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管理密西西比河上游船闸拥堵问题的稳健策略
James F. Campbell，L. Douglas Smith，Donald C. Sweeney II，密苏里大学工商管理学院campbell@umsl.edu， ldsmith@umsl.edu， sweeneyd@msx.umsl.edu
摘要
密西西比河是国家和全球供应链，特别是农产品供应链的重要水道。合理的调度策略可有助于缓解密西西比河上游（UMR）交通堵塞问题，例如对在闸前的船进行排序，使用辅助船加速过闸以及构建新的更大的闸室等战略决策。本文，我们通过构建了多闸室的离散事件的仿真模型来评估UMR的运营现状以及缓解拥堵的措施。围绕扩大闸室通过能力的问题，我们针对不同缓解拥堵的措施，进行了国家净经济效益的评估，从而确定了最为有效的调度措施，使得国家净经济效益最大化。同时我们还强调了货物量的预测对未来内河航道基础设施投资的重要性。
1.介绍
在现代经济社会中，拥堵在许多通行模式中都是一个棘手的问题。这个问题可以通过很多方式来解决。但这常常需要一些有争议和困难的公共部门来进行管理上和战略上的决策。例如，道路交通拥堵可通过调整交通信号的时间或者用交通信号取代停车标志和修改路面等决策来解决;再者增加新车道或建造新的道路也是一个解决方案。在这些方案中，流量和相应的的成本决定了这些解决方案的有效性和可取性。随着交通量的增加，从简单低成本的管理措施调整转向更加建设性和昂贵的战略容量扩大可能才是最佳的选择。
虽然内河水运可能不如陆路运输所被人熟知，但缓解拥堵的措施类似，都包括运营，战术和战略决策。本文阐述了通过提高密西西比河上游交通运输收益来扩大净经济效益的这一过程，展示如何利用此类分析来制定实施航运系统的改进策略，以期实现净经济效益的最大化。我们通过使用离散仿真模型[6,7]中的优异的系统性能统计数据，来扩展配对文件[8]中分析从而确定过闸船只的排序。
本文的余下部分如下。第2节介绍了相关的背景信息。第3节简要介绍了我们的仿真模型。第4节分析了各解决船只拥堵的措施。第5节讨论具体的实施策略和政策。第6节是结论。
2.背景和目的
密西西比河的水运体系从墨西哥湾延伸到明尼苏达州。它不仅是进出美国中西部地区的重要交通动脉，也是全球供应链，特别是美国玉米和大豆供应链的关键环节。货物由驳船运输（通常是195-200英尺长，35英尺宽），每艘驳船载重1500吨。众多驳船被连接在一起，然后由一艘强有力的拖船牵引前进。
密西西比河上游是从俄亥俄河河口延伸至明尼阿波利斯市的一部分。密西西比河上游航运系统由若干大坝和29个船闸组成，这些设施提供了可靠的商业通航。这些设施可以实现9英尺的通道深度，这可以让船只航运大约300英尺的高程差。 在UMR上，由于航道条件的限制，拖船船队的规模一般被限制在15艘驳船以内（5艘驳船一列，排成3列）。
密西西比河上的大坝已经将河流变成了若干个小湖泊，每个大坝都有一个或两个船闸，从而让船舶通过大坝。商业船只几乎总是独个锚定，而一组旅游船可能被锁在一起。UMR上的船闸和水坝系统修建于1975年，起初大部分船闸都被建造成110英尺宽，600英尺长，从而使得20世纪30年代和40年代最大的商业拖车得以通过。
经济的增长导致越来越多的大型驳船拖船的出现，这些拖船将近1200英尺长（五艘驳船和拖船的长度）和105英尺宽（三艘驳船的宽度）。这些大型拖船必须分成两部分才能通过600英尺长的闸室，通过后再然后重新起来。这些“一解一连”平均需要花费两个小时的时间（相比之下，较小的“一次过闸”拖船只需要30分钟或者更短），这被看作导致船舶拥堵的关键原因[5]。 随着交通运输量的大幅增加，两次过闸在很大程度上会导致密西西比河的堵塞从而造成经济的损失。
美国陆军工程兵团（USACE）建造和运营密西西比河上的船闸。1993年，USACE进行了挖掘UMR的通航能力的可行性研究，研究建议以22亿美元的成本建造1200英尺长的船闸来替换UMR上的5个600英尺的船闸[14]。在这项研究中，国家研究委员会（NRC）聘请独立公司对这个提议进行评估，评估公司认为：“尚无法验证扩大闸室的经济合理性hellip;hellip; “，并建议USACE:与其构建更大的船闸不如更好地利用现有的船闸设施[5]。对此，美国国家研究委员会提出了各种值得商榷的解决策略。
