基于仿真的三峡升船机缓解积压能力评价方法

摘要

本发明提供基于仿真的三峡升船机缓解积压能力评价方法，包括：数据收集和统计；建立仿真模型，包括上行系统和下行系统；利用升船机使用前的三峡枢纽通航船舶的数据，对仿真模型进行仿真，将仿真后的数据与实际数据进行对比，计算仿真误差直至误差小于预设的误差值；在仿真模型中补入升船机模型；升船机缓解积压能力分析：根据收集的数据进行来船规律演化分析，将分析结果作为参数输入，并在船舶组织调度模块中设置升船机的使用频率，分析升船机使用频率与船舶积压数量的对比。本发明通过搭建仿真模型进行船舶过闸的模拟仿真，分析三峡枢纽升船机对船舶积压的影响。

说明书

技术领域

本发明属于交通航运领域，具体涉及一种基于仿真的三峡升船机缓解积压能力评价方法。

背景技术

近年来，内河航运得到了国家的大力支持开始蓬勃发展，三峡枢纽作为长江水域的喉结之处，连接着成渝地区及长江中下游地区，三峡枢纽的畅通既跟长江内河水域的发展息息相关，也紧密联系着长江经济带的建设。目前，长江货运量逐年递增，导致船舶过闸需求持续增长，过闸需求增长与过闸能力不足的矛盾日益凸显。

在面对三峡船舶积压逐渐趋于常态化的情况，在加速船型标准化工作，开发适应三峡船闸的船型的同时，升船机作为三峡通航建筑物中的重要组成部分，也将发挥重要的作用，充当快速过坝的通道,提升船舶过坝效率。

国外升船机适用发展较我国更早，有更丰富的适用经验。德国汉诺威大学帕登斯基教授在分析了近几十年各国兴建的升船机后认为：“在考虑通航建筑物时，从提升高度25m开始，可以考虑选取升船机代替船闹；而当提升高度大于35m时，升船机具有比较明显的优势”。

国内在升船机提高通过能力及相关技术要点难点方面也在一直研究，国内很多研究明确表明升船机能为客货轮和特种船舶提供快速过坝通道，增加枢纽的航运调度灵活性，提高船舶过闸效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于仿真的三峡升船机缓解积压能力评价方法，为缓解三峡枢纽船舶积压状况提供决策支持。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于仿真的三峡升船机缓解积压能力评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、数据收集和统计：

收集升船机使用前的若干年的三峡枢纽通航船舶的数据，根据船舶的过闸规律对船舶进行分类，并统计各年的船舶的类型、数量、吨位及占比；

S2、建立仿真模型，包括上行系统和下行系统，下行系统从三峡坝上锚地通过三峡船闸或升船机进入葛洲坝库区、通过葛洲坝船闸离开；上行系统与下行系统流程相反，模块相同，均包括：

船舶生成模块，用于从S1收集的数据中按各类船舶到达规律进行生成船舶；

船舶组织调度模块，用于根据各类船舶在通过三峡船闸与葛洲坝船闸时遵循的规律，安 排船舶过闸的班次与规则；

船舶过闸子模型，包括三峡船闸模块和葛洲坝船闸模块，分别用于模拟船舶按照船舶组织调度模块安排的班次和规则通过三峡船闸和葛洲坝船闸的过程；

S3、仿真模型的检验：

利用S1中升船机使用前的三峡枢纽通航船舶的数据，对仿真模型进行仿真，将仿真后的数据与实际数据进行对比，计算仿真误差直至误差小于预设的误差值；

S4、升船机仿真：

在仿真模型中补入升船机模型，升船机模型用于根据各类船舶的条件，模拟具备条件的船舶按照船舶组织调度模块安排的班次和规则从升船机通过三峡大坝；

S5、升船机缓解积压能力分析：

根据S1收集的数据进行来船规律演化分析，将分析结果作为参数输入，并在船舶组织调度模块中设置升船机的使用频率，分析升船机使用频率与船舶积压数量的对比。

按上述方案，所述的船舶分为客船、商品车滚装船、集装箱船、危险品船、干散货船和其他船舶六类；其中吨位在3000吨以下的客船、商品车滚装船、集装箱船、干散货船和其他船舶，由船舶组织调度模块根据升船机的使用频率，确定通过升船机或船闸通过三峡大坝；吨位大于3000吨的客船、商品车滚装船、集装箱船、干散货船和其他船舶，以及所有危险品船，由船舶组织调度模块安排船舶过闸的班次与规则通过船闸通过三峡大坝。

按上述方案，所述的S3在仿真时，输入参数为：来船规律、调度规则和船舶在各区间的航行速度；输出参数为：船舶在系统内各模块花费的时间、各个处理过程船舶的排队长度、船舶进入系统的数量和离开系统的数量；通过输出参数得到船舶积压时间和积压数量。

