基于AnyLogic的三峡船舶通过能力优化研究

(闽江学院 福建 福州 350108)

一、引言

随着三峡的船舶过闸需求日益增长，有限的船闸通过能力导致船舶过坝效率出现问题，制约整个流域运输的效率；同时有限的锚地容量也使得船舶数量在三峡近坝河段待闸积压的情况成为常态。因此如何缓解待闸锚地的压力，提升整体船舶过坝效率已然成为通航管理部门亟需解决的问题。国内的刘敬贤等分析了航道系统和船舶实体的特征，根据船舶的行为，建立了航道仿真模型，输入某海港的实际数据来进行了仿真实验。国外也有很多学者基于仿真对交通进行了大量的研究。Kia M.等利用计算机仿真实验，分析提出服务标准和模型参数以及增加通过能力的方法。

而本文运用 AnyLogic仿真软件对船舶从三峡坝前到通过三峡大坝的过程进行虚拟化呈现，采用理论与仿真相结合的方式设置船舶过闸方案，即构建船舶过闸效率优化模型，提升三峡服务水平，带来一定的社会效益和经济效益。

二、三峡船闸通过能力仿真分析

(一)船闸通过能力定义和分析方法

1.船闸通过能力定义

船闸通过能力是指在特定边界条件下的船闸年可通过货物量，其不是一个固定的数据，而是随着可变条件的变化而变化的。

我国现行行业规范《船闸总体设计规范》(JTJ305-2001)(以下简称“《规范》”)对船闸通过能力计算有具体规定，规定其计算方法如下：

(2.1.1-1)

(2.1.1-2)

(2.1.1-3)

式中：P1为单向每年过闸船舶总载重吨位(t)；P2为单向年过闸客货运量(t)；n为日平均过闸次数；n0为日非运客、货船过闸次数；N为年通航天数(d)；G为一次过闸平均载重吨位(t)；α为船舶装载系数；β为运量不均衡系数；τ为日工作小时(h)；T为一次过闸时间(min)。

2.船闸通过能力影响因素分析

船闸通过能力影响因素有以下几大类构成：

因素具体指标2个中间参数一次过闸平均吨位一次过闸平均时间船闸尺度因素有效长度闸室有效宽度闸室门槛水深船闸工艺因素开闸门时间关闸门时间灌水时间泄水时间船闸平面布置因素引航道的布置形式待闸区域与闸室之间的距离过闸船舶组成因素过闸船型设计尺度船舶组合比例船闸运营关键参数日工作小时日闸次数年通航天数运量不均衡系数船舶性能以及船舶航行安全要求船舶进闸速度船舶进闸之间的安全距离(或称为间隔时间)船舶出闸速度船舶出闸安全距离(或间隔时间)船舶在各闸室间的航行速度船闸运行模式单向运行双向运行

3.船闸服务水平指标

本论文从船舶与船闸两个角度出发，采用船舶平均等待时间和船闸有效利用率2个船闸服务水平指标对船闸通过能力进行了分析研究。

(1)船舶平均等待时间

船舶平均等待时间指的是从船舶到达锚地开始至离开锚地时的时间段为船舶平均等待时间。船舶平均等待时间是从船舶过闸的角度对船闸服务水平进行判别。船舶平均等待时间的长短反映了船闸服务水平，时间越短，则船闸服务水平越高；时间越长，则船闸服务水平越低。

(2)船闸有效利用率

船闸有效利用率是指船闸一年的实际运行工作时间与一年中可运行时间的比值。船闸有效利用率越高，说明船闸越繁忙，船舶到达后等待过闸的时间就会长，船舶接受船闸过闸服务的服务水平越低；船闸有效利用率低，则反映船闸闲置的时间长，船舶等待过闸的时间就会变短，船舶的过闸服务水平就越高。

三、实例分析

(一)2013年三峡船闸实际运行数据统计与分析

1.船舶分吨级统计

表2-1 2013年三峡船闸船舶分类统计

2.过闸船舶尺度统计

表2-2 2013年在三峡过闸的船型尺度统计分析

3.三峡船闸的相关运作设备的实际运行时间

三峡船闸为五级船闸，一般是单向运行方式。船舶过闸通过第一个闸室的过程是船闸通过能力的控制工况，因此，本项研究主要针对这个工况。

表2.3 三峡船闸相关设备的实际运行时间表

4.船舶进闸时间分析

表2-4 三峡船舶进闸时间分析表

5.船舶移泊时间分析

表2-5 三峡船舶移泊时间分析表

6.船舶过闸时间分析

三峡的过闸方式为双线五级船闸的单向过闸，故一次过闸船队的时间=通过一个闸室的总运行时间+船舶进闸总时间+船舶移泊(移闸)总时间。

表2-6 船舶过闸时间分析

四、AnyLogic仿真

(一)建模流程及图示

利用AnyLgoc建立三峡虚拟情景，根据搜集的统计数据，设置船舶的系列参数。根据以上船舶分布情况设定概率。

(二)结果分析

1.对2013年过闸的船舶组合进行通过能力模拟试验

利用AnyLogic软件模拟了基于随机排队原则的三峡船舶过闸过程。该模拟试验共设计了4组试验，分别是基于2013年实际过闸船型组合(包含客船)，分别向系统输入5500万 t、6000万 t、6250万 t和6500万 t，模拟结果见表4-1和图4-1。

表4-1 2013年三峡船闸的过闸船型组合数据

图4-1 服务水平与单向船闸过闸货物量的关系

2.基于2013年的客船情况对三峡船闸通过能力的影响分析

根据资料显示，2013年的实际过闸船舶中含有约4%的客船，这些客船占用闸室有效面积，影响了船闸通过能力。为了分析客船对三峡船闸通过能力影响，在实际船型组合中，将客船剔除掉，各吨级和各尺度的船舶组合比例不变。模拟试验结果见表4-2和图4-2。

表4-2 模拟试验结果

图4-2 船闸过闸货物量与服务水平指标关系曲线

分析表4-2和图4-2，剔除掉客船影响，发现2013年三峡船闸极限通过能力仿真中，不含客船组合的实际过闸货物量都比含有客船组合的高。

为方便分析客船对三峡船闸通过能力影响，将数据整理汇总成对比分析表，详见表4-3与4-4。

表4-3 2013年客船情况对三峡船闸通过能力影响比较分析

表4-4 2013年客船对船闸服务水平的影响对比分析表

图4-3 2013年客船对船闸利用率的影响对比图

图4-4 2013年客船对船舶平均等待时间的影响对比图

由上述表格可看出，在剔除掉客船的情况下，货船一次过闸额定吨位、平均一次过闸船舶艘次和闸室利用率都有所提高，从而提升三峡船闸通过能力。从船舶平均等待时间指标来看，含客船的组合的平均等待时间比不含客船的组合高；从船闸有效利用率指标来看，含客船的船舶组合的船闸有效利用率比不含客船的要高。所以，适当地剔除客船进行组队过闸有利于提高船闸服务水平(即船舶平均等待时间与船闸有效利用率)。

五、小结

采用AnyLogic软件对2013年三峡船舶过闸的系列数据并模拟分析。模拟试验结果得到，如果禁止客船通过三峡船舶船闸，基于三峡船闸2013年过闸货船船型情况，三峡船闸极限通过能力提高了5%，说明这样大大提高三峡船闸通过能力，降低船舶平均等待时间，提高船闸服务水平。但在模拟中存在一些理想性假设，必要时可进一步优化研究。