujiangmulti-cascadehydro-projectsshippingsysteminaefficientway.Keywords:multi-cascadehydro-projects；computersimulation；optimizationforfreightshippingorganization；thequeuingsystem摘要 IAbstract II目录 IV第1章绪论 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究现状 21.2.1内河枢纽区域货运组织方式研究 21.2.2交通仿真建模研究 31.3研究内容和研究方法 41.3.1研究内容 41.3.2研究方法 5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 72.1船舶货运组织环境分析 72.1.1货种货量 82.1.2航道 102.1.3港口 102.1.4枢纽通航设施 112.1.5运输船型 112.2乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织存在的问题 122.2.1乌江多梯级枢纽区域货物需求量及供需缺口 122.2.2乌江多梯级枢纽通航存在的问题 142.3本章小结 15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 173.1货运网络定义 173.2基本假设及说明 183.2.1中转方式 183.2.2目标函数中的运输成本 193.2.3广义运输成本函数 193.2.4港口吞吐量 193.2.5航道及公路通过能力假设 193.3模型建立 193.3.1目标函数 203.3.2约束条件 203.3.3单船年货运量求解方法 213.4求解方法 223.5单重休假规则M/G/1枢纽排队系统模型建立及应用 233.5.1排队系统基本特征 233.5.2排队系统休假规则 253.5.3排队模型建立 263.5.4船舶通过各梯级枢纽时间计算 283.6理论优化模型输入参数计算 293.6.1广义运输成本 293.6.2运输时间 303.7船舶货运组织规划 313.8本章小结 33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 344.1系统仿真及仿真目的 344.1.1系统仿真 344.1.2仿真目的 354.2仿真系统分析 354.2.1系统边界及构成 354.2.2系统特征 364.2.3系统仿真平台 374.2.4系统仿真评价指标 384.3仿真模型搭建 394.3.1船舶生成子模型 404.3.2港口子模型 424.3.3升船机子模型 464.3.4运输路径控制节点子模型 504.3.5翻坝运输子模型 544.4模型效验与验证 564.5理论优化方案验证 574.5.1参数输入 574.5.2运行设置 574.5.3结果输出 574.6本章小结 59第5章乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织总体方案研究 605.1总体方案优化过程 605.2改进策略 615.3综合优化 625.4优化结果分析 645.5本章小结 65第6章结论 666.1总结 666.2展望 67致谢 68参考文献 69攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目 721.1研究背景及意义乌江干流全长1037公里，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，FRIESZ.T.L（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，HARKERPT(1988)[4-6]给出了更加完善的模型。FLORIANM(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Gauss—Seidel块分解耦合相继平均法的求解策略。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，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)。WDavidKelton[12](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。LAIKK[13](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Arena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。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1.6×30×330（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。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m59×11.7×2.560×12×2.560×12×2.559×11.4×2.3承船厢移动速度m．min-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100～300t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m2.502.403.903.9设计吃水m2.4结构吃水m2.6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90×290×2110×2110×2110×2441×2500×22.2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

