（交通运输规划与管理专业论文）基于GIS的运输协同研究.pdf

武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 摘要 公路运输在整个交通运输业中处于基础地位。在公路、水路、铁路、民航、 管道五种主要运输方式中，公路货运量、周转量远远超过其他运输方式，在国 民经济及社会发展中占有重要地位。 在过去的2 0 多年的时间里，公路货运由于基础设施、装备水平的提高取得 了巨大的进步。但是，随着经济的快速增长，市场竞争的不断加剧，公路货运 也面临一些问题：大多数企业规模偏小、社会运力的地域分布不均、组织管理 水平落后、市场无序竞争加剧、经营信息网络落后。所有这些都严重地制约了 公路货运企业的发展，特别是社会上为数众多的中小公路货运公司面临困境， 急需提高企业经营管理水平，进而在激烈的市场竞争中胜出。 本文从公路运输企业的合作入手，研究企业间在运输过程中的协同作业。协 同运输，通常是指两个或多个运输企业，为完成某项运输任务，相互分工合作， 共同完成整个运输，实现货物空间位移；它可以是各种不同运输方式的组合， 也可是同种运输方式在不同地理位置的接力；它运用g i s 技术和网络技术作为 信息交流和传递的手段；最终建立出一种新型的合作竞争关系，提高企业自身 的运营成本和管理水平，降低企业运输的综合成本，提升企业的市场竞争力。 论文首先简介了g i s 技术，分析了国内外g i s 在交通运输中的运用情况，接 着阐述了协同的基本理论，对合作企业的选择、协同运输业务的确定进行了研 究，描述分析了车辆调度的一些算法；最后运用基于组件的g i s 技术，结合车 辆调度的数学模型，开发出企业协同网络调度的信息管理系统，实现相关协作 运输调度的智能安排和图形化显示，并对企业经营数据进行统计、分析，为运 输企业之间的信息共享、交流合作提供了一个支持平台，进而为提高公路运输 企业的经营管理水平和市场竞争力提供了新的手段。 关键词：协同运输，g i s ，公路运输，车辆调度 武汉理上火学硕士学位论文 a b s t r a c t r o a d t r a n s p o r t a t i o n i sa tt h eb a s i cr a n ki nw h o l e c a r r y i n g t r a d e r o a d t r a n s p o r t a t i o n i sm u c hb e t t e rt h a nt h e o t h e rf i v e t r a n s p o r t a t i o ns t y l e s ：r o a d t r a n s p o r t a t i o n ，w a t e r a g e r a i l a g e ，a i rt r a n s p o r t a t i o n ，p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ni nf r e i 【g h t v o l u m ea n dt u r n o v e rv o l u m e i tp l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l ei no u rn a t i o n se c o n o m y a n ds o c i a ld e v e l o p m e n t i nt h ep a s tt w e n t yy e a r so u rn a t i o n sr o a dt r a n s p o r t a t i o nh a sm a d e g r e a tp r o g r e s s w h i c hb e n e f i t sf r o mt h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o nb a s i cf a c f l i t i e sa n dt h el e v e lo f c a r r y i n gt o o l s b u ta l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ed r a s t i c c o m p e t i t i o n o fm a r k e t ，r o a d t r a n s p o r t a t i o nf a c e sb i g g e rc h a l l e n g e t h a nb e f o r e s o m e p r o b l e m ss u c ha sm o s tc o m p a n i e s s c a l et o os m a l l d i s e q u i l i b r i u mt r a n s p o r t a t i o n c a p a c i t y ，p o o rm a n a g e m e n t l e v e l ，d i s o r d e rm a r k e t c o m p e t i t i o na n dp o o rm a n a g e i n f o r m a t i o nh a v er e s t r i c t e dt