摘 要

升船机是重要的一种过坝设施，其运输组织效率对翻坝运输组织至关重要。相比于船闸，升船机具有节省水或几乎不耗水的优点。但是升船机的种类繁多，且对于不同流域而言，相同类型的升船机的运行状况也不尽相同，这加大了管理，调度的难度。因而构建一个通用型的升船机仿真模型就显得十分重要。

本文将首先对升船机及现有过坝仿真研究现状进行文献综述分析；其次规划和设计升船机过坝流程；然后在Arena仿真环境中建立升船机仿真模型；接着利用给定的实证案例参数进行实证分析；最后通过修改完善构建一个通用型的升船机仿真模型。

关键词：升船机；船闸；Arena；仿真建模

Abstract

The ship lift is an important facility for passing dam. The efficiency of its transport organization is crucial to the over-dam transportation. Compared to ship locks, ship lifts have the advantage of saving water or nearly needing no water. However, there are a wide range of ship lifts, and for different watersheds, the operation status of the same type of ship lift is not the same, which increases the difficulty of management and dispatch. Therefore, it is very important to build a universal ship lift simulation model.

The article will first review literature review of ship lifts and existing simulations of passing dam simulations; secondly, plan and design ship lift over-dam procedures; then build a ship lift simulation model in the Arena simulation environment; and then use the given empirical evidence to analyze empirically; finally, a general-purpose ship lift simulation model is constructed by modifying and perfecting.

Key Words：The ship lift; Ship lock; Arena ; simulation modeling

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及问题的提出 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容和研究方法 3

第2章 升船机系统特性分析 4

2.1升船机工作流程 4

2.2升船机排队模型概述 5

2.2.1排队系统的基本特征 5

2.2.2升船机排队模型的建立 6

2.3本章小节 7

第3章 仿真模型构建 8

3.1 模型假设 8

3.2 升船机运行流程 8

3.3 概念化建模 9

3.4 仿真模型构建 10

3.5 仿真运行设置 15

3.6 模型校验 16

3.7 仿真动画制作 16

第4章 仿真实例分析 18

4.1 仿真参数输入输出 18

4.2 模型改善 20

第5章 结论 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1研究背景及问题的提出

升船机是一种重要的过坝设施，它的运输组织效率对翻坝运输组织起到极其重要的作用。相比于另一类设施船闸，升船机具有节省水或几乎不耗水的优点，在人工运河或少水的河流上，这显然是一个重大的优势。这使得在高水头的通航建筑物中，升船机的造价通常比船闸低。现代化的大型升船机于20世纪诞生。自1934年德国尼德芬诺垂直升船机的诞生，标志着升船机的发展到了一个崭新阶段，其提升的船舶吨位数显著增大，提升高度不断增加，类型也逐渐丰富了起来。

按照承船厢运行的线路，升船机可分为垂直式和斜面式两大类。垂直升船机又可分为平衡重式、浮筒式和水压式；而斜面升船机分为纵向斜面式和横向斜面式两种。不同类型的升船机的营运费用及运转条件都不尽相同，在运营管理和调度方面更是有所区别；相同类型的升船机在不同的水域，其设计标准并无规范可循，这也加大了工程师们对它们的把控，管理，调度的难度，使得升船机无法得到充分的利用。其难度表现在：上下游水位变化幅度大，上下行组织困难；上下游排队时不同优先度问题等等。

国内外的仿真系统通常以动画的形式来展示升船机的运行流程，其仿真主要集中在部分设施的开发与设计、机构的运行、安装调试等等，大多用于设备的安全风险上的评估^[1]。而上述讨论的问题则存在着空白。

