孔 莊，廖 鵬，楊春紅， 張 明

(1. 東南大學(xué)交通學(xué)院港航工程系，江蘇南京 210096； 2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456)

船閘運(yùn)行狀態(tài)與通過(guò)能力仿真分析

孔 莊1，廖 鵬1，楊春紅1， 張 明2

(1. 東南大學(xué)交通學(xué)院港航工程系，江蘇南京 210096； 2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456)

為定量分析和預(yù)報(bào)船閘的運(yùn)行狀態(tài)并指導(dǎo)其交通調(diào)度，基于Arena離散事件仿真平臺(tái)，以湘江長(zhǎng)沙樞紐雙線船閘為例，通過(guò)已有研究成果建立船閘交通仿真模型，經(jīng)實(shí)際資料驗(yàn)證該模型的可靠性，并分析了船閘在不同交通調(diào)度方案下的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及最大通過(guò)能力。仿真分析結(jié)果表明，只有提高每個(gè)閘次的閘室利用率，才能有效增加船閘的通過(guò)能力；每個(gè)閘次的船舶艘數(shù)越多，一次過(guò)閘時(shí)間就長(zhǎng)，平均延誤就長(zhǎng)。運(yùn)行實(shí)踐中可根據(jù)船閘狀態(tài)和過(guò)閘交通需求，合理進(jìn)行交通調(diào)度，在保障過(guò)閘安全的前提下協(xié)調(diào)船閘通過(guò)能力與船舶延誤之間的關(guān)系。借助仿真輸出的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，有助于充分掌握船閘系統(tǒng)的交通規(guī)律，分析不同設(shè)計(jì)水平下的船閘最大通過(guò)能力，或是視不同交通負(fù)荷預(yù)選調(diào)度方案，綜合提高過(guò)閘能力與服務(wù)質(zhì)量。

船閘； 仿真； 運(yùn)行狀態(tài)； 調(diào)度； 長(zhǎng)沙樞紐

隨著我國(guó)內(nèi)河水運(yùn)交通量的持續(xù)增加，船閘通過(guò)能力相對(duì)航運(yùn)過(guò)閘需求不足的矛盾愈發(fā)突出[1]。在不改變基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，優(yōu)化交通組織能夠高效節(jié)約地發(fā)揮作用[2]，有利于提高船閘通過(guò)能力與服務(wù)質(zhì)量。就船閘調(diào)度問(wèn)題而言，進(jìn)行交通建模與仿真是一種有效手段，需要考慮通過(guò)能力、延誤和安全等多個(gè)相互聯(lián)系與制約的目標(biāo)[3-4]，是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)的不確定性組合優(yōu)化問(wèn)題[5]。國(guó)外現(xiàn)有的船閘交通建模主要基于標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的船型(過(guò)閘船舶)[6-9]，難以適用于國(guó)內(nèi)復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)船型。針對(duì)船閘交通建模中關(guān)鍵的復(fù)雜船型的閘室排檔問(wèn)題[10]，結(jié)合三峽-葛洲壩船閘通航調(diào)度理論問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了一些實(shí)用的交通建模方法[11]，為船閘運(yùn)行仿真研究奠定了較好的基礎(chǔ)。盡管以往在船閘仿真建模方面做了許多工作[12-15]，但需要加強(qiáng)對(duì)仿真結(jié)果的驗(yàn)證與船閘運(yùn)行狀態(tài)的分析，充分掌握其交通規(guī)律，再現(xiàn)船舶過(guò)閘的時(shí)空變化，分析各種條件變化引起的船閘狀態(tài)的改變，以利于優(yōu)化交通組織方案，縮短船舶延誤，定量預(yù)測(cè)其通過(guò)能力。本文在已有研究基礎(chǔ)上，以湘江長(zhǎng)沙樞紐雙線船閘為例，基于Arena離散事件仿真平臺(tái)[16]建立船閘交通仿真模型，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，預(yù)報(bào)該船閘在不同設(shè)計(jì)水平下的閘室利用率、船舶延誤和通過(guò)能力等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)對(duì)比船閘在不同船舶到達(dá)分布與調(diào)度策略下的運(yùn)行狀態(tài)，提出適用于不同工況的交通組織方案。