h ep r o g r e s so fr o a dt r a n s p o r t a t i o n e s p e c i a l l yf o rm a n y s m a l lc a r r y i n gc o m p a n i e st h ep r o b l e me x i s t si ne v i d e n c e s ot h e s ec o m p a n i e sn e e d i m p r o v em a n a g e m e n t t h e m s e l v e s t h et h e s i s m a i n l yd i s c u s s e s c o l l a b o r a t eb e t w e e nc a r r y i n gc o m p a n i e s ，a n d s t u d y i n gt h ec o l l a b o r a t ew o r ki nt r a n s p o r t a t i o np r o c e s s c o l l a b o r a t et r a n s p o r t a t i o n ， g e n e r a l l yi s t w oo rm o r ec o m p a n i e sf i n i s ho n et r a n s p o r t a t i o nt a s kb yc o o p e r a t i n g ， a c h i e v i n gc a r g ot r a n s f e rf o r m o n ep l a c et oa n o t h e r i tm a yb et h es a m et r a n s f e rs t y l e ， a n dc a nb ed i 虢r e n ta l s o a tt h es a m et i m e ，i tu s e sg i sa n dn e t w o r k t e c h n o l o g y t oc o n v e yi n f o r m a t i o n a tt h ee n di t h e l p t h ec o m p a n i e sb u i l tan e wc o o p e r a t e r e l a t i o n ， i m p r o v e i t sm a n a g e m e n tl e v e r ，d e c r e a s ec o m p a n y st r a n s p o r t a t i o nc o s t ， a n de n h a n c et h ea b i l i t yo f c o m p e t i t i o n a tf i r s tt h et h e s i si n t r o d u c e sh o wt h eg i su s e di nt r a n s p o r t a t i o n 。a n da n a l y z i n g i t sa p p l i c a t i o ni nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l t h e ni n t r o d u c e st h eb a s i cc o i l a b o r a t i o n t h e o r y ， s e l e c t i o no fc o l l a b o r a t i o np a r t n e r ，t h es e l e c t i o no fc o l l a b o r a t i o nb u s i n e s s ， s o m ea r i t h m e t i ca b o u tv e h i c l es c h e d u l i n ga n dh o wt os c h e d u l i n g a tt h ee n d ，i tu s e t h eg i sb a s e do nc o m p o n e n t0 b j e c t ， i n t e g r a t e st h em o d e lo fv e h i c l es c h e d u l i n g ， b u i l t st h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to fv e h i c l es c h e d u l i n gf o rc o m p a n i e s i th a ss o m e f u n c t i o n sa sf o l l o w s ：c o l l a b o r a t e p l a n n i n g ，v i s u a l i z i n gs c h e d u l i n g i n f o r m a t i o n ， s h a r i n gi n f o r m a t i o nb e t w e e nc o m p a n i e s i tc a nc o u n ta n da n a l y s et h ed a t af o rt h e c o m p a n y s oi tp r o v i d e sas o f t w a r ee n v i r o n m e n tt oi m p r o v ec o m p a n ym a n a g e m e n t l e v e la n dm a r k e tc o m p e t i t i o nc o m p e t e n c e 。 