因此构建一个适合的仿真模型对于升船机的研究与发展具有重大意义。

1.2国内外研究现状

针对升船机的特性及管理，调度上前人做了大量的研究。同时运用了部分仿真模型用于检验以及分析问题。其中朱等^[2]建立了基于Arena的三峡枢纽运输系统仿真模型。将所预测的运输情况进行实例仿真后，分析在这之中存在的问题，并提出了适用的改善方案。吴等^[1]通过仿真开发成果表明，在仿真的数据效果上三峡升船机基本与实际的系统一致。胡等^[3]介绍了升船机的最新研究成果，同时介绍了相较于传统升船机的创新技术，在三维数值上对升船机的仿真模拟技术做了相关方面的总结。邵等^[4]介绍了升船机作为一种新型机械，在世界上仍然不能进行通用化处理，基本处在一机一研制的水平上，生产与使用量也不大，但是在现代化进程上对我国起到非常重要的作用。邓等^[5]结合了建设云南某处升船机的工程实例,利用ANSYS软件平台对地震作用下的升船机进行了相关动力分析模拟,对升船机在特殊情况下的安全运营进行了相关论证。Xu等^[6]建立了仿真模型以探索使用不同装置连接船升降塔和船舱以防止耦合振动的可能性。尹等^[7]介绍了虚拟现实技术对三峡升船机的仿真应用，并展示了在这其中遇到的问题和相应的解决方法。王等^[8]将GXFZ仿真软件应用到了三峡升船机的动态仿真上，对升船机的动态特性进行了相关阐述。温等^[9]介绍了AMESim软件在某升船机制动系统上的应用，通过建模与仿真，表明了制动系统运行与实际结果一致。向等^[10]在研究某大型升船机的承船厢卧倒门上，利用联合仿真方式验证了卧倒门液压系统和控制策略的有效性。石等^[11]等介绍了三峡工程（TGP）船舶升降驱动系统的主要部分以及其特性。王等^[12]应用仿真模拟平台，依托三峡升船机的实际机电设备,对升船机主要机构动作的进行了仿真,模拟升船机的上、下行运行流程,从而达成工艺研究的运行、控制系统的优化和对操作员完成操作的指导目的。

前人在过坝方式上构建了许多物理、数学、仿真模型等等。在这之中，仿真模型在实际运作上具有巨大的优势。其中，Williams E J等^[13]描述了模拟和统计分析在改善运输和配送系统方面的应用。黄等^[14]分析了乌江船舶货运组织在多梯级枢纽的建设下所产生的影响;其次对现有的网络模型进行了优化与改建，从而构造出了乌江船舶货运组织在广义上最小成本的优化模型；接着利用Arena平台构建出了面向对象的仿真模型，用于验证优化方案在理论上的可行性以及可能存在的问题;最后运用仿真模拟和理论优化方法，提出了适用于乌江的高效船舶货运组织在多梯级枢纽区域下的货运网络方案。刘等^[15]依托Arena构建了升船机上、下行的系统仿真模型，模拟了船舶通过升船机的动态全过程，最后总结出了船舶排队时间与等待升船机队长呈增长函数，资源利用率与等待升船机队长呈对数函数关系。极大程度地提高三峡升船机的翻坝效率。陶等^[16]基于船舶通行过闸的离散性与随机性，在Arena平台上构建并试验了船舶通行过闸作业的系统模型。比较了理论值与仿真结果，确定了仿真次数与仿真时长，在船闸其它方面的研究上对仿真软件作了展望。周等^[17]基于珠海高栏港区，仿真LNG船舶进出港的过程，利用Arena软件进行离散性仿真量化分析LN G船舶对航道通航产生的影响，从而提供LNG船舶通航组织的科学依据.吴等^[18]研究了港口船舶航行作业系统，分析了其组成要素的特性和各自的通行规则，确定航道通过能力的影响因素。采用Arena仿真软件确定了计算分析方法，从而提高了投资航道工程的效益，充分发挥了码头的装卸效率。

为了应对复杂多变的升船机系统，绝不能仅停留在一机一研制的层面，否则将浪费大量人力，财力。如果能够找出适用性强的模型作为参照，那将具有重大的意义。通过对前人关于船闸，升船机等系统的建模，可以发现面向对象的仿真语言Arena在模拟升船机复杂多变的情况下具有一定的优势。基于面向对象的思想与结构化的建模概念，将专用仿真语言的灵活性和仿真对象的易用性很好地融合到一起，直接面向实际业务流程所构建的仿真模型，符合常规的思维习惯分层建模。对于大型或者复杂的模型，例如本文讨论的升船机系统，分层建模显得尤为重要。