018B00

0

00C0

00

040D000

0

2.1E4.25.4

6.8

3.7

0合计：80.2万吨表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2030年上行143.99163.25180.93240.16下行640.36636.03793.63970.23合计784.35809.36974.561010.39供需缺口641.35468.36640.56500.39根据各枢纽年通过能力结合过坝货运量表中数据可知，到2020年，乌江通航河段的构皮滩枢纽、沙沱枢纽的下行过坝运量均大于枢纽的年最大通过能力，到2030年，货运过坝量将全面超过各枢纽的通过能力。这说明枢纽的通过能力不能满足乌江运量增长的要求，加大了船舶货运组织的难度，从而制约乌江货运量的进一步增长。2.2.2乌江多梯级枢纽通航存在的问题乌江多梯级枢纽的建设改善了乌江流域的航道条件，推进船舶标准化、大型化，降低运输成本、提高运输安全性。但另一方面，乌江多梯级枢纽的规划和建设，是以发电为主，航运为辅，对通航设施的规划和建设并不重视，航电枢纽碍航现象较为严重，对船舶的货运组织产生一定的负面影响。具体表现为以下几个方面：1）各梯级枢纽通航设施建设通过能力不统一乌江构皮滩至龚滩流域梯级枢纽通航设施承船箱不统一的尺度规划给船型标准化带来困难，船舶不同的通过时间和通过流量使四个枢纽通过能力各不相同，通过能力最大的通航设施年通过能力为510万吨/年，最小的通航设施只有140万吨/年，枢纽通航设施不统一的建设规模，直接形成“短板”效应，产生新的运输系统“瓶颈”。2）通航设施通过能力与航道建设标准不匹配乌江各梯级枢纽建成后的水运货运量包括区域经济发展带来的货运量和水运条件改善后诱发的货运量。乌江在枢纽在规划时对诱发运量预测偏低，通航设施通过能力不足的问题在各梯级枢纽全部建成通航后将变得明显。根据《贵阳市乌江水运通道研究》[20]中航道建设标准确定乌江流域设计航道通过能力达1080万吨/年，而各梯级枢纽通过能力远远小于航道通过能能力，无法满足不了航道的建设标准，给货运组织带来巨大困难。3）货运翻坝设施建设难度大乌江是一条山区河流，乌江两岸的地理条件使得翻坝公路建设存在巨大困难。以构皮滩枢纽为例，枢纽上下游适合建设翻坝港口的河岸间相距超过10公里，岸线条件差不适合建设大型翻坝码头，且构皮滩枢纽附近的山体并不适合建设翻坝盘山公路，这些因素对货物的翻坝运输造成严重影响。4）航道条件仍不完善构皮滩、思林、沙沱及其龚滩下游40km处的彭水四座水电枢纽工程，将航道分割成常年回水区和变动回水区。常年回水区水深航宽，通行条件较好，变动回水区航道水深和通航条件随枢纽下泄流量的变化使得原本复杂的乌江航道变得更为复杂。5）梯级枢纽运营期水库调峰将对通航造成影响水库在洪水期会增加下泄流量，将对航行安全造成影响，如下泄流量过大还会导致停航。如三峡大坝，03年至07年三峡河段水域共发生航运交通事故72起，其中60％为近坝水流条件的改变导致的。为了保障各梯级枢纽间船舶的通航安全，减少水上交通事故的发生，对枢纽通航时间的限制在所难免，在洪水期乌江梯级枢纽泄洪时段将限制船舶通过各梯级枢纽，而这必然引起该期间大量船舶在库区及航道内滞留，严重时甚至会阻碍两坝间库区内的通航，使整个乌江多梯级枢纽区域水运系统陷入瘫痪。而在枯水期，为了追求发电效益，航电枢纽在运营期间将减少下泄流量，造成航道维护水深不足，船舶不得不减载航行甚至停止通航。以上种种分析表明，乌江多梯级枢纽的建设将乌江流域整个运输系统带来巨大的变化，必需站在综合分析的角度，利用合理的方法对未来多梯级枢纽全线通航后的船舶货运组织方式进行研究，充分发挥水运优势，实现运输的通畅、安全和高效。2.3本章小结本章将首先从描述乌江流域多梯级枢纽建成后货运环境的改善说明多梯级枢纽的建设给乌江流域船舶货运组织带来的新的机遇，其次从乌江多梯级枢纽区域未来货运量需求发展及多梯级枢纽通航后产生的问题两方面分析未来多梯级枢纽船舶货运组织所存在的问题，提出进行未来乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织优化的必要性。乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织优化是针对不同货种的运输特点，以综合效益最优为目标，在完成预定货运量下在已知货物OD流量的条件下使选择各类货种合适的运输方式和运输路径，并求得各货类各运输方式在各运输路径上的运量，对于船舶来说，还必须求得每条运输路径上完成分配得到的不同货类的运量所需要的船舶数。然而，乌江多梯级枢纽区域货运组织系统存在空间跨度大，货种多样，运输方式多样，不同运输方式间的中转环节，加上枢纽有限的通航能力等问题，种种问题使其货运系统存在固有的复杂性。