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基于最优调度的休斯顿航道船舶交通仿真建模
摘要
本文通过Arena模型，对休斯顿船舶通道的船舶交通和运行进行了仿真和分析，该模型应用于减轻航道关闭对在航道上建造新桥的影响。为了评估不同的关闭航道方案，作者分析数据并使用单因素方差分析船只等待时间的显著差异。此外，作者应用Fisher成对比较法来选择最佳闭合方案。结果显示最佳关闭航道方案将减少70%的等待时间。该模型可用于评估不同决策框架下系统的性能。
1.介绍
休斯顿港的总吨位在美国排名第二，在美国经济增长中发挥着重要作用。2014年，通过休斯顿港进出口了2.107亿吨货物，相当于德克萨斯州国内生产总值的16.1%。休斯顿船舶航道(HSC)沿线的公共和私人码头在2014年创造了1666216个直接、间接和相关的工作岗位、754亿美元的收入、4056亿美元的经济产出和212亿美元的州和地方税收[1]。
由于维护、加深、疏浚、建设项目、石油泄漏、雾和雷雨，该航道经常经历定期和不定期的关闭。暂时关闭会导致延误、客户不满以至改道至其他港口、增加港口和承运商的运营成本。由于燃料消耗增加，关闭航道也会对环境造成影响，包括增加二氧化碳排放量[2]。历史数据显示，港口分别在2015年和2016年关闭了17天和20天。本文的主要重点是萨姆·休斯顿海峡大桥施工的最佳方案。因为滞期费是根据额外的等待时间来计算的，所以在本研究中，航道关闭的影响是根据船只的等待时间来确定的。
本文的贡献有三个方面:首先，开发了一个模型，该模型模拟了整个水道中船舶操作的过程；其次，分析了船舶操作的数据，例如到达率和船舶在码头的操作时间，并给出了分析结果；最后，应用模型来确定最短船舶等待时间的最佳关闭时间表。该模型可用于评估不同决策框架下系统的性能。
本文的叙述过程如下:第2节对文献进行了全面展望，第3节指出了问题，第4节分析了输入数据，第5节介绍了仿真模型，第6节确定周期和重复次数，并对开发的模型进行了检验，第7节得出实验结果，最后第8节总结了本文。
2.文献综述
仿真方法广泛应用于交通问题以预测系统行为[3]。佩约维奇等人研究了伦敦希思罗机场因恶劣天气关闭而造成的运营损失，该论文重点关注于延误、航班改航至备用机场、航班取消和二氧化碳排放相关的成本[4]。他们对路线选择中影响出行者行为决策的主要因素进行了建模，模型可以用来优化服务和减少排放。Kamrani等人[5]使用Arena预测十字路口的效果，以减少交通拥堵。结果表明，合理的信号控制可以减少53%的车辆等待时间和60%的排队人数。Motraghi和Marinov [6]开发了一个基于Arena来分析纽卡斯尔现有的地铁轨道的模型，在城市货物运输中，铁路比其他运输方式更具竞争力，从长远来看，铁路可以为货运商节省资金，同时对环境也有积极的影响。
海运业是运输领域的一个主要研究领域，其主题包括港口管理、航运市场经济、竞争力、航运效率和水路交通以及集装箱码头[7]。王等[8]利用仿真模型对大连港集装箱进行仿真检验。Gori and Petrelli[9]使用数据模拟了奇维塔韦奇亚港的运作，该模型考虑了船舶到达时间、泊位容量和相关的泊位分配问题。Bielli等人[10]开发了一个用Java编程语言的仿真模型，作为港口决策支持系统中的一个工具，来评估堆场中不同的存储策略。Kulak等人[11]在Arena开发了一个集装箱码头模型来模拟码头操作，以识别系统的瓶颈，实现未来的潜力发展。Planimate[12，13]通过模拟海运码头作业来进行模型评估和开发海上作业。索拉里等人[14]开发了一个港口管理集成模型，来验证系统的运行和性能。Petering等人[15]为起重机终端建立了仿真模型，为使用堆场起重机调度算法得出具有前瞻性的堆场起重机调度方案。彼得林[16]评估了双堆场卡车对集装箱码头的影响，可以看到集装箱码头的模拟和优化技术的结合[17]，该研究改进了集装箱码头装载操作的模拟优化模型，在改进集装箱码头的关键因素进行了充分讨论[18]。
海事研究中另一个领域应用模型的是风险评估。索蒙恩等[19]通过模拟评估碰撞导致芬兰湾化学品泄漏的风险。梅里克等人[20]研究旧金山湾轮渡服务扩展的影响，以证明贝叶斯模拟技术在整个分析中的不确定性，还有人为描述错误的影响[21]。