按上述方案，所述的船舶生成模块按照船舶到达规律拟合正态分布来生成船舶。

本发明的有益效果为：通过搭建三峡枢纽船舶交通流模型，进行船舶过闸的模拟仿真并得到仿真结果，进而分析三峡枢纽升船机对船舶积压的影响，并对升船机缓解船舶积压的能力进行评价，为缓解三峡枢纽船舶积压状况提供决策支持。

附图说明

图1为三峡枢纽运输系统仿真总体流程图。

图2为船舶生成模块结构框图。

图3为船舶组织调度模块结构框图。

图4为船舶过闸子模型结构框图。

图5为升船机模型结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于仿真的三峡升船机缓解积压能力评价方法，它包括以下步骤：

S1、数据收集和统计：

收集升船机使用前的若干年的三峡枢纽通航船舶的数据，根据船舶的过闸规律对船舶进行分类，并统计各年的船舶的类型、数量、吨位及占比；

S2、建立仿真模型，包括上行系统和下行系统，下行系统从三峡坝上锚地通过三峡船闸或升船机进入葛洲坝库区、通过葛洲坝船闸离开；上行系统与下行系统流程相反，模块相同，均包括：

船舶生成模块，用于从S1收集的数据中按各类船舶到达规律进行生成船舶；

船舶组织调度模块，用于根据各类船舶在通过三峡船闸与葛洲坝船闸时遵循的规律，安排船舶过闸的班次与规则；

船舶过闸子模型，包括三峡船闸模块和葛洲坝船闸模块，分别用于模拟船舶按照船舶组织调度模块安排的班次和规则通过三峡船闸和葛洲坝船闸的过程；

S3、仿真模型的检验：

利用S1中升船机使用前的三峡枢纽通航船舶的数据，对仿真模型进行仿真，将仿真后的数据与实际数据进行对比，计算仿真误差直至误差小于预设的误差值；

S4、升船机仿真：

在仿真模型中补入升船机模型，升船机模型用于根据各类船舶的条件，模拟具备条件的船舶按照船舶组织调度模块安排的班次和规则从升船机通过三峡大坝；

S5、升船机缓解积压能力分析：

根据S1收集的数据进行来船规律演化分析，将分析结果作为参数输入，并在船舶组织调度模块中设置升船机的使用频率，分析升船机使用频率与船舶积压数量的对比。

所述的船舶分为客船、商品车滚装船、集装箱船、危险品船、干散货船和其他船舶六类；其中吨位在3000吨以下的客船、商品车滚装船、集装箱船、干散货船和其他船舶，由船舶组织调度模块根据升船机的使用频率，确定通过升船机或船闸通过三峡大坝；吨位大于3000吨的客船、商品车滚装船、集装箱船、干散货船和其他船舶，以及所有危险品船，由船舶组织调度模块安排船舶过闸的班次与规则通过船闸通过三峡大坝。

所述的S3在仿真时，输入参数为：来船规律、调度规则和船舶在各区间的航行速度；输出参数为：船舶在系统内各模块花费的时间、各个处理过程船舶的排队长度、船舶进入系统的数量和离开系统的数量；通过输出参数得到船舶积压时间和积压数量。

所述的船舶生成模块按照船舶到达规律拟合正态分布来生成船舶。

下面以具体实例进行详细的步骤说明：

步骤一、数据收集和统计：采集2010-2013年三峡枢纽通航船舶的数据，并统计各年的船舶的类型、数量、吨位及占比。

步骤二、三峡枢纽船舶仿真模型研究

2.1、船舶行为模型：由于三峡船舶种类繁多，即使在同一类船舶中不同船型的船舶行驶速度也不一样，很大程度上增加了建模的复杂性。在本模型中视船舶上行/下行航行速度相同，各类船舶过三峡船闸的时间也相同。

2.2、船闸服务模型：三峡船闸为双线五级船闸，采用单向过闸方式，一般实行北线上行，南线下行，上下行花费的时间基本相同。设计条件下，下行船舶从进入第一级船闸到驶出第五级船闸共需约3.5h；葛洲坝船闸为“两线三闸”结构，1、2号船闸可通过大型船舶或者大型船队，每次过闸时间大约1个h；3号船闸主要通过3000t以下客货轮和地方小型船队，每次过闸时间约40min。升船机作为三峡枢纽的辅助通道，可通过3000t以下除危险品以外的船舶，单向单次所需的时间大约40min。