解决这类运输网络系统的船舶货运组织问题通常采用的做法是利用Wardrop第二原理建立网络配流模型，即在保证运输线路运输能力及运输枢纽通过能力满足的条件下按照广义运输成本最小的目标将货物OD流量合理地分配到具体的运输网络上，以便得出货运网络中各货类各运输方式在各运输路径上的流量。Wardrop第二原理作为一个设计原理，是面向运输网络决策者的。对公路网而言，第二原理所描述的状态要求司机互相协作为系统最优化而努力，这在实际中是不太可能的。但水路网络运输不同于公路网络中车辆运输所具有路径选择随机性，水运网络运输具有一定的计划性，船舶依靠航运公司指定的航线进行运输作业，这也使为乌江多梯级枢纽这种复杂网络制定合理货运组织方案并有效实施成为了可能。3.1货运网络定义乌江多梯级枢纽区域运输网络除水路外还存在多种运输方式，如铁路、航空、公路等。为了优化多梯级枢纽区域的水路运输，必须考虑水路和其他运输方式相结合的运输路径以解决水利枢纽通过能力不足的问题。考虑三种运输方式，只有公路运输因其运输网络与水路运输网络衔接的最好且具有合理的成本而应纳入多梯级枢纽区域运输网络中。航空运输运能较小且成本过高，铁路的通过能力已接近饱和且与水路和公路网络形成运输网络过于复杂而被排除。因此，本文研究的乌江多梯级枢纽区域货运网络由公路网、水路网、港口、枢纽、中转车站组成。为了方便后文构造数学模型，先对相关变量和有关参数进行抽象定义和说明：将乌江多梯级枢纽区域货运网络中各个功能区如港口、车站、枢纽定义为节点或中转点。用N表示节点和中转点集合，I为运输网络中路段集合，节点间可以通过中转点进行多种运输方式联运。（图3-1）定义两节点间的货运组织方式为：o，d，l(oO,dD,lL)其中，o代表货运起始节点，d代表货运终止节点，l代表od之间的某种运输路径，O代表网络中所有货物OD起点的集合，D代表网络中所有货物OD终点的集合，L代表OD间所有运输路径的集合，a为某航段或路段，集合为A。图3-1运输系统网络图3.2基本假设及说明现实中的梯级枢纽运输系统往往包含各种影响运输系统正常运行的因素，如天气、水位、通航设施的停航检修、船舶的停航等等。各种运输方式及其他影响因素构成了复杂的运输网络，为了减少复杂情况带来的建模困难，有必要在建模之前做出如下假设及说明：3.2.1中转方式为保证运输的连续性，在港口进行运输方式中转只考虑船舶进港卸货直接装车或车辆进港后直接装船两种水陆联运的中转方式。暂不考虑货物在港口堆场存储停留，即货物进入港口如有需要将立即进行中转运输。3.2.2目标函数中的运输成本运输成本由运输路径和运输方式决定。按成本的支出可将其分为变动成本和固定成本。对船舶来说，变动成本包括港使费、燃料费、装卸费和其他费用等。固定成本是指在一定的时间范围内，其总额不受具体运量和运距的影响而相对固定的费用，包括船舶折旧费、船员工资、管理人员工资、保险费、维修保养费、润料费、物料费、供应费、及其它经营管理费等。[25]3.2.3广义运输成本函数广义运输成本函数表示广义运输成本会受到航道货运量的影响，但乌江多梯级枢纽区域航运发展处于规划阶段，运输成本和航道货运量之间的相互影响机制在研究上存在一定的难度，同时乌江流域过去航运资料表明，乌江航运的广义运输成本变化很小。因此，暂不考虑路段广义运输成本受货流量的影响。3.2.4港口吞吐量港口同通航设施一样涉及到船舶排队问题，为了减小排队问题给货运组织优化带来的误差及避免对港口吞吐量约束造成的规划模型无解的情况，假设运输系统各港口的吞吐量不受限制。3.2.5航道及公路通过能力假设根据《贵州省交通“十二五”发展规划》[27]，乌江未来航道及库区通过能力最小的航段为1080万吨，最大为3.2亿万吨，远远满足乌江货运运输需求。公路运输应作为平衡水路运输运量的重要运输方式，不考虑限制公路的通过能力，决策者可以根据货运组织优化结果确定公路运量，为公路建设做出建议。枢纽通过能力在2.1节已说明。3.3模型建立与交通规划关心航段的运量及流量不同，作为一个航运系统的决策者，更关心的问题是货物组织方案实现需要产生的航次数及运输路径上水运航段所需要的船舶数量。因此，乌江多梯级枢纽区域多货种多方式货运组织优化模型的目标函数将以各船型船舶艘数为自变量。3.3.1目标函数货运组织系统广义成本最小化，对所有航线上的广义运输成本进行求和，所需的广义运输总成本作为货运组织优化模型的决策指标。货运组织方案通过确定运输船舶在各条运输航线上一年的运量及船舶艘数决定。结合多梯级枢纽货运组织特点，可以设计得到系统广义成本最小的目标函数：Min(CT)=min[]（3.1）变量：：某类船在某条运输路径上完成年货运量所需的船舶艘数。参数：：某一类船舶；：船舶的类型集合；：船舶吨位类型；:船舶吨位类型集合；：货运起点；：货运讫点；：OD起讫节点间的某条运输路径；：某OD起讫节点间的运输路径集合；：某类船在某条运输路径上每吨货物广义运输成本函数；：型船m吨级船舶每艘船的年货运量。