长江干线中游航道枯水期船舶拥堵成本估算研究毕业论文
2020-02-15 10:02
摘 要
长江干线中游航道是发展长江航运的咽喉之处，但极端枯水的频发，海事部门采取相关管制措施后，长江中游发生船舶滞留的情况也越来越频繁，由此造成巨大损失，而目前缺少对枯水期船舶拥堵成本的研究。本文通过分析船舶营运成本、货物运输时间价值以及货物经时损失等与船舶拥堵成本有关的因素，在此基础上构建了长江干线中游航道枯水期船舶拥堵成本估算模型。最后，以枯水期太平口水道实施禁航12小时的情况为算例，基于Arena建立船舶拥堵模型得到船舶平均等待时间，对船舶拥堵成本进行估算。估算结果表明，枯水期船舶拥堵成本达1亿多元，造成的损失巨大。
关键词：长江；中游航道；枯水期；拥堵成本
Abstract
The middle channel of the trunk line of the Yangtze river is the key to the development of shipping in the Yangtze river. However, extreme dry water occurs frequently. After relevant control measures are taken by the maritime authorities, ships in the middle reaches of the Yangtze river are detained more and more frequently, which causes huge losses. However, there is a lack of research on vessel congestion cost in dry season. Based on the analysis of factors related to vessel congestion cost, such as vessel operating cost, time value of goods transportation and time loss of goods, this paper constructs an estimation model of vessel congestion cost in the middle channel of Yangtze river trunk line during dry season. Finally, the 12-hour suspension of the Taipingkou waterway was taken as an example. Based on Arena, the ship congestion model was established to obtain the average waiting time of ships, and the cost of ship congestion was estimated. The estimated results show that the cost of vessel congestion in dry season is more than 100 million yuan, resulting in huge losses.
Key words: Yangtze river; mid-course; dry season; congestion cost
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 1
1.2 国内外研究综述 2
1.2.1 关于航道枯水期的研究现状 2
1.2.2 关于航道拥堵仿真的研究 2
1.2.3 关于船舶拥堵成本的研究现状 3
1.3 研究内容、方法及技术路线 3
1.3.1 研究内容 3
1.3.2 研究方法及技术路线 4
第2章 长江干线中游航道枯水期特征分析 6
2.1 枯水期水位变化特征 6
2.1.1 枝江水道水位变化特征 6
2.1.2 太平口水位变化特征 8
2.2 枯水期对船舶航行产生的影响 12
第3章 枯水期对长江干线中游航运系统影响分析 13
3.1 基于系统动力学的航运系统影响机理分析 13
3.1.1 关于系统动力学的相关介绍 13
3.1.2 航运系统的目标 13
3.1.3 航运系统的边界 13
3.1.4 模型假设 14
3.1.5 航运系统主要影响关系 14
3.2 枯水期对航运系统影响分析 15
3.2.1 枯水期对航道影响分析 15
3.2.2 枯水期对港口影响分析 15
3.2.3 枯水期对船舶影响分析 16
3.3 枯水期对船舶拥堵成本影响分析 16
3.3.1 枯水期对船舶运输成本的影响 16
3.3.2 枯水期对货物运输时间价值的影响 17
3.3.3 枯水期对货物经时损失的影响 17
第4章 枯水期船舶拥堵仿真模型构建 18
4.1 建模思路 18
4.1.1 建模目标 18
4.1.2 建模步骤 18
4.1.3 建模假设 18
4.1.4 船舶拥堵仿真流程分析 18
4.2 船舶交通流模块及参数 19
4.2.1 船舶到达规律分析 19
4.2.2 船舶交通流发生模块 21