k e y w o r d s ：c o l l a b o r a t i o nt r a n s p o r t a t i o n ，g i s ，r o a dt r a n s p o r t a t i o n ，v e h i c l e s c h e d u l i n g h 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 第1 章概述 在经济活动日益频繁的现代社会，运输生产活动已经完完全全地由以前的 单一企业完成单一运输的状况变更为多企业共同为某一运输任务，相互合作， 共同完成的过程，在这个过程中产生了许多新兴的概念，如多式联运、综合运 输、共同配送等。结合我国当前运输业存在的运输成本高，管理运营水平低的 现状，本文拟从多企业合作的问题入手，结合运用g i s 信息技术，研究企业相 互间进行运输业务合作的技术与方法进行研究，整合企业与社会间的资源，以 优化运输体系，提高企业的经营管理水平，创造更好的效益。 1 1 研究的背景与现状 企业协同运输的概念：协同运输是指两个或多个运输企业，为完成某项运输 任务，相互分工合作，共同完成整个运输，实现货物空间位置上的转移的运输 方式。它可以是各种不同运输方式的组合，也可是同种运输方式在不同地理位 置的接力。 运输企业的协同工作在很早就产生了，由于交通运输工具能力的限制，对于 某些货物的运输采用了分段运输的形式，其中最具代表性的方式是国际间货物 的多式联运。由于这种不同运输方式综合组织和多式联运企业提供全程所有的 运输服务，因此大受货主欢迎。目前，国际多式联运已广泛运用于国际集装箱 的运输，获得大众的认可。 目前，人们对于多企业下的协同运输的研究并不深入。在传统的多式联运业 务过程中，实行的是多家企业，一次托运，包干计费，一票到底全程负责的衔 接运输或者直通运输。但往往在业务过程当中，各家企业往往从运输方式的相 互补充来进行合作，而同种运输方式的企业之间则往往相互视为竞争对手。这 种状况下同行业的企业之间相互缺乏合作，对社会和企业的运力资源是一种很 大的浪费，同时也不利于企业提高市场竞争能力和服务水平。把运输企业之间 的合作从横向合作向纵向联合扩展，在更深的层次上实现社会资源与企业资源 的融合与运用。这种协同能解决目前我们运输业存在的一些关键问题。 此外，我国运输业对新兴的信息技术的发展反映较为迟钝，尤其对于国内数 量众多的中小运输企业来说，更是如此。企业间的合作，离不开信息技术的支 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 撑，而对现代信息技术适当的运用，则更能有助于提高企业之间的合作层次， 提高其效能，最终提升自身的市场地位和竞争能力。 运输系统与空间位置有着紧密的联系，把g i s 系统运用于运输管理，能更直 观地反映物流的状态，更能接近用户且方便理解与操作。同时，运用g i s 强大 的地理数据功能来完善运输分析技术，也已经成为当前物流技术研究的热点之 一。当前，国外已经开发出利用g i s 为运输分析及规划等提供专门分析的软件。 而国内这方面的研究起步较晚，但是已经得到了足够的重视，已有一些企业也 在这方面取得了较大的进展。综合国内外的g i s 与运输物流技术研究成果，按 照应用的方向可以大致的分为以下几个方面：车辆路线模型、网络物流模型、 分配集合模型、设施定位模型。但是基于企业协同研究方面的内容，则不多见。 1 2 课题的目的和意义 随着中国经济的稳步增长，我国运输业发展迅猛。但大多企业规模不大， 且呈地域性分布，多数企业仅在某一有限的地域或领域占有一定的优势。因此， 我国运输业当前迫切要求的是对现有的资源的进行有效的整合、优化。同时， 通过参与者相互取长补短，通过关键技术，核心能力等方面的协作，使优势内 部化，减少成本和风险。它能解决当前运输领域存在的诸多问题，具体如下： 降低竞争。目前我国运输业经常存在着行业集中度高、竞争强度过大的问 题，相互之间的竞争往往是以竞相杀价、多方俱伤而终，十分不利于行业的良 性发展。如果主要的运输企业之间能够建立某种形式的合作关系，必定会降低 行业内部的竞争强度。 资源、能力的互补。资源、能力的互补不仅指运输工具、经营网点、经营能 力，还包括信息上的共享。不仅减少了大量制造支出费用和资金占用，还充分 利用了他人的劳动和要素投入，将运输中承担的质量、交货时间等风险，分散 到各参加者方面，以利集中精力做好自己擅长的业务，并以产品品牌等开拓市 场，培养核心竞争力。 对新技术做出反应。如在信息系统方面的合作，这是对一个新技术出现所 产生的合作反应，通过战略联盟共同承担新技术开发的费用和风险。 2 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 由此可见，运输企业的协作大有可为。