（系统理论专业论文）不确定环境下铁路行包快运服务网络设计.pdf

中文摘要 摘要：随着我国产业机构的优化升级，小件货物快运需求增长显著，铁路行包快 运服务网络设计问题逐渐引起人们的重视，成为研究的热点。在现实中，由于运 输市场供需的时间变化、铁路运输网络的复杂性等不确定因素的影响，使得对不 确定环境下行包快运服务网络设计问题研究尤为重要。但是当前对服务网络设计 问题的研究主要集中在确定性领域，对不确定问题的研究还很少，尤其是对铁路 行包快运服务网络设计问题的研究基本还是空白。因此本文以不确定环境下铁路 行包快运服务网络设计问题为研究对象，应用不确定规划研究铁路行包快运服务 网络设计问题，把运输费用、时间延迟费用、运输能力等参数设定为不确定的， 建立具有不确定参数的不确定行包快运服务网络设计问题的数学模型，并且讨论 了模型的性质与算法。 本文基于不确定理论，采用不确定规划技术，较为系统和全面地研究了不确 定环境下铁路行包快运服务网络设计问题，建立了两类不确定环境下铁路行包快 运服务网络设计问题的数学规划模型，即随机铁路行包快运服务网络设计问题的 模型和模糊铁路行包快运服务网络设计问题的模型。根据问题的特性，设计了一 种基于模拟技术的遗传算法以求解所建立模型的近似最优解。 本文的主要创新点包括： 1 、运用网络设计与优化的有关理论和方法，建立了基于概率论的随机环境下 铁路行包快运服务网络设计问题的期望值模型、机会约束模型、相关机会规划模 型，并分析了各个模型的确定性等价类； 2 、运用网络设计与优化的有关理论和方法，建立了基于模糊集理论的模糊环 境下铁路行包快运服务网络设计问题的期望值模型、机会约束模型、相关机会规 划模型，并分析了各个模型的确定性等价类； 3 、基于混合智能算法求解不确定规划的思想，设计了一种基于模拟技术的自 适应遗传算法来求解不确定环境下铁路行包快运服务网络设计问题，并设计相关 算例以检验算法的可行性、有效性。 关键词：行包快运；运输服务网络设计问题；不确定规划；模拟技术；遗传算法 分类号：u 2 9 3 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h eo p t i m i z a t i o na n du p g r a d i n go ft h ei n d u s t r i a ls t r u c t u r e , t h ed e - m a n do ft h er a i l w a yp a r c e lt r a n s p o r ts e r v i c e , a b o v ea l l ，s m a l lp a r c e l se x p r e s ss e r v i c e ， d e v e l o pr a p i d l yr e l y i n go nr a i lt r a n s p o r t r a i l w a yp a r c e lt r a n s p o r ts e r v i c en e t w o r kd e - s i g np r o b l e ma r o b s ep e o p l e sa t t e n t i o n , a n dh a sg r a d u a l l yb e c o m e ah o tr e s e a r c h f o rt h e u n c m a i n 哆o ft h em a r k e ts u p p l ya n dd e m a n da n dt h ec o m p l e x i t yo fr a i lt r a n s p o r t n e t w o r k , r a i l w a yp a r c e lt r a n s p o r ts e r v i c en e t w o r kd e s i g np r o b l e mi nt h eu n c e r t a i no n - v i r o n m e n t sb e c a m ev e r yi m p o r t a n t t h ec u r r e n tp a p e r sm a i n l yf o c u so nc e r t a i nd o m a i n a n ds c a r c e l y0 1 1u n c e r t a i no n e ，w h i c hi sn e a r l yv a c a n to nr a i lp a r c e lt r a n s p o r ts e r v i c e n e t w o r kd e s i g np r o b l e m ，o p t i m i z i n gr a i lp a r c e lt r a n s p o r ts e r v i c en e t w o r kd e s i g n 、7 l ，i t t i u n c e r t a i nf a c t o r si ss t u d i e di nt h ep a p e r t h i sp a p e rm a i n l ya i