劉　清　余燕平

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院　國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心　武漢　430063)

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基于Arena的三峽船舶積壓疏導(dǎo)策略效果研究*

劉清余燕平

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心武漢430063)

摘要：自2003年三峽船閘建成通航以來，庫區(qū)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(tài).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(shù)據(jù)，設(shè)置Arena仿真參數(shù)，結(jié)合排隊(duì)論建立船舶過閘Arena仿真模型,動態(tài)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(duì)時(shí)間和排隊(duì)長度.對比分析表明，相對于未設(shè)置管控線方案，實(shí)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(duì)時(shí)間和排隊(duì)長度.

關(guān)鍵詞：交通管控線；船舶簽證；排隊(duì)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(yán)重，三峽—葛洲壩壩區(qū)船舶積壓已呈現(xiàn)常態(tài)化趨勢[1].交通運(yùn)輸部于2013～2014年取消了20多項(xiàng)行政許可，占海事行政許可的60%，全面取消船舶進(jìn)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(chǎn)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(jìn)行合理管控——設(shè)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(dá)壩前的船舶在特定地點(diǎn)設(shè)置管控線，避免更多的船舶到壩前積壓，同時(shí)也為既有滯留的船舶提供足夠的時(shí)間進(jìn)行過閘或壩前分流轉(zhuǎn)運(yùn)而設(shè)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(chǎn)生是一個(gè)離散的隨機(jī)過程，且船舶過閘也是一個(gè)相對復(fù)雜的過程，直接的量化計(jì)算或者建模難以實(shí)現(xiàn)，因此利用Arena仿真軟件建立三峽船閘過閘模型，對三峽水域?qū)嵤┕芸鼐€后的過程進(jìn)行動態(tài)模擬，驗(yàn)證水上交通管控線的實(shí)施效果.

Arena軟件最早被廣泛運(yùn)用到供應(yīng)鏈及物流領(lǐng)域，也有學(xué)者進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)事故致因的風(fēng)險(xiǎn)熵傳遞模型的Arena仿真驗(yàn)證.前，Arena仿真技術(shù)已被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于水運(yùn)仿真領(lǐng)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(nèi)河貨運(yùn)量進(jìn)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(guān)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(tǒng)進(jìn)行仿真，得到了俄亥俄河流上船閘利用率和船舶等待時(shí)間，預(yù)計(jì)未來在船舶數(shù)量增加的情況下俄亥俄航道是否能滿足交通需求.在國內(nèi)，王永輝[5]實(shí)現(xiàn)了基于Arena的港口泊位三維仿真系統(tǒng)；袁子文等[6]利用Arena仿真優(yōu)化了內(nèi)陸港口管理模式和運(yùn)營效率；陶安等[7]利用Arena建立了船舶過閘作業(yè)系統(tǒng)模型并進(jìn)行試驗(yàn)；朱順應(yīng)等[8]等基于Arena仿真建立了三峽運(yùn)輸樞紐仿真模型.

文獻(xiàn)[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(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M與方法可行性驗(yàn)證.文獻(xiàn)[2-6]利用Arena對復(fù)雜水運(yùn)樞紐進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，但是并沒有學(xué)者對船舶積壓疏導(dǎo)問題進(jìn)行過研究，更沒有進(jìn)行過相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn).基于此，文中結(jié)合排隊(duì)論相關(guān)知識，利用Arena仿真軟件對三峽船閘過閘管控線方案進(jìn)行了動態(tài)模擬，并進(jìn)行管控線方案可行性分析.

1交通管控線設(shè)置地點(diǎn)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(jìn)入三峽壩區(qū)，強(qiáng)化源頭管理.根據(jù)各管控節(jié)點(diǎn)與三峽大壩航行距離的不同，選擇合適的節(jié)點(diǎn)設(shè)置管控線，以此分擔(dān)三峽船閘過閘壓力.因此交通管控線設(shè)置地點(diǎn)要滿足以下3個(gè)條件：(1)為滿足執(zhí)法的便捷性和可控性，實(shí)施管控的點(diǎn)不宜距離兩壩太遠(yuǎn)；(2)還需考慮管控線設(shè)置水域的錨泊能力；(3)設(shè)置管控線的節(jié)點(diǎn)與在錨船舶的情況直接相關(guān)，當(dāng)在錨船舶艘次變大時(shí)，實(shí)施管控線應(yīng)距離兩壩越遠(yuǎn).