模型也用于模拟航道。Almaz和Altiok[22]调查了特拉华河道加深对航行效率的影响，并分析了三种不同情况的风险：增加船只到达，加深河流和大型船只的行驶。在一项类似的研究中，弗兰泽斯等人[23]利用Arena为巴拿马运河开发了一个模型，并利用模型作战略规划工具来模拟巴拿马运河。刘等[24]进行建模，整体考虑通航水道条件、船舶行为、船舶类型和尺寸以及操作人员的技能，他们在Arena模型中考虑了水道的安全性和容量限制。曲和孟[25]利用元胞自动机模型对新加坡海峡进行模拟，考虑了不同的航行场景来预测全球海上贸易增长对该海峡的影响。Qi等[26]通过航道瓶颈和空间逻辑映射规则，使用元胞自动机对船舶交通进行建模。徐等[27]用C 语言开发了多航道仿真模型。
3.问题定义和假设
为了扩建萨姆·休斯顿收费公路，哈里斯县收费公路管理局(HCTRA)计划在休斯顿船舶航道上修建一座新的斜拉吊桥。该项目需要不同机构和股东之间的协调，包括HCTRA、美国海岸警卫队和休斯顿飞行员，这些机构和股东受到该项目影响很大。为了提出一个减少施工影响的关闭时间表，在本节中，我们将详细介绍施工方法(安装方法)、每日施工时间表、关闭期间的每小时操作、每小时关闭方案、关闭位置以及对液化石油气罐车的日光限制。
桥梁架设方法:出于安全考虑和高速公路现场通行条件，承包商将建造斜拉桥节段，并通过驳船将其运送至现场。然后，使用横梁和绞盘方法，将分段从驳船垂直提升至最终位置。这是最安全的方法，因为分段在现场只能由一台设备处理一次。一般来说，大部分操作将在没有通道封闭的情况下进行，并从上部结构的现有部分开始，包括：预应力钢筋束的安装和受力，预应力钢筋的安装和受力，预应力钢筋的灌浆，拉索的安装和受力，浇筑封闭连接，提升设备的推进，以及顶起悬臂尖端。需要关闭航道的施工作业是提升位于航道中心线两侧250英尺范围内的预制节段，在现有桥墩至航道堤岸上施工时，航道关闭不是一个问题。
每日施工周期:承包商建议的12天施工周期，其中周期模式总共持续14个周期(24周或总共168天)。12天周期从渠道关闭日、三个开放日、另一个关闭日开始，然后是7个开放日。在项目期间，该渠道将经历总共28天的关闭。
每小时关闭操作:在一个关闭日，通道将经历两次关闭间隔，每次关闭时间为3小时，其间至少有两个小时的重新打开间隙，以做准备。在每次3小时关闭期间，承包商将安装桥梁的一个预制节段，其中每个节段安装包括4项任务。首先是降低横梁和绞盘缆绳，用驳船将一个预制节段从海岸移动到该位置，并提升连接的缆绳(需要1小时)。第二项任务是将该段提升至甲板，驳船移出航道(需要1小时)。第三个任务是耦合预应力钢筋并在管片接头上涂环氧树脂(需要30分钟)，最后第四项任务是给预应力钢筋施加压力，并从梁和绞车上释放管片(需要30分钟)。这一过程在每一次三小时的关闭中重复进行。在总计期间关闭间隔期间，承包商将在关闭窗口安装总共55个预制节段，在每个12天周期中安装4个节段(大约整个项目需要14个周期)。
每小时关闭场景:承包商提出的关闭日有两种可能的场景需要讨论:3-2-3场景和3-5-3场景。3-2-3方案是3小时关闭，2小时重新打开，然后3小时关闭以安装分段，而3-5-3方案是3小时关闭，5小时重新打开，然后3小时关闭。出于安全考虑，关闭时间只允许从06点到18点(下午06点)。基于这个约束，表1给出了每个场景的所有可能的闭开替换。本文的主要重点是确定每个关闭日的最佳关闭方案，以最大限度地减少船只的总等待时间，从而最大限度地缓解交通拥堵。
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3-2-3 |
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选项 |
关闭（3h） |
打开（2h) |
关闭(3h) |
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1 |
06~09 |
09~11 |
11~14 |
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2 |