基于g i s 的运输协同网络的研究，就 是为了解决运输企业在多公司运输协同时所面l 临的问题进行研究，是对企业管 理技术、决策科学、信息技术和人工智能的综合运用。 同时，采用e l 前先进的g i s 技术及网络信息技术与协同原理相结合，汲取 网络信息技术在通信及智能自动化方面的优点，有利于理论向实践应用的转化， 使研究更具有实际意义。 3 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 第2 章g i s 技术介绍及在运输业中的运用 2 1g is 基础5 地理信息系统( g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 的任务是采集、存 储、管理、分析和显示地球空间信息。它是以数字化的形式反映人类社会赖以 生存的地球空间的现状和变迁的各种空间数据以及描述这些空间数据特征的属 性，以模型化的方法来模拟地球空间对象的行为，在计算机软、硬件的支持下， 以特定的格式支持输入输出、存贮、显示咀及进行地理空问信息查询、综合分 析、辅助决策的有效工具。一句话，地理信息系统为人们提供了管理地理信息 和开展空间分析的先进工具。 目前已有许多学者讨论了利用g i s 进行运输线路模拟分析的问题，正是凭借 g i s 对空间数据强大的空间分析和管理功能g i s 能够为运输模型提供一整套基于 g i s 规范的空间操作，用以反映具有空间分布特性的运输问题，并可对结果可视 化显示。因此g i s 技术和运输模型的结合已广泛地应用于运输调度。 2 1 1 g i s 的组成及其功能 1 ) g i s 的组成 g i s 主要由三大部分组成，即： ( 1 ) 计算机及其附属设备； ( 2 ) 地理数据库及具有数据操作、分析功能的数据库管理系统 ( 3 ) 各种制图输出工具及其他输出设备。 2 ) g i s 的主要功能 ( 1 ) 数据的操作与处理功能： ( 2 ) 制图功能； ( 3 ) 空间查询与分析功能； ( 4 ) 地形分析功能。 2 1 2g l s 在交通工程中的应用 4 武汉理工人学硕士学位论文 1 ) 采用g i s 研究交通问题的优点 ( 1 ) 快速灵活性 ( 2 ) 客观定量性 ( 3 ) 强大的分析模拟能力 2 ) g i s 在交通工程中的应用 ( 1 ) 交通规划与设计中的应用 ( 2 ) 道路交通管理中的应用 ( 3 ) 交通设施管理中的应用 ( 4 ) 运营管理中的应用 g i s 作为- - f 新兴的边缘学科，不仅在交通工程中广泛应用，就是在其他方 面，如军事指挥、警用应急系统、抢险指挥系统、保险监控系统等都有广泛的 应用和成功的范例。特别是g p s 的采用及其和g i s 技术的合成，更为军事、金 融、交通等众多领域提供了发展潜力和广泛的应用前景。目前交通部门的不少 领导、工程管理人员、研究人员、技术人员已将g i s 运用到交通行业的许多方 面，甚至将其作为预测、规划和设计时的重要参考依据和手段。由于g i s 的成 功应用，越来越多的业内人士开始接受并运用这一先进的、科学的研究手段， 可以相信随着g i s 及其相关技术的日益成熟，6 i s 在交通工程中的应用将更为 广阔。 2 2g ls 在运输中的运用 现代物流包括传统的运输、仓储、配送及相关的信息活动。在现代计算机 及通信技术的支撑下，现代物流无论在生产还是在流通领域都起着极为重要的 作用。运作良好的物流系统辅以现代信息技术能使企业快速反应、库存成本和 运输综合成本最低，帮助企业降低运营成本，提高客户价值。 2 2 1 国外g i s 在运输方面的进展”1 国外从事物流运输配送系统设计的公司有很多，有些物流软件已比较成熟， 其中一些软件已经被u p s 、联邦快递、可口可乐等世界著名公司使用。通过对美 国国内十几种主流行车路线管理软件分析比较，得出以下结论。 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 1 ) 多操作平台，使用广泛不仅全部具有w i n d o w s 下运行的产品，还有部 分产品可以在l i n u x 、u n i x 平台下运行 2 ) 支持大数据操作和多样化的线路安排功能。多数软件可以处理i 0 0 0 0 个 配送结点和i 0 0 0 辆车辆的配送任务分解，支持大规模的数据操作，适合各种类 型的企业使用。大部分的软件支持点路线安排、日常线路安排、实时路线、弧 形路线安排和分析功能。每种软件至少支持3 种以上的路线规划功能。充分考 虑各种情况下的配送方案，并可以根据用户的要求进行修改。 3 ) g i s 已经成为软件的基础平台，图形接口标准化。所有的软件无一例外 选择了g i s 作为实现线路和站点可视化的基础平台，在g i s 平台的基础上集成 其他空间分析、规划决策功能。不仅如此，各款软件都将地理编码功能作为其 软件的g i s 可以实现的基本功能之一。所谓地理编码( g e o c o d e ) 也被称为地址 地理编码，是指建立地理位置坐标与给定地址一致性的过程。例如，我们已经 有了上海市具有门牌号码的详细地图，当网上订单处理过程中收到订户的家庭 地址时，通过g i s 的地理编码过程，就可以门牌号码这种比较模糊的问题信息 与街道网相匹配，容易让我们明白订户的具体位置。当送货人员手持一份位置 地图去寻找客户时，这样的寻找工作将会得到极大的简化。 