基于Arena的烏江梯級樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織仿真模擬優(yōu)化

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(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063 )

目前，對于樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織系統(tǒng)的研究主要集中在局部分析系統(tǒng)瓶頸[1-2]方面，而從總體上定量分析多梯級樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織系統(tǒng)的還不太多。對于貨運(yùn)組織方案的設(shè)計(jì)及航線配船問題過去通常采用的方法是通過建立數(shù)學(xué)規(guī)劃進(jìn)行求解。數(shù)學(xué)規(guī)劃方法可以在給定約束條件下求得目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，但目標(biāo)函數(shù)的目標(biāo)局限性使得優(yōu)化結(jié)果缺乏全面的評價(jià)。仿真方法可以很好地彌補(bǔ)數(shù)學(xué)方法的不足，但仿真方法只能給問題的較優(yōu)解，而無法給出最優(yōu)解。本文將以烏江梯級樞紐區(qū)域的貨運(yùn)組織優(yōu)化為例，在介紹綜合利用數(shù)學(xué)分析和仿真模擬的方法的基礎(chǔ)上，說明利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對貴州省內(nèi)烏江流域運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真建模優(yōu)化的過程，分析均衡利用系統(tǒng)資源的高效貨運(yùn)組織方案。

1 計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化

計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)過程(見圖1a))中方案設(shè)計(jì)通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這類初步方案進(jìn)行仿真模擬優(yōu)化結(jié)果只能得到較優(yōu)的方案，而利用數(shù)學(xué)模型求解多目標(biāo)最優(yōu)解設(shè)計(jì)的初步方案，能更好地結(jié)合仿真模型求解最優(yōu)方案,見圖1b)。

圖1 仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)過程

1.1 問題描述

梯級樞紐區(qū)域運(yùn)輸系統(tǒng)建模與仿真的目標(biāo)是側(cè)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(shù)驗(yàn)證數(shù)學(xué)規(guī)劃方案的實(shí)現(xiàn)情況；

2)運(yùn)輸系統(tǒng)存在的貨運(yùn)組織瓶頸，研究改進(jìn)方法有效解決系統(tǒng)瓶頸；

3)運(yùn)輸系統(tǒng)中的港口及通航設(shè)施運(yùn)行頻率情況，探討合理利用通航設(shè)施的過閘規(guī)則。

1.2 系統(tǒng)描述

1)系統(tǒng)邊界。本研究主要解決研究區(qū)域內(nèi)所可能產(chǎn)生的運(yùn)輸瓶頸問題，考察對象為研究區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)間的貨物組織方式，系統(tǒng)的上游邊界為烏江渡港區(qū)，下游邊界為沿河港區(qū)，運(yùn)輸系統(tǒng)只考慮從上下游邊界或各港區(qū)進(jìn)入運(yùn)輸系統(tǒng)的船舶或運(yùn)輸車輛。

2)系統(tǒng)基本構(gòu)成。梯級樞紐區(qū)域貨運(yùn)組織研究重點(diǎn)應(yīng)集中在區(qū)域內(nèi)與系統(tǒng)有關(guān)的運(yùn)輸功能區(qū)及運(yùn)輸方式，所以系統(tǒng)應(yīng)由通航設(shè)施、港口、公路網(wǎng)、航道網(wǎng)，船舶及運(yùn)輸車輛構(gòu)成，見圖2。

——河道；------公路

3)服務(wù)方式。運(yùn)輸系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)主要有升船機(jī)和港口泊位。裝卸貨物的服務(wù)時(shí)間服從正態(tài)分布。對于升船機(jī)服務(wù)過程，可以分為以下部分：到達(dá)升船機(jī)并排隊(duì)等待、進(jìn)入引航道并開始進(jìn)入承船箱、承船箱移動(dòng)到指定位置、船舶出承船箱、承船箱調(diào)整就緒至可接受下次船舶進(jìn)箱[3]。

