基于Arena的三峡船舶积压疏导策略效果研究*

刘　清　余燕平

(武汉理工大学交通学院　国家水运安全工程技术研究中心　武汉　430063)



基于Arena的三峡船舶积压疏导策略效果研究*

刘清余燕平

(武汉理工大学交通学院国家水运安全工程技术研究中心武汉430063)

摘要：自2003年三峡船闸建成通航以来，库区通航需求逐年攀升，三峡船舶过闸需求和船闸通过能力不足之间的矛盾日益明显，过闸船舶积压趋于常态.为确保船舶签证取消后船舶通航的安全有序，提出水上交通管控线方案.通过分析2013年三峡船闸船舶过闸数据，设置Arena仿真参数，结合排队论建立船舶过闸Arena仿真模型,动态模拟船舶通过三峡船闸全过程.分别得到有、无管控线的作用下坝前锚地船舶排队时间和排队长度.对比分析表明，相对于未设置管控线方案，实施合理的管控线方案以后明显缓解了船舶的过闸积压问题，缩短了船舶在坝前锚地的排队时间和排队长度.

关键词：交通管控线；船舶签证；排队论；Arena仿真

0引言

随着三峡船舶过闸需求的增加和船闸通过能力不足问题的日益严重，三峡—葛洲坝坝区船舶积压已呈现常态化趋势[1].交通运输部于2013～2014年取消了20多项行政许可，占海事行政许可的60%，全面取消船舶进出港签证也已提上议事日程.船舶签证取消之后对船东有极大便利，但是对于局部水域却会产生极大的通航压力.为解决三峡坝前船舶积压问题，确保船舶过闸高效有序，可对船舶进行合理管控——设置水上交通管控线(亦称水上拦截线).交通管控线是海事部门为缓解坝前船舶积压问题，保证船舶安全高效通行，对拟通过船闸但还未到达坝前的船舶在特定地点设置管控线，避免更多的船舶到坝前积压，同时也为既有滞留的船舶提供足够的时间进行过闸或坝前分流转运而设置的通航管制措施.而交通管控线是否能有效地解决特殊水域的通航问题则需要深入研究论证.由于船舶产生是一个离散的随机过程，且船舶过闸也是一个相对复杂的过程，直接的量化计算或者建模难以实现，因此利用Arena仿真软件建立三峡船闸过闸模型，对三峡水域实施管控线后的过程进行动态模拟，验证水上交通管控线的实施效果.

Arena软件最早被广泛运用到供应链及物流领域，也有学者进行复杂系统事故致因的风险熵传递模型的Arena仿真验证.前，Arena仿真技术已被国内外学者应用于水运仿真领域，并取得了一定研究成果.在国外，Cortes等[2]利用Arena软件对塞维利亚内河货运量进行了模拟.C.Arango等[3]使用Arena软件研究了塞维利亚港的集装箱船泊位分配的相关问题，最终改善了目前的泊位管理策略；A.Govinda等[4]利用Arena仿真对俄亥俄河航道交通系统进行仿真，得到了俄亥俄河流上船闸利用率和船舶等待时间，预计未来在船舶数量增加的情况下俄亥俄航道是否能满足交通需求.在国内，王永辉[5]实现了基于Arena的港口泊位三维仿真系统；袁子文等[6]利用Arena仿真优化了内陆港口管理模式和运营效率；陶安等[7]利用Arena建立了船舶过闸作业系统模型并进行试验；朱顺应等[8]等基于Arena仿真建立了三峡运输枢纽仿真模型.

文献[1]中虽就船舶积压问题，提出了管控线方法，但并未就该方法进行试验模拟与方法可行性验证.文献[2-6]利用Arena对复杂水运枢纽进行了仿真实验，但是并没有学者对船舶积压疏导问题进行过研究，更没有进行过相关的仿真实验.基于此，文中结合排队论相关知识，利用Arena仿真软件对三峡船闸过闸管控线方案进行了动态模拟，并进行管控线方案可行性分析.