1 調(diào)度規(guī)則與算法

1.1 調(diào)度規(guī)則

船閘調(diào)度與其優(yōu)化目標(biāo)、到達(dá)船舶和交通負(fù)荷等有關(guān)，往往難以直接建模求解。通常是先根據(jù)實(shí)踐擬定某種調(diào)度規(guī)則，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，通過(guò)仿真建模分析對(duì)應(yīng)的船閘運(yùn)行狀態(tài)，最后比較優(yōu)化目標(biāo)而確定相對(duì)較優(yōu)的方案。根據(jù)國(guó)內(nèi)船閘的實(shí)際運(yùn)行情況，船閘調(diào)度中的基本規(guī)則是先到先過(guò)和重點(diǎn)優(yōu)先，故擬定基本調(diào)度規(guī)則：①過(guò)閘優(yōu)先級(jí)按下列次序：危險(xiǎn)品船>公務(wù)船>客船和鮮貨船(載運(yùn)鮮活貨的貨船)>普通貨船等，其中，危險(xiǎn)品船又分為運(yùn)輸固體危險(xiǎn)品船與液體危險(xiǎn)品船兩大類，公務(wù)船指擔(dān)任特殊任務(wù)的軍事運(yùn)輸船等；②危險(xiǎn)品船安排專閘通過(guò)，同類型危險(xiǎn)品船可一同過(guò)閘，反之則不能同一閘通過(guò)；③同一優(yōu)先級(jí)船舶采用先到先過(guò)。

為提高過(guò)閘效率，在基本調(diào)度規(guī)則基礎(chǔ)上，針對(duì)同一優(yōu)先級(jí)別船舶，注意大、小船協(xié)同，以閘室利用率最大為目標(biāo)進(jìn)行排擋優(yōu)化，形成優(yōu)化調(diào)度規(guī)則。當(dāng)船閘將要或已經(jīng)出現(xiàn)大量船舶積壓時(shí)，采用應(yīng)急調(diào)度規(guī)則，即在優(yōu)化調(diào)度規(guī)則基礎(chǔ)上，危險(xiǎn)品船將不再優(yōu)先和專閘通過(guò)，而是進(jìn)入錨地等待，待危險(xiǎn)品船舶數(shù)量滿足一定條件時(shí)才允許集中過(guò)閘，但不同類型的危險(xiǎn)品船仍不能同一閘通過(guò)。

1.2 調(diào)度算法

圖1 雙線船閘單向調(diào)度算法流程Fig.1 One-directional operation scheduling algorithm of shiplock

圖1為基本調(diào)度規(guī)則的雙線船閘單向調(diào)度算法。其中，危險(xiǎn)品船不進(jìn)入錨地，直接前往引航道內(nèi)靠船墩等待過(guò)閘；其余船舶進(jìn)入錨地等待。船舶排隊(duì)算法的具體步驟為：①船舶進(jìn)入錨地后按優(yōu)先級(jí)及先后順序形成待閘隊(duì)列；②按順序提取待閘隊(duì)列中一批船舶進(jìn)入排檔模塊；③按船舶長(zhǎng)度指標(biāo)(該方法排序可得到較大的閘室利用率)再次排序形成排檔隊(duì)列；④調(diào)用閘室排檔算法，按順序?qū)ε艡n隊(duì)列中船舶進(jìn)行排檔，選取閘室利用率最大的一組為該閘次的排擋方案；⑤判斷是否滿足調(diào)度條件，若滿足則進(jìn)入閘室判別，否則繼續(xù)等待來(lái)船；⑥如當(dāng)前僅有唯一導(dǎo)航墻空閑，則直接前往該導(dǎo)航墻，否則判斷能夠較早形成當(dāng)前方向過(guò)閘的導(dǎo)航墻；⑦如兩導(dǎo)航墻在同一時(shí)刻均能過(guò)閘，則均衡兩閘室通過(guò)量，選擇當(dāng)日通過(guò)量較小的并前往待閘；⑧下一閘次排檔前根據(jù)錨地排隊(duì)順序補(bǔ)充船舶進(jìn)入排檔模塊，然后重復(fù)③～⑦。