服務(wù)采用先到先服務(wù)(FIFO)的方式[4]。

1.3 仿真模型搭建

Arena軟件是面向?qū)ο蟮慕７抡孳浖肁rena軟件分別對研究區(qū)域內(nèi)的不同功能區(qū)進(jìn)行模塊化建模，具體包括：升船機(jī)模塊、港口泊位裝卸模塊、船舶翻壩模塊、船舶和運(yùn)輸車輛生成器、運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊、船舶和運(yùn)輸車輛控制器。船舶及運(yùn)輸車輛生成器的作用是根據(jù)船舶及運(yùn)輸車輛到達(dá)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(jié)點(diǎn)和功能區(qū)內(nèi)對船舶或車輛的行駛路徑進(jìn)行控制，以達(dá)到模擬方案的目標(biāo)。圖3為船舶到達(dá)水路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程圖。

圖3 船舶到達(dá)水路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行流程

2 仿真模型應(yīng)用

2.1 案例描述

烏江內(nèi)河運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)研究區(qū)域內(nèi)存在4個(gè)不同港區(qū)和一個(gè)下游邊界，共6個(gè)貨物進(jìn)出口節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生的貨運(yùn)量構(gòu)成貨運(yùn)量OD矩陣。船舶進(jìn)入運(yùn)輸系統(tǒng)的到達(dá)方式為Poisson過程，即2個(gè)船舶相繼到達(dá)時(shí)刻之間的間隔時(shí)間τ服從負(fù)指數(shù)分布[5]。系統(tǒng)的服務(wù)資源為升船機(jī)和港口泊位，研究區(qū)域內(nèi)共有3個(gè)樞紐，每個(gè)樞紐均設(shè)置一個(gè)可雙向通行的升船機(jī)，但每個(gè)升船機(jī)的上下游水頭差并不相同，也就是服務(wù)時(shí)間不同。研究區(qū)域內(nèi)共有8個(gè)主要港口，其中5個(gè)港口集中在烏江渡至構(gòu)皮灘航段，其它港口則分別位于另外3個(gè)航段?？紤]到烏江渡至構(gòu)皮灘的5個(gè)港口均處于研究區(qū)域內(nèi)3個(gè)樞紐之外，其它理位置不會(huì)給仿真模型帶來太大影響，且為了簡化計(jì)算和減少數(shù)據(jù)搜集的難度，本模型將將5個(gè)港口劃分為一個(gè)港區(qū)，共10個(gè)泊位。其它港口均有2個(gè)泊位。

2.2 仿真變量和仿真參數(shù)設(shè)置

在模型運(yùn)行前首先輸入各個(gè)模塊的參數(shù)指標(biāo)，部分參數(shù)指標(biāo)以分布的形式輸入。通過建立以最小成本為目標(biāo)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，得到初步貨運(yùn)組織方案，然后通過控制每個(gè)入口的船舶生成量并附目的地屬性及在運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)對貨物流量比例進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法完成貨運(yùn)組織方案的輸入。

1)船舶生成模塊。船舶到達(dá)規(guī)律；完成全年貨運(yùn)量所需要的船舶數(shù)量；不同的船型的船舶數(shù)量(按噸位和功能劃分)。

2)運(yùn)輸系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模塊。不同船舶選擇進(jìn)入港口卸貨的數(shù)量；不同運(yùn)輸車輛選擇進(jìn)入港口卸貨的數(shù)量；不同船舶選擇過升船機(jī)的數(shù)量。

3)港口模塊。港口泊位數(shù)；船舶進(jìn)港靠泊時(shí)間；船舶離港時(shí)間；各型船舶貨物轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間；各型船舶卸貨時(shí)間；各型船舶裝貨時(shí)間。

4)升船機(jī)。當(dāng)升船機(jī)等待船舶數(shù)量不足時(shí)調(diào)動(dòng)錨地船舶的數(shù)量；船舶到導(dǎo)航墻的時(shí)間；船舶到錨地時(shí)間；船舶從錨地到導(dǎo)航墻時(shí)間；船舶從導(dǎo)航墻到升船機(jī)時(shí)間；升船機(jī)承船箱門開啟關(guān)閉時(shí)間；船舶進(jìn)入和離開承船箱時(shí)間；升船機(jī)上下游水頭落差；承船箱移動(dòng)速度；船舶離開導(dǎo)航墻的時(shí)間。

仿真運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為365 d以完成1年貨運(yùn)量，仿真系統(tǒng)工作時(shí)間為16 h/d，重復(fù)運(yùn)行周期為10次以保證仿真輸出指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

