基于Arena的三峽船舶積壓疏導策略效果研究*

劉　清　余燕平

(武漢理工大學交通學院　國家水運安全工程技術研究中心　武漢　430063)

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基于Arena的三峽船舶積壓疏導策略效果研究*

劉清余燕平

(武漢理工大學交通學院國家水運安全工程技術研究中心武漢430063)

摘要：自2003年三峽船閘建成通航以來，庫區通航需求逐年攀升，三峽船舶過閘需求和船閘通過能力不足之間的矛盾日益明顯，過閘船舶積壓趨于常態.為確保船舶簽證取消后船舶通航的安全有序，提出水上交通管控線方案.通過分析2013年三峽船閘船舶過閘數據，設置Arena仿真參數，結合排隊論建立船舶過閘Arena仿真模型,動態模擬船舶通過三峽船閘全過程.分別得到有、無管控線的作用下壩前錨地船舶排隊時間和排隊長度.對比分析表明，相對于未設置管控線方案，實施合理的管控線方案以后明顯緩解了船舶的過閘積壓問題，縮短了船舶在壩前錨地的排隊時間和排隊長度.

關鍵詞：交通管控線；船舶簽證；排隊論；Arena仿真

0引言

隨著三峽船舶過閘需求的增加和船閘通過能力不足問題的日益嚴重，三峽—葛洲壩壩區船舶積壓已呈現常態化趨勢[1].交通運輸部于2013～2014年取消了20多項行政許可，占海事行政許可的60%，全面取消船舶進出港簽證也已提上議事日程.船舶簽證取消之后對船東有極大便利，但是對于局部水域卻會產生極大的通航壓力.為解決三峽壩前船舶積壓問題，確保船舶過閘高效有序，可對船舶進行合理管控——設置水上交通管控線(亦稱水上攔截線).交通管控線是海事部門為緩解壩前船舶積壓問題，保證船舶安全高效通行，對擬通過船閘但還未到達壩前的船舶在特定地點設置管控線，避免更多的船舶到壩前積壓，同時也為既有滯留的船舶提供足夠的時間進行過閘或壩前分流轉運而設置的通航管制措施.而交通管控線是否能有效地解決特殊水域的通航問題則需要深入研究論證.由于船舶產生是一個離散的隨機過程，且船舶過閘也是一個相對復雜的過程，直接的量化計算或者建模難以實現，因此利用Arena仿真軟件建立三峽船閘過閘模型，對三峽水域實施管控線后的過程進行動態模擬，驗證水上交通管控線的實施效果.

Arena軟件最早被廣泛運用到供應鏈及物流領域，也有學者進行復雜系統事故致因的風險熵傳遞模型的Arena仿真驗證.前，Arena仿真技術已被國內外學者應用于水運仿真領域，并取得了一定研究成果.在國外，Cortes等[2]利用Arena軟件對塞維利亞內河貨運量進行了模擬.C.Arango等[3]使用Arena軟件研究了塞維利亞港的集裝箱船泊位分配的相關問題，最終改善了目前的泊位管理策略；A.Govinda等[4]利用Arena仿真對俄亥俄河航道交通系統進行仿真，得到了俄亥俄河流上船閘利用率和船舶等待時間，預計未來在船舶數量增加的情況下俄亥俄航道是否能滿足交通需求.在國內，王永輝[5]實現了基于Arena的港口泊位三維仿真系統；袁子文等[6]利用Arena仿真優化了內陸港口管理模式和運營效率；陶安等[7]利用Arena建立了船舶過閘作業系統模型并進行試驗；朱順應等[8]等基于Arena仿真建立了三峽運輸樞紐仿真模型.

文獻[1]中雖就船舶積壓問題，提出了管控線方法，但并未就該方法進行試驗模擬與方法可行性驗證.文獻[2-6]利用Arena對復雜水運樞紐進行了仿真實驗，但是并沒有學者對船舶積壓疏導問題進行過研究，更沒有進行過相關的仿真實驗.基于此，文中結合排隊論相關知識，利用Arena仿真軟件對三峽船閘過閘管控線方案進行了動態模擬，并進行管控線方案可行性分析.

1交通管控線設置地點和啟動條件

交通管控線的目的是在船舶積壓條件下，適度限制船舶集中進入三峽壩區，強化源頭管理.根據各管控節點與三峽大壩航行距離的不同，選擇合適的節點設置管控線，以此分擔三峽船閘過閘壓力.因此交通管控線設置地點要滿足以下3個條件：(1)為滿足執法的便捷性和可控性，實施管控的點不宜距離兩壩太遠；(2)還需考慮管控線設置水域的錨泊能力；(3)設置管控線的節點與在錨船舶的情況直接相關，當在錨船舶艘次變大時，實施管控線應距離兩壩越遠.

