摘 要

众所周知的是，交通运输不可避免的要占据很大的社会资源，而水路运输行业发展以来因为对资源占用少，能源消耗量低，对生态环境影响小的特点一直备受关注。由于内河运输在宏观调控上一直缺乏有效的调控手段，使得政府对资源的管控不能尽善尽美，让河流资源产生了极大的浪费。而对船舶过闸的调控，是在不增加资源消耗的基础上，最大限度的利用现有资源，实现内河运输可持续发展的重要手段。

本文选取近年来京杭运河苏北段施桥船闸的实际运行数据，结合GI/G/1排队理论，在建立理论模型的基础上，又进一步通过实际数据得到船舶到达分布和船舶一次过闸时间分布模型，并通过模型对比得到最优分布。最后通过模型实际的对比阐明误差以及可能产生误差的原因。并在文章结尾，给出D值指标评价体系，合理构造组合模型，在理论上以及实测上充分减少误差，并相应地对研究结果给出建议。

主要研究结果表明，船舶过闸的时间不仅仅与船舶过闸数目和闸室断面船舶数目有关，还有船舶到达密度紧密相关，因此对船舶的管理可以从这一方面着手。实际上，对于过闸密度的控制，也是合理减少船舶待闸时间的手段。

关键词：船舶过闸；GI/G/1模型 ；过闸密度；负指数模型

Abstract

As is known to all, transportation inevitably take up a lot of social resources, and water transportation caused by the characteristics of resources occupy less, low energy consumption, he small influence on the ecological environment has been closely watched. Due to the inland water transport macroeconomic regulation and control has been a lack of effective control measures, make the government's control of resources can not be perfect, let the river made a tremendous waste of resources. And regulation of ship lock is without any increase in the consumption of resources, based on the maximum use of existing resources, the important means to realize the sustainable development of inland water transport.

This article selects the actual operation data of Beijing to hangzhou canal northern Jiangsu section Shiqiao lock in recent years, combined with GI/G / 1 queue theory, the theoretical model is established on the basis of further vessel arrival distribution is obtained by the actual data distribution model and ship a lock time, and the optimal distribution is obtained by model contrast. Finally through the model error and the actual contrast to clarify the causes of errors may be. And at the end of the article, the D value index evaluation system is given, the reasonable structure combination model, and fully reduce the measured error in theory, and give some accordingly advises by the result of the research.

Research results show that the ship lock of the time not only with the number of ship lock and lock chamber section, related to number of the ship and the ship reached the density is closely related, so the management of the ship can begin from this aspect. In fact, by controlling the density of the lock, is also reasonable to reduce ship for brake means of time.

Key Words: ship lock; GI/G/1 model; density of ship lock ; The negative exponential mode

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2研究背景 1

1.3国内外现状分析 2

1.3.1国外研究现状 3

1.3.2 国内研究现状 4

第2章 模型选取及探究 6

2.1数据支持 6

2.1.1 施桥船闸的基本情况 6

2.1.2 数据选取 6

2.2整体模型选择 6

2.2.1模型介绍 6

2.2.2 GI/G/1排队模型在过闸问题中的应用 7

2.3 表达式的改进 8

2.3.1 船舶达到时间分布 8

2.3.2 船舶一次过闸时间分布 10

2.4 本章小结 12

第3章 模型分析 13

3.1 ks检验介绍 13

3.1.1 总体模型验证 13

3.1.2 总体模型误差 15

3.2相关性分析 15

3.3 本章小结 16

第4章 组合模型 17

4.1 组合模型 17

4.2 D值指标评价体系 17

4.2.1 到达分布组合模型 17

4.2.2 一次过闸时间分布组合模型 19

4.3 本章小结 21

第5章 总结与展望 22

5.1 结果分析 22

5.2 建议 22

5.3 展望 22

5.4 特色 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

通过利用河流的优势条件，把航运业当成发展水利经济的重要手段，这是在全球范围内都受到认同的。工业革命时期，世界上很多国家也曾经出现过河运热。在运输体系中，内河运输通常具有运量大，占地少，耗能低和运费低廉的诸多优点，并开始逐步受到人们的重视。随着货物运输的需求不断增加，水路运输也承担了其中很的一部分重任，人们开始关注内河水运，并且供不应求的水运基础设施建设已经引发很多严重的问题，越来越受到人们的重视。