m st oi n v e s t i g a t et h er a i l p a r c e lt r a n s p o r ts e r v i c en e t w o r kd e s i g np r o b l e mi nu n c e r t a i ne n v i r o n m e n ti nw h i c h s o m eo ft h ep a r a m e t e r s ，e g t h et r a n s p o r tc o s t s ，t h et i m e - e x p e n d i t u r ea n dt h ec o n - v e y a n c ec a p a c i t i e s ，a r es u p p o s e dt ob ef u z z yv a r i a b l e s ，c o n s t r u e to f r a i lp a r c e lt r a n s p o r t s e r v i c en e t w o r kd e s i g np r o b l e m 、析t l lu n c e r t a i np a r a m e t e r sa n ds o l v ei t i nt h i st h e s i s ，t h eu n c e r t a i nr a i l w a yp a r c e lt r a n s p o r ts e r v i c en e t w o r kd e s i g np r o b l e m w a ss y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e df i r s t l y a n dt h e n , t w ok i n d so fm o d e l st h a ti n c l u d e r a n d o mp a r a m e t e r sa n df u z z yp a r a m e t e r sa r ec o n s t r u c t e d ，r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , w ed e - s i g na na d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do ns i m u l a t i o nt oa c h i e v et h ea p p r o x i m a t eb e s t s o l u t i o no ft h em o d e l s n o ww es h a l ll i s to u rc o n t r i b u t i o n st ot h er a i l w a yp a r c e lt r a n s p o r t a t i o ns e r v i c en e t - w o r kd e s i g np r o b l e m ： 1 b a s e do nt h el i t e r a t u r ea n db a s i ct h e o r yr e l a t e dt on e t w o r kd e s i g np r o b l e m ， e x p e c t e dv a l u ep r o g r a m m i n gm o d e l , c h a n c e - c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n gm o d e l a n d d e p 朗d 啡c ：h 锄c e dp r o g r a m m i n gm o d e lo fr a n d o mr a i l w a yp a r c e lt r a n s p o r t a t i o ns e r v i c e n e t w o r kd e s i g np r o b l e ma r ec o n s t r u c t e d ，a n dc f i s pe q u i v a l e n c e so ft h em o d e l sa r e i n d u c e df o rd i f f e r e n tm o d e l su n d e rs o m es p e c i a lc o n d i t i o n s 2 b a s e do nt h el i t e r a t u r ea n db a s i ct h e o r yr e l a t e dt on e t w o r kd e s i g np r o b l e m , e x p e c t e dv a l u ep r o g r a m m i n gm o d e l ，c h a n c e - c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n gm o d e la n d d 