摘 要

三峡-葛洲坝工程是长江水路运输的重要组成部分，对我国水路运输有巨大影响，国家对该工程十分重视。经论证当时国情不足以修建三峡工程，于是修建了工程难度较低的葛洲坝工程。在技术准备充分后修建了规模庞大的三峡工程，一主一辅，极大的改善了该流域的通航条件，提升了通航能力。现今看来这一举措是十分正确的，长江的通航量逐年增长，已成为我国经济快速发展的重要基石。

随着国家对中西部地区资源倾斜，长江东西部航运运输需求逐年上升。由于设计年代较为久远且对未来发展速度预测存在偏差，三峡-葛洲坝工程正面临严峻的挑战，可能存在来往船只等待时间过长，船只积压等问题，因此需要对葛洲坝船只过坝船闸进行模拟仿真，以发现问题，规避潜在风险。

本文借助模拟仿真软件plant simulation，借助其方便的图形界面，依据2018年最新公布的《三峡—葛洲坝水利枢纽通航调度规程》及葛洲坝具体数据对葛洲坝过坝船闸进行模拟仿真。构建了葛洲坝船只从过闸申请到过坝的2D仿真模型，大体上分为上行和下行两个模块，细节上又分为从调度水域外申请过闸到预计划允许进入核心水域的待闸模块；完成船只排布并发布过坝计划的过闸模块；依据葛洲坝建立的三线船闸模块。通过相应控制程序控制模型运行，在导入历史数据后，模型自动模拟生成船只。完整运行仿真模型后，统计船只过闸时的平均等待时间及闸室面积利用率等数据进行相应分析。

由仿真结果可知其闸室平均利用面积为61.34%，而船只平均等待时间约为30h.需要进一步优化，避免船只等待时间过长，船只积压等问题。

关键词：葛洲坝；船闸；等待时间；模拟仿真

Abstract

The Three Gorges-Gezhouba project is an important part of the Yangtze River waterway transportation and has a huge impact on China's waterway transportation. The state attaches great importance to this project. It was argued that the national situation at that time was not enough to build the Three Gorges Project, so the Gezhouba project with lower engineering difficulty was built. After the technical preparation, the large-scale Three Gorges Project was built, with one main and one auxiliary, which greatly improved the navigation conditions of the basin and improved the navigation capacity. Nowadays, this move is quite correct. The navigation volume of the Yangtze River has been increasing year by year and has become an important cornerstone of China's rapid economic development.

With the country's tilting of resources in the central and western regions, the demand for shipping transportation in the east and west of the Yangtze River has increased year by year. Due to the long-term design period and the deviation of the future development speed forecast, the Three Gorges-Gezhouba project is facing severe challenges. There may be problems such as long waiting time for ships and ships, and the backlog of ships. Therefore, it is necessary to simulate the Gezhouba ship dam locks. To identify problems and avoid potential risks.

This paper uses the simulation simulation software plant simulation, with its convenient graphical interface, based on the latest published "Three Gorges - Gezhouba Water Conservancy Navigation Regulations" and the concrete data of Gezhouba in 2018 to simulate the Gezhouba dam ship lock. The 2D simulation model of the Gezhouba vessel from the gate application to the dam is constructed. It is divided into two modules, upstream and downstream. The details are divided into the pending gates from the dispatched waters to the pre-planned access to the core waters. The completion of the ship arrangement and the release of the dam plan of the gate module; the three-line ship lock module established by Gezhouba. The model is controlled by the corresponding control program. After importing the historical data, the model automatically simulates the generation of the vessel. After the simulation model is fully run, the data such as the average waiting time and the area utilization of the lock chamber when the vessel passes the gate are statistically analyzed.

The simulation results show that the average utilization area of ​​the lock chamber is 61.34%, and the average waiting time of the vessel is about 30h. Further optimization is needed to avoid problems such as excessive waiting time of the vessel and backlog of the vessel.

