多式聯(lián)運(yùn)聯(lián)合運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型

多式聯(lián)運(yùn)聯(lián)合運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型

隨著現(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展和國(guó)家綜合運(yùn)輸體系的逐步完善，多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸已成為中國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。多段交通優(yōu)化是多段交通鏈管理的核心內(nèi)容之一。由于運(yùn)輸方式對(duì)運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的占領(lǐng)和依賴性，在聯(lián)合運(yùn)輸系統(tǒng)中，運(yùn)輸方式的選擇與運(yùn)輸路徑的優(yōu)化密切相關(guān)。路徑優(yōu)化問(wèn)題也包括選擇運(yùn)輸方式。現(xiàn)有的研究大多是基于總運(yùn)輸時(shí)間、總運(yùn)輸成本或服務(wù)模式中的最佳選擇，通過(guò)建模分析了聯(lián)合運(yùn)輸路徑的選擇和優(yōu)化，最終將其轉(zhuǎn)換為最短模型、統(tǒng)一規(guī)劃模型或多目標(biāo)組合優(yōu)化模型。對(duì)于最短模型，研究較多，但現(xiàn)有模型通常認(rèn)為，如果在每個(gè)圖紙上連接兩個(gè)按鈕，則可以搜索，忽視整個(gè)傳輸過(guò)程中傳輸模式轉(zhuǎn)換的數(shù)量和轉(zhuǎn)換序列的合理性。計(jì)算公路通常是網(wǎng)絡(luò)圖上最好的，而不是用戶可以執(zhí)行的最佳類型，從而影響理論研究在實(shí)踐應(yīng)用上的過(guò)程和效率。在本文中，我們將重點(diǎn)關(guān)注聯(lián)合運(yùn)輸?shù)缆返暮侠砜尚行?，在現(xiàn)有的短距離模型的基礎(chǔ)上，研究聯(lián)合運(yùn)輸?shù)缆返暮侠磉x擇和優(yōu)化模型。1聯(lián)合運(yùn)輸全要素模型聯(lián)合運(yùn)輸是指綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的五大運(yùn)輸方式在設(shè)施、技術(shù)和組織上的科學(xué)配合和協(xié)調(diào)運(yùn)輸.由于管道運(yùn)輸?shù)奶厥庑?在研究聯(lián)合運(yùn)輸時(shí),通常不將其考慮在內(nèi).如果只是針對(duì)集裝箱貨物運(yùn)輸,則主要考慮公路、鐵路、水路3種方式.不失一般性,本文主要研究基于除管道運(yùn)輸外的其他4種方式的聯(lián)合貨物運(yùn)輸.采用聯(lián)合運(yùn)輸方式完成一次門到門運(yùn)輸任務(wù)的過(guò)程示意圖如圖1(a)所示,這是分析聯(lián)合運(yùn)輸全程運(yùn)輸方式組成結(jié)構(gòu)的比較直觀的表示方法,但是這一方法將所有的運(yùn)輸方式混合在一起,不利于描述單一運(yùn)輸方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).由于各種方式對(duì)運(yùn)輸設(shè)施存在獨(dú)占性,相互之間只有在樞紐處才能發(fā)生轉(zhuǎn)換關(guān)系,借鑒目前比較成熟的GIS分層技術(shù),可以將圖1(a)所示的運(yùn)輸過(guò)程轉(zhuǎn)換成圖1(b)所示的聯(lián)合運(yùn)輸立體分層示意圖,從圖1(b)中可以很清晰地看出整個(gè)聯(lián)合運(yùn)輸過(guò)程的運(yùn)作流程和參與聯(lián)合運(yùn)輸?shù)母鞣N方式的獨(dú)立與協(xié)作關(guān)系.理論上而言,4種運(yùn)輸方式之間可以任選2種或以上的組合進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)輸,但在實(shí)踐中,為了滿足貨主對(duì)不同貨物的運(yùn)輸需求,同時(shí)也是為了充分發(fā)揮各種運(yùn)輸方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),常見的運(yùn)輸組合主要有鐵公水聯(lián)運(yùn)、鐵公聯(lián)運(yùn)、鐵水聯(lián)運(yùn)、公水聯(lián)運(yùn)和公航聯(lián)運(yùn)等.