印锄d e n t - c h 锄c e dp r o g r a m m i n gm o d e lo ff u z z yr a i l w a yp a r c e lt r a n s p o r t a t i o ns e r v i c e n e t w o r kd e s i g np r o b l e ma r ec o n s t r u c t e d ，a n d 嘶s pe q u i v a l e n c e so ft h em o d e l sa r e i n d u c e df o rd i f f e r e n tm o d e l su n d e rs o m es p e c i a lc o n d i t i o n s 3 e n l i g h t e n e db yt h et h o u g h to fs o l v i n gt h eu n c e r t a i np r o g r a m m i n g 、析t l lh y b r i d i n t e l l i g e n ta l g o r i t h m ，w ed e s i g nah y b r i di n t e l l i g e n ta l g o r i t h m , t h a ti s ，a d a p t i v eg e n e t i c a l g o r i t h m sb a s e do ns i m u l a t i o nt oa c h i e v et h ea p p r o x i m a t eb e s ts o l u t i o no ft h ea b o v e m e n t i o n e dm o d e l s s o m ee x a m p l e sa r ed e s i g n e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c y o ft h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：r a i l w a yp a r c e lt r a n s p o r t a t i o n ；s e r v i c en e t w o r kd e s i g np r o b l e m ；u n c e r - t a i np r o g r a m m i n g ；s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ；g e n e t i ca l g o r i t h m c i a s s n o ：it 2 9 3 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 认杰， 签字日期：p 多年乡月5 日 导师签名 签字日期：o r ，年6 月厂日 签字日期： 年6 月y 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲张杰、签字隰 9 矽年6 月；日 致谢 首先，我要感谢我的导师李克平副教授两年来对我的关心和教诲，不管是在 学术研究还是为人处事方面都给我了莫大的帮助，我在读研期间的每一点进步都 凝聚了导师对我倾注的心血，李老师扎实严谨的治学态度、和蔼可亲的为人作风 都在我脑海里留下了深刻的印象。 感谢导师高自友教授在本论文研究和写作过程中给予的诸多指导和帮助。他 那渊博的学识、敏捷的思维、开阔的眼界、高度的责任心、严谨的治学态度对我 的学习有极大的帮助和影响，是我一生努力的楷模。 特别要感谢杨立兴老师对我的热心指导。本论文从写作思路到开题报告乃至 论文撰写的整个过程无不凝聚了他的心血，杨老师的每次指点都使我受益非浅、 茅塞顿开，他那种实事求是的严谨作风、锐意创新的探索精神对我产生了深刻的 影响。 另外还要感谢张秀嫒副教授、贾斌副教授以及所有莅临我论文开题报告的老 师，感谢他们对我的选题提供的宝贵意见。 感谢我读研生涯中所有任课老师、院系领导以及辅导员对我的培养和关怀。 感谢我的师兄弟们以及身边的同学，特别是付印平博士、李峰博士、郑建风 博士等，感谢他们与我讨论学科相关的知识，让我获得了意想不到的进步。 在本文的研究与写作过程中，我参阅了大量国内外文献资料。在此，谨向文 中提到的每一位作者表示感谢，他们的研究成果给了我许多启迪。 对在百忙之中抽空参加我论文评阅和答辩的各位专家表示衷心的感谢! 最后感谢我那辛劳半生的父母，感谢他们不求回报的养育，感谢他们在我求 学道路上的一贯理解与支持，以及对我一如既往的殷切期望和无私奉献! 感谢我 远方的哥哥、姐姐，是他们一直以来精神和物质上的支持，我才得以完成我的学 业。 本文在完成过程中得到以下项目的资助：国家自然科学基金( 6 0 6 3 4 0 1 0 ) 、 新世纪人才支持计划( n c e t 0 6 0 0 7 4 ) 、教育部重点项目( 1 0 7 0 0 7 ) 。 