每閘次調(diào)度結(jié)束條件有兩種：一是錨地中尚有船舶，但沒(méi)有合適的船舶能夠進(jìn)入閘室；二是錨地中沒(méi)有船舶，考慮船閘運(yùn)行成本和船舶延誤時(shí)間，根據(jù)閘室利用率λ和已排檔船舶等待時(shí)間來(lái)控制，具體判斷條件是：①當(dāng)λ<0.3時(shí)，本閘次最多等待60 min；②當(dāng)0.3≤λ<0.6時(shí)，本閘次最多等待30 min；③當(dāng)λ≥0.6時(shí)，本閘次最多等待15 min；若超過(guò)既定等待時(shí)間，錨地中仍無(wú)船舶，則立即調(diào)度該閘次。另外，應(yīng)急調(diào)度規(guī)則中若滿足λ≥0.50，即可安排集中過(guò)閘。

基于可排點(diǎn)的閘室排擋算法為：①將排檔隊(duì)列中首位船舶安排在閘室的(0，0)點(diǎn)上，將該船舶左下角坐標(biāo)(x，y)賦值(0，0)，將該船從隊(duì)列移除；②將新產(chǎn)生的可排點(diǎn)放入原有的可排點(diǎn)隊(duì)列中，并進(jìn)行排序(先按x坐標(biāo)升序排列，x相同時(shí)按y升序排列)；③調(diào)用排檔隊(duì)列中首位船舶，將可排點(diǎn)隊(duì)列隊(duì)首的坐標(biāo)賦給該船，若能通過(guò)約束檢驗(yàn)，就把該船放在該點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的可排點(diǎn)從隊(duì)列移除；反之則試探下一個(gè)可排點(diǎn)；若所有的可排點(diǎn)都放不下該船舶，就放棄該船舶，取隊(duì)列中下一個(gè)船舶來(lái)試排；④重復(fù)步驟②～③直到排檔隊(duì)列為空或閘室排滿為止，停止計(jì)算。具體算法流程圖可參照文獻(xiàn)[4]。

2 仿真建模

2.1 工程背景

湘江為我國(guó)“一縱兩橫，兩網(wǎng)十八線”高等級(jí)航道網(wǎng)中的“一線”，是連接長(zhǎng)株潭沿江經(jīng)濟(jì)走廊與長(zhǎng)江干線的水上交通要道。長(zhǎng)沙樞紐是湘江干流九級(jí)開(kāi)發(fā)中的最下游梯級(jí)，位于望城縣境內(nèi)的蔡家洲河段，是一座以改善航運(yùn)和濱水環(huán)境為主，兼有供水、發(fā)電等綜合效益的樞紐工程[4]。長(zhǎng)沙樞紐建有雙線2 000 t級(jí)船閘，閘室有效尺度280 m×34 m×4.5 m(長(zhǎng)×寬×底檻水深)，2012年9月建成并試通航運(yùn)行。

2.2 仿真輸入?yún)?shù)

基于Arena離散事件仿真平臺(tái)建立模型，范圍從上游錨地至下游錨地，包括兩個(gè)錨地、上下游引航道及靠船墩、兩線船閘等。在仿真模型中，船舶到達(dá)規(guī)律與過(guò)閘服務(wù)時(shí)間是重要輸入?yún)?shù)。其中，船舶到達(dá)規(guī)律包括一定時(shí)間間隔內(nèi)到達(dá)的船舶數(shù)量及其屬性(類型、噸位、總長(zhǎng)、總寬等)。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，通常先將復(fù)雜的船型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類，選取代表船型及其對(duì)應(yīng)比例(代表船型越多越接近實(shí)際情況)，然后分析船舶到達(dá)數(shù)量的分布，按船型概率生成船舶。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，選取16種船型作為仿真模型的代表船型。因缺乏系統(tǒng)的到船資料，在此不妨假定小時(shí)到船率服從泊松分布。