為滿足管控線設置后便于執行，管控線位置應與海事處位置相近.分析三峽大壩壩上至重慶區段地理位置，三峽壩上的海事處有：永川-江津-巴南-朝天門-長壽-涪陵-豐都-忠縣-萬州-云陽-奉節-巫山-巴東-歸州-三峽庫區；在葛洲壩壩下至武漢區段的海事處有：宜都-枝江-沙市-公安-江陵-石首-城陵磯-臨湘-洪湖-華容-監利-咸寧-新灘-金口-沌口-港區-青山-陽邏.考慮到管控線水域需要一定的錨泊能力，統計發現三峽壩上至重慶段有巴東、重慶巫山和歸州郭家壩(不完全統計)泊錨能力較大，葛洲壩壩下可在枝城大橋、枝江七星臺以及云池可設置臨時停泊區，各水域內對應最大可停泊船舶240，270和440艘.

綜合考慮可以選擇設置管控線的節點為：壩上的巫山和巴東；壩下的枝江和沙市，其中巫山和沙市為一級管控線所處位置，巴東和枝江為二級管控線所處位置.管控線設置位置示意圖見圖1.

依據長江航務管理局發布的三峽船閘船舶滯留應急預案規定的分級數據，三峽船舶積壓預警等級和積壓船舶數量關系見表1.

圖1　管控線設置位置示意圖

表1　滯留船舶預警等級與滯留船舶數量關系　艘

管控線方案是針對壩區在二級或一級船舶積壓提出實施的.實施管控線的基礎條件是巫山、巴東、枝江、沙市需要實時掌握三峽-葛洲壩壩前船舶積壓信息：包括實時積壓船舶數量、積壓船舶等待時間等.這一條件可結合GPS，CCTV還有公共信息共享平臺來實現.具體啟動條件如下.

當位于巴東、枝江實時監控的壩前過閘船舶積壓總數達到280艘時，啟動位于該地的2條二級管控線，除應急救援、允許通過的客貨船、鮮活易腐品、執行特殊任務，以及重點運輸物資船舶外，對其他船舶進行攔截，限制船舶通過數量.當壩前積壓船舶數量降低到下一等級，解除管控措施；當位于巫山、沙市實時監控的壩前過閘船舶積壓總數達到360艘時，啟動位于巫山和沙市的2條一級管控線，進一步限制船舶通過數量.當壩前積壓船舶數量達到下一級積壓條件時，啟動二級管控方案.

2Arena仿真模型構建

2.1模型邊界及構成

仿真驗證的航段是三峽-葛洲壩，主要驗證交通管控線對三峽-葛洲壩通航壓力的是否起到改善作用，系統由通航設施、碼頭、航道網、各類船舶構成.三峽大壩上游的錨地區距大壩大約10 km，葛洲壩下游的錨地距大壩約9 km，仿真系統的上游邊界為三峽大壩上游巫山港一級管控線，下游邊界到葛洲壩下沙市一級管控線處.

2.2仿真模型構成

仿真系統由5個不同的子模型組成，即船舶生成模塊、壩前錨地模塊、三峽船閘模塊、交通管控線模塊和船舶離開模塊.

仿真之前，有如下假設：(1)船舶到達是一個一個相互獨立的隨機過程，且服從泊松分布，船舶到達時間間隔服從負指數分布；(2)排隊規則服從先到先服務模式.

2.3仿真模型數據及參數設置

研究2013年兩壩過閘數據發現，1月份的客貨運量為1年中比較大的月份之一，三峽大壩處于五級運行方式，過閘時間比四級運行方式更長，船舶積壓風險更大，所以選擇1月份作為本案例的模擬時段.為減少系統誤差，這里設置了為期2 d的預熱時間，正常運行時間為1個月31 d，每天24 h，仿真重復次數為5次.

管控線方案是針對壩區在二級或一級船舶積壓提出實施的，仿真分別模擬了二級和一級積壓狀態時采取管控線方案和不采取管控線方案時的狀態.因此，二級積壓時設置仿真初始條件為錨地內已有280艘船舶待閘，一級積壓是仿真初始條件為錨地內已有360艘船舶待閘.參數設置見表2～5.

表2　輸入參數值

表3　二級積壓狀態輸入參數值

表4　一級積壓原狀態輸入參數值

3仿真結果與結果分析

運用各個子模型的Record模塊可以記錄離開系統的船舶數，船舶離開系統表示運輸到達目的地，結合船舶生成子模型產生的實體數，可知道運量完成情況.查看仿真運行結果，得到主要數據，包括壩前錨地積壓船舶數量以及在錨地等待時間等參數，匯總后得到仿真結果見表5～6.

表5　二級積壓狀態下管控線方案輸出指標

表6　一級積壓狀態下管控線方案輸出指標

通過數據分析結合Arena仿真軟件建立三峽船閘過閘動態仿真模型，仿真模擬優化后結果分析可得：

1) 管控線方案實施后系統性能相對于方案實施前有了較大改善，說明通過采用管控線方案緩解三峽船閘船舶積壓難題是可行的.

2) 管控線可在船舶過閘效率較高的現狀下保證過閘效率進一步提升，由表5、表6數據可知，二級積壓和一級積壓采取管控線措施后對運輸船舶運量的完成情況良好，并且對通過能力有些提高，月總通過量分別提高了16和12艘.