愿所有关心和帮助过我的老师、同学、亲人、朋友永远幸福、平安! 1 1 论文的研究背景 1 绪论 随着我国产业机构的优化升级，产品向着高价值密度、高技术品质、高附加 值的方向转型，货物运输轻型化和高附加值比重增大的趋势逐步显现，小件货物 快运需求增长显著，明显高于货运总需求的增长，由此带来了运输市场竞争格局 的不断调整。铁路行包快运依托于铁路运输方式快速发展，在我国小件货物快运 市场中占有日益重要的位置。因此，铁路行包快运服务网络设计问题逐渐引起人 们的重视，成为研究的热点。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着我国改革开放步伐的加快和经济建设的发展，产品 结构逐步升级、优化。随着货物的品类增加和技术含量增大，货物运输轻型化和 高附加值比重增大的趋势逐步显现。市场经济发展不仅促进货物位移产生增值， 而且也大大促进了高附加值货物的运输。各类专业和区域批发市场的建立，商品 市场逐渐从卖方市场转变为买方市场，全社会高附加值物资运输量大幅增长【1 1 。 从1 9 9 2 年开始，铁路行包快运系统从铁路快运的组织、经营模式入手开始进 行尝试性的改革。主要经营铁路快运包裹业务的中铁快运有限公司( 即中铁快运， c h i n ar a i l w a ye x p r e s s ，缩写为c r e ) ，经铁道部和国家有关部门批准于19 9 3 年成 立。中铁快运主要将市场定位于国内城市间的包裹快运领域，这个领域所包含的 货物种类多，政策限制少，同时也能发挥铁路在中长距离运输上的技术优势。中 铁快运虽然进入货物快运领域的时间较晚，但是凭借自身的不断努力发展，己经 成为国内包裹快运领域的主力军。截止到0 7 年底，中铁快运业务已经发展到经营 网络遍及全国3 1 个省、自治区和直辖市，在全国4 0 0 多个城市设有1 7 0 0 多个经 营网点，门到门服务网络覆盖全国6 0 0 多个大中城市，具有铁路行包快递运输网、 快捷货运网、公路运输网、航空运输网、配送网、经营网、信息网、仓储网、国 际网“九网集成”网络资源优势，构成了以铁路运输为主、公路和航空运输为辅的综 合运输服务网络体系，形成了具有安全、准时、快捷、经济、全天候特点与独特 竞争优势的物流和快递服务网络。 发达国家铁路也积极开展小件货物快运，它们以运输需求为导向，通过运输 组织和技术创新，开发了多样化的系列快运服务产品，建立了能为客户带来效益 的快运服务网络。法国国铁非常重视快速包裹和零担货物运输的发展，依托高速 铁路开发了快运产品。早在1 9 8 4 年，法铁就已经在里昂至巴黎高速线上开行邮政 t g v ，邮政t g v 采用小型集装箱运送信件、快件和包裹等货物。德国铁路货运公 司于1 9 9 9 年与邮政公司共同成立城间包裹快件运输公司，开行了城间包裹快件运 输列车，经济效益显著。美国铁路的传统运输产品以大宗货物重载运输和集装箱 联合运输为主，但近来美国铁路也开展了如汽车配件、食品等限时运到货物的运 输业务，加强与汽车运输联合实现门到门运输，使之成为其增长最快的运输产品【2 】。 国内外铁路小件货物快运的发展概况及其显著的优势构成了本论文研究的宏 观背景。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 运输服务网络设计问题的研究现状 伴随着快递业和物流业的迅速发展，对服务质量和时效性要求都较高的小件 货物快运网络设计问题成为近年来服务网络设计问题研究的热点。服务网络设计 问题属于网络设计问题一类研究范畴，服务网络设计问题在研究本质上与网络设 计问题具有很多共同之处。因此，网络设计问题的理论和方法是研究服务网络设 计问题的基础。 m i n o u x 5 】对网络设计问题的理论、方法和应用进行了大量深入的研究；a h u j a 6 】 等采用l a g r a n g e 松弛法把无容量限制的网络设计问题分解为两个独立的子问题进 行求解；h o l m b e r g 等r 7 】对于较大规模无容量限制的网络设计问题，应用基于 l a g r a n g e 松弛的分枝定界法思想，得到了对应每条弧段的简单子问题，从而达到 简化问题求解的目的；c l a r k e 等【s 】研究了通信领域中的有容量限制的网络设计问 题，提出分枝定价求解方法；g f m l f t k l 9 采用分枝定界方法来研究解决有容量限制的 网络设计问题；s r i d h a r i l o 】讨论了带有固定费用的有容量限制的网络设计问题，并 采用分枝定界算法进行求解：g e n d r o n 等【l l 】对解决有容量限制的网络设计问题的各 种松弛算法进行分析，并讨论了产生可行解的启发式算法；h o l m b e r g 等【1 2 1 针对有 容量限制的网络设计问题提出了基于拉格朗日松弛的分枝定界法；v a n g t l 3 1 、高自 友【1 4 】等讨论了双层规划模型与算法在网络设计问题中应用。 运输服务网络设计问题是网络设计问题在交通运输领域中的重要应用。基于 网络设计的理论和方法，对服务网络问题进行研究从而解决运输网络中战术计划 的相关问题。 c r a i n i d l 5 】、k i l n 1 6 】等从不同方面对运输服务网络问题进行了系统的综述。 