過(guò)閘服務(wù)時(shí)間不僅與灌泄水時(shí)間、閘門(mén)啟閉時(shí)間等有關(guān)，還與船舶類型、船舶進(jìn)出閘的速度與數(shù)量以及船員的操作熟練程度等有關(guān)。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，仿真模型中灌泄水時(shí)間、船舶進(jìn)出閘速度等參數(shù)均看成常數(shù)，重點(diǎn)考慮過(guò)閘船舶艘數(shù)對(duì)一次過(guò)閘時(shí)間的影響；同時(shí)考慮兩種工況，工況1考慮船閘在試運(yùn)行期情況，船閘日運(yùn)行19 h；工況2表示船閘經(jīng)過(guò)一段運(yùn)行后所達(dá)到的設(shè)計(jì)水平，船閘日運(yùn)行21 h，具體參數(shù)取值參看文獻(xiàn)[4]。此外，根據(jù)船閘的通航水流條件，一線和二線船閘運(yùn)行時(shí)不能同時(shí)進(jìn)行灌水或泄水操作。

假定船閘具有良好運(yùn)行狀態(tài)，不考慮船閘運(yùn)營(yíng)中因各種原因造成的停航，忽略航道、水文、氣象等客觀因素對(duì)船閘運(yùn)行的影響。為節(jié)約模型運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)減小隨機(jī)性帶來(lái)的誤差，設(shè)置仿真運(yùn)行時(shí)間為30 d，各工況重復(fù)模擬次數(shù)為10次。

3 運(yùn)行狀態(tài)與通過(guò)能力分析

3.1 模型驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際情況，試運(yùn)行初期設(shè)備故障較多，且船長(zhǎng)對(duì)于船舶過(guò)閘有一個(gè)適應(yīng)過(guò)程，為減小延誤并提高船閘的通過(guò)能力，工況1采用應(yīng)急調(diào)度規(guī)則；工況2下船閘正常運(yùn)行，可采用優(yōu)化調(diào)度規(guī)則。為率定并驗(yàn)證該仿真模型，收集了該船閘試運(yùn)行期第3個(gè)月(2012年12月)以及運(yùn)行10個(gè)月后(2013年7月，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[17])的月運(yùn)行資料。其中，2012年12月過(guò)閘船舶的平均噸位為772 t/艘，雙向流量V=179艘/d；2013年7月的雙向流量V=200艘/d。兩次實(shí)際運(yùn)行情況分別與工況1和工況2的運(yùn)行條件接近，用來(lái)驗(yàn)證該模型，結(jié)果詳見(jiàn)表1。仿真模型計(jì)算得到的各項(xiàng)主要參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)一致，相對(duì)誤差均不超過(guò)10%。進(jìn)一步，圖2(a)繪出了工況1條件下仿真與實(shí)際的閘室利用率分布，兩者吻合良好，除了仿真的閘室利用率在0.3～0.5區(qū)間的比例略高。由此可見(jiàn)，模型驗(yàn)證情況良好，證明了仿真模型的可靠性，故可用來(lái)分析船閘的運(yùn)行狀態(tài)與通過(guò)能力。

表1 船閘交通仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)比較

圖2 工況1閘室利用率統(tǒng)計(jì)Fig.2 Distribution of chamber utilization under working condition 1