除此之外，这些软件还充分发挥了g i s 的图上查询优势，通过单击图上线 路或者站点就可以编辑线路。 由于地图具有的直观特性和g i s 的空间分析能力，尽管很多时候我们对于 空间有一个感性的认识，但是相应的地区以文字形式表达的时候我们却并不能 联想起相关的信息，采用g i s 的可视化地图操作可以节约用户输入查询条件的 时间和工作，通过图上以直观的形式直接选择，辅以简单空间分析功能，就能 方便操作，并通过空间查询结合自己的经验知识判断路线规划的正确性。 为了保证系统具有广泛适应性，几乎所有的系统都采用了比较通用的地图格 式和数据格式，如：e t a k t e l e a t l a s 、g d t 、n a yt e c h 和t i g e r e t a k t e l e a t l a s 提供了美国全国高质量街道的地图数据库：g d i 是地理数据库，使用较为广泛的 6 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 地图数据；n a yt e c h 也是一种地图数据库，使用较为广泛；而t i g e r 则是美国 人口普查数据信息网。而这些数据都是全国共享、更新的，当有户需要时可以 直接使用，不需要对基础数据进行再加工，这样减少了系统开发中的工作量和 成本，也可以使系统只有较强的通用性。购买产品的用户只需要将配送规划区 域的地图和自己的业务数据导入即可使用，大大缩短了系统转换时间。 我国由于地图数据共享建设的问题，一直没有建立这样可以公众共享的地 图数据库，因此各种软件在设计之初不得不采取自己制作或者购买其他单位部 门地图的做法，这样产生的问题包括地图精度不够、地图更新缓慢、系统产品 化难度高等。 2 2 2 国内企业运用g i s 情况分析 目前，国内外具有实力的运输物流业均建立了自己的物流信息系统。国内 的中远、中海、中外运都为自己的企业开发出运输信息管理系统，为提高各自 的服务水平和竞争力作出了很大的贡献。 国内目前开发出的路线规划产品，主要集中在w i n d o w s 平台下，其它平台 的不多见，基于w e b 的产品主要集中在一些业务处理和利用g p s 进行物流跟踪， 能够进行决策优化的产品并不成熟。 目前，我国配送运输类软件也不下二三十种，但是尚未出现较有市场竞争 力的产品，也没有出现大规模使用现状，一方面说明我们的软件产品需要随着 物流技术的发展提高，另一方面说明我们的运输配送软件的潜在市场较大。 7 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 3 1 运输网络介绍 第3 章运输企业合作 运输企业之间的协同，离不开运输网络，一个完善的交通网络，能够及时地 把顾客要求的货物及时有效地送到顾客的手中，实现货物的空间价值。 交通运输的任务是以一定的交通工具及相应的交通运输设施，通过一定的线 路，实现客货从一地向另一地位移。交通运输的任务决定了交通运输系统结构 的显著特点是交通运输有多个起讫点、多条线路、多种交通运输方式及交通运 输设施等交叉组合所形成的复杂的网络结构。交通运输系统结构的网络性很强， 大至国家、地区，小至城市交通小区、运输枢纽、车站内部，均形成网络服务 系统。 运输网络简称运输网或运网。所谓运输网络，是指在一定的范围内，根据各 种运输方式的优缺点，进行合理分工，协调发展的原则，由各种运输方式的线 路、枢纽等固定设施有机结合，联系贯通而组成的交通运输体系中的静态结构 体的综合体。 运输网是运输生产的主要物质基础，其空间分布、通过能力和技术水平体 现了整个运输系统的状况与水平，在运输业发展中占有十分重要的地位。运输 网的结构与水平直接影响着交通运输系统的功能。 运输网的有一定的层次结构性，既包括了全国综合运输网，同时还包括在 全国运输网的覆盖下各级地方运输网。一个高水平的综合运输网也必然是一个 从全国到各级地方的运输网，即综合运输网要求层次完善、结构合理、以实现 最大的功能。从运输是为生产服务的观点出发，运输网的体系应该是与国民经 济的体系相协调。同样，各级地方运输网则要求与各级地方经济发展相适应， 这就要求形成各具特色的运输网络。 全国和大经济区级的骨干网主要是由现代化的铁路、水运干线、高等级公路 和航空线路组成的。省级的运输网还包括一定比例的一般公路和地方航道。而 省内的地方综合运输网则根据各自经济水平和自然条件的差异，技术状态亦会 不同。如淮河、长江流域一些地区，内河运量占地区运量的7 0 以上( 如浙江 省) ，而北方的水运比重却是微不足道的，又如东北和华北地区，与其发达的工 8 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 业，特别是重工业摆适应歇是稠密的、通过能力较大静以铁道鸯主的运输冈。 南方各省区工业较为分散，运输网的骨干是由不太稠密的铁路和水运干线共同 组成；而西北和西南等新开发地区公路在运输网中就占有重要地位。 综合运输体系的空间布局就形成典型的网络结构。各种运输方式的线路、航 道、道路、航线构成网络的边，这些边的端点及交叉点，如交通路口、车站、 码头、机场和交通枢纽构成交通运输网络的节点。蚤子系统内部也是由线路、 道路、运输服务设施及库场、站台、码头、出入口等组成的复杂的网络子系统。 这是区域、城市及各种运输方式等共同具有的网络结构特点。 