鐵路通常是內(nèi)陸聯(lián)合運(yùn)輸中的主角,而海運(yùn)則在國(guó)際聯(lián)合運(yùn)輸中占主體地位.公路通常用來(lái)完成集散運(yùn)輸,是實(shí)現(xiàn)“門到門”聯(lián)合運(yùn)輸?shù)牟豢苫蛉钡倪\(yùn)輸方式.在聯(lián)合運(yùn)輸中,公路運(yùn)輸也叫做“拖運(yùn)”,相對(duì)運(yùn)輸全程而言,拖運(yùn)運(yùn)輸距離較短,但卻占據(jù)整體運(yùn)輸成本很大的比例(20%~40%),對(duì)聯(lián)合運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)應(yīng)用范圍有很大的制約作用,是聯(lián)合運(yùn)輸重點(diǎn)優(yōu)化內(nèi)容之一.2聯(lián)合運(yùn)輸合理路徑聯(lián)合運(yùn)輸合理路徑是指符合一般貨主或多式聯(lián)運(yùn)經(jīng)營(yíng)人貨物運(yùn)輸作業(yè)特性的包括運(yùn)輸方式使用在內(nèi)的合理可行的運(yùn)輸路徑方案.公路運(yùn)輸主要位于聯(lián)合運(yùn)輸路徑的兩端,鐵路、水運(yùn)、航空三者則是組成路徑中間主體的候選方式,這就是聯(lián)合運(yùn)輸方式的序列屬性.另外,由于各種運(yùn)輸方式都具備各自的合理運(yùn)輸距離,在此距離內(nèi),單一運(yùn)輸方式比聯(lián)合運(yùn)輸方式有較高的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).基于運(yùn)輸效益最大化的目標(biāo)考慮,運(yùn)輸企業(yè)或貨運(yùn)代理人不會(huì)為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合而放棄具有優(yōu)勢(shì)的單方式運(yùn)輸手段.現(xiàn)代物流中的合理運(yùn)輸原則也要求在運(yùn)輸方式的合理運(yùn)距范圍內(nèi)盡量選擇直達(dá)運(yùn)輸,從而減少中間環(huán)節(jié)帶來(lái)的成本提升和貨損增加.因此完成一次運(yùn)輸任務(wù)各種方式間換裝的次數(shù)必須有一定的約束,不能無(wú)限增加.本文定義的聯(lián)合運(yùn)輸合理路徑在一般聯(lián)合運(yùn)輸路徑概念的基礎(chǔ)上增加了2個(gè)約束條件:①合理的方式序列;②合理的換裝次數(shù).對(duì)于給定的聯(lián)合運(yùn)輸路線:鐵路-公路-鐵路;或者公路-鐵路-航空-水運(yùn)-鐵路-公路,在目前運(yùn)輸體系中認(rèn)為其不符合一般邏輯,是不合理的路徑,其中:鐵路-公路-鐵路與約束①?zèng)_突,而公路-鐵路-航空-水運(yùn)-鐵路-公路則存在換裝次數(shù)過(guò)多的不合理性.但是具體合理的平均換裝次數(shù)也需要通過(guò)足夠的統(tǒng)計(jì)資料才能獲悉.圖2為比較典型的公鐵聯(lián)運(yùn)過(guò)程,路徑序列為公路-鐵路-公路,換裝次數(shù)為2.3采用聯(lián)合運(yùn)輸合理路徑選擇模型3.1有多種擴(kuò)展運(yùn)輸方式某聯(lián)合運(yùn)輸商或代理人準(zhǔn)備將一批貨物從倉(cāng)庫(kù)O運(yùn)往一定距離以外的倉(cāng)庫(kù)D,途經(jīng)n個(gè)節(jié)點(diǎn),除始末節(jié)點(diǎn)僅有公路可利用外,其余每2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有m種擴(kuò)展運(yùn)輸方式可選(公路、鐵路、航空、水運(yùn)這4種方式都存在多種擴(kuò)展路線可以選擇,如公路運(yùn)輸可以選擇收費(fèi)的高速公路或者免費(fèi)的低等級(jí)公路,鐵路或者航空運(yùn)輸可以選擇不同的班次和貨箱),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有能力辦理?yè)Q裝業(yè)務(wù).整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程還可能受總行程時(shí)間、線路容量的約束和特殊貨物(如危險(xiǎn)品、易腐、牲畜、鮮活貨物等)換裝可能性的約束,在考慮上述條件下確定最佳運(yùn)輸方式組合與運(yùn)輸線路,使得總運(yùn)費(fèi)最低.3.2節(jié)點(diǎn)v,e根據(jù)3.1節(jié)描述問(wèn)題的特點(diǎn),構(gòu)建如圖3所示的聯(lián)合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖.