基于Arena的乌江梯级枢纽区域货运组织仿真模拟优化

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(武汉理工大学 交通学院，武汉 430063 )

目前，对于枢纽区域货运组织系统的研究主要集中在局部分析系统瓶颈[1-2]方面，而从总体上定量分析多梯级枢纽区域货运组织系统的还不太多。对于货运组织方案的设计及航线配船问题过去通常采用的方法是通过建立数学规划进行求解。数学规划方法可以在给定约束条件下求得目标函数的最优值，但目标函数的目标局限性使得优化结果缺乏全面的评价。仿真方法可以很好地弥补数学方法的不足，但仿真方法只能给问题的较优解，而无法给出最优解。本文将以乌江梯级枢纽区域的货运组织优化为例，在介绍综合利用数学分析和仿真模拟的方法的基础上，说明利用计算机仿真技术对贵州省内乌江流域运输网络进行仿真建模优化的过程，分析均衡利用系统资源的高效货运组织方案。

1 计算机仿真优化

计算机仿真的实现过程(见图1a))中方案设计通常根据经验设计，这类初步方案进行仿真模拟优化结果只能得到较优的方案，而利用数学模型求解多目标最优解设计的初步方案，能更好地结合仿真模型求解最优方案,见图1b)。

图1 仿真优化实现过程

1.1 问题描述

梯级枢纽区域运输系统建模与仿真的目标是侧重解决利用理论方法求解的初始方案中所存在的问题。

1)通过仿真技术验证数学规划方案的实现情况；

2)运输系统存在的货运组织瓶颈，研究改进方法有效解决系统瓶颈；

3)运输系统中的港口及通航设施运行频率情况，探讨合理利用通航设施的过闸规则。

1.2 系统描述

1)系统边界。本研究主要解决研究区域内所可能产生的运输瓶颈问题，考察对象为研究区域内各节点间的货物组织方式，系统的上游边界为乌江渡港区，下游边界为沿河港区，运输系统只考虑从上下游边界或各港区进入运输系统的船舶或运输车辆。

2)系统基本构成。梯级枢纽区域货运组织研究重点应集中在区域内与系统有关的运输功能区及运输方式，所以系统应由通航设施、港口、公路网、航道网，船舶及运输车辆构成，见图2。

——河道；------公路

3)服务方式。运输系统服务功能区主要有升船机和港口泊位。装卸货物的服务时间服从正态分布。对于升船机服务过程，可以分为以下部分：到达升船机并排队等待、进入引航道并开始进入承船箱、承船箱移动到指定位置、船舶出承船箱、承船箱调整就绪至可接受下次船舶进箱[3]。

服务采用先到先服务(FIFO)的方式[4]。

1.3 仿真模型搭建

Arena软件是面向对象的建模仿真软件，利用Arena软件分别对研究区域内的不同功能区进行模块化建模，具体包括：升船机模块、港口泊位装卸模块、船舶翻坝模块、船舶和运输车辆生成器、运输网络节点模块、船舶和运输车辆控制器。船舶及运输车辆生成器的作用是根据船舶及运输车辆到达方式生成具有不同类型和不同目的地属性的船舶或车辆，而控制器的作用在与在不同节点和功能区内对船舶或车辆的行驶路径进行控制，以达到模拟方案的目标。图3为船舶到达水路网络节点运行流程图。

图3 船舶到达水路网络节点运行流程

2 仿真模型应用

2.1 案例描述

乌江内河运输网络研究区域内存在4个不同港区和一个下游边界，共6个货物进出口节点，各节点间产生的货运量构成货运量OD矩阵。船舶进入运输系统的到达方式为Poisson过程，即2个船舶相继到达时刻之间的间隔时间τ服从负指数分布[5]。系统的服务资源为升船机和港口泊位，研究区域内共有3个枢纽，每个枢纽均设置一个可双向通行的升船机，但每个升船机的上下游水头差并不相同，也就是服务时间不同。研究区域内共有8个主要港口，其中5个港口集中在乌江渡至构皮滩航段，其它港口则分别位于另外3个航段。考虑到乌江渡至构皮滩的5个港口均处于研究区域内3个枢纽之外，其它理位置不会给仿真模型带来太大影响，且为了简化计算和减少数据搜集的难度，本模型将将5个港口划分为一个港区，共10个泊位。其它港口均有2个泊位。

2.2 仿真变量和仿真参数设置

在模型运行前首先输入各个模块的参数指标，部分参数指标以分布的形式输入。通过建立以最小成本为目标的数学规划模型，得到初步货运组织方案，然后通过控制每个入口的船舶生成量并附目的地属性及在运输系统节点对货物流量比例进行调节的方法完成货运组织方案的输入。

