基于Arena的烏江梯級樞紐區域貨運組織仿真模擬優化

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(武漢理工大學 交通學院，武漢 430063 )

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

1 計算機仿真優化

計算機仿真的實現過程(見圖1a))中方案設計通常根據經驗設計，這類初步方案進行仿真模擬優化結果只能得到較優的方案，而利用數學模型求解多目標最優解設計的初步方案，能更好地結合仿真模型求解最優方案,見圖1b)。

圖1 仿真優化實現過程

1.1 問題描述

梯級樞紐區域運輸系統建模與仿真的目標是側重解決利用理論方法求解的初始方案中所存在的問題。

1)通過仿真技術驗證數學規劃方案的實現情況；

2)運輸系統存在的貨運組織瓶頸，研究改進方法有效解決系統瓶頸；

3)運輸系統中的港口及通航設施運行頻率情況，探討合理利用通航設施的過閘規則。

1.2 系統描述

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

2)系統基本構成。梯級樞紐區域貨運組織研究重點應集中在區域內與系統有關的運輸功能區及運輸方式，所以系統應由通航設施、港口、公路網、航道網，船舶及運輸車輛構成，見圖2。

——河道；------公路

3)服務方式。運輸系統服務功能區主要有升船機和港口泊位。裝卸貨物的服務時間服從正態分布。對于升船機服務過程，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、承船箱調整就緒至可接受下次船舶進箱[3]。

服務采用先到先服務(FIFO)的方式[4]。

1.3 仿真模型搭建

Arena軟件是面向對象的建模仿真軟件，利用Arena軟件分別對研究區域內的不同功能區進行模塊化建模，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、運輸網絡節點模塊、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點和功能區內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。圖3為船舶到達水路網絡節點運行流程圖。

圖3 船舶到達水路網絡節點運行流程

2 仿真模型應用

2.1 案例描述

烏江內河運輸網絡研究區域內存在4個不同港區和一個下游邊界，共6個貨物進出口節點，各節點間產生的貨運量構成貨運量OD矩陣。船舶進入運輸系統的到達方式為Poisson過程，即2個船舶相繼到達時刻之間的間隔時間τ服從負指數分布[5]。系統的服務資源為升船機和港口泊位，研究區域內共有3個樞紐，每個樞紐均設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，也就是服務時間不同。研究區域內共有8個主要港口，其中5個港口集中在烏江渡至構皮灘航段，其它港口則分別位于另外3個航段。考慮到烏江渡至構皮灘的5個港口均處于研究區域內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據搜集的難度，本模型將將5個港口劃分為一個港區，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設置

在模型運行前首先輸入各個模塊的參數指標，部分參數指標以分布的形式輸入。通過建立以最小成本為目標的數學規劃模型，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節點對貨物流量比例進行調節的方法完成貨運組織方案的輸入。

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

2)運輸系統節點模塊。不同船舶選擇進入港口卸貨的數量；不同運輸車輛選擇進入港口卸貨的數量；不同船舶選擇過升船機的數量。

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

4)升船機。當升船機等待船舶數量不足時調動錨地船舶的數量；船舶到導航墻的時間；船舶到錨地時間；船舶從錨地到導航墻時間；船舶從導航墻到升船機時間；升船機承船箱門開啟關閉時間；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；船舶離開導航墻的時間。

仿真運輸系統的運行時間設置為365 d以完成1年貨運量，仿真系統工作時間為16 h/d，重復運行周期為10次以保證仿真輸出指標的準確性。

2.3 仿真運行結果分析

運行此模型，仿真結束后系統將自動生成統計文件，顯示模型中所有統計的仿真指標。部分仿真指標結果見表1。

表1 初始方案仿真輸出結果

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，已經形成了明顯的堵船現象。另外，構皮灘樞紐每天利用率均值已經達到90%，長時間高負荷的運行會造成升船機故障頻發，而升船機發生故障又會引起堵船。而上行船舶由于貨運量較小，所以很難產生擁堵現象。仿真結果證明貨運組織系統的瓶頸在烏江渡樞紐且可能出現的問題會阻礙最小成本運輸組織方案的實現。

2.4 運輸組織方案優化

改進方法應該從系統瓶頸，經濟性，時間成本等影響因素綜合考慮，以期獲得更為理想的優化方案。從貨運量情況中可以發現，由于烏江渡港區下行貨運量巨大，構皮灘樞紐無法滿足如此大的通過量，加上通過構皮灘升船機的船舶單次通行時間過長使得構皮灘樞紐年通過能力小于其他樞紐，所以改進方案應考慮選擇合理數量的船舶進行水陸中轉運輸。船舶貨物水陸中轉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運可行性，文獻[2]通過建立水路聯運運輸可行性評價體系并運用數學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運輸，改進方案考慮調度通過構皮灘樞紐的部分集裝箱船進行水陸中轉運輸。考慮以上影響因素，并根據集裝箱船過壩船舶數量的變化，提出改進方法，見表2。

表2 改進方法

將各改進方法轉換成不同的參數輸入或約束條件，建立各改進方法下的數學規劃模型，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，運輸系統中公路運輸比例上升。為驗證數學模型求解結果，選取5，6，7方案進行仿真模擬。仿真模擬結果見表3。

表3 改進方案仿真輸出結果

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學模型求解結果，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皮灘樞紐擁堵問題，但方案5的經濟性顯然更好，且運輸系統其他功能區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 結論

1)實例表明，結合計算機仿真技術對理論方法的求解結果進行仿真模擬，在一定程度上可以評判初步方案的優劣，為提出改進方案提供有效的數據支撐。

2)通過建模過程可以看出，這種面向對象的建模方法有很強的通用性和靈活性，能夠幫助決策者更容易模擬真實系統的各項細節。

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

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

[2] 張廣磊.三峽樞紐區域水路貨運綜合運輸組織模式研究[D].武漢:武漢理工大學，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].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,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:北京郵電大學出版社,2009.