圖3構(gòu)建了一個(gè)無(wú)向圖G=(V,E),V表示網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)(倉(cāng)庫(kù)、中轉(zhuǎn)站或者城市等);E表示邊集,包括運(yùn)輸弧和方式之間的換裝弧;運(yùn)輸弧指相同運(yùn)輸方式不同節(jié)點(diǎn)之間的連線,弧權(quán)表示貨物在兩節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)輸費(fèi)用;換裝弧則指相同節(jié)點(diǎn)不同運(yùn)輸方式之間的連接線,弧權(quán)表示貨物在節(jié)點(diǎn)處的換裝費(fèi)用.3.3運(yùn)輸方式的影響1)貨物在2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不能分割,即在2個(gè)城市之間只能選擇一種運(yùn)輸方式,不考慮多種方式的運(yùn)量分擔(dān)和分批運(yùn)輸;2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有足夠的能力辦理?yè)Q裝手續(xù);3)為保證運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性,假設(shè)貨物在節(jié)點(diǎn)處即時(shí)換裝,不考慮長(zhǎng)期倉(cāng)儲(chǔ);4)運(yùn)輸線路成本與距離成線性關(guān)系.3.4運(yùn)輸能力約束目標(biāo)函數(shù)由運(yùn)輸費(fèi)用、換裝費(fèi)用和懲罰費(fèi)用構(gòu)成,即minz=∑i∈n∑i∈mcki,i+1xki,i+1+∑i∈n∑k∈m∑l∈mdkliykli+Ρt(1)minz=∑i∈n∑i∈mcki,i+1xki,i+1+∑i∈n∑k∈m∑l∈mdkliykli+Pt(1)式中,cki,i+1ki,i+1表示從節(jié)點(diǎn)i到i+1之間,運(yùn)輸方式為k的貨物運(yùn)輸成本;xki,i+1ki,i+1∈{0,1},1表示在節(jié)點(diǎn)i與i+1之間選擇第k種運(yùn)輸方式,0表示選擇其他方式;dklikli表示在節(jié)點(diǎn)i處,運(yùn)輸方式由k轉(zhuǎn)換到l時(shí)的中轉(zhuǎn)費(fèi)用;ykli∈{0,1},1表示在節(jié)點(diǎn)i處由方式k轉(zhuǎn)換到方式l,0表示不發(fā)生轉(zhuǎn)換;Pt表示超過(guò)合約期限的懲罰成本.約束條件:2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間只能選擇一種運(yùn)輸方式,即∑xki,i+1=1?i∈n(2)在某一個(gè)節(jié)點(diǎn)處,至多發(fā)生一次轉(zhuǎn)換,即∑k∈m∑l∈mykli≤1?i∈n(3)如果在節(jié)點(diǎn)i運(yùn)輸方式由k轉(zhuǎn)換為l,則從節(jié)點(diǎn)i-1到城市i,運(yùn)輸方式為k,從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)i+1,運(yùn)輸方式采用l,即xki,i-1+xli,i+1≥2ykli?i∈n,k∈m,l∈m(4)貨物實(shí)際運(yùn)達(dá)時(shí)間由線路運(yùn)輸時(shí)間和換裝時(shí)間組成,即t=∑i∈n∑k∈mtki,i+1xki,i+1+∑i∈n∑k∈m∑l∈makliykli(5)式中,t為貨物運(yùn)輸總時(shí)耗;tki,i+1為從節(jié)點(diǎn)i到i+1之間,運(yùn)輸方式為k的貨物運(yùn)輸時(shí)間;akli為在節(jié)點(diǎn)i處,運(yùn)輸方式由k轉(zhuǎn)換到l時(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間.線路或運(yùn)輸工具容量約束為qxki,i+1≤fki,i+1?i∈n,k∈m(6)式中,q為貨物的總運(yùn)量;fki,i+1為節(jié)點(diǎn)i與i+1之間第k種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸能力.