2.3 仿真運(yùn)行結(jié)果分析

運(yùn)行此模型，仿真結(jié)束后系統(tǒng)將自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)文件，顯示模型中所有統(tǒng)計(jì)的仿真指標(biāo)。部分仿真指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 初始方案仿真輸出結(jié)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(gòu)皮灘樞紐的排隊(duì)時(shí)間明顯高于下行船舶過思林樞紐和沙沱樞紐的時(shí)間，平均達(dá)到了32.03 h，已經(jīng)形成了明顯的堵船現(xiàn)象。另外，構(gòu)皮灘樞紐每天利用率均值已經(jīng)達(dá)到90%，長時(shí)間高負(fù)荷的運(yùn)行會(huì)造成升船機(jī)故障頻發(fā)，而升船機(jī)發(fā)生故障又會(huì)引起堵船。而上行船舶由于貨運(yùn)量較小，所以很難產(chǎn)生擁堵現(xiàn)象。仿真結(jié)果證明貨運(yùn)組織系統(tǒng)的瓶頸在烏江渡樞紐且可能出現(xiàn)的問題會(huì)阻礙最小成本運(yùn)輸組織方案的實(shí)現(xiàn)。

2.4 運(yùn)輸組織方案優(yōu)化

改進(jìn)方法應(yīng)該從系統(tǒng)瓶頸，經(jīng)濟(jì)性，時(shí)間成本等影響因素綜合考慮，以期獲得更為理想的優(yōu)化方案。從貨運(yùn)量情況中可以發(fā)現(xiàn)，由于烏江渡港區(qū)下行貨運(yùn)量巨大，構(gòu)皮灘樞紐無法滿足如此大的通過量，加上通過構(gòu)皮灘升船機(jī)的船舶單次通行時(shí)間過長使得構(gòu)皮灘樞紐年通過能力小于其他樞紐，所以改進(jìn)方案應(yīng)考慮選擇合理數(shù)量的船舶進(jìn)行水陸中轉(zhuǎn)運(yùn)輸。船舶貨物水陸中轉(zhuǎn)運(yùn)輸可行性必須充分從價(jià)值量、時(shí)效性、裝卸要求、運(yùn)輸成本、運(yùn)輸安全的角度考慮貨類的轉(zhuǎn)運(yùn)可行性，文獻(xiàn)[2]通過建立水路聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸可行性評價(jià)體系并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行評價(jià)的分析得出集裝箱較散貨來說更容易進(jìn)行中轉(zhuǎn)運(yùn)輸，改進(jìn)方案考慮調(diào)度通過構(gòu)皮灘樞紐的部分集裝箱船進(jìn)行水陸中轉(zhuǎn)運(yùn)輸。考慮以上影響因素，并根據(jù)集裝箱船過壩船舶數(shù)量的變化，提出改進(jìn)方法，見表2。

表2 改進(jìn)方法

將各改進(jìn)方法轉(zhuǎn)換成不同的參數(shù)輸入或約束條件，建立各改進(jìn)方法下的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，求解廣義費(fèi)用最低的貨運(yùn)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(gè)方案是成本增長率發(fā)生變化的分界點(diǎn)，說明從第7個(gè)方案開始，后2個(gè)水運(yùn)樞紐通過能力趨于飽和，運(yùn)輸系統(tǒng)中公路運(yùn)輸比例上升。為驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果，選取5，6，7方案進(jìn)行仿真模擬。仿真模擬結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)方案仿真輸出結(jié)果

注：利用率指平均每天的利用率。

方案7驗(yàn)證了該改進(jìn)方法下的數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果，升船機(jī)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(gòu)皮灘樞紐擁堵問題，但方案5的經(jīng)濟(jì)性顯然更好，且運(yùn)輸系統(tǒng)其他功能區(qū)的排隊(duì)時(shí)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(jié)論

1)實(shí)例表明，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對理論方法的求解結(jié)果進(jìn)行仿真模擬，在一定程度上可以評判初步方案的優(yōu)劣，為提出改進(jìn)方案提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

2)通過建模過程可以看出，這種面向?qū)ο蟮慕７椒ㄓ泻軓?qiáng)的通用性和靈活性，能夠幫助決策者更容易模擬真實(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)細(xì)節(jié)。

3)雖然結(jié)合理論方法和仿真技術(shù)可以進(jìn)一步找到更為合理的方案，但是否是最優(yōu)方案還沒有相應(yīng)的評判機(jī)制，尋優(yōu)策略有待研究。

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