1交通管控线设置地点和启动条件

交通管控线的目的是在船舶积压条件下，适度限制船舶集中进入三峡坝区，强化源头管理.根据各管控节点与三峡大坝航行距离的不同，选择合适的节点设置管控线，以此分担三峡船闸过闸压力.因此交通管控线设置地点要满足以下3个条件：(1)为满足执法的便捷性和可控性，实施管控的点不宜距离两坝太远；(2)还需考虑管控线设置水域的锚泊能力；(3)设置管控线的节点与在锚船舶的情况直接相关，当在锚船舶艘次变大时，实施管控线应距离两坝越远.

为满足管控线设置后便于执行，管控线位置应与海事处位置相近.分析三峡大坝坝上至重庆区段地理位置，三峡坝上的海事处有：永川-江津-巴南-朝天门-长寿-涪陵-丰都-忠县-万州-云阳-奉节-巫山-巴东-归州-三峡库区；在葛洲坝坝下至武汉区段的海事处有：宜都-枝江-沙市-公安-江陵-石首-城陵矶-临湘-洪湖-华容-监利-咸宁-新滩-金口-沌口-港区-青山-阳逻.考虑到管控线水域需要一定的锚泊能力，统计发现三峡坝上至重庆段有巴东、重庆巫山和归州郭家坝(不完全统计)泊锚能力较大，葛洲坝坝下可在枝城大桥、枝江七星台以及云池可设置临时停泊区，各水域内对应最大可停泊船舶240，270和440艘.

综合考虑可以选择设置管控线的节点为：坝上的巫山和巴东；坝下的枝江和沙市，其中巫山和沙市为一级管控线所处位置，巴东和枝江为二级管控线所处位置.管控线设置位置示意图见图1.

依据长江航务管理局发布的三峡船闸船舶滞留应急预案规定的分级数据，三峡船舶积压预警等级和积压船舶数量关系见表1.

图1　管控线设置位置示意图

表1　滞留船舶预警等级与滞留船舶数量关系　艘

管控线方案是针对坝区在二级或一级船舶积压提出实施的.实施管控线的基础条件是巫山、巴东、枝江、沙市需要实时掌握三峡-葛洲坝坝前船舶积压信息：包括实时积压船舶数量、积压船舶等待时间等.这一条件可结合GPS，CCTV还有公共信息共享平台来实现.具体启动条件如下.

当位于巴东、枝江实时监控的坝前过闸船舶积压总数达到280艘时，启动位于该地的2条二级管控线，除应急救援、允许通过的客货船、鲜活易腐品、执行特殊任务，以及重点运输物资船舶外，对其他船舶进行拦截，限制船舶通过数量.当坝前积压船舶数量降低到下一等级，解除管控措施；当位于巫山、沙市实时监控的坝前过闸船舶积压总数达到360艘时，启动位于巫山和沙市的2条一级管控线，进一步限制船舶通过数量.当坝前积压船舶数量达到下一级积压条件时，启动二级管控方案.

2Arena仿真模型构建

2.1模型边界及构成

仿真验证的航段是三峡-葛洲坝，主要验证交通管控线对三峡-葛洲坝通航压力的是否起到改善作用，系统由通航设施、码头、航道网、各类船舶构成.三峡大坝上游的锚地区距大坝大约10 km，葛洲坝下游的锚地距大坝约9 km，仿真系统的上游边界为三峡大坝上游巫山港一级管控线，下游边界到葛洲坝下沙市一级管控线处.

2.2仿真模型构成

仿真系统由5个不同的子模型组成，即船舶生成模块、坝前锚地模块、三峡船闸模块、交通管控线模块和船舶离开模块.

仿真之前，有如下假设：(1)船舶到达是一个一个相互独立的随机过程，且服从泊松分布，船舶到达时间间隔服从负指数分布；(2)排队规则服从先到先服务模式.

2.3仿真模型数据及参数设置

研究2013年两坝过闸数据发现，1月份的客货运量为1年中比较大的月份之一，三峡大坝处于五级运行方式，过闸时间比四级运行方式更长，船舶积压风险更大，所以选择1月份作为本案例的模拟时段.为减少系统误差，这里设置了为期2 d的预热时间，正常运行时间为1个月31 d，每天24 h，仿真重复次数为5次.