另一方面，船舶待闸时间作为船闸运行数据中确定经济评价的重要相关数据，国外在很早就有相关方面的大量研究，我们也应该因时制宜，利用现有的基础数据资源，做出相应的理论研究。值得一提的是，由于此前我国尚未有过系统的记录，在这一方面的研究也就寥寥无几。京杭运河苏北段的系统的数据记录为目前的研究做出了很大的贡献，再结合几位前辈的已有经验的基础上，本文加以适量的改进。

本文根据目前国内京杭运河苏北段部分数据，在现有的研究条件基础上，进一步分析繁忙船闸的特点，提出船舶待闸时间的估算模型，并确定其分布，指明误差并作出改进。在船闸和航道网规划与评价中具有重要的理论和实际意义．

1.2研究背景

我国幅员辽阔，同时也是水系复杂，河流资源十分丰富，。这些河流和湖泊其中大多数水量充足，常年通航，是发展内河航运不可或缺的资源。从古至今，内河航运就是广受重视的运输行业，如今在我国国民经济的基础产业也是位居一席之地，同时也承担了很大一部分交通运输的重担。工农业生产和人民生活以及国防建设及社会活动普遍展现了对内河航运的需求。建国60 多年以来，我国内河航运建设与铁路、航空、公路等交通运输产业相比，内河航运的发展显然远远不及上述的几种方式，没落成为交通运输业中的薄弱环节。为了提高内河航运的运输效力，为更多的人民群众谋取福利，国家同时也十分重视内河航运发展，原国务院温家宝就曾在国务院常务会议上指出：“高度重视水运，充分利用长江黄金水道”。

目前，长江航运的整体发展水平与世界上航运发达的河流相比，还存在十分明显的差距。而长江是我国的主要河流，作为国内航运发展水平较高的长江航运与发达国家航运相比仍然存在较大差距，我国内河航运整体水平还需要进一步提高，内河航运的优势还未得到充分发挥。原我国交通部部长张春贤认为， “内河航运的建设也面临航道治理与河势控制、内河大桥通航净空高度控制、船闸通过能力、船型标准化等问题”。为加快内河航运建设，交通部编制和完善了相关规划，提出了加大内河港航设施建设资金投入力度、加快内河航运立法进程、着力推进内河干线船型标准化、建立内河航运发展协调机制等措施。结合以上举措，仅仅依靠交通运输部的难以得到完善全面的实施，而建立内河航运发展的长久的和谐的运作体系，如制定内河航运规划也要各级政府部门、各地区、相关企业的相互协同，而加大河港设施建设资金的投入也需要不同层级的主体相互合作。

而早在2005 年，为了充分贯彻有关指示精神，发挥出世界第三河流的应有价值，交通运输部已经将长江水运发展作为“十一五”期间交通发展重要调整对象，希望通过对长江的管理和开发，建立出一套有长远经济效应并且贯通东西省市，进而改善全国交通运输体系格局的发展计划。

我国也具有众多的河流资源，其中人工运河也不在少数，京杭运河也是贯通南北的重要河流，其中对它的维护和开发利用也是从未停止。我国政府致力于从发展国内经济转为社会服务为主经济发展为辅的重要格局。其实市场经济的发展也离不开公共基础设施的开发利用，经济形势的改革，经济格局的改变，国家也不仅仅只重视沿海地区，开始着重内陆地区的发展，而发展内陆经济，自然是离不开内河航道体系的建设。河流纵横交错，四通八达，这是大自然的馈赠，但我们也需要好好利用，好好开发，建立可持续的发展，并拥有一套完备的管理机制。

运输业是国家经济的重要来源，同时也是平衡各地区发展的重要工具。运输业在维护国家稳定性、巩固国家基础建设、调控社会经济的可持续发展的方方面面都有重要的作用。一个国家的强大、稳定和繁荣与这个国家的运输体系是息息相关的。可是，由于地域的划分，不同的行政区划对河流的管理也不尽相同，内河航运依然还有输送能力短缺、运行速度低下、收费结构混乱、协调管理困难等诸多问题，也正是因为这些问题，很大程度上限制了我国内河航运能力，影响了航运体系的现代化，制约了经济发展和国家基础建设，研究内河航运的意义是长远而深刻的。