為滿足管控線設(shè)置后便于執(zhí)行，管控線位置應(yīng)與海事處位置相近.分析三峽大壩壩上至重慶區(qū)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(jié)-巫山-巴東-歸州-三峽庫區(qū)；在葛洲壩壩下至武漢區(qū)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(jiān)利-咸寧-新灘-金口-沌口-港區(qū)-青山-陽邏.考慮到管控線水域需要一定的錨泊能力，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)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(tǒng)計(jì))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(shè)置臨時(shí)停泊區(qū)，各水域內(nèi)對應(yīng)最大可停泊船舶240，270和440艘.

綜合考慮可以選擇設(shè)置管控線的節(jié)點(diǎn)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(shè)置位置示意圖見圖1.

依據(jù)長江航務(wù)管理局發(fā)布的三峽船閘船舶滯留應(yīng)急預(yù)案規(guī)定的分級數(shù)據(jù)，三峽船舶積壓預(yù)警等級和積壓船舶數(shù)量關(guān)系見表1.

圖1　管控線設(shè)置位置示意圖

表1　滯留船舶預(yù)警等級與滯留船舶數(shù)量關(guān)系　艘

管控線方案是針對壩區(qū)在二級或一級船舶積壓提出實(shí)施的.實(shí)施管控線的基礎(chǔ)條件是巫山、巴東、枝江、沙市需要實(shí)時(shí)掌握三峽-葛洲壩壩前船舶積壓信息：包括實(shí)時(shí)積壓船舶數(shù)量、積壓船舶等待時(shí)間等.這一條件可結(jié)合GPS，CCTV還有公共信息共享平臺來實(shí)現(xiàn).具體啟動條件如下.

當(dāng)位于巴東、枝江實(shí)時(shí)監(jiān)控的壩前過閘船舶積壓總數(shù)達(dá)到280艘時(shí)，啟動位于該地的2條二級管控線，除應(yīng)急救援、允許通過的客貨船、鮮活易腐品、執(zhí)行特殊任務(wù)，以及重點(diǎn)運(yùn)輸物資船舶外，對其他船舶進(jìn)行攔截，限制船舶通過數(shù)量.當(dāng)壩前積壓船舶數(shù)量降低到下一等級，解除管控措施；當(dāng)位于巫山、沙市實(shí)時(shí)監(jiān)控的壩前過閘船舶積壓總數(shù)達(dá)到360艘時(shí)，啟動位于巫山和沙市的2條一級管控線，進(jìn)一步限制船舶通過數(shù)量.當(dāng)壩前積壓船舶數(shù)量達(dá)到下一級積壓條件時(shí)，啟動二級管控方案.

2Arena仿真模型構(gòu)建

2.1模型邊界及構(gòu)成

仿真驗(yàn)證的航段是三峽-葛洲壩，主要驗(yàn)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(tǒng)由通航設(shè)施、碼頭、航道網(wǎng)、各類船舶構(gòu)成.三峽大壩上游的錨地區(qū)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(tǒng)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(gòu)成

仿真系統(tǒng)由5個(gè)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(shè)：(1)船舶到達(dá)是一個(gè)一個(gè)相互獨(dú)立的隨機(jī)過程，且服從泊松分布，船舶到達(dá)時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布；(2)排隊(duì)規(guī)則服從先到先服務(wù)模式.

2.3仿真模型數(shù)據(jù)及參數(shù)設(shè)置

研究2013年兩壩過閘數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，1月份的客貨運(yùn)量為1年中比較大的月份之一，三峽大壩處于五級運(yùn)行方式，過閘時(shí)間比四級運(yùn)行方式更長，船舶積壓風(fēng)險(xiǎn)更大，所以選擇1月份作為本案例的模擬時(shí)段.為減少系統(tǒng)誤差，這里設(shè)置了為期2 d的預(yù)熱時(shí)間，正常運(yùn)行時(shí)間為1個(gè)月31 d，每天24 h，仿真重復(fù)次數(shù)為5次.