l a m a r 等【1 刀研究了无容量限制的公路零担运输服务网络设计问题；f a r v o l d e n 1 8 】等 研究了公路零担运输企业的服务网络设计问题，并提出了相应的启发式算法来求 2 解此问题；c r a i n i e 1 9 1 等阐述了无容量限制的铁路货运服务网络设计问题，并使用 基于分解法的启发式算法求解；n e w t o n l 2 0 1 研究了带有预算约束条件的网络设计问 题，并将其应用于铁路编组问题；b a m h a r t f 矧等用网络节点表示编组场、弧段表示 要编成的车组，将铁路编组问题表达为网络设计问题；k u b y 2 3 】等针对包裹快递服 务网络设计问题提出建立在具有多次停靠的航空集散轮式网络上0 1 规划优化模 型；b 锄h 撕【2 4 】等探讨了包含多种运输方式( 航空和公路) 的包裹快运服务网络设 计问题；k i m 2 5 】等在前者研究的基础上提出了考虑更为全面的设计模型，它不仅涉 及了多个航空集散中心和多种飞机类型，而且还考虑了集结站点的接取送达过程 和集散中心分拣过程的时间窗限制；s m i l o w i d 2 6 】等在整合多种运输方式网络中， 研究了公路车辆径路问题和转运包裹的路径选择问题；a r m a c o s t 等【2 刀通过定义表 示飞机径路的复合变量，将流变量嵌入设计变量中，构建了只含有设计变量的服 务网络设计模型，由此获得质量更好的线性松弛下界；i u i a 等【2 9 】探讨了铁路联合 运输的货运中心选址的优化问题；叶耀华【2 8 】等针对中国邮政系统的省际邮件运输 服务网络，建立了一个带时间窗的有容量限制的网络设计问题模型，并给出基于 拉格朗日松弛的分枝定界算法；沈睿等【3 0 3 1 】探讨了我国铁路行包快运服务网络， 建立非线性混合整数规划模型。 从上述可以看到，运输服务网络设计问题的模型及其求解算法一直是研究热 点。据文献查阅，虽然对不确定环境下运输服务网络设计问题有一定的研究，如 文献 6 7 , 6 8 等，但是尚未发现将不确定规划应用于运输服务网络设计问题的研究。 l i u 等1 3 2 j 分别介绍了在随机、模糊、粗糙等不确定环境下期望值模型、机会约束规 划和相关机会规划，这是目前处理不确定规划的三种途径。受此启发，本文建立 了铁路行包快运服务网络设计问题的期望值模型、机会约束模型以及相关机会规 划模型。 1 2 2 不确定环境下运输服务网络设计问题的研究现状 不确定规划是处理各种不确定环境下优化问题的理论工具，它提供了随机规 划、模糊规划、粗糙规划、随机模糊规划以及模糊随机规划等的建模与求解的统 一原理。不确定规划的研究内容主要包括不确定环境下建模理论、算法及应用。 从建模理念的角度来说，不确定规划处理这些不确定函数的基本途径有三条： 从期望值的角度出发，用不确定函数的期望值分别代替原来目标函数和约束条件 中的不确定函数，建立期望值模型；从机会测度的角度考虑，当约束条件中含有 不确定变量且必须在观测到不确定变量实现之前做出决策时，采用一种原则：允 许所作决策在一定程度上不满足约束条件( 不考虑违反约束条件的惩罚) ，即只要 3 求使约束条件得到满足的机会测度不小于预先给定的置信水平；极大化事件实现 的机会( 如概率测度、可能性测度、必要性测度、可信性测度、信任测度等) 【3 2 】。 随机规划起源于2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初，是随着线性规划的应用而深入 产生的。模糊规划理论和方法的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，是建立在b e l l m a n 和z a d e h 3 3 3 4 3 5 】提出的模糊决策的概念和模糊环境的基础上的决策模型。随机机会 约束规划是由c h a r n s 和c o o p e r t 3 6 】在1 9 5 9 年首次提出，主要针对约束条件中含有 随机变量，且必须在观测到随机变量实现之前做出决策的情况。由于所作决策在 不利情况发生时可能不满足约束条件，因而可采取这样一种原则：即允许所作决 策在一定程度上不满足约束条件，但是该决策应使约束条件成立的概率不小于某 一置信水平。l i u 和1 w a m u r a 了7 】在模糊环境下，将机会理解成约束条件成立的可能 性，提出一般模糊机会约束规划理论框架，并采用模糊模拟技术设计了遗传算法。 相关机会规划是由l i u 等【3 s 】于近年提出的一种不确定规划模型。 不确定规划理论与方法在智能决策、不确定信息管理等应用领域可以大显身 手，目前已被应用到诸多领域。这些研究反映了不确定规划在实际应用中行之有 效，同时也衬托出不确定规划广阔的研究前景。但是由于运输服务网络的复杂性 及现实运输服务市场的不确定性，运输服务网络中的各个参数值并不是一成不变 的，而是随着时间、空间的改变不断变化的。但是，在以往的运输服务网络设计 问题研究中，一般假设运输服务网络是确定的、网络中的各种参数是固定的，并 没有考虑现实运输服务网络的不确定性。将不确定规划应用到运输服务网络设计 问题中的研究并不多，相关的文献也很少见。