同时，现有的仿真系统模型往往适用范围较小，不能很好的模拟多种类型的升船机系统，如上下行排队的优先度问题就不能进行研究，不具有普遍的适应性；往往不能适用于外在，内在环境已经发生变化的情况，不具有可调节的弹性；同时也不能很方便的进行修改，不易于学习和使用，这对于后期的革新也是有不利的影响。因而本文的目的即是基于Arena做出一个具有通用性，可扩展性及易用性的模型，从而对升船机的管理以及调度起到借鉴作用。

1.3研究内容和研究方法

本文在查阅资料的基础上，首先对国内外已有的部分升船机模型进行系统分析，来确定建模方向；然后对升船机工作基本流程以及排队系统特征进行分析；在做好准备工作后进行设计构建，分析仿真流程、确定输入输出、确立关键步骤仿真流程及实现方法、建立初步模型和校对；之后套用实例参数进行数据分析；最后得出结论。

具体技术路线如下图：

图1-1 技术路线图

图1-1 技术路线

第2章 升船机系统特性分析

2.1升船机工作流程

升船机，又可以称为“举船机”，是一种为了满足船舶在水位落差的水域的通行需求，利用了机械装置将其升降的通航建筑物。

升船机分为上下行系统，上下行船只互不影响，共用升船机设备。船只需要抬升至上游时，经过引航道导航墙至承船厢。在船舶停靠到位后，关闭闸门，泄去水体。松开下游密封与拉紧装置，启动驱动装置，将承船厢抬升至上游对接位置；松开上游密封与拉紧装置，利用设备给承船厢附近空隙注水；将上游闸门与承船厢船厢门打开，将船只驶入引航道，离开大坝。船只下行时原理与其一致，方向相反。

船舶在升降的过程中会有两种承接方式，将船舶停置于无水的承船车或承船架上为干运，而将船舶停泊在盛水的承船厢内则是湿运。两者的区别在于，湿运对于船体受力有利，但同时会增加传动机构的功率。

根据承船厢的运行路线将升船机分类如下：

1. 垂直升船机：沿垂直方向抬升承船厢

一般分为平衡重式、浮筒式和水压式三种。平衡重式垂直升船机通过滑轮，将钢丝绳两头分别连接承船厢和平衡配重，通过重物的下降和抬升，来实现承船厢的上升和下降。浮筒式垂直升船机利用自身具有的浮筒井里的浮筒的浮力来作为支撑承船厢的重量的动力。水压式垂直升船机则通过水压机推动活塞来支撑承船厢。

1. 斜面升船机：沿斜坡轨道移动承船厢

主要为纵向斜面式和横向斜面式两种。纵向斜面升船机在升降过程中，船舶自身纵轴线和斜面的坡道方向相同。横向斜面升船机在升降过程中，船舶自身纵轴线与斜面的坡道方向垂直。

1. 水坡式升船机：斜面升船机的特殊形式

世界上仅在法国存在两处水坡式升船机，分别在蒙特施和枫斯拉诺。类似于斜面升船机，水坡式升船机具有一个斜坡水槽，挡水闸门能够沿槽移动。牵引设备通过移动闸门使闸门间的水体上升或者下降，以此来将水体中的船舶从其中一河段运至另一河段。

升船机有以下若干个基本组成部分：承船厢（或承船架、承船车），作为船舶的停置容器；斜坡道或垂直构架,前者存在于斜面升船机系统中用于运行，后者作为垂直升船机承船厢的承接和通行工具；连接建筑物，通常位于引航道和承船厢的连接处，在承船厢和引航道之间起到引导船舶通行的作用；机械传动机构，用于厢门和阀门的开启关闭以及承船厢的抬升下降；电气控制系统，用于对整个升船机进行操纵。

2.2升船机排队模型概述

2.2.1排队系统的基本特征

排队系统亦称随机服务系统。“排队”严格上仅指等待服务的顾客，被服务的顾客则不被囊括在内；而“排队系统”既囊括了等待服务的顾客，同时也囊括了正在被服务的顾客。下面结合升船机的运行流程，对其排队系统特征进行简要分析：