4.2.3 船舶排队模块 24
4.3 仿真结果分析 25
第5章 枯水期船舶拥堵成本估算模型构建 26
5.1 船舶拥堵成本估算模型构建 26
5.1.1 船舶运输成本估算模型构建 26
5.1.2 货物运输时间价值估算模型构建 27
5.1.3 货物经时损失估算模型构建 28
5.1.4 分船型拥堵成本测算模型 28
5.2 船舶交通流量估计 31
5.3 船舶拥堵成本测算 31
5.3.1 分船型船舶拥堵成本测算 31
5.3.2 船舶拥堵成本分析 34
第6章 总结及展望 36
6.1 研究结论 36
6.2 研究展望 36
参考文献 38
致 谢 39
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
长江全长达到6300余公里，是我国第一大河。它的水量充沛，承担着沟通我国东、中、西部水路运输的责任。长江作为我国的黄金水道，在集装箱以及大宗散货的运输中发挥着重要作用，是我国内河运输规模最大和最为发达的通航河流，在我国综合运输体系中处于十分重要的地位。长江干线航道指的是自云南水富至上海长江口这一河段的航道，全长2838公里，流经我国云南、四川、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏以及上海等九个省市。长江干线航道不仅是长江运输大通道的核心，也是内河水运建设与发展的重点。
作为长江的咽喉地段和重要的交通枢纽区域，长江干线中游航道弯曲较多、浅滩随处可见。枯水期期间，长江干线中游航道水位下降，持续的低水位意味着载货量被限制，对航运的运力产生一定影响。该段航道弯道多、水深不足，有多处碍航航道及瓶颈河段，历来是长江航道建设维护的重点与难点。特别是荆江河段，相对其上下游河段，出现中间浅、上下深的航道形态。伴随着多处重点浅滩航道整治工程的陆续实施，长江中游通航环境得到不断的改善，在枯水期期间，船舶通航紧张的局面有了明显改善，长江水运不断发展。因此，深入分析长江干线中游航道枯水期水位变化特征和趋势，持续低水位可能引起的船舶拥堵现状并对船舶拥堵成本进行估算，是进一步发展长江干线中游航运所须研究和解决的问题。
1.1.2 研究意义
1）理论意义
与其他运输方式相比，水路运输拥有运量大、成本低、安全经济等优点，不仅可以实现大批量运输，而且航道所利用的江、海大部分都是自然资源，不会对资源造成额外浪费，有利于环保；不仅如此，水路运输能源消耗较少，减少了对环境的污染。国内外学者对交通拥堵成本的研究大多集中在道路方面，对内河航道拥堵而引起的成本研究较少，大多只是研究气候变化对内河航运产生的影响，缺少专门研究枯水期水位变低对内河航运造成的影响以及引起的船舶拥堵成本。本文以枯水期水位变化为外变量，研究枯水期水位降低引起的航道条件变化对船舶航行产生的影响，通过分析船舶拥堵成本的构成，建立枯水期船舶航行的仿真模型得到船舶拥堵时间，最后构建计算模型量化船舶拥堵成本。对控制长江干线中游航运成本以及提高航运的效率都有较大的积极作用。
2）现实意义
长江黄金水道的供给侧结构性改革持续推进，长江航运不断发展，建成以长江干线航道为主干、沿江重要港口为枢纽，辐射长江水系的长江航运体系，对长江航运而言是一次新机遇。同时，中游航段作为瓶颈，近年来极端的枯水越来越频繁，造成了较大的航行风险，而海事部门采取的各种措施，又极大的影响了船东的满意度，一直是关注的焦点。因此，研究枯水期长江干线中游航道船舶拥堵成本，可供相关部门科学规划和管理航道时进行参考，有一定的现实意义。
1.2 国内外研究综述
1.2.1 关于航道枯水期的研究现状
袁晓玲等[1]研究了长江中游枯水期期间，航道水深不断降低, 导致中游浅险水道航道条件变差, 使得船舶航行有一定困难, 航道的应急事故也变多。由此引起航道巡查的次数增加、航道探测频率增加以及航标维护量和维护难度增大。最后对航道维护的情况进行了分析,提出航道维护对策,为枯水期航道维护工作提供参考。刘若秋,范洪谦[2]分析了枯水期期间太平口水道船舶交通组织方式的变化，发现当枯水期水位满足双向通航时，采取一般航段的交通组织；当水深条件不满足时，则采取单向通航控制航段的交通组织，即船舶应单向通过航道。谭孝福[3]研究长江枯水期期间船舶需减载的问题，发现在枯水期，由于长江中游部分浅滩航道的水深条件无法保证某些船舶安全通过, 特别是长江中游城陵矶—枝城航段，枯水期常出现碍航断航的局面，使有关部门不得不采取限制吃水和强制减载的措施。李明[4]研究长江中游砂卵石河段枯水期水位变化情况，发现水位下降使得葛洲坝船闸闸室以及引航道的水深也逐步减小，另外，砂卵石河段碍航问题也日益突出。Jonkeren O等[5]和Kučić V，Matković A[6]介绍了欧洲和北美关于气候变化对内河运输影响的研究，采用模拟技术与计量估计等方法，发现枯水期期间船舶为了降低载货率，不得不寻找替代航线，由此进行绕道和延误，造成运输成本增加。Millerd,Frank[7]和Schweighofer J[8]研究了枯水期船舶须增加必要的航次数，移动一定数量的货物，并利用气候变化场景，对货物运输成本进行估计。
可见，枯水期对航运存在多种影响，枯水期水深降低，航道条件恶化，使航道维护工作量更大，维护难度越大；当水深过低不能满足船舶安全通行的条件时，船舶有可能进行减载或在锚地进行待航，造成船舶在途时间的延长。