管控线方案是针对坝区在二级或一级船舶积压提出实施的，仿真分别模拟了二级和一级积压状态时采取管控线方案和不采取管控线方案时的状态.因此，二级积压时设置仿真初始条件为锚地内已有280艘船舶待闸，一级积压是仿真初始条件为锚地内已有360艘船舶待闸.参数设置见表2～5.

表2　输入参数值

表3　二级积压状态输入参数值

表4　一级积压原状态输入参数值

3仿真结果与结果分析

运用各个子模型的Record模块可以记录离开系统的船舶数，船舶离开系统表示运输到达目的地，结合船舶生成子模型产生的实体数，可知道运量完成情况.查看仿真运行结果，得到主要数据，包括坝前锚地积压船舶数量以及在锚地等待时间等参数，汇总后得到仿真结果见表5～6.

表5　二级积压状态下管控线方案输出指标

表6　一级积压状态下管控线方案输出指标

通过数据分析结合Arena仿真软件建立三峡船闸过闸动态仿真模型，仿真模拟优化后结果分析可得：

1) 管控线方案实施后系统性能相对于方案实施前有了较大改善，说明通过采用管控线方案缓解三峡船闸船舶积压难题是可行的.

2) 管控线可在船舶过闸效率较高的现状下保证过闸效率进一步提升，由表5、表6数据可知，二级积压和一级积压采取管控线措施后对运输船舶运量的完成情况良好，并且对通过能力有些提高，月总通过量分别提高了16和12艘.

3) 管控线可以有效减少坝前船舶积压数和等待过闸时间，二级和一级积压状态时采取管控线方案船舶过闸的排队时间分别减少了19.33 h和19.97 h，二级和一级积压状态分别减少锚地队长数量为68.11艘和106.02艘，积压程度越大缓解效果越明显，一级积压减少的船舶艘次高于二级积压状态37.91艘次.

4) 实施管控线方案以后，降低积压风险，提高船舶过闸安全管理水平，大大保证了船舶在港安全，有效降低了船舶积压等级，避免船舶在坝前由于积压而产生危险.

5) 经过反复的仿真实验得到以上数据，得到一级积压二级积压状态下管控线的设置模式，其中二级积压状态下，管控线区域队长56.61艘，管控线方案实施时间为39.56 h，一级积压状态下管控线队长为98.5艘，管控线方案实施时间为44.83 h.

由仿真结果得到管控线具体实施方案如下：当坝前锚地船舶积压达到二级积压等级，此时启动二级管控线方案，管控线作用时间为40 h，每2 h可通管控线船舶数量为3艘，当积压等级下降后解除管控措施；当坝前锚地船舶积压达到一级积压等级，此时启动一级管控线方案，管控线作用时间为45 h，每小时可通过管控线的船舶数量为1艘，当积压等级下降，启动二级积压管控方案.如此既能保证船舶顺利通行，又能避免船舶进一步积压.

4结论

1) Arena软件可以用于枢纽船舶交通状态仿真，管控线方案能够在一定程度上缩短船舶在坝前锚地积压时间，减轻坝前积压程度，是确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线可以有效减少船舶积压，降低坝前通航风险.数据表明在二级和一级积压条件下采取管控线方案，船舶积压艘次和船舶过闸的排队时间都有大幅度减少.

3) 仿真实验证明，坝前船舶积压程度越高管控线实施后缓解效果越明显，实施管控线后一级积压缓解程度大于二级积压的缓解程度.

4) 二级和一级积压状态下管控线区域所需锚地容量分别为56.61艘和98.5艘，足以满足要求.

参 考 文 献

[1]刘清,陶罂琪,覃盼.优化三峡通航应急运输组织 促进长江经济带发展[J],中国水运，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]王永辉.基于Arena的港口泊位三维仿真系统的实现[J].系统仿真，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,陈艳.基于Arena模型的船闸交通仿真[J].中国水运,2013(1):91-92.

[8]朱顺应,朱凯.基于Arena的三峡枢纽运输系统仿真模型[J].水运工程，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

中图法分类号：U692.4

收稿日期：2016-01-22

刘清(1966- )：女,博士,教授，主要研究领域为交通运输系统优化与决策、港口航运与综合物流等

*国家自然科学基金项目资助(51379171)