管控線方案是針對壩區(qū)在二級或一級船舶積壓提出實(shí)施的，仿真分別模擬了二級和一級積壓狀態(tài)時(shí)采取管控線方案和不采取管控線方案時(shí)的狀態(tài).因此，二級積壓時(shí)設(shè)置仿真初始條件為錨地內(nèi)已有280艘船舶待閘，一級積壓是仿真初始條件為錨地內(nèi)已有360艘船舶待閘.參數(shù)設(shè)置見表2～5.

表2　輸入?yún)?shù)值

表3　二級積壓狀態(tài)輸入?yún)?shù)值

表4　一級積壓原狀態(tài)輸入?yún)?shù)值

3仿真結(jié)果與結(jié)果分析

運(yùn)用各個(gè)子模型的Record模塊可以記錄離開系統(tǒng)的船舶數(shù)，船舶離開系統(tǒng)表示運(yùn)輸?shù)竭_(dá)目的地，結(jié)合船舶生成子模型產(chǎn)生的實(shí)體數(shù)，可知道運(yùn)量完成情況.查看仿真運(yùn)行結(jié)果，得到主要數(shù)據(jù)，包括壩前錨地積壓船舶數(shù)量以及在錨地等待時(shí)間等參數(shù)，匯總后得到仿真結(jié)果見表5～6.

表5　二級積壓狀態(tài)下管控線方案輸出指標(biāo)

表6　一級積壓狀態(tài)下管控線方案輸出指標(biāo)

通過數(shù)據(jù)分析結(jié)合Arena仿真軟件建立三峽船閘過閘動態(tài)仿真模型，仿真模擬優(yōu)化后結(jié)果分析可得：

1) 管控線方案實(shí)施后系統(tǒng)性能相對于方案實(shí)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(xiàn)狀下保證過閘效率進(jìn)一步提升，由表5、表6數(shù)據(jù)可知，二級積壓和一級積壓采取管控線措施后對運(yùn)輸船舶運(yùn)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(shù)和等待過閘時(shí)間，二級和一級積壓狀態(tài)時(shí)采取管控線方案船舶過閘的排隊(duì)時(shí)間分別減少了19.33 h和19.97 h，二級和一級積壓狀態(tài)分別減少錨地隊(duì)長數(shù)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(tài)37.91艘次.

4) 實(shí)施管控線方案以后，降低積壓風(fēng)險(xiǎn)，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(chǎn)生危險(xiǎn).

5) 經(jīng)過反復(fù)的仿真實(shí)驗(yàn)得到以上數(shù)據(jù)，得到一級積壓二級積壓狀態(tài)下管控線的設(shè)置模式，其中二級積壓狀態(tài)下，管控線區(qū)域隊(duì)長56.61艘，管控線方案實(shí)施時(shí)間為39.56 h，一級積壓狀態(tài)下管控線隊(duì)長為98.5艘，管控線方案實(shí)施時(shí)間為44.83 h.

由仿真結(jié)果得到管控線具體實(shí)施方案如下：當(dāng)壩前錨地船舶積壓達(dá)到二級積壓等級，此時(shí)啟動二級管控線方案，管控線作用時(shí)間為40 h，每2 h可通管控線船舶數(shù)量為3艘，當(dāng)積壓等級下降后解除管控措施；當(dāng)壩前錨地船舶積壓達(dá)到一級積壓等級，此時(shí)啟動一級管控線方案，管控線作用時(shí)間為45 h，每小時(shí)可通過管控線的船舶數(shù)量為1艘，當(dāng)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(jìn)一步積壓.

4結(jié)論

1) Arena軟件可以用于樞紐船舶交通狀態(tài)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(shí)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(fēng)險(xiǎn).數(shù)據(jù)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(duì)時(shí)間都有大幅度減少.

3) 仿真實(shí)驗(yàn)證明，壩前船舶積壓程度越高管控線實(shí)施后緩解效果越明顯，實(shí)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(tài)下管控線區(qū)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(xiàn)

[1]劉清,陶罌琪,覃盼.優(yōu)化三峽通航應(yīng)急運(yùn)輸組織 促進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展[J],中國水運(yùn)，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(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)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(yùn),2013(1):91-92.

[8]朱順應(yīng),朱凱.基于Arena的三峽樞紐運(yùn)輸系統(tǒng)仿真模型[J].水運(yùn)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(lǐng)域?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化與決策、港口航運(yùn)與綜合物流等

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51379171)