在交通系统分析中，我们引进数学中的网络图论的表达方法将各种交通子系 统共同的结构特点抽象出来，以网络图论的符号进行描述。 定义： g 一 ，y ) 式中：g 一代表运输网络； 一交通运输网络节点； y 一交通运输网络的边。 3 2 我国的公路运输企业 公路运输作为一种便捷的交通方式之一，为国民经济带来了巨大的经济效益 和社会效益，而且也越来越显示出它在国家和社会发展中的重要地位和作用。 】) 公路运输的特点 在综合运输体系中。公路运输最大的特点是公路运输的灵活性，从技术经 济特性来看，其灵活性在所有的运输工具中最强。公路运输的灵活性表现在以 下几个方面： ( 1 ) 空间上的灵活性，可以实现“门到门”的运输： ( 2 ) 时间上的灵活性，公路货运通常可实现即时运输，即根据货运的需求 及时启运： ( 3 ) 批量上的灵活性，公路运输的启运批量最小： ( 4 ) 运行条件的灵活性，公路运输的服务范围不仅仅在等级公路上，还可 以延伸到等级外的公路，甚至许多乡村便道的辐射范围，普通货物的装卸对场 武汉理_ _ l 人学硕士学位论文 地、设备没有专门的要求，： ( 5 ) 服务上的灵活性，具体表现为能够根据货主或旅客的具体要求提供有 针对性的服务，最大限度地满足不同性质的货物运送要求与不同层次旅客的需 求。 公路运输的灵活性，决定了其运输生产点多、面广的特点。 2 ) 公路运输企业面临的一些问题 尽管公路运输的发展取得了较大的成绩，但在发展过程中也存在着不少结 构性的矛盾和问题。主要表现在： ( 1 ) 经营主体多，企业规模小，运输组织松散，竞争能力和抗风险能力弱： ( 2 ) 运输生产组织化程度低，运输站场和经营信息网络建设滞后： ( 3 ) 经营方式落后，机制不活： ( 4 ) 运力结构和布局不合理，专业化分工程度低，绝大多数是普通中小型客 货汽车，高级客车和重型货车，特别是专用车辆的保有量所占比例较低： ( 5 ) 生产经营主体高度分散，规模经营严重不足。 以上存在的结构性矛盾和问题，严重制约了企业的发展，远远不能适应快速 发展的国民经济对道路运输需求。同时也对运输企业的管理、经营水平看出新 的要求。 3 3 运输企业间协同乜钔 近年来，如何协同各种复杂系统中的行为，已经越来越引起人们的兴趣。该 理论的一个关键思想是将“协同可以看作是管理各种相关点的过程”，可以广泛 地应用于多个学科之间，如计算机科学、组织理论、操作研究、经济学、语言 学、心理学等。 3 3 1 协同( o o o r d in a t i v et h e o r y ) 所谓“协同”指的是在复杂系统中各组成要素之间，各子系统之间在操作 运行过程中的合作、协调、同步。在宏观上表现为整个系统的有系化。在m a l o n e 的协同理论中，对“协同”作出了简洁的定义：协同就是管理不同行为之间的 相关点。后一定义使用了相对笼统的概念，有利于协同理论的理解和使用。企 业在进行合作的时候，在进行相互影响的商业行为时，往往由于各自的利益所 1 0 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 在。往往产生不一致的行为，发生冲突，这时就相互进行协商解决。同样的， 尽管“合作”、“合著”、“竞争”具有他们各自不同的含义，但是很重要的一点， 他们都具有管理不同行为间的相关点这一层含义，也可以列为协同的范畴。正 如定义的那样：协同定义可以发生在许多不同类型的系统中，即人类的、计算 机的、生物的等等，而上述定义恰好的反映了这些系统中的协同问题。 3 3 2 基本协同过程 在协同理论中，协同过程的作用很重要，是我们研究的重点，下表列举了一 些不同学科普遍存在的协同过程。从表3 - 1 中可以不难看出不同学科概念和结果 之间的相似点。 表3 - 1 各学科中的协同过程 、竺科分类 计算机科学经济和操作研究组织理论 协同过程、 资源共享( 包括任务处理器安排内存分配 市场分析和其它分配不同的组织结构分 技术；安排方法和其析，预算过程组织权 分配)技术 它优化技术力 生产消费关系( 包 数据流和p e t r i 网络 统筹方法，安排技术 参与设计的市场研 括先决条件和使用 分折究 限制) 同步技术，互不包括 同时性限制安排技术会议安排 技术 战略安排，将人们分 任务子任务关系程序中的模块化技术经济管理 组的方法 在运输作业过程中，基本的协同过程包括了资源共享：网内货载、运力共 享、利益均衡；任务子任务：运输业务的分解、组合等等。 3 3 3 协同理论的方法和实现技术概述 近年来，如何利用计算机来帮助人们更有效地合作已经成为一个令人感兴 趣的话题。计算机支持的合作研究、群件等术语历代表的系统可帮助人们执行 一些职能，例如，帮助人们合作同一个文件、管理某个项目、任务跟踪、电子 邮件的查找、排序和优化等。 目前，在协同领域广泛运用且具有较大前景的协同技术主要有面向a g e n t 的 设计理论。a g e n t 技术是当今计算机技术的一个重要研究方向。在分布式环境里， 1 1 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 由于a g e n t 具有自主性、交互性、反应性和主动性，使得它在网络通讯和协作处 理方面有着巨大的优势，它特别适合于网络互联的情况下使用。 