为了响应NRC的倡议，2004年，USACE聘请我们对UMR的船只排队，调度以及交通管理系统进行评估改进[3,4]。起初，我们开发了一个详细的离散仿真模型来评估其过闸排队规则 [6,7]。另外，我们还其研究开发出用于分析运营变化和基础设施投资的水路仿真模型（参见[1,2,9,15]）。但是，现通常采用的分析方法（如稳态方法）或简化假设来构建美国内河水运模型，这些假设并没有考虑UMR水运系统季节性的因素。此外,之前的多数研究也只是独立的考虑到单个闸室的通行量。但因为闸室之间的通量是相互联系的，所以这些研究也是不严谨的。
对于任何航运基础设施项目，USACE都有责任评估该项目50年规划期内的表现，从而确定其净国民经济发展（NED）收益。我们通过对UMR通行量进行更详细的分析，来改进密西西比河的航运系统，从而更好地量化NED。
我们的研究对象为UMR航运系统中最南端的5个最长600英尺的船闸，船闸20,21,22,24和25（没有船闸23）以及其四个连接闸池。这些船闸工作最为频繁且最为拥堵[3]。而我们研究船闸上下游的其他船闸已经扩建到1200英尺长，并未引起拥堵[3]。
研究区域内水运模式包括顺流而下的载有农业货物的15列驳船，以及其空载回程，行驶在码头间的驳船，散落的拖船，以及私人游艇等。1996-2005年期间，UMR的年总通过吨位从6900万吨升到8500万吨[13]，其中大部分是从上游驶向下游。
20-25号船闸的拥堵根源于商业交通的季节性、突发的不利航运条件、两次过闸所需的漫长时间以及大量游艇的定期使用。在拥堵期间，我们研究的船只会花费3到6个小时才能船闸之间的水域（取决于其方向和长度），每个锚地排队几个小时，过闸0.5-2.5小时。 在1200闸室关闭的极端情况下，队列中的等待时间长达100小时。
由于UMR上的商业（和游客）航行没有固定的行程或时间表，船只只是以随机分布的方式抵达船闸。 我们只得到了有限的UMR船只航行数据。确实USACE收集了一些关于拖船的有限航行数据
但是，USACE并未实时跟踪记录单独的驳船（和拖船），因此针对沿河起点到目的地的单个行程的构建方案是有问题的。在进行数据分析系统建模和数据分析后，我们发现，主要有三个原因造成了船只的拥堵；1）USACE关注的焦点只是船闸本身。（2）行业不愿意提供详细的船只行程数据。（3）船闸之间的拥堵不是关键区域。
为了开展分析，我们从USACE水资源研究所获取了2000年到2003年的数据。根据这些数据，我们记录了UMR航运的每月，每日和每小时的季节性。这些动态特性使的稳态排队系统和近似值方法不适用于这些船闸。
2000-2003年的数据包含了70,180个过闸次数，其中过闸时长分布的变化很大。在对船闸数据的进一步分析后，我们揭示了UMR上的配置驳船的六类船舶以及其过闸特征。它们是：双牵引（需要两次过闸），重叠式牵引（必须断开队列以适应闸室），分离牵引（拖缆必须与驳船断开连接并在跟随驳船后重新连接通过锁），单独的拖曳（只需要单独牵引），无拖曳的单拖船（无驳船的拖船或其他非娱乐船）以及游船。
图1. 2000 - 2003年过闸时长的分布，UMR闸20至25
表1.过闸和平均过闸时间的百分比
3.仿真模型
为了研究解决拥堵问题的策略，我们使用ARENA10.0开发了一个离散仿真模型，该模型考虑了航运的瞬态特性和UMR过闸程序的复杂性[6,7]。 它适用于具有不同驳船，拖曳结构和娱乐船的商用船。该模型捕捉了上游和下游交通流动的物理现实，并提供了具有动态服务优先级的排队和过闸操作。该模型还可以测量航运系统的优劣，同时便于测试系统性能差异的统计显着性。
几百个统计模型用于产生驱动系统性能的时变参数。为了在每个船闸提供适当的船只到达分布（反映观察到的季节性），我们采用了具有互补强化和细化机制的非平稳指数分布。为捕捉拖船的随时间变化的特性，船只行程是以概率形式产生：要么终止在闸间的航行，要么继续进行下一次过闸。