3.3.2约束条件1）某类船舶某OD间货运量与该OD间所有路径产生的货运量之和相等：（3.2）：f型船的运量OD。2）防止整数规划出现无解的情况，为OD货流设置裕度：（3.3）3）某类船在某条运输路径上船舶艘数应大于等于0：（3.4）4）所有通过枢纽通航设施的各类船舶运输航线产生的年总货运量应小于等于通航设施的年通过能力，即通航设施通过能力约束：（3.5）：第u个枢纽的年通过能力。：是通过枢纽u的路径，其值为1;否则为0。5）所有在某路段上的实际货运通过量小于其通过能力：（3.6）：第a个路段的最大年通过能力。：是通过路段a的路径，其值为1;否则为0。3.3.3单船年货运量求解方法每艘船舶的年货运量：（3.7）式中为船舶装载因数；为总运量；为船舶年往返航次数。（3.8）船舶单航次往返时间：（3.9）式中为运距，满载服务航速为，压载空放的航行时间为，为船舶通过第n个枢纽时的平均时间。船舶停泊时间：（3.10）式中船舶为装载时间，船舶为卸载时间，为其他停泊时间，如加油等。3.4求解方法以上数学模型其问题求解是在线性规划中求解船舶艘数的整数解的规划问题。适用分枝定界法来求解。分枝定界法既可以求解纯整数规划问题，也可以求解混合整数规划问题。其基本思想:先求出相应的线性规划最优解，如果此最优解不符合整数条件，则将原问题分枝为若干个子问题，继续求解，直到求出最优解。解题步骤如下:1、不考虑整数约束，把原问题作为一般线性规划问题求解。（1）若相应的线性规划问题无可行解，则整数规划问题无可行解。（2）若求得的线性规划问题的解为整数解，则这个解为整数规划问题最优解。（3）若求得的线性规划问题的解为非整数解，则转入第三步。2、将整数规划问题分解为子问题，即“分枝”。3、求解分枝问题。4、检查分枝问题。3.5单重休假规则M/G/1枢纽排队系统模型建立及应用3.5.1排队系统基本特征排队系统，也称随机服务系统,即随机性是排队系统的一个共性。具体是指顾客来到的时间与接受服务的时间都随各种时机与条件变化而变化的系统。一个排队系统能抽象地描述为如下：为了获得某种服务而到达的顾客，若不能立即获得服务，而又允许排队等待，则加入等待队伍;获得服务之后离开系统。图为两个经典排队模式：图3-2经典排队模式实际的排队系统虽然千差万别，然而它们却有一些共同的特征，使我们能对它们进行统一的处理，主要由三个基本部分构成：输入过程、排队规则和服务规则。下面结合乌江多梯级枢纽排队系统的特点，对其排队系统的特征进行分析：1）输入过程输入过程就是刻画船舶按怎样的规律到达。要完全刻画一个输入过程需要如下三方面。①船舶总体(船舶发生源)数。排队系统中“顾客”可能是有限的，也可能是无限的，甚至非可数无限的。例如工厂内出故障的机器数显然是有限的，到达售票窗口前的顾客总体可看作是无限的，因不存在最大限制数。对于乌江多梯级枢纽区域船舶货运组织优化来说，研究的是完成一年货运量的船舶数，但从通航设施实际运行情况及为了得到统计平衡下船舶的到达规律来看，船舶的数量应该是无限的。②船舶到达的类型。是单个到达，还是成批到达。为了简化模型，方便统计船舶到达间隔时间分布情况，本系统不研究两条或两条以上船舶同时到达的情况。③相继船舶到达的间隔时间概率分布。令T0=0，Tn表示第n个船舶的到达时间，在顾客单个到达的情况下，有0=T0<T1<T2<…Tn<Tn+1令，τ=Tn-Tn-1,n=I,2,3,...τn是第n个船舶到达时刻与第n-1个船舶到达时刻之差，称为第n个到达间隔时间。(inter-arrivaltime)。一般均假定{τn}独立同分布。其分布函数一般有定长分布、二项分布、泊松流(最简单流)、爱尔朗分布等若干种。本研究认为船舶是不定期到达通航设施的，在一段时间到达的船舶数仅与这段时间的长短有关，不相交的时间段到达的船舶数量是相互独立的。根据前人对内河船舶过闸到达登记时间数据分析和车辆到港时间数据分析得出船舶和运输车辆的到达为Poisson过程，即2个船舶或车辆相继到达时刻之间的间隔时间T服从负指数分布,则对应的到达数目N服从Poisson分布。[3]具体规律如下：船舶到达为Poisson过程，即最简单流的概率分布函数为：t>0,n=0,1,2,3…为船舶平均到达率。其概率分布函数为：2）排队规则排队规则刻画顾客接受服务的先后次序。也分几种情形。一般可以分为损失制、等待制和混合制等3大类。损失制是指指如果顾客到达排队系统时，所有服务台都已被先来的顾客占用，那么他们就自动离开系统永不再来；等待制有三种情况为先到先服务、后到先服务、随机服务、优先权服务。混合制是等待制与损失制相结合的一种服务规则，一般是指允许排队，但又不允许队列无限长下去。具体说来，大致有三种：队长有限、等待时间有限、逗留时间(等待时间与服务时间之和)有限。乌江各梯级枢纽排队规则实行等待制，在只有一个方向的船舶到达枢纽时，实行先到先服务的排队规则，即按船舶到达的先后顺序调度船舶通过枢纽。