当前，a g e n t 技术在交通运输中的应用还处在研究阶段，但是它具备的多项 优秀能力，对于实现企业之间的协同具有很好的前景，是我们未来进行协同作 业方面研究的重要方向。 3 4 合作运输的组织与管理 交通运输任务的完成，是依靠综合运输网络的运转而实现的。而整个综合 运输体系的运转，又必须依靠各种运输方式或同种运输的不同企业的互配合， 各个运输环节相互协调组织来实现的。在实际运行的过中，运输中的各个环节 由处在当中各个企业来完成，而各个企业业务的组织管理则是一个复杂的过程， 包括合作企业的选择、企业间业务的确定、运输业务的组织、利益的分配等。 3 4 1 合作企业的选择 根据合作企业在市场中所处的地位、合作的目的等因素，企业之间的合作 分为不同的层次。大致可以分为以下几种类型；松散型、紧密型、联盟型。 不同的合作结构，产生了不同的企业选择标准，松散型组织相互之间业务 较少，往往是临时发生的一些业务，多以单票业务居多。它对合作伙伴的挑选 不是很严格，紧密型合作，业务一般往来频繁，相互知根知底，业务有较强的 互补性。 联盟型往往都在市场上拥有较高的地位，相互之间的合作仅是为了实现其 战略目标而进行的，一般都是来占领或开拓新兴市场，打击共同的竞争对手， 而进行的战略合作。 一般来说，我们主要以研究后两种合作型式为主，对于这两类合作，合作 企业的选择应考虑如下标准： 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 表3 2 伙伴选择的软硬指标 硬指标软指标 权重 权重 互补性3 6 融合性2 3 市场状况3 3 互补性 1 8 潜在伙伴的财务状况 1 5 文化1 6 管理哲学 1 3 信任1 6 企业规模 3 承诺 1 2 广度，能够把自己的业务向更广阔的空间伸展。通常的运输业务可以表示如下。 新昌新昌 重载弋空载空载 。一戥测 截、i i j 。 。l l 武汉_ i ；的运输仵藩 b 公司的运输任务 a 公司的运输任务 b 篮日jh u 垮相口1 士劈 由图中可以看出，a 公司从温州到新昌3 0 0 多公里的路程为空载，b 公司运 输业务恰好能与a 公司的业务相反，如果能从运输伙伴中承运货物，将大大提 把运输的业务按地域进行分配。而货载的分配，则是一个关系多方实际利 益的敏感问题。此时，双方既是合作者，也是竞争者，货载的分配是需综合权 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 衡、多方博弈的结果e 它不是一次就能协商确定，需在业务实践中不断地改进 和调整，以求达到最优的效果。 协同业务的确定可以从最初的基本业务开始，如提供一些多余的货载给合 作伙伴，或是在对方运力不足时提供运力。如图3 - 1 所示，企业间通过合作， 提高单车的运营效益。 企业脚也可以建立更高层次的、更为复杂的业务合作关系，建立战略联盟， 统一运价，分享市场。当然，这对企业的管理水平提出了更高层次上的要求。 3 4 3 运输业务的组织 多公司合作下的运输业务的组织，最基本的要求是建立协同运输的业务联 系小组，负责相关业务的协商和运作。也可以成立独立的合资公司，由各个合 作伙伴共同出资建立，指导、协调各自母公司的运输业务。 运输业务的组织应遵循下列准则： ( 1 ) 提高运输工具的实载率； ( 2 ) 减少运力的投入，增加运输能力。即是：“少投入，多产出”，即要在 业务进行前多方考虑，制定合理的运输方案。 ( 3 ) 组织内成员利益的均衡。利益均衡是合作的基础，是合作长期进行的 保障： ( 4 ) 服务水准不变或提升。不能由于协同作业的原因而使顾客利益受损， 这样只会损害企业的长期利益； 1 4 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 第4 章网络协同运输的优化 车辆调度是运输企业作业的基本一环，调度结果的优劣是对企业运营成本有 很大的影响。在企业协作运输的过程中，车辆的调度方案直接影响协作任务生 成，因此可以认为调度问题是运输协同的一个子问题，应结合协同业务进行重 点研究。本章前一节介绍了一些常用的车辆调度的基本模型和常用算法，包括 最短路问题和旅行商问题。第二节建立了多公司协同作业的数学模型，运用前 面所述的一些基本算法，提出了问题的解决方法。 4 1 运输的一些基本问题的算法瞳2 h 外 4 1 1 最短路问题 最短路问题可以直接用来解决许多生产问题，例如管道铺设、线路安排、 厂区布局、设备更新等。另外，诸如运价最小、运行时间最短、展可靠路等问 题，都可能转化为最短路问题加以解决。 1 ) 基本概念： 给定一个赋权有向图d = ，4 ) ，对每个弧4 d = ( v f ，”j ) ，相应地有权 w ( a ) = ”口，设p 。为d 中的一条路，即 p 。= ( ” ，”t ) ，0 f ：，v 3 ) ，一，( ”一。，”) ) 我们称路p 。为从点、到v 。的一条路，点。 称为始点，点v 。称为终点。 构成路。中所有有向边的权之和称为路如的权，即 暇2 善一 从匕到u 的所有路中权最小的路+ 称为从匕到q 的最短路，即 ( 旷) 。m i n w ，。 当d 中存在弧，其中t 0 ，我们称d 为具有负权的网络图 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 另外，根据要求指定点对间的最短路还是任意点对间的最短路，我们把最短 路问题分成以下几种类型来考虑。 