基于流体力学及熵原理的集装箱港区交通流研究

论文摘要

由于集装箱在运输过程中的优势以及适箱货物的不断增多,集装箱港口在各国经济发展中占有越来越重要的地位,因此,集装箱吞吐量已经成为衡量一个港口竞争能力最为重要的指标。然而,目前在集装箱港口中普遍存在交通压力过大、港区堵塞严重的问题,导致这一现象的原因主要是港区集疏运规划不当,进而造成船只排队等待、货物不能及时集输港等一系列影响港口吞吐量增长的不利后果。另一方面,国内外知名的集装箱港口大多位于经济发达的沿海地区,这些地区寸土寸金,土地资源极其宝贵,如何在合理利用土地资源的基础上使港区交通流顺畅,保证港口的通过能力,已经成为一个亟待解决的问题。目前,国内外对于港口交通流方面的研究尚处于初步发展阶段,具体体现在两个方面:（一）研究内容相对孤立。目前的研究将港区各系统作为单独的研究对象,虽然在各方面取得了不同的研究成果,但忽视了其内在联系;（二）研究手段相对单一。大多数研究是从管理科学角度展开,这些研究首先假设其不变的流动方式,然后在此基础上进行管理方法上的优化,上述研究方法忽视了集装箱交通流本身所具有的自然流动属性,因而不能完全反映出集装箱最佳的流动状态。本文研究内容及手段与以往相关研究具有较大差别。将集装箱港区堆场-道路作为整体系统进行研究,认为堆场与道路布置之间存在内在联系,堆场与道路系统的协调性对于集装箱港区的畅通与否至关重要。而这一点正是目前研究领域的空白,在我国港口工程技术规范中尚未有明确的条文规定。本研究选用类热力学熵及流体力学原理对集装箱堆场-道路系统进行关联性分析,这是本课题的创新点之一。注意到港区道路中集装箱交通流与流体的相似性,本文提出了采用经典流体力学原理模拟、研究集装箱在道路中运动规律的想法,首先建立了港口集装箱交通流与流体力学概念体系的比照关系,进而运用流体力学中质量守恒、动量定理等原理,针对港区道路中的集装箱车流进行分析,并对不同流态进行判别,最终导出港内道路保持最大通行能力的最优长度表达式。在推导过程中采用了稠密车流线性化密度分布假设,并在此基础上利用几何原理解决了时空积分的困难。本文引入熵原理对堆场系统的有序度进行了描述,选用Lotka-Volterra模型揭示堆场堆存率与闸口数量之间的非线性关系,并对此模型进行了稳定性分析,最终得到堆存率控制阈值。本文通过闸口将集装箱港区的堆场与道路相连接,不仅符合实际港区的布置现状,而且将堆场与道路各项指标相关联,找到港区陆域布置的计算方法。同时,本研究运用国内大型集装箱港的数据进行了验证,得到较为满意的结果。本文的结论为集装箱港区堆场-道路布置提供了理论上计算依据,对港口规划及生产运营具有指导意义和参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 选题依据与课题来源
• 1.1.1 选题依据
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 研究目的与意义
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 本研究的理论意义
• 1.2.3 本研究的实际意义
• 1.3 研究方法
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 集装箱港区领域国内外研究现状
• 1.4.2 “熵”的研究与认识
• 1.4.3 Lotka-Volterra 模型的研究与应用
• 1.4.4 交通流理论
• 1.5 本文研究思路及主要研究内容
• 1.5.1 研究思路
• 1.5.2 本文主要研究内容
• 1.6 本文主要创新点
• 1.7 本章小结
• 2. 集装箱港区及港区交通特点
• 2.1 集装箱港区的组成