2.3、船舶组织调度模型：本模型将仿真船舶分为客船、商品车滚装船、集装箱船、危险品船、干散货船、其他船舶等六类船舶，在安排各类船舶的过闸顺序中，客船属于优先级最高的，商品车滚装船次之，集装箱船再次之，原因都是船载商品的附加价值比较高，过闸等待时间过长会导致船主比较大的损失；然后就是干散货船及其他船舶。其中危险品船舶只能单独过闸，不能与其他任何船舶混合过闸；同类船舶按照先到先过的原则。

步骤三、仿真建模的系统分析

3.1、系统边界设定：本研究重点分析系统内船舶积压情况，分析区域为两坝周围的锚地区域以及两坝之间的区域，其中三峡大坝上游的锚地区距大坝大约10km，葛洲坝下游的锚地距葛洲坝约9km。本实施例仿真模型设定上游边界为三峡大坝上游报告线，下游边界为葛洲坝下报告线。

3.2、系统流程分析：明确仿真系统的起讫点后，需要宏观把握船舶的运行流程，本仿真系统分为上行与下行两个系统。下行从三峡坝上锚地进入系统，然后通过三峡船闸或者升船机进入葛洲坝库区，然后通过葛洲坝船闸离开系统，上行船舶与上行的流程相反。三峡枢纽船舶运行的总体流程见附图1。

3.3、系统仿真平台：选用Arena软件作为三峡船舶交通流仿真系统的平台。

3.4、模型参数的输入/输出：

表1仿真系统参数表

步骤四、仿真模型的建立

4.1、输入模块：

船舶生成子模型是整个模型的开端，按照实际每天到达三峡坝上锚地和葛洲坝下锚地的数据，该模型模拟生成船舶，生成的船舶依次进入系统，通过三峡船闸与葛洲坝船闸后离开系统。为了使仿真结果与实际情况比较接近，对船舶到达间隔天数按照泊松分布、正态分布等分布进行拟合(拟合的原始数据来自于收集的2013年365条船舶过闸数据)，拟合结果如下表所示：

表2船舶到达规律拟合表

分布名称标准差正态分布0.0328贝塔分布0.0565泊松分布0.0593均匀分布0.0639指数分布0.128三角分布0.128韦伯分布0.162伽玛分布0.173对数正态分布0.217

如上表所示，船舶到达规律拟合正态分布的标准差最小，故船舶生成模块按照正态分布来生成船舶。

根据船舶的过闸规律，三峡过闸船舶被简化成六类，分别是客船、商品车滚装船、集装 箱船、危险品船、干散货船以及其他船舶。

表3船舶生成子模型船舶到达间隔参数表

计算船舶生成模块中的各项参数。

(1)均值：各类船舶到达间隔的天数的平均值。

(2)方差：各类船舶到达间隔的天数的方差。分别计算上行和下行的均值和方差，并选择正态分布函数进行拟合。

4.2、船舶组织调度模块：

各类船舶在通过三峡船闸与葛洲坝船闸时需要遵循一般规律：

(1)葛洲坝船闸单船单过，三峡船舶过闸规则比较复杂，原则是先到先过，部分优先，组合过闸。

(2)各类船舶的优先等级也不一样，根据以人为本的原则，客船属于优先级最高的；商品车滚装船次之，集装箱船再次之，原因都是船载商品的附加价值比较高，过闸等待时间过长会导致船主比较大的损失；然后就是干散货船及其他船舶；危险品船舶比较特殊，不能与其他任何船舶混合过闸，所以危险品船舶只能等待集满一个闸次才能过闸。

船舶组合规则子模型主要作用是安排船舶过闸的班次与规则，在遵守实际排班规则的情况下最大限度地还原船舶过闸场景。模块设计如附图3所示。

4.3、船舶过闸子模型：

船舶过闸子模型分为三峡船闸模块和葛洲坝船闸模块，用于模拟船舶通过三峡船闸与葛洲坝船闸的过程。

以下行船舶为例，在经过调度员排班之后，船舶首先驶入三峡船闸引航道，然后船舶进入一号闸室并关闭闸门，将一号闸室内的水排出使一二号闸室的水位持平，然后打开闸门使船只驶向二号闸室，依次类推，直到驶入下游。根据船舶过闸的实际过程，本模型将三峡五 级船闸简化成三级船闸。然后船舶进入葛洲坝库区，随后通过葛洲坝船闸并驶离三峡枢纽。其过程模拟如附图4所示。

4.4、仿真模型的检验：

本仿真模型分为上行和下行两个子系统，每个子系统都包括船舶发生器、船舶组合规则模块、船舶过闸模块和升船机模块。本研究将一周(7天)、一个月(30天)、一年(365天)3个时长的船舶通过三峡船闸的仿真数量与实际通过值进行对比分析。(仿真模型数据和2013年真实数据比较如表4所示)

