（系统工程专业论文）面向多式联运的运输优化研究.pdf

中文摘要 多式联运是现代交通运输发展的一种必然趋势，因此许多国家都将多式联运 作为今后发展的重点。然而就在多式联运得到广泛应用的同时，多式联运理论方 面的研究却被忽略了。 本论文重点研究多式联运下运输优化模型及算法研究，根据多式联运系统的 网络特性，建立了多式联运系统的虚拟运输网络，以此为基础，根据不同的应用 需求，分别设计了多式联运运输方式组合优化模型和多式联运最短时间路径模型， 并给出了求解算法。运输组合优化模型，再考虑各个网点的运输时间、运费、运 输能力不同以及发生换装的可能性等前提下，确定最佳的多式联运的运输组合方 式，使得总运费最低；最短时间路径模型，重点考虑了运输方式的转换时间和可 能发生的货运延迟，构造了多式联运运输网络时间分析图。考虑到多式联运优化 的复杂性，本文将遗传算法对运输方案进行优化，通过对每条路径的编码，应用 一定的交叉和变异规则将种群不断进化得到最优化解。 论文的最后，结合亿利资源集团的p v c 销售物流方案设计，应用运输组合优 化模型，进行多式联运运输方案设计，得到最低运输费用方案。 关键词：多式联运组合优化最短时间路径遗传算法 分类号： a bs t r a c t m u l t i m o d e l s p o f ti sa d v a n c e ds t a g eo ft h ed e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t , a n da l li n e v i t a b l et r e n da s w e l l s om a n yc o u n t r i e sh a v et a k e ni ta sa p p l i e di nt h ek e yp o i n tf o r f u t u r ed e v e l o p m e n t t h o u g hi th a s w i d e l yp r a c t i c e ，s o m e t i m e sw eo v e r l o o k e ds t u d i e so ni t st h e o r y t h ep a p e r sf o c u so nt h et r a n s p o r t a t i o no p t i m a lm o d e la n da l g o r i t h mi nt h em u l t i m o d a lt r a n s p o r t a c c o r d i n gt ot h en e t w o r kc h a r a c t e r i s t i co fm u l t i m o d a l t r a n s p o r ts y s t e m , t h ev i r t u a ln e t w o r k o f m u l t i 。m o d a l t r a n s p o r ts y s t e mi se s t a b l i s h e d d e p e n d i n g0 1 1t h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s t h e w a n s p o r t a t i o nm o d e sc o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o nm o d e la n dt h es h o r t e s tt i m ep a t hm o d e la r cd e s i g n e d c o n s i d e r e dv a r i o u sp o i n t so ft r a n s i t t i m e ，f r e i g h t , t r a n s p o r tc a p a c i t yi n s t a l l e di nd i f f e r e n ta n dt h e p o s s i b i l i t yo fp r e m i s e ，t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o no fm u l t i m o d a lt r a n s p o r ti sd e t e r m i n e d ；s h o r t e s tt i m ep a t h m o d e l ，c o n s i d e r e dak e ym o d eo ft r a n s p o r tf o rt h ec o n v e r s i o nt m ea n dt h ec a r g od e l a y sm a yo c c u r , d e s i g nt h et i m ea n a l y s i s 丘gf o rm u l t i m o d e lt r a n s p o r tn e t w o r k c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo fm u l t i m o d e t r a n s p o r t a t i o n , w ed e c i d et ou s eg e n e t i ca l g o r i t h m ( o a ) a st h ee f f i c i e n tt o o lt os o l v et h eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m e v e r yp a t hi sc o n v e r t e di n t oas i n g l eb y t ei nt h ec h r o m o s o m e t h eg e n e r a t i o ni se v o l v e db y s o m er u l e sa n dt h eb e s tc h r o m o s o m ei sg o ta tl a s t a m o n g t h el a s t ，p v cs a l e sl o g i s t i c so fe l i o nr e s o u r c e sg r o u pc o m p a n yi sd e s i g n e d a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tt a r g e tm a r k e t s ，a p p l i c a t i o no ft h et r a n s p o r to p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h em i n i m u mp r o g r a m m eo f t r a n s p o r tc o s t sh a v e b e e nr e c e i v e d k e y w o r d s ：m u l t i m o d e lt r a n s p o r tc o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o n t h es h o r t e s tt i m ep a t hm o d e l g e n e sa l g o r i t h m c i 。a s s n o ： 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：占易l 签字日期：力纵) 肫石月莎e l 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。 学位论文作者签名：气医鼽 签字日期： 裤多月 日 5 5 2 0 0 8 年5 月 致谢 本论文的工作是在我的导师申金升教授的悉心指导下完成的，申金升教授渊 博的知识、严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，也让我 明白了很多为人处事的道理。在此衷心感谢二年来导师对我的关心和指导。 纪寿文副教授、卫振林副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习 上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向纪寿文老师、卫振林老师表示 衷心的谢意。 李宝文老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，陈鹏、郑鑫、马彦祥等同学对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢母亲，她的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 多式联运是把远洋、内河、公路、铁路以至航空运输连接起来的运输方式，是随着 海运集装箱化的发展而发展起来的。 多式联运是托运人只需将货物一次性委托给一个联运经营人，交付一笔全程运费， 由联运经营人签发一张联运单证，并承担从收货到交货为止的全程运输。多式联运经营 人是在多式联运的运输方式被采用后产生一种具有法律地位的人。它在多式联运业务 中，以当事人身份，向托运人签发一张联运单证，负责货物的全程运输，并按照联运契 约的规定，对货物在运输过程中发生的灭失、损坏或延期交付负赔偿责任。也就是说多 式联运经营人在签发联运单证时，是以承运人的身份向货主承担货物的全程运输责任， 在履行契约时，是以托运人身份委托单一方式承运人去完成各区段的运输，他一身兼有 承运人和托运人两者的性质。 从国际上看，伴随着集装箱出现以来，多式联运的发展大约经历了半个世纪，从硬 件开发的集装箱化时代开始，经过联运体系的软件开发时代，现在已进入真正的国际多 式联运时代。在这数十年的岁月中，随着集装箱化进程的加快，i nr l 式的服务越来越 普及，多式联运以其所具有的安全、快捷、手续简便、运输合理、结汇及时、包装节省 等优点，适应这种i l nr l 式的服务方式的需要，受到货主、航运公司和货运代理的青睐。 中国的多式联运正式起步于2 0 世纪8 0 年代。