但升船机通航设施服务系统不同于一般的单队列服务系统，升船机必须同时处理来自上下游的船舶，也就是单服务员多队列服务系统。当升船机上下游分别有船舶到达的时候，船闸通常采用的方式是调度升船机有船到达的一侧过坝，当一侧船舶全部通过后，再调度升船机另一侧船舶通行，这种调度规则类似于城市十字路口或内河航路交汇区的调度规则，为了处理这种特殊的排队系统，考虑引入单重休假规则进行通过时间的计算，具体分析见下节。3）服务机构完全刻画枢纽通航设施机构有以下几个方面:通航设施的数目；在任一时刻接受服务的船舶数即是单个地进行服务还是成批地进行服务；服务时间的分布。①通航设施数量及构成形式。从数量上说，通航设施有通航服务设施和多通航服务设施，例如三峡枢纽通航设施就是典型的多通航服务设施。乌江各梯级枢纽均只设置一个通航服务设施。从构成形式上看，服务台有单队列单服务台式及单队列多服务台并联式等（见图），通航设施的构成形式为多队列单服务台，见图②通航设施服务方式。这是指在某一时刻接受服务的船舶数，它有单个服务和成批服务两种。三峡闸室有效面积较大可以同时通行多艘船舶，而乌江各梯级枢纽通航设施承船箱一次只能服务一艘船舶。③服务时间的分布。David等的研究表明[5]密西西比河部分船闸服务时间服从正态分布，本研究将给出服务时间的统计拟合，其服务时间概率分布函数为：则通航设施服务时间的均值为，平均服务率为，方差为；3.5.2排队系统休假规则通常的服务系统的模式包括单队列单服务员，如工厂的加工设备；多队列多服务员，如超市收银处，还有各种串并联服务系统等。这些排队系统存在一个共同点：讨论的都是单个服务员处理单个顾客队列的情况，而对于像航道通航设施这种单服务员多个队列的情况并不能处理（如图）。为此，必须引入一个新的规则：服务员休假策略。休假规则排队系统的产生是由于现实排队系统存在允许服务台在一段时间不接待顾客的情况而对经典排队系统进行的一个延伸，其中暂时中断服务的时间(一般是随机变量)统称为休假。暂时中断服务的情况有很多种。例如:服务设施的故障或保养；为充分利用服务资源，在相对空闲的时候从事其他工作视为对原队列顾客的休假；队列中存在两种不同的优先级别，把优先级别不同的顾客分成两个队列，在服务优先级低的顾客的时候因高优先级顾客的到达而中断服务视为服务员对低优先级顾客的休假。图3-3通航设施排队模式对不同的系统背景而言，休假规则分为两种，单重休假规则和多重休假规则。单重休假规则是指每当系统空闲时服务员开始休假，若休假结束时系统中有顾客等待，就开始提供服务进入忙期并持续到系统再次空闲;若休假结束时系统中没有顾客等待，服务员就进入闲期，直到有顾客到达时开始进入新的忙期。多重休假规则是在休假结束时系统中仍就没有顾客等待而开始另一次独立同分布的休假，到休假结束时系统中出现顾客等待，服务员就终止休假并开始接待顾客，直到服务台再次变成空闲。这两种规则的不同之处在于单重休假规则下的服务员有忙期、假期、闲期三种状态之一。而多重休假规则的服务员只有忙期和假期。假期与闲期并不相同，对顾客而言，两者的区别在于其间第一个到达的顾客是否立即被服务;对系统而言，假期服务员可不在岗，而闲期虽无顾客，服务员仍在岗。3.5.3排队模型建立内河航道通航设施必须同时对来自上下游的船舶进行服务，即存在上下游两个排队服务队列，根据船舶通过通航设施的服务规则，可以将服务过程分为三个状态：1.忙期。队列L1的船舶正在接受服务，L2船舶必须等到L1的船舶通过才能接受服务。2.假期。队列L1中有多艘船舶正在等待通过，这时L2有船舶到达，L2必须等到L1中的船舶全部通过后才能接受服务，即通航设施对L2的船舶休假。3.闲期。无船通过通航设施，通航设施处于空闲状态，如果任一队列有船到达将立即接受服务。通过以上分析，可以认为船舶通过通航设施的服务过程符合单重休假规则，为此需对单重休假规则下的M/G/1枢纽排队模型进行详细的描述。假设有若干船舶分别从通航设施的上下游通过通航设施，到达通航设施排队系统的时间分别为t1,t2,t3…t11；t1<t2<t3…t11，当有船连续从一个方向驶向通航设施时，形成排队队列L1。当引入休假的规则后（如图3-4），通航设施每次提供服务必须判断当前服务排队队列L1是否全部接受了服务，而L2中的船舶必须等到L1中船舶离开通航设施后才能开始接受服务。当L1中无船舶等待通过而L2排队队列有船舶正接受服务，即表示通航设施对L1进入休假期，反之亦然。当L1，L2中均无船舶等待通过时，通航设施进入闲期。图3-4通航设施休假规则排队模式第l艘船舶正在通过通航设施，总通过时间为剩余通过时间为，假设通航设施等待通过的排队队列里有i艘船舶，在[0,t]时间内有i-1艘从上下游到达的船舶，则i-1艘船舶全部通过所需时间为：第i艘船舶排队等待接受服务时间为：对上式求平均值为：令,，通航设施服务强度为，则：