表4系统仿真的误差分析

由表4可知，计算机仿真的误差均没有超过10％，且随着仿真时长的增加，仿真结果与实际情况的相对误差逐渐缩小，体现出本模型具有一定的合理性，可以用于进一步的仿真研究。

步骤五、三峡枢纽升船机仿真

根据上述分析，该模型的分析结果与三峡通航实际数量误差在10％以内，则可以利用该模型进行进一步研究。

5.1、升船机模块设计：按照设计，三峡升船机将在2015年投入使用，升船机的设计是为了缓解船舶积压，增大三峡通过能力的设施。船舶乘坐升船机上行以及下行，允许进入升船机的船舶必须小于3000吨级；并且升船机每天的运能有限，单线时间间隔为40分钟，因此每天单方向可以通过16艘3000吨级以下的船舶。其中，危险品船舶不能乘升船机过闸，因此共有其他五类小型船舶可以过升船机。升船机模块如附图5所示。

5.2、来船规律演化分析：随着三峡工程蓄水后航运条件的改善，三峡船闸过坝货运量快速增长，船舶大型化、标准化趋势日益明显，通过三峡船闸的货运量在2011年就达到了1.003亿吨，已提前19年达到设计通过能力，2014年的过闸货运量为1.15亿吨，有专家预测2020年三峡货运量将突破2亿吨。过闸船舶的吨位也随着船舶大型化的趋势而增大，其中，2014年三峡过闸船舶吨位为3784吨。考虑到升船机只能运输3000吨级以下的船舶，且危险品船舶不能过升船机，本节综合考虑过闸船舶货运量和过闸船舶吨位来预测未来船舶过闸货运量分别为1.5亿吨及2亿吨时的年过闸船舶流量，并根据现有数据对3000吨级上下船舶所占的 比例进行分析和预测。下表展示了三峡过闸船舶流量及类型分布。

表5三峡不同过闸货运量对应的船舶流量及船舶吨位表

船舶流量随着过闸货运量的增大而增加，考虑到过闸船舶吨位也在不断增加，因此，船舶流量的增加并不与过闸货运量的增加成正比；船舶大型化的趋势越来越明显，每年3000吨以上船舶所占比例不断上涨，在年过闸货运量达到1亿吨时比例达到52.54％，但随着时间的推移，涨幅将慢慢减小，在年过闸货运量达到2亿吨时3000吨级以上船舶达到69.56％。

升船机仿真：将模拟未来过闸货运量为1.5亿吨和过闸货运量为2亿吨两种情景，将上节来船规律演化分析得到的数据作为参数输入，研究升船机投入使用后船舶的积压状况。在这两种情况下分别仿真10天、20天、30天。由于升船机单程运行时间为40min，还有船舶进出升船机的时间，假设升船机每天单线能过12艘3000t级以下的船，以下行为例，分别模拟过闸货运量为1亿到2亿吨时，比较升船机使用前后的船舶积压数量。

表6不同过闸货运量时升船机的使用状况表单位：艘次

如表6所列，在过闸货运量为1亿吨的情况下，将无升船机情况下积压的数据与实际数据进行对比，两者基本吻合，证明了在此情况下本模型的合理性。

步骤六、升船机仿真结果分析

(1)当过闸货运量为1亿吨时，使用升船机比没使用升船机的船舶积压数量减少了80％左右，且基本稳定，此时升船机利用率不到30％，工作能力未饱和，可有效缓解积压情况。

(2)当过闸货运量达到1.5亿吨时，船舶流量增幅不大，升船机利用率在40％-60％之间，其工作能力还能有效缓解3000吨以下船舶的积压，因此船舶积压数量还控制在较小的范围内，减幅也基本稳定在60％左右。

(3)当过闸货运量升至2亿吨时，受船舶流量的增长和船舶大型化的影响，3000吨级以上船舶数量大幅增加，船闸通过能力十分有限，大型船舶积压数量明显上升。另一方面，3000吨级以下船舶数量也不断增加，而且船型越来越复杂，船舶积压越来越明显。此时，升船机利用率基本达到100％，其工作能力已经饱和。

步骤七、分析结果

总体来看，升船机运行的情况良好，其缓解积压效果随着过闸货运量的增加呈递减趋势，而其利用率则随货运量增加呈递增趋势，当货运量接近2亿吨时，升船机的利用率逼近100％，长时间高负荷的运行会造成升船机故障频发。升船机作为缓解船舶积压的方案在一定程度上有明显效果，但假如未来大型船舶越来越多及船舶流量增长过快，升船机的作用就比较有限，无法解决根本问题，亟需新的方案。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。