具有由四个闸池连接的五个船闸的仿真模型的基本结构如图2所示。在完成过闸后，每个商业船可以选择继续过闸（图2中的水平箭头）也可以选择终止其在当前的行程。（图2中对角箭头离开船闸）。
如图3所示。对于定位排队交通的休闲和商用船舶，每个船闸的上游和下游都有独立的指定等待位置（称为系泊浮标），以免其他船只进出船闸。船只在这些指定地点听候调度员的指示，从而进入闸室。
图2. 5过闸仿真模型的示意图
图3.过闸服务系统的原理图
对于不同船闸的构造过闸船只的行进方向，共有三种过闸方案。在等待反方向行驶的船舶完成过闸之后，船只进入闸室，发生“交换”过闸。这种情况下，闸室内的水位对于出入船都是一样的，但进入船只必须等待出闸船只进入安全区域后才能过闸。 一艘船只发生“折返”锁定。在等待由同一方向行进的船舶完成过闸之后进入闸室。这需要关闭闸门以使水位恢复到船舶可以通过的水位。当船只到达设置在适当水位的空闸室时，发生“飞行”锁定，这时船只不用等待就可进入。 对于每一类船舶采用不同的过闸时间分布，并对运动是否在上游进行调整以及过闸方式是交换，折回还是飞行。史密斯等人[7]验证了该模型，并记录了单个过闸和总体上所有相关性能指标的模拟数据和历史数据之间的高度一致性。仿真模型有效地反映了UMR系统的动态行为，所以可以用来评估各种拥堵管理策略。
4.针对减少拥堵的措施的分析
仿真模型[7]用于和配套文件[8]来评估过闸队列中的几种不同的重排序规则。用于比较的基准是USACE目前按照到达先进先出（First-In-First-Out）的方式处理拖船的政策，其优先于休闲船只，其等待不超过三个商业船只上闸。 这个政策被称为FIFORECPRIO。 这些分析基于100年的模拟运营，商业船只流量的水平从2000年的20％减少到2000年的30％，以适应不同的情况。 最佳的重新排序规则是按照过闸时间的增加顺序处理拖动，并且动态优先移动，以便在队列中等待很长时间的拖拽具有更高优先权。 这条规则被表示为FLTX（最快过闸时间，排队等待时间较长的船只除外），而配套文件描述了该规则的详细推导和优先转移模型。
结果表明，使用FLTX进行重新排序在当前的流量级别上可能只有很小的优势（每次过闸平均可节省几分钟），但效益会随着流量的增加而增加。 然而，在较高的流量水平下，即使是最好的重新排序方案仍然会导致不合理的长时间等待[8]。
由于重新排序规则的有效范围似乎有限，我们使用仿真模型来评估其他两种拥塞缓解措施的绩效。 首先是一项战术措施，可以将双过闸的过闸时间缩短12.5％（约15分钟）。 帮助调度员立即定位在每个船闸的上游和下游，以协助双拖船。 辅助船将驳船从闸室中第一次“双闸”切开（而不是绞出），然后将它们保持在远离闸的位置以重新连接第一和第二“切口”。 这符合NRC的其中一个建议[5]。
我们分析的第二个改进是建造新的1200英尺长的船闸的战略建议。 请注意，使用新的1200英尺船闸时，所有船闸都将是单一过闸装置，并且对于超过6或7艘驳船的拖船，过闸时间将显着下降。 对于仿真模型，我们使用现有的1200英尺长的船闸的数据为双拖船的过闸时间建立了新的回归方程，并稍微调整它们以反映USACE对新闸具的平均过闸时间。 这些意味着过闸时间从50-64分钟不等，并且反映出这些闸的平均过闸时间相对于现有600英尺长的闸的时间缩短了42-50％。 由于我们没有考虑过闸膨胀后可能组成的数据，因此我们只确定了2000年的船舶流量组合，我们对重新排序规则的评估一样，也是按照这个规则。
使用新闸的结果证明了较大的船闸对于减少过闸时间具有实质的有效性，因为它们几乎消除了各级业务的等待时间。即使船只流量增加了30％，新闸也能将平均等待时间减少到100分钟以下，而重新排序的时间则超过2000分钟。新闸还将商业拖船的等待时间的降低95% ,降低到400分钟以下，而重新排序的则为9981分钟。而辅助船的好处在重新排序和新闸之间。
图四以2000年为基本流量数据，总结了大量的运营模拟，并且展示了相对于USACE现在的政策（表示为FIFORECPRIO），在重新排序（表示为FLTX），辅助船只，还有新的船闸等新措施下 通过一个船闸的平均时间。这个时间由等待时间和过闸时间组成。这些曲线反
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