摘 要

自2011年以来，三峡船闸的单向货运量已超过了单向船闸5000万吨的设计通过能力。建立三峡新通道船闸成为解决长江干线中货运能力问题的必要选择。本文搜集了2012至2014年三峡船闸过闸调度数据，依据现有三峡船闸过闸数据预测2020年和2030年过闸货运量，构建了基于排队论原理的船闸的调度模型。运用统计数据对船舶到闸时间间隔和服务时间的分布特征进行了计算，指出了两者分别服从泊松分布和正态分布，进而提出了基于2个顾客等级的M/G/K排队模型的船闸排队服务系统。引入了运筹学中的Hooke-Jeeves算法，对船闸联合优化调度优化模型进行分析，解决了非线性规划模型的硬约束和软约束问题。

关键词：三峡船闸；新通道船闸；排队论；联合调度优化；Hook-Jeeves算法

Abstract

Since 2011, Three Gorges ship lock of one-way freight volume has exceeded the one-way ship lock capacity of 50 million tons of design. Establishing a new channel ship lock in the Three Gorges has been the necessary choice to solve the problem of freight capacity in the Yangtze trunk. This paper collected the Three Gorges ship lock brake dispatching data from 2012 to 2014, and on the basis of the existing data of Three Gorges ship lock, the data of the ship lock freight volume in 2020 and 2020 can be forecasted, respectively. The ship lock scheduling model based on queuing theory principle is built. Using the statistical data of the ship to brake time interval and service time distribution are calculated, and points out that the ship to brake time interval and service time distribution obey the Poisson distribution and normal distribution respectively, and then proposed a queue service system based on a two level of customer M/G/K queue model. Meanwhile, introduced the Hooke - Jeeves algorithm in operational research, analyzed lock joint optimization scheduling optimization model and solved the problem of hard constraints and soft constraints in the nonlinear programming model.

Key Words：Three Gorges ship lock；New channel lock；queuing theory；optimization of joint scheduling；Hook- Jeeves algorithm

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3研究内容及结构安排 2

第2章 三峡船闸过闸现状及货运量分析 3

2.1 三峡船闸简介 3

2.2 三峡船闸过闸现状 3

2.2.1 三峡船闸设计通过能力 3

2.2.2 三峡船闸实际通过能力 4

2.3 三峡船闸通过能力预测 5

2.3.1 技术路线 5

2.3.2 方法结果 6

第3章 基于排队论的船舶调度方案 10

3.1 排队论简介 10

3.1.2 排队论在船闸服务系统中的应用 10

3.1.3 排队论在船闸调度中的相关假设 12

3.2基于排队论对船闸通过能力研究 13

3.2.1船闸的交通流特性 13

3.2.2船舶的到达时间服从泊松分布 13

3.2.3船闸服务时间正态分布 14

3.2.4建立船闸服务系统模型 14

第4章 新通道船闸调度方案设计 16

4.1船舶排队设计 16

4.1.1等待队列中的船舶设计 16

4.1.2船舶排队的规则设计 16

4.2船闸排队方法 17

4.2.1相关条件和假设变量 17

4.2.2非线性规划模型的构建 17

4.3计算程序 22

4.4案例分析 22

第5章 总结和展望 25

5.1总结 25

5.2展望 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 研究背景

三峡船闸全长6.4公里，是全球目前最大的双线五级船闸，其船闸部分长度为1.6公里，引航道的长度为4.8公里。从近年来看，三峡船闸2012年、2013年、2014年的下行到锚载货量(万吨)分别为3264、3648、4651，逐步逼近船闸设计的单向通过能力5000万吨。2012年以来，船舶在三峡船闸的待闸时间总体呈现延长的趋势，船舶平均待闸时间达到44小时，三峡船闸伴随着每日剧增的通航压力其高负荷的运行状况也不容乐观。随着长江水域整体经济的进一步发展，越来愈多的货运船舶需通过三峡船闸，若三峡船闸通过能力不能满足日益增长过闸需求，则会造成船舶在三峡坝区水域挤压，大坝前沿将形成拥堵区域，导致运输船舶周转期延长，过闸效率降低，增加的坝区管理压力，损害航运企业的正常运营效益。

在解决三峡航运瓶颈的诸多方案中，修建三峡枢纽船舶过坝新通道最具实施性。只有尽早建设三峡枢纽船舶过坝新通道，才能从根本上解决船闸通过能力问题。

1.2 国内外研究现状

在国内，马海峰^[1]建议只有建设三峡枢纽船舶过坝新通道，才可以从根本上解决通过能力问题。张义军^[2]建立三峡船闸通过量与过闸船舶吃水控制标准关系数学模型，测算不同吃水控制标准条件下的船闸通过量。黄海鸥^[3]经过调查船闸的营运方式,结合苏北部分船闸的营运情况,将排队服务系统模型研究方法引入船闸系统的研究中,建立带有两个顾客等级的M/G/K 服务系统排队模型,通过求模型的解,得出船队过闸等待时间、船舶排队长度等与船闸服务能力的关系。

船舶的待闸时间是研究船闸通过能力的一个重点，根据排队论，将船闸视为有服务窗口的排队服务系统，分析船舶的到达分布和船闸服务时间分布，船闸的服务质量的好坏可以利用排队论通过计算和预测船舶的待闸时间进行判定^[4]。