经过2 0 年的发展，在海运船队规模、 港口基础设施配套、内陆集疏运网络建设以及与运输组织经营管理有关的法律、规章、 政策、规划等方面，均取得明显成效。特别是1 9 8 9 1 9 9 1 年开展的以上海港为枢纽的国 际集装箱运输系统( 多式联运) 工业性试验，重点从设备配套、科学管理及信息系统 三个方面，进行了理论研究结合生产实践的探索，按照国际惯例和中国国情，针对内陆 集疏运薄弱环节，在充分利用原有能力和填平补齐配套原则下，建立和完善了能向国内 外两大扇面辐射的上海国际集装箱枢纽港，上海至北美、西北欧、澳大利亚、日本远洋 干线航线，上海港至上海地区以及苏州、无锡、常州、杭州和嘉兴五条公路集疏运线， 上海至郑州、西安、成都三条铁路集疏运线，上海至武汉、岳阳、无锡三条内河支线和 上海至青岛沿海支线。同时还形成了以有船承运人中国远洋运输( 集团) 总公司( 国际 海上承运人) 和无船承运人中国外轮代理总公司( 船舶代理人) 及中国对外贸易运输( 集 团) 总公司( 货运代理人) 为代表的多式联运经营人，并由这三家不同类型的多式联运 经营人开展经营和组织国际多式联运业务。这些成果的取得，为推进外贸进出口集装箱 一体化运输和国际多式联运在中国的应用与发展，奠定了良好的物质基础，也发挥了重 要的推动作用。 随着中国沿海干线港和内河枢纽港的逐步形成，中国外贸进出口集装箱港口吞吐量 ( 包括国际航线和沿海内河内支线) 自2 0 0 0 年以来，以年均2 6 的幅度在增长，而主要 承担集装箱国际多式联运的沿海和内河内支线的外贸集装箱吞吐量，更以年均3 2 的幅 度逐年增长。据2 0 0 4 年统计分析，全国外贸进出口集装箱港口吞吐量完成4 9 6 8 4 万 t e u ，比上年增长2 6 9 。其中：国际航线的集装箱吞吐量为4 5 3 1 1 万t e u ，占外贸箱 总吞吐量的9 1 2 ；内支线的国际多式联运集装箱吞吐量为4 3 7 3 万t e u ，占外贸箱总 吞吐量的8 8 ，分别比上年度增长2 5 5 和4 4 o 。在集装箱外贸进出口货物中，采用沿 海和内河支线国际多式联运方式完成的箱量虽然只占运输总量的8 8 ，但其逐年增长的 幅度要远大于外贸箱总量的增长幅度，说明中国集装箱国际多式联运有快速发展的趋 势。 按照2 0 0 4 年的统计口径，全国共有5 0 个港口从事以国际多式联运为主的内支线运 输业务，航线主要分布在长江干线、华东沿海及环渤海湾地区。在内支线4 3 7 3 万t e u 总吞吐量中，沿海支线为3 2 1 0 万t e u ，占7 3 4 ，共有2 6 个港口经营支线运输业务， 其中上海、大连、青岛、天津、宁波、厦门、深圳、广州8 个干线港完成2 7 3 6 万t e u ， 占沿海支线吞吐量的8 5 2 。中国目前采用国际多式联运合同运输的外贸进出口货物， 大部分是通过沿海干线港的内支线向东部沿海经济发达地区集疏运的。内河港口完成的 内支线吞吐量为1 1 6 3 万t e u ，占内支线总吞吐量的2 6 6 ，共有2 4 个港口经营支线运 输业务，主要是长江干线及其主要支流沿线港口，从下游的太仓、南通、江阴至上游的 万州、重庆等港；长江支流港口主要有赣江的南昌、湘江的岳阳、长沙、株洲等港：长 江三角洲地区的内河港口如无锡、嘉兴、杭州等港。就长江干线1 1 个主要港口的统计 分析，其内支线完成的外贸进出口集装箱7 3 4 5 万t e u ，吞吐量年均增幅达2 8 3 ，占 内河支线总吞吐量的比重为：2 0 0 0 2 0 0 2 年均在8 5 左右，2 0 0 3 2 0 0 4 年比重有所下降， 但仍占6 3 一6 5 9 6 。所以，以上海港为枢纽的长江支线运输是中国开展集装箱国际多式联 运业务的重要地区，它不仅覆盖面广，而且纵深长达3 0 0 0 多公里，是一条黄金水道。 此外，珠江水系有相当一部分外贸集装箱运输量，一般多直达香港或经香港中转，因而 未列入内支线而被列人了国际航线；长江中下游诸多港口也有一部分江海直达近洋的外 贸集装箱运输量，同样被列入国际航线运输量中。上述两部分运量，从营运组织方式角 度分析，其中有相当部分可纳入国际多式联运范吲。 多式联运这一先进的运输方式的优点在于： ( 1 ) 提高物流组织水平。多式联运有效地打破了运输方式的界限，实现了运输的合 2 理化，改善了不同运输方式的衔接协作，从而提高了物流的组织水平。 ( 2 ) 综合利用了各种运输的优势。多式联运通过各种运输方式的合理搭配，充分发 挥各类运输工具的效能，提高了运输效率，减少了货物的库存时间和费用，降低了运输 成本，实现了交通运输的持续发展。 ( 3 ) 为货主提供方便、快捷、经济、安全、可靠的门到门运输服务。在进行多式联 运时，货主只须制定目的地，承运人就会以此为基础把陆海空组织起来，设定最佳路线 提供统一单证和至目的地的费率承担运输的全部责任，这样做较货主自己选择运输路 线、安排运输，不仅具有减少库存费用的优点，而且在减少一般管理费用的同时，还可 以获得承运人提供的优惠运价。 然而与发达国家相比，我国多式联运目前还存在许多不足之处： ( 1 ) 集装箱运输在铁路运输中的比例不高 近几年，中国铁路集疏运港口外贸进出口集装箱的数量逐年有所增加，但所占比重 仍然很小。