2 ) 指定点对间的最短路问题 ( 1 ) 所有有向边的权。，0 的情形 这里介绍的目前使用最广泛的d i j k s t r a 方法。 算法思想： 设想已求出从v ，到q 的最短路肛如下： 根据最短路的性质，从u 沿p 到”或u 的路，就是匕到匕或咋的最短路。 这就是说不仅是起点u 到终点u 的最短路，而且，由k 到肛上任意点的最短 路也在p 上。为了求得匕到u 的最短路，可先求屹到某中间点的最短路，然后 再逐步扩展到终点u 。 算法过程： 在计算过程中，需将已求出的起点最短路的点与尚未求出到起点最短路的点 区别开来，以正确执行迭代。为此，用标号法求解，即从v 。开始，给每个顶以 标a 有两类标号：临时标号三和永久标号d ，。l i 表示从k 开始到被标号点v ”，的最短路权上界，d ，表示从k 开始到标号点”，的真正最短路权。开始时，对匕 有d ，2 0 ，其余各顶点v ，( ，一5 ) 则一律有上j2 a 算法的每一轮迭代都得到一 个永久性标号，直到所有点都得到标号为止。具体步骤如下： 七= 1 d p = o ，巧= ( ，一s ) - 仉) ，这里n 为永久性标号集合。 将各群中最小者对应的顶点匕的标号改变成永久性标号，即 d = m i n 砰) 若= 亿，u 则算法终止，d ，就是从k 到u 的最短路的权，转，否 则转下步。 1 6 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 令 惫：= k + l ，对每个w 莒v 的顶点由下述方法修改其标号，即对每条弧以，u 、， = m i nl l k - 1 ) 鳄。1 + ) 反向追踪 从最后顶点e 开始，寻求一点v j 使满足 d j + w i f = d t 记下有向边p ，u ) ，然后再从”，开始，寻求一点u 使 d f + w i j d ， 再记下有向边“，v ，) ，依次继续，直到得到有向边( k ，咋) 为止，于是得到从 u 到u 的最短路 肛= ( 匕，v k ) ，( u ，”，) ，o ，u ) ) 同时也可以得到从v 到其他各点的最短路径及其路长。 d i j k s t r a 方法也用于无向网络，只需将无向图中的边看成两条不同的方向 的弧，弧长即是边长。 ( 2 ) 有负权的最短路问题 对赋权有向图d o ，a ) ，若某些to ，则d i j k s t r a 算法不再适用。应寻 求别的算法。 算法思想： 设从图d 上任意一点k 到”都有一条弧( 如在中不存在弧( u ，”，) 时，可 以添加此弧，并令其权k = + * ) 。从而起点k 到某一点”，的最短路长可写成 上2 m i n l , + 为求得厶，l 2 ，可采用递推方法如下( ，= 1 , 2 ，3 ，1 ) 1 7 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 攀= 骘) _ 骘4 则得到的就是各点的最短路长。 计算步骤： 四= ，( u ，v ，) 爿，= 1 ，2 ，h t - t + 1 ，计算 华- 蝉n 僖。”+ ) f ，j = l 2 ，一 若骘= 骘- 1 时，迭代终止：否则转。 在赋权有向图d 中不含有权值为负的回路( 称为负回路) 则从匕到任一点 的最短路至多含个中间点上述算法最多经月一1 次迭代必收敛。如果经n 一1 次 迭代，对某个j ，巧一霉1 ，说明图中有负回路，这时工，无下界。 3 ) 任意点间的最短路问题 有时需要知道网络中所点对间的最短路长及其路径，这时可用前面所述的方 法进行计算，但当网络中存在很多顶点时，上述算法就要重复进行很多次，显 得十分麻烦。下面说明解决这一问题的f l o y d 算法，即矩阵方法。 算法思想： 首先建立网络中任意二顶点q 和v ，间的“条件最短路长”矩阵，这里的“条 件最短路长”是指从v ；到v ，仅考虑可以经过某些中间点，由于在达到最后一步 前未考虑经过各点的可能性。因而这时求出的最短路长不一定是真正的最短路 长。然后设计一种迭代规则，逐步考虑当各个点进入路径时对最短路长的影响， 1 r 武汉理工大学硕士学位论文 修改条件最短路长矩阵，使其中的元素始终为这时的最短路长。当网络中所有 的点都考虑过后，即可得到各点对问真正的最短路长矩阵。 硝k t i ( ( | ：f ，o d ，= ( d p ) 。 1 9 武汉理_ _ l 火学硕士学位论文 其中 般地 d 5 ”= m i n ( d _ ! f f + d 5 0 ) ，d 5 d 笋= m i n ( d 警。+ d 。1 ) ，d 。1 ) 最后，有 q = 磷砧) 。 力= m i n ( d ? 。+ d ) ，d ) d 。e e ) 给出了v 到v ，的摄短路长，己考虑中间点可为q ，v ：，中的任意点a ( 2 ) 路径矩阵 为了寻找从v 。到v ，的( 条件) 最短路径，应构成相应的路径矩阵，也称中 间矩阵，在开始迭代时，路径矩阵c 0 = ( c 尹) ，。，中的元素c p 全置为f ，它表示f 是 这时最短路v ；一v ，的中间点( 这时为第一个中间点) 的下标。第 步迭代得到的 路径矩阵q 一( 带) ，。，其元素可按以下方法确定： ：p 若站1 + d d p 9 i 常。，否则 如此迭代下去，可得最终中间点矩阵c ，它的元素给出了备点对间最短路 上的