3.2 運(yùn)行狀態(tài)分析

表2為模型驗(yàn)證時(shí)仿真運(yùn)行1個(gè)月的各參數(shù)值。平均延誤是指船舶從進(jìn)入錨地到離開(kāi)錨地(準(zhǔn)備過(guò)閘)為止的這段時(shí)間。排隊(duì)長(zhǎng)度指停泊在錨地的船舶數(shù)量，不包括準(zhǔn)備過(guò)閘的船舶。交通負(fù)荷ρ(ρ=V/C，服務(wù)率C=m/T)反映船閘服務(wù)系統(tǒng)的繁忙程度；當(dāng)ρ<1時(shí)，該排隊(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定；當(dāng)ρ>1時(shí)，該系統(tǒng)不穩(wěn)定，意味著系統(tǒng)延誤隨著時(shí)間的推移將越來(lái)越大。

表2 船閘在不同條件下運(yùn)行1個(gè)月的狀態(tài)參數(shù)(V=179艘/d)

從表2可見(jiàn)，工況1下船舶的平均延誤約為2.58 h(約2閘次)，平均延誤船舶量約2.1艘，交通負(fù)荷約0.87，閘室利用率亦達(dá)到國(guó)內(nèi)其他船閘的多年平均值[1]，反映出工況1下采用應(yīng)急調(diào)度時(shí)，盡管交通負(fù)荷較大但船閘運(yùn)行狀態(tài)尚可。同工況1相比，工況2減小了一次過(guò)閘時(shí)間，增加了過(guò)閘次數(shù)，將船舶平均延誤縮短至1.17 h，不過(guò)，也使得平均閘室利用率和一次過(guò)閘平均艘數(shù)有所降低。仿真結(jié)果表明，每個(gè)閘次的船舶艘數(shù)越多，則一次過(guò)閘時(shí)間就長(zhǎng)，平均延誤就長(zhǎng)。在實(shí)際調(diào)度中，可根據(jù)船閘狀態(tài)和過(guò)閘交通需求，合理進(jìn)行交通組織調(diào)度，在船閘通過(guò)能力(過(guò)閘船舶總噸位)與船舶平均延誤之間取得平衡。

需要說(shuō)明的是，當(dāng)交通需求量較小時(shí)，由于到達(dá)船舶的隨機(jī)性，為兼顧船閘運(yùn)行成本和船舶延誤時(shí)間，閘室利用率并不能顯著提高。若考慮交通需求量大的情況，將日均流量增加1倍(即V=358艘/d)，其他條件同工況1，仿真得到的閘室利用率為0.7～0.8的所占比例可達(dá)62%，如圖1(b)。表明交通需求較大時(shí)，積壓的船舶有利于優(yōu)化排擋，同時(shí)采用應(yīng)急調(diào)度規(guī)則降低危險(xiǎn)品船的優(yōu)先級(jí)，能夠顯著提高閘室利用率，但要注意設(shè)置臨時(shí)專用錨地并加強(qiáng)管理，確保船舶過(guò)閘安全；同時(shí)亦需要組織協(xié)調(diào)，避免可能造成危險(xiǎn)品船舶待閘時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

3.3 船舶到達(dá)的影響

船舶到達(dá)的種類、數(shù)量和規(guī)律與船閘的運(yùn)行狀態(tài)有著直接關(guān)系。為分析船舶到達(dá)分布的影響，在工況1相同調(diào)度規(guī)則下，仿真計(jì)算了船舶按均勻到達(dá)時(shí)船閘的運(yùn)行指標(biāo)，詳見(jiàn)表3。對(duì)比工況1船舶按泊松分布到達(dá)時(shí)的結(jié)果(表2)，在交通需求相同(V=179艘/d)的情況下，船舶到達(dá)分布對(duì)過(guò)閘船舶總量沒(méi)有影響，但會(huì)影響船閘的服務(wù)質(zhì)量。當(dāng)船舶到達(dá)從泊松分布變?yōu)榫鶆蚍植紩r(shí)，一次過(guò)閘平均噸位從4 871 t增加到5 157 t，平均排隊(duì)長(zhǎng)度從2.1艘減小到1.4艘；船舶平均延誤從2.6 h減少到2.0 h，每月可減少延誤3 222 h。仿真結(jié)果表明，降低船舶到達(dá)的隨機(jī)性，有助于提高船閘的閘室利用率和通過(guò)能力，減小船舶平均延誤和平均排隊(duì)長(zhǎng)度，經(jīng)濟(jì)效益顯著。在運(yùn)行實(shí)踐中，可通過(guò)航運(yùn)企業(yè)的配合進(jìn)行有計(jì)劃地安排，提前組織船舶過(guò)閘，降低船舶延誤費(fèi)用。