07~10 |
10~12 |
12~15 |
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3 |
08~11 |
11~13 |
13~16 |
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4 |
09~12 |
12~14 |
14~17 |
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5 |
10~13 |
13~15 |
15~18 |
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3-5-3 |
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关闭（3h） |
打开（5h) |
关闭(3h) |
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6 |
06~09 |
09~14 |
14~17 |
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7 |
07~10 |
10~15 |
15~18 |
表1
区域位置和航道关闭:休斯顿领航管理局将高速船分为7个单独的区域，其中零区是海上浮标，沿航道的其余区域见图1。这种分区策略是基于航道中码头的位置和费率。桥梁下方的航道部分(从1区到桥梁)将在整个施工期间完全开放，而桥梁上方的航道部分(从桥梁到6区)将在关闭间隔期间对海上交通关闭。在本文中，我们使用术语“通道关闭”仅指位于桥梁上方、桥梁与6区之间的通道部分。
图1
昼间限制:高速公路的运营时间为24小时，但对液化石油气(LPG)油轮有昼间限制，这些油轮只能在6:00到14:30之间通过该通道。这些油轮不允许在下午14:30之后通过该通道运输，并且将在任何操作点被冻结，直到第二天6:00。我们稍后会研究这种限制对船只总等候时间的影响。
航道作业:船只在航道上作业，从船只到达海上浮标并确定目的地区域和码头开始。大多数承运人已经与特定区域的相应码头签订了合同，在该特定码头获得服务。船舶将扫描相应码头的可用性，直到满足为止，同时船只在海上浮标处排队，一旦码头可用，将为该船指派一名引航员，并将其引导至相应的码头，以获得装卸服务。应该注意的是，整个航道有三个主要的船舶组:
1.在1区、2区或3区获得服务后返回海上浮标的船只
2.船只在1区、2区或3区获得服务后，可继续前往4区、5区或6区，最后返回海上浮标。
3.在4区、5区或6区获得服务后返回到海上浮标的船只。
应该注意的是，大多数航行是从海上浮标到码头(第1组和第3组)，从码头到码头(第2组)的航行是次要的。总的来说，普通货船和油轮是高速公路上停靠的主要船舶类型。组2中的船只在1至3区得到服务后，可能会受到航道关闭的影响，因此应检查两个约束，即下一个目的地码头的可用性和航道关闭约束。如果这两个条件不成立，为了避免码头和航道上的交通堵塞，船只会被引导回浮标处排队等候。船舶可以进入时，就给船只指派一名引航员，并把它送到目的地码头。船舶在码头得到服务后，需要返回到海上浮标，但如果航道关闭，它将留在码头。同样的逻辑适用于第3组中的液化石油气船舶。应该注意的是，液化石油气船受到一个额外的限制，即日光限制。
4.输入数据分析
在本节中，我们将分析HSC的2015年船舶交通数据库，其中包括船舶到达时间、处理时间以及每个区域的码头数量和类型。本节的结果将用作第5节建模的输入。
船舶到达率:众所周知，非齐次泊松过程(NHPP)是排队模型和海事性能分析中的到达过程的模型[19]。因此，这里我们假设船只到达海上浮标是根据NHPP发生的，其中在每个子间隔期间的每小时相对频率lambda;(t)是基于数据计算的，并在图2中展示出。在任何时间段L内到达海洋浮标的预期船只数量由下式给出
（1）
数字到达的概率等于n
（2）
桥梁建设将需要大约六个月，而且没有一个确切的起点，所以在每小时到
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