船舶通过通航设施的平均等待时间为：船舶通过通航设施的总时间为：3.5.4船舶通过各梯级枢纽时间计算根据枢纽年通过能力大小，可以估算出各枢纽船舶到达分布及服务时间分布为：表3-1各枢纽船舶到达分布及服务时间分布枢纽船舶到达规律（possion分布）通航设施服务规律(正态分布)参数λμσ构皮滩0.711.12.32思林0.880.62.55沙陀0.910.622.45彭水0.720.382.34利用单重休假规则M/G/1枢纽排队模型，可以求得稳定状态下船舶通过各枢纽的平均排队时间及通过时间为：表3-2各枢纽船舶平均排队及通过时间枢纽构皮滩思林沙陀彭水平均排队时间（小时）10.686.396.663.782通过时间（小时）11.786.997.284.1623.6理论优化模型输入参数计算3.6.1广义运输成本广义运输成本由路段运输成本、中转成本、货种时间价值及货损成本组成。1）船舶运输成本船舶运输成本受船舶船型参数成本构成的影响，通过必要货运费率体现。因此，考虑计算不同运距下各类船舶的必要货运费率确定各运输路径的单位货物船舶运输成本。船舶成本构成表见表3-3：表3-3船舶的成本构成营运成本1燃料费6000元/吨2润料费6%燃料费3事故损失费0.3元/千吨.艘4物料费营运收入2%5其他费用营运收入10%固定成本1船员工资2000002船舶年折旧费按n=20年直线折旧，5%残值3修理费0.03%船价注：船舶港务费及港使费算入中转成本中利用船型参数、船舶成本构成及各运输路径航段运距，可以算出不同船舶在不同运距下的必