表3 工況1船閘應(yīng)急調(diào)度運(yùn)行1個(gè)月的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)(船舶均勻到達(dá))

3.4 通過(guò)能力分析

船閘的通過(guò)能力不僅與其規(guī)模和技術(shù)指標(biāo)有關(guān)，還與船型、交通負(fù)荷和調(diào)度方式等因素有關(guān)?？紤]排隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，認(rèn)為當(dāng)該船閘的交通負(fù)荷無(wú)限接近1但小于1時(shí)，對(duì)應(yīng)的通過(guò)能力是該條件下船閘的最大通過(guò)能力，由此可根據(jù)不同交通負(fù)荷預(yù)先選取最優(yōu)船閘調(diào)度方案，避免出現(xiàn)船閘滯航現(xiàn)象。仍以工況1為例，假設(shè)船舶到達(dá)符合泊松分布，仿真計(jì)算得到基本調(diào)度規(guī)則、優(yōu)化調(diào)度規(guī)則及應(yīng)急調(diào)度規(guī)則對(duì)應(yīng)的船閘最大日通過(guò)量分別為185艘/d,190艘/d,215艘/d。綜合考慮各調(diào)度規(guī)則特點(diǎn)，以減小系統(tǒng)船舶延誤為目標(biāo)，兼顧公平，工況1條件下，到船率V≤185艘/d時(shí)，可采用基本調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)度；當(dāng)185艘/d 215艘/d時(shí)，船閘將會(huì)有大量船舶積壓。

圖3 平均排隊(duì)長(zhǎng)度與單向通過(guò)能力的關(guān)系Fig.3 Relationships between average queue length and one-directional throughput capacity of shiplock

另外，根據(jù)船閘的設(shè)計(jì)條件(運(yùn)量不均衡系數(shù)1.3，裝載系數(shù)0.8，船舶平均噸位956 t/艘，工況2)，暫不考慮船舶的標(biāo)準(zhǔn)化和大型化，以優(yōu)化調(diào)度規(guī)則為例，仿真計(jì)算得到不同運(yùn)量時(shí)船閘的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，見(jiàn)表4。圖3繪出了工況2不同調(diào)度規(guī)則下平均排隊(duì)長(zhǎng)度與通過(guò)能力的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，當(dāng)排隊(duì)長(zhǎng)度較小時(shí)(通常小于5艘)，船閘通過(guò)能力隨著排隊(duì)長(zhǎng)度增加而迅速增加，然后緩慢逼近一條漸近線。表明隨著船閘系統(tǒng)的延誤無(wú)限增加，船閘的通過(guò)能力也不會(huì)顯著增加。根據(jù)交通負(fù)荷推斷，在設(shè)計(jì)條件下長(zhǎng)沙樞紐船閘在基本調(diào)度規(guī)則、優(yōu)化調(diào)度規(guī)則及應(yīng)急調(diào)度規(guī)則時(shí)船閘最大單向通過(guò)能力分別約為3 076萬(wàn)t， 3 378萬(wàn)t和3 764萬(wàn)t，超過(guò)該船閘2013年、2014年2 934萬(wàn)t和4 971萬(wàn)t的實(shí)際雙向過(guò)閘貨運(yùn)量，但小于原設(shè)計(jì)的4 800萬(wàn)t的單向年通過(guò)能力。

表4 工況2時(shí)不同過(guò)閘運(yùn)量條件下的船閘運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)(優(yōu)化調(diào)度規(guī)則)