1.2.2 关于航道拥堵仿真的研究
张玮等[9]结合宝应船闸历史观测数据以及船舶到达时间间隔，参照盐邵线仿真运行研究，进行时长为30d的仿真，分析船舶通过平均耗费时间以及拥堵风险指标，仿真结果显示，下行船舶比上行船舶平均等待时间长，航道拥堵风险指数均为585次/d。徐武雄[10]以长江武桥段多桥航道为研究对象，采用Multi-Agent仿真方法，提出船舶Agent和航路的生成方法，对船舶交通流历史数据进行分析获得船舶交通流特性的统计规律，最后比较不同水位下船舶的通过能力，发现枯水期期间船舶通过能力减小。张子昱[11]采用Arena的仿真方法，对虾峙门航道下蓝山及其上下游各500m航段受限航道进行仿真，得到平均队长和平均排队时间等参数，得出航段通航效率。张靖靖[12]深入地分析航道拥堵问题，提出了一种Spark-DBSCAN的航道拥堵识别方法，为识别航道拥堵提供参考。陈沿伊，黄璨[13]借鉴有关道路交通拥堵的方法，结合船舶航行特点，在对荆江河段运用计算机仿真时发现船舶拥堵状态与船型比例和禁航时间均相关。文哲等[14]和卢升荣，刘瑶[15]针对在枯水期极端水位下，长江中游太平口水道实施上下行封航12小时的管制措施时，基于船舶交通波理论分析发现，因为封航，船舶的交通流排队时间以及长度仅与封航的时间成正比。
对航道拥堵进行仿真，使用较多的是Arena等仿真软件，常采用分析船舶排队时间和排队长度两个指标来分析航道拥堵问题。
1.2.3 关于船舶拥堵成本的研究现状
杨黎霞等[16]构建货物运输拥堵成本模型，针对交通拥堵引起的货物持有成本、燃油额外消耗和人力资源成本进行估算。满子君[17]分析交通拥堵成本的确认与计量，研究了交通拥堵成本主要分为额外燃油成本、额外时间成本、拥堵造成的环境污染成本、交通事故成本、损耗成本以及货运成本，并分别提出了相应的计量方法。针对船舶运营成本，杨文芳，曾杨[18]从船舶运营成本的概念出发，细分其构成，系统阐述了燃油费、润滑油费用、港口使费、船员费用及物料备件费的管理。针对船舶待闸停时经济损失研究，陈沿伊等[19]分析货物运输时间价值、船舶运营费用、货物经时损失及货物运输风险等相关因素，基于Arena仿真对三峡枢纽船舶停时进行预测，并量化三峡枢纽船舶待闸经济损失。刘婷[20]在利用系统动力学分析航运物流系统构成的基础上，分析航运成本组成，并研究长江水位变化对航运物流成本的影响机理，建立相关模型进行计算。
对船舶拥堵成本的研究较少，但可以从道路交通拥堵成本的相关研究中得到启示，船舶拥堵不仅对船舶运营成本产生影响，也对货物的价值造成损失。
1.3 研究内容、方法及技术路线
1.3.1研究内容
本文主要的研究内容如下：
1）通过对长江干线中游航道选定水位站的近九年水位变化情况进行分析，揭示长江干线中游航道水位变化的特征规律，枯水期水位特征及趋势。
2）分析枯水期时期水位降低对航运系统产生的影响，枯水期水位降低带来的航道尺度变化以及对船舶航行产生的影响等。
3）分析长江干线中游航道枯水期船舶拥堵特性，从排队时间、排队长度以及船舶拥堵所带来的有关影响等方面进行总结。
4）分析船舶拥堵成本的构成，从船方角度出发，主要研究拥堵对船舶营运成本构成要素的影响；从货主角度出发，深入分析货物在整个运输过程中的成本构成要素。
5）利用计算件仿真软件进行长江干线中游航道枯水期船舶航行仿真，得到枯水期时期船舶通过限制性航道平均排队时间和排队长度。
6）对船舶拥堵成本各构成成本进行量化，建立船舶拥堵成本估算模型。
1.3.2 研究方法及技术路线
本论文研究中，采取如下几种方法：
1）文献综述法。通过文献资料、Internet查阅等方式了解长江干线中游航道枯水期水位及航道特征变化情况、水位变化对船舶航行造成的影响、船舶运输成本构成、拥堵引起的船舶运营成本的变化情况等。
2）比较分析法。通过对比已有的研究成果，与之进行比较与借鉴，修改不足之处，并运用到本文。
3）归纳法。归纳出长江干线中游航道枯水期船舶航行的拥堵成本的构成及其影响因素。
4）定性与定量相结合的方法。首先定性分析长江干线中游航道枯水期船舶拥堵成本影响因素，拥堵成本的构成，再量化各组成成本，并建立相应估算模型。
5）理论与实际相结合的方法。在理论研究的基础上，将长江干线中游航道枯水期水位及航道特征变化对长江中游船舶运输产生的拥堵成本的量化模型应用在具体算例中，并得出相应结论。
6）建模仿真法。通过计算件仿真软件对船舶在枯水期期间航行进行仿真。
本文技术路线如图1.1所示：
图1.1 技术路线图
第2章 长江干线中游航道枯水期特征分析
2.1 枯水期水位变化特征
长江中游航道相比于上下游航道，更容易受到自然因素的影响，根据历年来长江中游航道发生自然灾害的频率不断增加，推测出长江中游航道在未来也更容易在枯水期出现极端低水位的情况。因此对长江中游枯水期特征进行研究有一定意义。
本文主要研究对象为长江中游航道，由于这一航段存在多处浅险航道，故重点选取枝江水道以及位于上荆江沙市河段的重点碍航处——太平口水道。
2.1.1 枝江水道水位变化特征
通过长江海事局官网搜集到每周航道维护尺度预报数据，将其维护水深进行平均，得到每月航道维护水深数据如表2.1所示。
表2.1 2010年至2018年枝江水道分月维护水深