Key Words：Gezhouba shiplock waitingtime plant simulation

目录

1绪论 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的及意义 2

1.3国内外研究现状 2

1.3.1国外研究现状 2

1.3.2国内研究现状 3

1.4研究内容与技术路线 4

1.4.1研究内容 4

1.4. 2研究方法与技术路线 4

2葛洲坝数据及过闸规范 6

2.1葛洲坝船闸数据 6

2.2通航条例 8

2.2.1船只过坝申请 8

2.2.2滚动预计划 9

2.2.3安检计划 10

2.2.4过坝计划 10

2.2.5船只排序原则 11

2.3本章小结 11

3通航船只统计数据 12

3.1交通流船舶特征分析 12

3.2长宽分布 13

3.3载重分布 14

3.4时空分布 15

3.4.1过坝船只分段到锚时间统计 15

3.4.2过坝船只月度分布统计 16

3.5本章小结 16

4模型建立 17

4.1整体模型建立 17

4.2船只优先级排序 18

4.3数学模型 18

4.4闸室排布 20

4.5船闸选择及运行方向 21

4.6本章小结 21

5仿真分析 22

5.1仿真软件介绍 22

5.2仿真界面 22

5.2.1主界面 22

5.2.2上行待闸界面 23

5.2.3上行过闸界面 24

5.2.4三线船闸界面 25

5.2.5其他 26

5.3仿真结果 26

5.4经济性分析 27

5.5本章小结 27

6结论 28

引用文献 29

致谢 32

附录 33

1绪论

1.1研究背景

长江是我国第一大河，与黄河并称中国的母亲河，世世代代滋养着大地，养育了一代又一代中华儿女。同时，长江连通沿岸与中部地区，是我国水上运输不可缺少的重要组成部分，又被称作黄金水道。其通货量稳居世界内河首位。水上运输具有运货量大，运送成本低的特点，仅长江运货量几乎超过全国铁路运输量的一半。然而水路运输所需时间长这一缺点是难以忽视的，一旦船只积压于某处很容易导致货物延期等问题的发生。

从长远的战略角度考虑，国家主持修建了葛洲坝、三峡大坝，它们不仅仅弥补了我国巨大的电量需求缺口，还起到减少火力发电比例，保护生态环境，改善周边气候的重要作用。同时，三峡-葛洲坝工程还肩负着改善航道通航条件的重要任务。在葛洲坝及三峡大坝的共同作用下，长江三峡水域的通行条件得到了提升，方便船只通行。另一方面，船只过坝时，船只调度及闸室安排，对船只通行效率有着极大的影响。随着时代的发展，三峡-葛洲坝工程计划修建时对未来发展速度考虑不足导致现今出现“供需问题”，为妥善解决这一问题，国家推出新的通航条例并实施相应措施。本论文将对葛洲坝过坝船闸室进行模拟仿真研究，以了解新通航条例下葛洲坝过坝船闸通航状况。

葛洲坝又有“万里长江第一坝”之称，葛洲坝枢纽航运工程为两线三闸，是配合三峡工程反调节阶梯工程，三座船闸中， 1号、2号船闸均长280米、高34米，闸室的两端有2扇闸门，通过充（放）水来改变船只位置以达到过坝的目的。为了承受巨大的水压，闸门十分的坚固，其重量约600吨。

葛洲坝工程作为三峡工程的辅助工程，与三峡工程协调工作，提升了三峡航道的水位，确保货船能够安全通过，极大的提升了船只通过效率。葛洲坝一号船闸位于葛洲坝水利枢纽大江航道上，二，三号船闸位于葛洲坝水利枢纽三江航道上。一号船闸年双向通过能力2000万t，远期为5000万t，二号船闸年双向通过能力2000万t，三号船闸年双向通过能力高达5000万t，葛洲坝船闸日平均运行有载标准闸次约36个^[1]。实际情况还需通过仿真模拟进行研究。

1.2研究目的及意义

我国经济快速发展这一现状对长江水路运输提出了更高的要求，三峡-葛洲坝工程作为沟通长江流域的重要纽带，更是面临着巨大的挑战。为验证三峡-葛洲坝通过能力，对葛洲坝过坝船闸进行模拟仿真，以验证其通航能力是否满足需求。

通过论文研究结果，可在此基础上对三峡-葛洲坝工程提出优化建议，以期解决当前因修建时预期出现误差导致的船只积压，影响航运效率等问题。积极响应国家中西部开发的国家策略，促进我国航运健康发展，对经济发展有积极影响。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

国外很多学者，早已将模拟仿真技术应用于船闸及航运等方面。Franzes 等^[2]构建了巴拿马运河的航运和船闸交通流仿真模型，对船只通过能力和船闸服务水平进行了研究。 Caris ^[3]等建立了水陆混合的交通网络仿真模型。Campbell等在《Decision Tools for Reducing Congestion at Locks on the Upper Mississippi River》^[4]中提出过闸优化政策、拖船战术和建造更大的船闸等方法来解决船舶拥堵问题，通过建模仿真研究，对于船舶常态化的积压，得出建造更大的船闸是最优的解决办法的结论。此外也有学者希望通过排队论等方式提高通过效率，解决船只积压问题。Desalvo 和 Lave^[5]将排队论运用于船闸理论分析，采用M/M/1 排队模型分析船队通过船闸的等待时间。而Wilson在《On the application of queuing theory to lock capacity analysis》^[6]中指出繁忙船闸的服务时间为一般分布，选择利用 M/G/1排队模型比选用 M/M/1 排队模型得到船舶待闸平均等待时间更为合理。