因此，本文将不确定规划应用到铁 路行包快运服务网络设计问题中去，以期为铁路行包快运服务网络设计问题提供 了一种新的研究思路。 1 3 论文主要内容与结构 根据研究的内容，本文章节结构如下： 第一章绪论 本章较为系统地论述了行包快运服务网络设计问题和不确定规划的最新研究 成果和进展，并给出了全文章节结构和主要内容简介。 第二章铁路行包快运服务网络系统分析 本章对网络设计的相关理论和方法进行了总结，并对运输服务网络设计的理 论和方法进行了系统的论述和分析。 第三章相关数学知识 本章简要地介绍了一些概率论、模糊集理论的基本知识和不确定函数的比较 4 方法。 第四章不确定环境下行包快运服务网络设计问题模型 本章首先对不确定环境下行包快运服务网络设计问题作一个具体的描述，然 后根据参数的不同特征，较系统地讨论了不确定行包快运服务网络设计问题的数 学模型，分别建立了随机环境下和模糊环境下行包快运服务网络设计问题的期望 值模型，机会约束模型及相关机会规划模型，并分析了各个模型的特性。 第五章不确定环境下行包快运服务网络设计问题的算法研究 由于这些模型涉及到大量的具有复杂性和多样性的不确定变量，因此在大多 数情况下，用解析方法对其求解是很不现实的。因此，本文借鉴由l i u 【4 】等人提出 的混合智能算法求解不确定规划的思想，结合行包快运服务网络设计问题自身特 点，在本章中设计了一种遗传算法来求解不确定环境下行包快运服务网络设计问 题，即基于模拟技术的自适应遗传算法来求解这些模型的近似最优解。 第六章算例分析 为了验证算法的有效性和可行性，本章给出了随机行包快运服务网络设计问 题算例和模糊行包快运服务网络设计问题算例，并进行算例结果分析。 第七章结论与展望 本章阐述了论文的主要目的，对论文的研究进行了总结，最后沿着论文的研 究方向综合和分析，提出了若干个值得研究的问题。 5 2 铁路行包快运服务网络系统分析 2 1 网络设计概述 网络设计问题( n e t w o r kd e s i g np r o b l e m ，n d p ) ，即网络最优化问题，在实际中 有着广阔的应用领域，涉及交通运输网络、配送网络、通讯网络、供电系统、生 产系统等。网络设计问题的目的是研究如何有效的计划、管理和控制上述网络系 统，使之满足需求并发挥最大的经济和社会效益【3 9 1 。 尽管网络设计问题的应用背景广泛，但是各个网络设计问题都能以类似的形 式予以描述，即都是由一些节点及节点之间的弧段所组成的图形，其中：节点可 代表交通运输网络中的城市、计算机或通信网络中的交换中心、配送网络中的仓 库等；节点之间通常存在着某些流量的供需要求，如道路交通量、通话业务量、 数据传输量、电力传送量；为了满足各节点的供需要求，有时还要满足额外要求 ( 如时间延迟、可靠性等) ，需要适当地选出一些节点对，并在它们之间建立、设 置或选择一定的弧段来输送这些流量。 2 2 运输网络设计概述 运输服务网络设计是将运输需求、基础设施和运输组织作为构成运输服务系 统的三个重要组成部分，通过综合考虑货流、车流和运输物理网络，确定运输服 务集合，实现运输企业运力资源的优化配置和有效利用，同时满足客户运输需求。 运输服务网络设计问题的目的可看作是，在尽可能满足运输需求的同时，寻 找使系统的总费用( 即固定的设计费用和变动的流量费用的总和) 达到最小的运 载设备( 如飞机、船舶、铁路车辆、公路车辆) 的运行径路集合。 运输系统中的各种运输通道和节点，其拓扑结构具有网络性质，形成了运输 物理网络。而运输服务网络是由物理节点和节点间运输服务构成的集合。服务网 络设计问题与运输企业的运营策略规划紧密相关，服务网络设计要解决的核心问 题：根据运输需求的大小、要求和特性，选择最合适的运输服务将货物最有效地 送达目的地。运输服务网络设计问题以整个运输服务系统为基础来考虑，通过确 定运输服务及其频度、货物运送路径、场站作业任务等，实现运输企业服务水平 及运输资源利用率的提升。具体地说，服务网络设计问题要确定的是【2 7 】： 1 ) 服务选择：确定要提供服务的运行径路( 即起终点站、通过运输物理网络的 径路、中间停站) ，及每种服务的特征( 如运行频度、运行时刻等) ； 6 2 ) 运量分配：确定各o d 对间货流量的运送路径，即要使用的运输服务、途经 的场站，以及在这些场站办理的相关作业等； 3 ) 场站策略：给出网络中各个场站间如何合理分配集结任务的总规则。以铁 路运输来说，这些规则具体规定了诸如各场站应解编的列车、应编挂的车辆等。 运输系统中的货物运输需求除了具有起点、终点和相关物理特征( 重量、体 积等) 以外，还可能表现出一些诸如对运输条件、运送时限等特定的服务要求。 通常，特定的货运需求伴随着一定的费用或利润。运输企业通过货运生产活动向 客户提供经济可行的运输服务以满足不同的货运需求。运输服务由在指定径路上 单独或成组运行的运载设备来完成，并且有时运载设备的运行过程要遵照一定的 时间表进行。成组的运载设备( 如铁路货运列车、公路车队、水运船队等) 在节 点组成或解散，同时货物也在节点办理装卸作业。运输服务网络是物理节点和节 点之间的运输服务构成的集合。运输服务网络的结构既取决于物理网络中节点的 规模、数量和空间分布，还取决于运载设备的时空配置。 