長江集裝箱班輪運(yùn)輸系統(tǒng)可行流分析

長江集裝箱班輪運(yùn)輸系統(tǒng)可行流分析

1航道優(yōu)化模型最典型的艦隊路線規(guī)劃問題（rp）是，在一定范圍內(nèi)的不同港口之間，任何船舶都在一條特定路線上運(yùn)營，從而實現(xiàn)整個艦隊的優(yōu)化運(yùn)營。其中每一條航線開始于某一個港口，掛靠一個或多個其它港口，再回到起始港口，形成一個閉合回路；同時每個港口在一定周期內(nèi)都有一定的貨運(yùn)量，在一個運(yùn)輸周期中有且僅有一艘船舶訪問該港口；同時每一艘船舶都有給定的載重噸；對每一航線的船舶運(yùn)行最長時間設(shè)定約束。那么對于長江內(nèi)河沿線港口的航線優(yōu)化，可以分為東線、西線來進(jìn)行討論。東線就是從重慶港往上海港方向航線；西線反之。對于每一個港口，都會有一定的待運(yùn)貨運(yùn)量（運(yùn)出）、卸貨貨運(yùn)量（運(yùn)進(jìn)），如表1所示。為了更好地討論航線優(yōu)化，我們暫時只選擇長江沿線的主要港口作為討論對象，在實際操作中，可以根據(jù)實際需要而增加考慮的港口數(shù)目。同時，由于東線、西線的等價性，本文主要對東線航線進(jìn)行分析研究，而西線航線只是同一問題的簡單變形。航線選取基本原則是：東線航線起始港：重慶港，終點港：上海港；西線航線起始港：上海港，終點港：重慶港。本文所探討的長江沿線班輪運(yùn)輸航線優(yōu)化問題，最終目的是：以一定周期（7d）開設(shè)長江班輪運(yùn)輸航線，在滿足各個港口貨運(yùn)需求量的同時，使整個班輪運(yùn)輸系統(tǒng)營運(yùn)成本最低。2研發(fā)可行線路本文采用兩階段最優(yōu)化方法來解決航線優(yōu)化問題。第一階段：找出所有滿足航線時間（7d）、滿足裝載量約束的所有可行航線；第二階段：從中找出使總營運(yùn)成本最低、并掛靠所有港口的數(shù)條航線作為最終的最優(yōu)航線。2.1．生成可行線路在第一階段，我們的目的是找出所有滿足時間、裝載量限制的航線，這個問題我們可以通過一個簡單例子來加以說明。我們假設(shè)船舶最大裝載量為250TEU，航線周期時間限制為7d，各港口裝載需求量及它們的結(jié)構(gòu)如圖1所示。我們根據(jù)算例的前提假設(shè)去生成所有可行航線，發(fā)現(xiàn)航線1—2—3—4為不可行航線，因為，總的貨運(yùn)需求量為380TEU，大于船舶最大裝載量250TEU。進(jìn)而得到所有可行航線如表2所示。航線生成方法可以描述如下：步驟1找出從始發(fā)港直達(dá)終點港的航線，生成第一條可行航線；上面算例中的航線1—4就是因此而生成。步驟2在第一條可行航線的基礎(chǔ)上，再增加一個港口節(jié)點，同時保證航線總貨運(yùn)需求量小于等于船舶最大裝載量，航線航行時間不超過7d，進(jìn)而生成包含3個港口節(jié)點的可行航線；上面算例中的1—2—4、1-3—4就是根據(jù)此原則而生成。航線生成問題可以看作是在網(wǎng)絡(luò)最大流問題的基礎(chǔ)上找到所有可行流，然后對所有可行流進(jìn)行時間約束（是否滿足小于等于7d），所以是一個比較簡單的計算過程，我們可以通過圖2來描述整個航線生成過程。在實際的航線設(shè)計過程中，我們要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運(yùn)營成本最低，也就是在所有生成可行航線中，在使得總運(yùn)營成本最低的前提下，進(jìn)行航線設(shè)置選擇，同時要保證所有的港口在限定周期內(nèi)都被訪問且滿足其運(yùn)量需求，這就是本文所要解決的實際問題。在增加了這些約束條件之后，每條航線所掛靠港口數(shù)目、可行航線數(shù)，相對來說都會變得為數(shù)不多。因此，對于特定船舶的所有可行航線將較容易得到。對于船隊中的所有船舶，都只需要重復(fù)該過程就可以分別找出各船舶的可行航線。2.2主啟示三：trk得責(zé)任法用k來表示船隊中的某種船型，用r來表示船舶k的所有可行性航線。Akri是1個為0或者1的常量：如果船舶k航行航線r掛靠港口i，則Akri值為1，否則為0。Crk表示船舶k航行航線r的營運(yùn)成本（包括港口所收費(fèi)用）；Trk表示船舶k航行航線r所需要的時間。Akri,Crk和Trk的值在2.1中的航線生成過程已經(jīng)得到，TMAX是航線周期所允許的最長時間，在本文中取值為7d。令xrk為取0或1的變量，當(dāng)船舶k航行航線r時xrk取1，否則取0。多船型多航線的優(yōu)化設(shè)置問題可用如下方程表示：目標(biāo)函數(shù)式（1）的作用是使總的運(yùn)營成本最低（包括航線港口費(fèi)用）；約束方程（2）是確保7d每個港口至少被掛靠1次；方程式（3）限定每種船型的每一航線周期都不超過最大允許時間；式（4）限定每艘船舶至少航行一條航線（當(dāng)然，如果允許有閑置船舶，此約束方程可以省去）；式（5）給變量xrk限定其取值范圍。3航運(yùn)業(yè)優(yōu)化問題2.2中的航線優(yōu)化設(shè)置問題的求解，實際上就是求一個線性規(guī)劃問題的最優(yōu)解。由于篇幅有限，也為了使問題便于描述，只對單一船型情況進(jìn)行討論，本文在2.1中算例的基礎(chǔ)上進(jìn)行航線優(yōu)化設(shè)置求解。設(shè)船舶運(yùn)營成本為1萬元/d，港口費(fèi)用為1萬元/次，則由2.2可得優(yōu)化問題的方程如下：可得最優(yōu)解為：x1=0,x2=1,x3=1；也即：選擇航線2、航線3，就是最優(yōu)航線設(shè)置。4在內(nèi)河的分段設(shè)置研究本文討論的是多船型的內(nèi)河班輪航線設(shè)置問題，對于我國目前內(nèi)河班輪運(yùn)輸?shù)恼w規(guī)劃，有一定的指導(dǎo)作用。本文的研究方法也可用于大型船公司的船隊航線設(shè)置及配船方案決策。后續(xù)研究方向可以對內(nèi)河進(jìn)行分段，