1.3.2国内研究现状

与国外相比，国内对这方面的研究正是源于对长江流域，三峡枢纽区域的水路运输的研究，相关内容具有相当高的参考价值。国内学者朱凯等^[7]利用 Arena 仿真软件，在假设条件下，基于三峡船舶过闸流程构建了三峡枢纽运输系统仿真模型，但缺少实际数据的支持。刘清^[8]等利用 Arena 仿真软件进行了对船舶通过三峡船闸进行了动态模拟，通过设置水上交通管控线的方案在 Arena 搭建的模型中进行可行性分析，证明该方案能够解决船舶积压问题；同时利用该软件对三峡升船机上下系统进行动态模拟，得到船舶的排队时长、排队等待船舶数量及升船机的利用率^[9]。而朱顺应^[10]在了解三峡枢纽运作情况后，进行仿真边界的选取，分析了系统流程，对一些与实际情形有出入的方面进行了假设。然后利用 Arena 软件创建了船舶生成模块、三峡船闸模块、升船机模块、葛洲坝船闸模块、翻坝模块五个模块，对三峡枢纽交通流进行验证认为减小锚地排队的解决方案考虑 增大应急翻坝船舶比例。刘莹^[11]重点在利用三峡船闸的调度方式上，利用 SIVAK 软件对先到先服务（FCFS）调度方式和实际船舶过闸使用的调度方式进 行模拟仿真对比，得出三峡船闸按照先到先服务（FCFS）调度规则更具优越性。

通过数据统计，国内船只的形状复杂多样、来往过闸的船舶随机性强，由于船舶管理手段欠缺，使得船舶过闸通航能力比国外一些规模小的梯级船闸低^[12]。因此对三峡船闸的通航能力^[13~15]进行研究势在必行。在确保三峡通航安全、有序、畅通的前提下，要最大限度地发挥其通航能力，关键在于提高船闸的使用效率，但本论文并不涉及优化部分，因此只做简单了解。通过闸室排布^[16~25]及排队论^[26]分析建立更加先进的调度机制在增大闸室面积利用率和减少船只等待时间之间找到最佳的平衡点，使船只过坝效率得到提升。同时也有不少学者希望通过联合调度提高工作效率^[27~30]

本论文将使用plant simulation软件对船只通过葛洲坝船闸的过程进行模拟仿真以验证其通航能力是否满足需求。闸室排布方面将使用较为简单基础的方式以贴近现实并留下改进余地。

1.4研究内容与技术路线

1.4.1研究内容

葛洲坝水利枢纽建于1981年，通航建筑物按“一体两翼，两线三闸”的原则布置，左线为三江航道和二、三号船闸，右线为大江航道和一号船闸。从2008-2010年运行情况看，船闸运行基本趋于饱和。宏观上看，长期运行时葛洲坝标准闸次36次大于三峡31次，但从微观上看，特定时间点葛洲坝因河床下切，枯水期三江维护水深受限等原因，主要矛盾集中在葛洲坝。随着国家经济的进一步发展以及战略方针的倾斜，长江流域水路运输将越发重要，其客观存在的“供需”矛盾也将越发突出，急需解决。本文拟建立葛洲坝过坝船闸模拟仿真模型，对该问题进行探讨，研究内容将按以下部分展开：

⑴查阅资料，具体了解三峡-葛洲坝通航条例；

⑵搜集往年过往船只资料汇总，处理；

⑶画出模拟仿真流程图；

⑷基于前面的步骤，建立数学模型，运用plant simulation软件建立仿真模型；

⑸对仿真结果进行数据分析并于往年比对，提出改进方案；

1.4. 2研究方法与技术路线

本文采用研究路线如下：

⑴采用数理统计的方法，对船只数据进行统计，分析。

⑵基于启发式算法建立船只过闸数学模型；

⑶根据相关机构发布的《三峡-葛洲坝通航管理条例》，运用plant simulation软件建立仿真模型，基于真实数据模拟船只过闸完成模拟仿真。

具体技术路线如图1.1

图1.1 技术路线图

2葛洲坝数据及过闸规范

2.1葛洲坝船闸数据

葛洲坝水利枢纽建成于1981年，至今已有近40年的历史。位于长江上游里程8.5km处，其修建原则为“一体两翼，两线三闸”，左线为二、三号船闸通往三江航道，右线为通往大江航道的一号船闸。

葛洲坝三江下引航道设计最低通航水位39.0m，设计最小航道水深4.5m。一号船闸及大江航道目前实际最大通航量为。三江航道最大通航流量为.黄柏河下泄流量达时，葛洲坝三江停航。

据统计，2010葛洲坝实际通过货物8240.5万t；2011年，葛洲坝三座船闸运货量突破亿吨大关，实际通过量已超过葛洲坝设计通过能力。由此可见，因修建年代久远，且对未来发展速度估计出错，葛洲坝正面临严重的供需矛盾。为解决这一问题，国家发布了新的通航管理条例希望规范过坝流程并提高通过效率，本论文将通过模拟仿真对葛洲坝过坝船闸进行研究。

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