运输企业提供满足客户运输需求的运输服务是其走向市场化经营的根本途 径。通过不断优化的运输服务为客户创造更多的效益，以吸引客户、扩展市场成 为运输企业日趋认同的经营理念。而高水准的运输服务在很大程度上取决于运输 企业对其服务网络的设计、控制、组织和协调能力。运输企业在客观上需要科学 的理论和方法指导，以保证运输服务网络设计的合理性和可行性。因此，服务网 络设计问题在交通运输领域中，尤其是小件货物快运领域中得到了越来越多的重 视。 运用运输服务网络设计与优化的理论和方法，对铁路行包快运服务网络设计 问题进行研究，就是试图从综合考虑行包快运需求和行包快运供给的角度，从战 术层面探讨铁路行包快运组织策略和运营管理的优化方法，以期达到如下目标： 运输组织形式适应行包快运服务产品结构；具有对快运市场反应及时的运输动态 调控能力；运输生产过程组织管理的面向客户整体优化。因此，提高铁路行包快 运系统的运营效益，增强铁路行包快运服务产品的市场竞争力是铁路行包快运服 务网络设计问题研究的最终目的。 运输服务网络设计问题的典型例子包括：确定航空企业的航班及其时间表； 确定铁路货运列车的开行频度和货物的运送路径；确定公路货运作业中卡车的运 行径路和时间安排；确定快运企业的飞机航班、地面车辆的运行径路和时间安排， 及快递包裹的运送路径等。本文选取不确定环境下铁路行包快运服务作为研究对 象，以期上述研究能对铁路运输服务网络设计问题提供新的思路，并为我国铁路 行包快运服务网络规划提供参考策略。 7 2 3 铁路行包快运服务网络设计系统分析 铁路行包快运服务系统分析是研究铁路行包快运服务网络设计问题的必要条 件。铁路行包快运服务网络设计系统分析包括：铁路行包快运服务的供需分析； 铁路行包快运服务的作业过程分析；行包快运服务网络设计问题的特性分析。 2 3 1 铁路行包快运的供需分析 系统地对行包快运供需分析是进行行包运输生产经营的前提，也是研究铁路 行包快运服务网络设计问题的必要条件。 行包运输需求是购买行包快运服务产品的前提条件。运输需求是一个特定的 概念，指在一定时期内，在不同的价格水平下，运输消费者愿意并能够购买的运 输产品量【4 1 1 。实现行包在空间上的位移，是行包快运需求的核心内容和主体需求。 行包快运需求具有多样性的特征，不同的客户对行包运输服务的质量要求是不同 的。例如对送达时间的要求有长有短，对安全性的要求有高有低等。这些在主体 需求基础上延伸出来的相关行包快运服务要求，可用以下的服务质量指标来描述： 快速、安全、经济、方便、准确等。 运输供给是指在一定时期内，在条件可能的价格水平上，运输企业愿意并能 提供的各种运输产品的数量【4 2 】。根据运输产品整体概念，行包快运产品是行包的 空间位移，以及在此运输过程中相应的辅助性服务。也就是说，行包快运供给是 铁路快运企业提供的以实现行包空间位移为核心内容和由此延伸出的附属相关服 务的总和【4 3 1 。行包快运系统是一个复杂的大系统，多种因素影响着行包快运供给， 起决定作用的包括以下两个方面：一是企业根据收益情况愿意提供的行包快运服 务产品数量；二是在既有运输资源和既有运输组织方案条件下可提供的行包快运 服务产品。通常收益越大，愿意提供的产品数量就越多。由于行包快运一方面能 以高质量运输服务吸引更多的货运量，增加运输收入，同时还能够从快运服务的 高运价中提高单位产品的收益。 2 3 2 铁路行包快运的作业过程分析 铁路行包快运服务采取的是链接式解决方案的营运模式，建立以铁路运输为 主、公路运输和航空运输为辅的综合运输服务网络，提供门到门运输服务。行包 从起点至终点的运输生产全过程可划分：行包的接取、行包的长距离铁路运输和 行包的送达。 8 行包的接取就是把分布于区域内各经营网点或客户处的行包快运服务需要先 集结到区域的铁路行包站点，以便进行下一阶段的“站到站”长距离铁路运输。这些 行包可以通过公路运输承担的区域运输网或同城配送网运至相应的铁路行包站 点，也可以不经过公路运输的接取作业环节由客户直接送到行包站点托运的行包。 行包的长距离铁路运输是铁路行包快运服务的核心过程。行包到达铁路行包 站点后开始进入铁路干线运输服务网络。行包从起始站点至终到站点的长距离运 输通过以行包快运专列、行邮专列或客运行李车为载体的铁路运输来完成。此作 业过程中还包括行包不能实现起始站点至终到站点的直达运输时，经由中间站点 所进行的必要的中转作业。 行包的送达过程包括行包在经过长距离铁路运输到达终到行包站点后，再经 历与前面接取作业相反的一个公路运输过程，通过区域运输网或同城配送网将行 包从铁路站点运至区域内各经营网点或客户处。同样，由客户到行包站点领取的 行包也不需要经过公路运输的送达作业环节。 2 3 3 行包快运服务网络设计问题的特性分析 铁路行包快运服务网络设计是行包快运系统运营的基础，它必须在行包运输 需求的基础上，以运输市场为导向，确定各种行包快运服务产品的运行策略和方 案。铁路行包快运服务网络设计方案必须考虑客户要求，尽可能减少行包在途时 间和中转次数，并充分发挥铁路运输固定设施的利用率和运载设备的运输能力。 如何高效地运用当前已有的运输资源、经济合理地组织各种行包服务，是铁路行 包快运系统面临的重要问题。 