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)將船閘視為單個(gè)或多個(gè)服務(wù)窗口的排隊(duì)系統(tǒng)，基于Arena離散事件仿真平臺(tái)進(jìn)行交通建模與仿真，可再現(xiàn)船舶過(guò)閘的時(shí)空變化及其運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)能夠驗(yàn)證模型的可靠性。通過(guò)分析仿真模型輸出結(jié)果(船閘運(yùn)行狀態(tài)參數(shù))，有助于充分掌握船閘系統(tǒng)的交通規(guī)律。

(2)仿真結(jié)果表明，只有提高每個(gè)閘次的閘室利用率，才能有效增加船閘的通過(guò)能力；不過(guò)，每個(gè)閘次的船舶艘數(shù)越多，一次過(guò)閘時(shí)間就長(zhǎng)，平均延誤就長(zhǎng)。運(yùn)行實(shí)踐中，可根據(jù)船閘狀態(tài)和過(guò)閘交通需求，合理進(jìn)行交通調(diào)度，如危險(xiǎn)品集中過(guò)閘、航運(yùn)企業(yè)有計(jì)劃過(guò)閘等，在保障過(guò)閘安全的前提下協(xié)調(diào)船閘通過(guò)能力與船舶延誤之間的關(guān)系。

(3)考慮排隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)船閘的交通負(fù)荷無(wú)限接近1且小于1時(shí)，對(duì)應(yīng)的通過(guò)能力是船閘的最大通過(guò)能力。據(jù)此可分析不同設(shè)計(jì)水平下的船閘最大通過(guò)能力，或是根據(jù)不同交通負(fù)荷預(yù)先優(yōu)選調(diào)度方案，以便提高船閘的通過(guò)能力與服務(wù)質(zhì)量。

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Analysis of shiplock operation and throughput capacity based on traffic simulation model

KONG Zhuang1， LIAO Peng1， YANG Chunhong1， ZHANG Ming2

(1.DepartmentofPort,WaterwayandCoastalEngineering,SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China; 2.TianjinResearchInstituteofWaterTransportEngineering,MinistryofTransport，Tianjin300456,China)

In order to quantitatively analyse and predict the shiplock operation conditions and give some guidances in the lock scheduling, a traffic simulation model for a double-lane lock was developed based on the discrete event simulation platform of Arena. Taking the double-lane lock of the Changsha hydroproject located at the Xiangjiang River as a case study, the operation state parameters and the maximum throughput capacity of the Changsha lock were simulated and analyzed under different traffic scheduling modes and working conditions, and the reliability of the simulation model was validated by the measured operation data. The simulated results show that the utilization rate of the lock chamber is only improved in each lockage time and that the lock throughput capacity can effectively increase. The greater the number of ships in the lock chambers for each lockage time is, the longer the lockage time and the mean delay are. From the engineering practices it is found that the relatioships between the lock throughput capacity and delays can be coordinated and the navigation lock scheduling can be optimized under the conditions of protection of the lockage safety, according to the traffic demands and the lock working conditions. With the operation state parameters given by the simulation model, which can help to fully grasp a traffic law of the lock system, the lock maximum throughput capacity at different design levels are analyzed or the lock scheduling programs are optimized in dependence on different traffic loads to improve the lock throughput capacity and the quality of service.

shiplock; simulation; operation state; scheduling; Changsha hydroproject

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.01.010

2016-03-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51009028)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2242016K40109)

孔 莊(1992—)，男，福建廈門(mén)人，碩士研究生，主要從事港口航道工程的研究。E-mail:283409786@qq.com 通信作者：廖 鵬(E-mail: pliao@seu.edu.cn)

U641.7

A

1009-640X(2017)01-0073-07

孔莊， 廖鵬， 楊春紅， 等. 船閘運(yùn)行狀態(tài)與通過(guò)能力仿真分析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(1): 73-79. (KONG Zhuang, LIAO Peng, YANG Chunhong, et al. Analysis of shiplock operation and throughput capacity based on traffic simulation model[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(1): 73-79. (in Chinese))