1.3国内外现状分析

目前国内外对船舶过闸时间问题基本都是采用排队理论解决，只是方式不同的是所采用的排队模型的差异，对船舶到达分布以及船舶一次过闸时间分布所采取的分布模型不同，以及对于复杂问题的探讨的深度不同，然而经过数十年的研究以及统计方法的改进，这一类问题已经有了很大的进展。

1.3.1国外研究现状

排队论是解决“服务”系统因“需求”拥挤而产生排队的现象解决供需服务关系的理论科学，是由20世纪丹麦数学家爱尔朗创立的，后来经过费勒和肯德尔等人的不懈努力，在二十世纪四五十年代到达蓬勃的发展并且成为运筹学的重要组成部分，在通讯、交通运输、计算机科学、军事管理等诸多方面都应用广泛。例如，Newell在其著作《排队理论的应用》中，采用近似处理的方法，并在交通工程中的应用中得到了重点关注。

在对内河航运的研究和处理上，DeSalvo以及 Lave两人是最先开始利用M/M/1排队模型来对待闸时间进行分析，Carroll和Bronzini同样的用相近的模型来探讨一级船闸的通行能力。而在此之后Wilson通过计算表明，采用M/G/1模型的拟合效果更好，这在他的文章里得到了展示。后来，Glassey又进一步指出，对于多线船闸，M/G/1模型并不能完美拟合，以至于不能很好预测出其平均待闸时间。

决定系统等待时间的三要素分别是顾客的到达分布、系统的服务时间和排队规则。船舶到达时间分布和一次过闸时间分布是十分复杂的，并不是一般基本模型可以直接描述的。Desai和Carroll等人用实际的数据分析得到，船闸接受服务的时间并不是简单的指数分布，并且船舶到达的分布也并不是泊松分布。单一的统计分布没办法对二者进行良好的描述，而在实际应用中，由于上述两种分布在排队理论中的优良性质，在实际处理中还是得到了广泛的应用。同时， GI/G/1的排队模型由于其一般性也得到重视，正是如此，它也与实际情况更加相符。与此同时，因为其一般性，导致其求解过程变得异常复杂，因而也通常采用相近的模型去处理以便得到其数值解。而在这类问题的研究上，Howe等人通过长期的数据积累和处理，再利用计算机系统仿真来得到船舶平均待闸时间，只是该模型没有考虑一些偶然因素，如船闸大修和天气原因引起的停航。当然其中也有值得称道的模型，那就是Dai和Schonfeld为USACE研究的仿真模型。该模型以LPMS数据为基础，充分考虑各种因素，船舶到达、船舶速度、服务时间、船舶尺寸以及停航等因素，采用GI/G/n排队模型和先到先服务的排队原则，研究单线或双线船闸的待闸时间。在此基础上，Chien和SchonfeId在研究船闸的调度管理模式时指出，虽然FCFS理论表面上是对所有船舶公平化处理，可实际上却不利于减少船舶行程总的时间延误，他们则认为较好的调度原则是提高系统的操作效率并减少其费用，并由此提出了系统的最短过闸时间原则(shortest processing time first，SPF)和最省过闸时间原则(maximum processing timesaving first，SAVE)，结果表明SPF可使繁忙(或者说高负荷)船闸的船舶待闸时间相对FCFS最多可减少近80％对船闸的通行能力和服务效率有明显的提高。

通过用排队理论的方法来探索船舶待闸时间，归根结底是为了在建设船闸和航道上提供基本的理论支持，在更多的时候，由于缺乏相关数据，我们会采用仿真模型，但由于数据量较大，采用仿真模型计算效率低下，因而更多的采用近似的方法进行计算。以至于很多人为了研究这一问题，更加深入地探讨一般排队模型的近似解决办法。根据所采用的数值近似方法，主要有Martinelli提出的启发式模型(heuristic method)、Wei和Schonfeld的人工神经网络模型(ANN)和Schonfeld的SPSA模型(simultaneous perturbation stochastic approximation)和Schonfeld的Metamodel模型等等。