铁路行包快运服务网络设计问题定位于研究行包快运组织和运营策略的战术 计划问题。铁路行包快运服务网络设计问题立足于现有运输设备，当前已经具备 的铁路线路、行包站点、机车车辆等硬件设备和铁路系统员工、组织等服务系统 都属于行包快运生产可利用的运输资源。线路、行包站点等各种固定设施形成了 组织铁路行包快运生产所依托的物理网络。相关运载设备在物理网络上的运输服 务形成了行包快运服务网络。各种运输资源的运输能力都是有限的。因此，在铁 路行包快运服务网络设计中，必须要考虑运输服务的能力限制。 按照客户的行包快运服务需求组织各种行包快运服务产品，是设计行包快运 服务网络基本原则。在一定的行包快运需求条件下，通过优化设计铁路行包快运 服务网络，实现既有运输资源的优化配置和使用，以及行包快运生产组织的整体 优化和协调，行包快运系统将能够降低运营总费用，使运输企业获得最大的经济 效益。随着铁路改革的逐步深入，以突出快速、准时为特征的快捷货运成为中国 9 铁路货物运输组织发展的重要方向m 。铁路行包快运系统作为要建立的铁路快捷 货运系统中的核心组成部分之一，必然要求快运服务网络不断完善，运输效率不 断提高，运输服务水平不断提升。 2 4 小结 本章在对网络设计问题理论的基础上，对铁路行包快运系统的进行系统的分 析，将运输服务网络设计与优化理论与铁路行包快运服务网络设计问题相衔接， 为铁路行包快运服务网络设计问题的研究奠定了基础。 l o 3 相关数学知识 由于运输服务网络的复杂性及现实运输服务市场的不确定性，运输服务网络 中的各个参数是随着时间、空间的改变不断变化的。在以往的运输服务网络设计 中，一般假设运输服务网络是确定的，网络中的各种参数是固定的，而没有考虑 现实运输服务网络的不确定性。本章在以往的运输服务网络设计模型的基础上， 把不确定理论引入到铁路行包快运服务网络设计问题中，建立不确定环境下铁路 行包快运服务网络设计问题模型。 为了研究不确定环境下铁路行包快运服务网络设计问题，我们首先介绍不确 定理论的知识。 3 1 概率论基本知识 为了研究随机环境下铁路行包快运服务网络设计问题，本节引入概率论的一 些基本理论【3 2 , 4 5 , 4 6 , 6 5 】。 定义l ：设q 是一非空集合，、壬，是q 的子集组成的盯代数。如果集函数p r 满足下面条件： 1 、p r q = 1 ； 2 、对任意c 甲，有p r o s 0 ； 3 、对甲中每个互不相交的可数序列虹墨，有 p r ! = | c f = 2 p r c ， ， ( 3 1 ) l j - l ji 。l 则称p r 为概率测度。 定义2 ：设q 是一非空集合，、王，是q 的子集组成的盯代数，而p r 为概率测度， 则称( q ，甲，p r ) 为一概率空间。 定义3 ：设( q ，一，耽) ，i = 1 ，2 ，l 为概率空间。如果q = f 2 txf 2 2 xf 2 。， 甲= 一岛和p r = p r 2 p r , ，则称是他、王，p r ) 乘积概率空间。 定理1 ：设( q ，甲，p r ) 为一概率空间，则有 l 、p r ( = o ； 2 、对任意事件c 、壬，有p r c + p r c 。) = 1 ，其中c 。是c 的补集； 3 、对任意事件c 甲，有1 p r c 0 ； 4 、若g d 甲，c c d ，贝0 p r c ) p r d ) ； 5 、对任意两个事件c 和d ，有 p r ( c i j d ) + p r c n d ) = p r c + p r d ) ( 3 2 ) 定义4 ：设善为样本空间q 到实数域r 的函数，若对于每个b o r c l 集合b c r ， 有 匆qi 孝( 国) 曰) 甲，( 3 3 ) 则称f 为概率空间( q ，甲，p r ) 上的一个随机变量。 定义5 ：设孝为定义在概率空间心，甲，p r ) 上的随机变量，函数 ：卜，佃卜争 0 ，l 】，若 ( x ) = p r t o q i 孝( 国) x ) ，( 3 4 ) 则称为随机变量毒的概率分布函数。 定义6 ：设磊，彘，最为定义在概率空间( q ，、王，p r ) 上的随机向量，如果对r 上 的任意b o r e l 集墨，垦，最，有 p r 岛忍，i = 1 2 ，刀) - - i i p r 缶e ) ， ( 3 5 ) t = l 则称卣，彘，己为相互独立的随机变量。 定理2 ：设当，岛，为相互独立的随机变量，且力：r r 为可测函数， i = l ，2 ，疗，则磊( 卣) ，破( 岛) ，丸( 磊) 是相互独立的随机变量。 定义7 ：设善是定义在概率空间( q ，甲，p r ) 上的随机变量，则善的期望值e 阴定 义为 e 4 i = r p r 如ql 孝( 国) ，涉一p r 如ql 孝( 缈) ，扭， ( 3 6 ) 只要以上两个积分至少有一个是有限的。 定理3 ：随机变量的期望值具有线性性质，对于随机变量f 和f ，任意的实数 a 和b ，有 e k 孝+ 6 f 】= 翘陪】+ 硒陪】( 3 7 ) 3 2 模糊集理论基本知识 模糊集合是对模糊现象或模糊概念的刻画。所谓模糊现象就是没有严格的界 限划分而使得很难用精确