3) 管控線可以有效減少壩前船舶積壓數和等待過閘時間，二級和一級積壓狀態時采取管控線方案船舶過閘的排隊時間分別減少了19.33 h和19.97 h，二級和一級積壓狀態分別減少錨地隊長數量為68.11艘和106.02艘，積壓程度越大緩解效果越明顯，一級積壓減少的船舶艘次高于二級積壓狀態37.91艘次.

4) 實施管控線方案以后，降低積壓風險，提高船舶過閘安全管理水平，大大保證了船舶在港安全，有效降低了船舶積壓等級，避免船舶在壩前由于積壓而產生危險.

5) 經過反復的仿真實驗得到以上數據，得到一級積壓二級積壓狀態下管控線的設置模式，其中二級積壓狀態下，管控線區域隊長56.61艘，管控線方案實施時間為39.56 h，一級積壓狀態下管控線隊長為98.5艘，管控線方案實施時間為44.83 h.

由仿真結果得到管控線具體實施方案如下：當壩前錨地船舶積壓達到二級積壓等級，此時啟動二級管控線方案，管控線作用時間為40 h，每2 h可通管控線船舶數量為3艘，當積壓等級下降后解除管控措施；當壩前錨地船舶積壓達到一級積壓等級，此時啟動一級管控線方案，管控線作用時間為45 h，每小時可通過管控線的船舶數量為1艘，當積壓等級下降，啟動二級積壓管控方案.如此既能保證船舶順利通行，又能避免船舶進一步積壓.

4結論

1) Arena軟件可以用于樞紐船舶交通狀態仿真，管控線方案能夠在一定程度上縮短船舶在壩前錨地積壓時間，減輕壩前積壓程度，是確保船舶安全通行的有利措施之一.

2) 特殊水域采取交通管控線可以有效減少船舶積壓，降低壩前通航風險.數據表明在二級和一級積壓條件下采取管控線方案，船舶積壓艘次和船舶過閘的排隊時間都有大幅度減少.

3) 仿真實驗證明，壩前船舶積壓程度越高管控線實施后緩解效果越明顯，實施管控線后一級積壓緩解程度大于二級積壓的緩解程度.

4) 二級和一級積壓狀態下管控線區域所需錨地容量分別為56.61艘和98.5艘，足以滿足要求.

參 考 文 獻

[1]劉清,陶罌琪,覃盼.優化三峽通航應急運輸組織 促進長江經濟帶發展[J],中國水運，2015,5(6):19-21.

[2]CORTES A.Simulation of freight traffic in the Seville inland port[J].Simulation Modelling Practice and Theory. 2007,15(3):256-271.

[3]ARANGO C. Berth allocation planning in Seville inland port by simulation and optimization[J], Engineering Informatics in Port Operations and Logistics. 2011,8(3):452-461.

[4]GOVINDA A，KI-HWAN B. Simulation analysis of the Ohio river waterway transportation system[C].IIE Annual Conference，2014：2612-2621.

[5]王永輝.基于Arena的港口泊位三維仿真系統的實現[J].系統仿真，2007(1):25-29.

[6]YUAN Ziwen,ZHANG Peilin.Research on the simulation of industry port raw material terminal[C]. International Conference on Computer Design and Applications，2010:133-136.

[7]陶安,陳艷.基于Arena模型的船閘交通仿真[J].中國水運,2013(1):91-92.

[8]朱順應,朱凱.基于Arena的三峽樞紐運輸系統仿真模型[J].水運工程，2011(2):40-44.

Research on the Grooming Strategy Effect of Three Gorges Ship′s Backlog Based on Arena

LIU QingYU Yanping

(SchoolofTransportationandNationalEngineeringResearchCenterfor

WaterTransportSafety,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：Since the Three Gorges ship lock had been built and opened up for navigation in 2003, navigation demand in the area has increased year by year. The problem between requirements for passing Three Gorges dam and lack of lock capacity is increasingly significant, and the ship lockage backlog becomes normal. The scheme of traffic control line on the waterways is proposed to ensure that the ship passes the lockage efficiently and orderly after the cancellation of the ship visa. Through analyzing the data of ships passing the dam in 2013 and combining the queuing theory, the Arena simulation model is established to verify the control line scheme and to dynamically simulate the whole process of ship passing Three Gorges lockage. The waiting time and queue length of ships for the cases with and without the control line scheme are obtained, respectively. Compared to the case without any control line scheme, the ship lockage backlog for the case with reasonable control line scheme is mitigated significantly and the waiting time and queue length of ships are also reduced for the case with control line scheme.

Key words：traffic control line; ship visa; queuing theory; Arena simulation

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.02.003

中圖法分類號：U692.4

收稿日期：2016-01-22

劉清(1966- )：女,博士,教授，主要研究領域為交通運輸系統優化與決策、港口航運與綜合物流等

*國家自然科學基金項目資助(51379171)