• 2.2 集装箱码头的作业流程
• 2.2.1 集装箱码头进口流程
• 2.2.2 集装箱码头出口流程
• 2.3 集装箱港区的装卸工艺
• 2.4 集装箱堆场堆垛规则
• 2.5 集装箱港区水平运输机械
• 2.6 集装箱港区的集疏港方式
• 2.7 港内交通和城市交通的联系与区别
• 2.8 本章小结
• 3. 集装箱港区道路系统与流体力学比照关系的建立及港内交通流状态识别
• 3.1 基本假设
• 3.1.1 集卡交通流的连续性假设
• 3.1.2 可压缩性假设
• 3.1.3 粘滞性假设
• 3.2 集装箱交通流系统与流体系统的概念比照
• 3.2.1 质量比照
• 3.2.2 流量比照
• 3.2.3 密度比照
• 3.2.4 流速比照
• 3.2.5 粘性比照
• 3.2.6 外力比照
• 3.2.7 波动性比照
• 3.3 集装箱港区道路基本方程
• 3.3.1 港区道路中的集卡车流连续方程
• 3.3.2 集卡车流运动微分方程以及虚拟力的引入
• 3.4 集装箱交通流状态识别
• 3.4.1 理想流体状态
• 3.4.2 粘性流体状态
• 3.4.3 状态识别
• 3.5 本章小结
• 4. 集装箱港区道路系统研究
• 4.1 集装箱港区道路长度应满足的要求
• 4.2 集装箱港区道路长度基本方程
• 4.3 道路长度表达式推导需说明的几个问题
• 4.4 集装箱港区道路系统参数测量
• 4.4.1 港区交通调查计划及实施
• 4.4.2 数据处理
• 4.5 本章小结
• 5. 熵与集装箱港区堆场系统
• 5.1 经典热力学基本理论
• 5.1.1 熵及其基本原理
• 5.1.2 热力学系统及其分类
• 5.1.3 平衡态与非平衡态
• 5.1.4 稳定与不稳定
• 5.2 非平衡态热力学基本理论
• 5.2.1 开放系统的状态与熵变
• 5.2.2 Lyapounov 稳定性定理
• 5.2.3 线形非平衡态与最小熵产生原理
• 5.2.4 非线性非平衡态与耗散结构理论
• 5.3 集装箱港区堆场系统的类热力学熵
• 5.3.1 集装箱港区堆场系统的热力学特性
• 5.3.2 集装箱港区堆场系统的熵描述
• 5.4 本章小结
• 6. 集装箱港区堆场系统稳定性研究
• 6.1 集装箱港区堆场系统现象描述
• 6.2 线性稳定性分析方法
• 6.3 Lotka-Volterra 模型
• 6.4 集装箱港区堆场系统的Lotka-Volterra 模型
• 6.5 参数确定
• 1意义及确定'>6.5.1 参数r₁意义及确定
• 2意义及确定'>6.5.2 参数r₂意义及确定
• 6.5.3 参数b 意义及确定
• 6.5.4 参数c 意义及确定
• 6.5.5 集装箱堆场Lotka-Volterra 模型具体形式
• 6.6 本章小结
• 7. 工程实例
• 7.1 本文结论对青岛前湾港2006 年运营评价
• 7.1.1 评价原则
• 7.1.2 青岛港各参数确定
• 7.1.3 道路系统评价
• 7.1.4 堆场系统评价
• 7.2 本文结论对青岛前湾港2010 年运营预测
• 7.2.1 2010 年青岛前湾港集运道路系统状况预测
• 7.2.2 2010 年青岛前湾港堆场系统堆存率阈值预测
• 7.3 本文结论在港口规划中的应用
• 7.3.1 根据规范设计堆场地面箱位数
• 7.3.2 根据本研究结论确定港区道路系统车道数
• 7.3.3 根据本研究结论确定道路最优长度及闸口数量
• 7.3.4 根据本研究结论确定堆存率控制阈值
• 7.3.5 规划方案总结
• 7.4 本章小结
• 8. 结论及展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 参与研究项目
• 博士期间发表学术论文