懲罰函數(shù)為Ρt={0t＜Τ(t-Τ)pt≥Τ(7)式中,T為起點(diǎn)到終點(diǎn)容許的最大時(shí)間期限;p為單位時(shí)間的懲罰值.實(shí)際運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換次數(shù)為g=∑i∈nykli?k∈m,l∈m(8)運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換次數(shù)約束為g≤G(9)式中,G為最大換裝次數(shù).運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換序列約束為s∈S(10)式中,s為實(shí)際換裝序列;S為合理?yè)Q裝序列集合,S={S1,S2,…,Sn}.變量非負(fù)性約束為cki,i+1,tki,i+1,fki,i+1,akli,dkli,t,T,g,G,p,P,Pt≥0(11)3.5生成層開關(guān)模型可以通過(guò)建立序列禁忌表,用改進(jìn)的最短路算法進(jìn)行搜索求解.除了采用常規(guī)的路徑搜索方法先求出所有備選路徑,然后再根據(jù)合理性約束條件進(jìn)行后期篩選外,本文認(rèn)為在借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中,另一個(gè)比較有效的思路是通過(guò)引入方式層開關(guān),在搜索過(guò)程中進(jìn)行控制.例如,假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有4種運(yùn)輸方式可選,起點(diǎn)方式為公路運(yùn)輸.輸入合理序列{公路-鐵路-水運(yùn)-公路},并開始執(zhí)行路徑搜索命令.當(dāng)搜索點(diǎn)在起點(diǎn)時(shí),水路、航空對(duì)應(yīng)的方式層將被關(guān)閉,而鐵路層和公路層則被激活(當(dāng)前所使用的運(yùn)輸方式的層自動(dòng)激活);當(dāng)前方式為鐵路時(shí),除水路層和鐵路層外,其余運(yùn)輸方式層將被關(guān)閉.在運(yùn)輸方式發(fā)生更替時(shí),方式轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器累加,超過(guò)限制的路徑將被放棄.以此類推,直到完成可用路徑的搜索.從結(jié)果集中根據(jù)貨主或多式聯(lián)運(yùn)經(jīng)營(yíng)人的決策偏好選取合適的聯(lián)合運(yùn)輸路徑進(jìn)行詳細(xì)運(yùn)輸方案的進(jìn)一步設(shè)計(jì).理想情況下,所有的序列都被允許,轉(zhuǎn)換的次數(shù)也無(wú)限制,那么模型求解的算法和算例可以參考與本文接近但不含合理性約束的相關(guān)文獻(xiàn).4費(fèi)用最短路問(wèn)題在已有多方式聯(lián)合運(yùn)輸靜態(tài)路徑優(yōu)化問(wèn)題研究的基礎(chǔ)上,提出聯(lián)合運(yùn)輸合理路徑的概念,并基于聯(lián)合運(yùn)輸?shù)牧鞒谭治隽撕侠砺窂降闹饕x.通過(guò)構(gòu)建聯(lián)合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖,分析運(yùn)輸總費(fèi)用和總時(shí)間的組成,將聯(lián)合運(yùn)輸合理路徑的選擇問(wèn)題轉(zhuǎn)化為帶有換裝序列和換裝次數(shù)等多重約束的廣義費(fèi)用最短路問(wèn)題,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型.模型可以為聯(lián)合運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)人在進(jìn)行運(yùn)輸組織優(yōu)化決策時(shí)提供參考,同時(shí)通過(guò)不同的求解方法(如K最短路算法)可以為綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上貨流量的多路徑加載提供與運(yùn)輸實(shí)踐比較一致的合理路徑.聯(lián)合運(yùn)輸路徑中方式的合理序列不是一成不變的.綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的用戶(貨主或多式聯(lián)運(yùn)經(jīng)營(yíng)人)只能在現(xiàn)有的技術(shù)條件約束下選擇運(yùn)輸方式