1)船舶生成模块。船舶到达规律；完成全年货运量所需要的船舶数量；不同的船型的船舶数量(按吨位和功能划分)。

2)运输系统节点模块。不同船舶选择进入港口卸货的数量；不同运输车辆选择进入港口卸货的数量；不同船舶选择过升船机的数量。

3)港口模块。港口泊位数；船舶进港靠泊时间；船舶离港时间；各型船舶货物转运时间；各型船舶卸货时间；各型船舶装货时间。

4)升船机。当升船机等待船舶数量不足时调动锚地船舶的数量；船舶到导航墙的时间；船舶到锚地时间；船舶从锚地到导航墙时间；船舶从导航墙到升船机时间；升船机承船箱门开启关闭时间；船舶进入和离开承船箱时间；升船机上下游水头落差；承船箱移动速度；船舶离开导航墙的时间。

仿真运输系统的运行时间设置为365 d以完成1年货运量，仿真系统工作时间为16 h/d，重复运行周期为10次以保证仿真输出指标的准确性。

2.3 仿真运行结果分析

运行此模型，仿真结束后系统将自动生成统计文件，显示模型中所有统计的仿真指标。部分仿真指标结果见表1。

表1 初始方案仿真输出结果

注：利用率指平均每天的利用率。

由表2可见，初始方案中，下行船舶过构皮滩枢纽的排队时间明显高于下行船舶过思林枢纽和沙沱枢纽的时间，平均达到了32.03 h，已经形成了明显的堵船现象。另外，构皮滩枢纽每天利用率均值已经达到90%，长时间高负荷的运行会造成升船机故障频发，而升船机发生故障又会引起堵船。而上行船舶由于货运量较小，所以很难产生拥堵现象。仿真结果证明货运组织系统的瓶颈在乌江渡枢纽且可能出现的问题会阻碍最小成本运输组织方案的实现。

2.4 运输组织方案优化

改进方法应该从系统瓶颈，经济性，时间成本等影响因素综合考虑，以期获得更为理想的优化方案。从货运量情况中可以发现，由于乌江渡港区下行货运量巨大，构皮滩枢纽无法满足如此大的通过量，加上通过构皮滩升船机的船舶单次通行时间过长使得构皮滩枢纽年通过能力小于其他枢纽，所以改进方案应考虑选择合理数量的船舶进行水陆中转运输。船舶货物水陆中转运输可行性必须充分从价值量、时效性、装卸要求、运输成本、运输安全的角度考虑货类的转运可行性，文献[2]通过建立水路联运运输可行性评价体系并运用数学方法进行评价的分析得出集装箱较散货来说更容易进行中转运输，改进方案考虑调度通过构皮滩枢纽的部分集装箱船进行水陆中转运输。考虑以上影响因素，并根据集装箱船过坝船舶数量的变化，提出改进方法，见表2。

表2 改进方法

将各改进方法转换成不同的参数输入或约束条件，建立各改进方法下的数学规划模型，求解广义费用最低的货运组织方案，总成本变化见图4。

图4 总成本变化情况

由图4看出第6个方案是成本增长率发生变化的分界点，说明从第7个方案开始，后2个水运枢纽通过能力趋于饱和，运输系统中公路运输比例上升。为验证数学模型求解结果，选取5，6，7方案进行仿真模拟。仿真模拟结果见表3。

表3 改进方案仿真输出结果

注：利用率指平均每天的利用率。

方案7验证了该改进方法下的数学模型求解结果，升船机利用率并不均衡且成本较高。方案5、6都在一定程度上解决了构皮滩枢纽拥堵问题，但方案5的经济性显然更好，且运输系统其他功能区的排队时间和利用率更为合理，因此可以考虑将方案5作为可行方案。

3 结论

1)实例表明，结合计算机仿真技术对理论方法的求解结果进行仿真模拟，在一定程度上可以评判初步方案的优劣，为提出改进方案提供有效的数据支撑。

2)通过建模过程可以看出，这种面向对象的建模方法有很强的通用性和灵活性，能够帮助决策者更容易模拟真实系统的各项细节。

3)虽然结合理论方法和仿真技术可以进一步找到更为合理的方案，但是否是最优方案还没有相应的评判机制，寻优策略有待研究。

[1] 汪振华.黑龙江水系船舶运输组织规划研究[D].武汉:武汉理工大学，2008.

[2] 张广磊.三峡枢纽区域水路货运综合运输组织模式研究[D].武汉:武汉理工大学，2009.

[3] 黄海鸥,张 玮.基于排队理论的京杭运河船闸通过能力研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2009,33(3):604-607.

[4] KELTON W D.Simulation with arena[M].New York:The McGraw-Hill Companies, 2002.

[5] 陆传赉.排队论[M].2版.北京:北京邮电大学出版社,2009.