長江集裝箱班輪運輸系統(tǒng)可行流分析

長江集裝箱班輪運輸系統(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，在一定范圍內的不同港口之間，任何船舶都在一條特定路線上運營，從而實現(xiàn)整個艦隊的優(yōu)化運營。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都有一定的貨運量，在一個運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行最長時間設定約束。那么對于長江內河沿線港口的航線優(yōu)化，可以分為東線、西線來進行討論。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，都會有一定的待運貨運量（運出）、卸貨貨運量（運進），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輸航線優(yōu)化問題，最終目的是：以一定周期（7d）開設長江班輪運輸航線，在滿足各個港口貨運需求量的同時，使整個班輪運輸系統(tǒng)營運成本最低。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構如圖1所示。我們根據(jù)算例的前提假設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，總的貨運需求量為380TEU，大于船舶最大裝載量250TEU。進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上，再增加一個港口節(jié)點，同時保證航線總貨運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絡最大流問題的基礎上找到所有可行流，然后對所有可行流進行時間約束（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。在實際的航線設計過程中，我們要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運營成本最低，也就是在所有生成可行航線中，在使得總運營成本最低的前提下，進行航線設置選擇，同時要保證所有的港口在限定周期內都被訪問且滿足其運量需求，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的營運成本（包括港口所收費用）；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)化設置問題可用如下方程表示：目標函數(shù)式（1）的作用是使總的運營成本最低（包括航線港口費用）；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航運業(yè)優(yōu)化問題2.2中的航線優(yōu)化設置問題的求解，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行討論，本文在2.1中算例的基礎上進行航線優(yōu)化設置求解。設船舶運營成本為1萬元/d，港口費用為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)航線設置。4在內河的分段設置研究本文討論的是多船型的內河班輪航線設置問題，對于我國目前內河班輪運輸?shù)恼w規(guī)劃，有一定的指導作用。本文的研究方法也可用于大型船公司的船隊航線設置及配船方案決策。后續(xù)研究方向可以對內河進行分段，