据测算，2 0 0 4 年共集疏运沿海港口外贸重箱约8 0 余万t e u ，仅占港口外贸 重箱吞吐量的2 5 ，公路占有绝对的优势，这与铁路在我国交通运输中的主导地位极不 相称，铁路未发挥长距离运输的优势，使集装箱运输的内在优势没有充分发挥出来，严 重阻碍着我国多式联运系统在全国范围内的发展。 ( 2 ) 多式联运的最佳效益体现不足 长期以来，我国对运输按照运输方式进行分部门管理。这种管理模式有其优点，但 也有不足，主要是由于部门的分割，产生多头管理和缺乏统一管理并存的实际状况。这 种状况造成多种运输方式之间比价不合理，价格体系不统一，从而对我国集装箱多式联 运体系的构建有不利的影响。目前对交通运输的管理体制，使集装箱多式联运应具有的 总体作用无法得到重分发挥，最佳效益体现不足。 ( 3 ) 高科技的手段应用程度不高 我国集装箱多式联运的高科技水平不高，主要体现在： 信息化水平不高，e d i 技术没有在多式联运系统中普遍应用； 缺乏货物全程在线跟踪技术； 技术装备水平低，集装箱运输标准水平低； 缺乏相应得决策支持系统。 ( 4 ) 多式联运法规不健全，市场不规范 由于部门的利益局限，所制定的政策、法规都以部门的条例、规定等形式出现，缺 乏对多式联运的通盘考虑，没有统一的多式联运政策，因此，各部门只能在本部门范围 内执行，难以跨行业、部门实施，市场缺乏有效管理。 ( 5 ) 多式联运收费繁多，价格体系不统一 集装箱运输中存在收费环节多、名目繁多、重复收费等王见象。多式联运全过程价格 不稳定，透明度差，难以实行一次收费、全程负责。运输价格体系混乱，有计划价、指 导价、市场价、协议价、有的还有“隐性价等。而且各运输方不协调，甚至价格扭曲。 从目前我国多式联运来看：由于法规不够完善、信息不能完全共享、价格机制不够 灵活、形成了虽然具有多种运输方式，但是难以很好衔接的局面。从而根本难以形成多 式联运系统。然而对已多式联运方式将中国与其他国家门到门的连接起来的国际多式联 运业务的需求，今后将越来越大。在地区差别很大的中国，由于发运地和收货地所必需 的运输手段不同，因此必须谨慎研究运输路线及运输方式的选择，本文将重点从运输方 式选择与路径优化两个方面进行研究。 我国多式联运尚处于初级阶段仍沿用货主直接托运组织体制和协作式联运的组织 方法。这种机制的局限性在于货主方既要在准备货物方面劳时耗神，又要在运输问题上 花费更大精力。因为全程运输组织业务是在政府有关部门协调下，由参加多式联运的各 运输企业和中转港口共同组成联运办公室承担，统一安排计划，开展全程运输协作，非 企业经济行为上的自发联动，所以在实际运作时，海运、港口、铁运如何衔接为一体化 运输的综合组织、合理分工及运作缺乏机制保障。不同方式的运输经营人多是固守据点， 自成体系，独立运输，海运、铁运、港口经营业务范围和货运量都受到很大的限制。 1 1 2 研究意义 随着现代社会中用户对运输质量期望的逐步提高和我国交通运输体系的不断完善， 多种运输方式之间的联合运输已经成为我国现代交通运输发展的一种必然趋势，并且必 将会成为我国未来综合运输体系的核心，在我国交通运输系统中发挥重要作用在这种情 况下，研究多种运输方式联合运输网络的最优分配模式，也就是说研究如何实现各种运 输方式之间的有效衔接，以实现费用的节约或时间的节省，这对于提高交通运输的服务 水平竞争能力以及其社会综合效益或效率，具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究概述 多式联运是由多种运输方式组成的一体化运输，随着多式联运的发展，我国关于多 式联运方面的理论研究也日趋增多，研究范围亦日趋扩大。目前研究内容主要包括： ( 1 ) 国内多式联运的发展策略研究 张炳华等【2 】对多式联运进行了系统论述，包括多式联运的衔接及运输业务流程、多 式联运作业程序、多式联运对运网的要求等，提出了加强多式联运管理应采取的有效办 法和措施。王海平等【3 】对中国集装箱的发展战略、多式联运与现代物流的融合发展问题 进行了研究，分析了集装箱多式联运系统在“联 的方面欠缺的问题所在，提出了发展 4 集装箱多式联运的政策措施。荣朝和掣4 】从宏观经济分析出发研究了集装箱多式联运与 综合物流的形成机理，从微观角度探索了其形成的微观经济基础，并从系统演化角度分 析了系统演化机理，指出我国集装箱多式联运系统具有耗散结构特征和发展中存在的问 题。( 苏) h b 普拉夫金等【5 】对枢纽内各种运输方式协调过程进行了分析，指出了技术协 调的途径。真红【6 】对集装箱多式联运系统进行了研究，指出多式联运系统中各种运输方 式的合理组合可以改善货物流通环节，降低流通成本；多式联运经营人也应选择符合其 运输成本及进度要求的运输组合方式。朱小宁【7 】系统地论述了国际集装箱运输与多式联 运的理论与实务。朱小宁【8 】对集装箱多式联运通道及其特征进行了分析，探讨了集装箱 多式联运通道的一般运作机理，对集装箱运输网络规划的特征、集装箱货运站布局及集 装箱运输网络配流等有关问题进行了研究。张卫民【9 i o 运用价值链理论、企业流程再造 理论、战略管理理论对海铁联运价值网络核心企业特征与营运对策进行了分析，提出了 价值网络环境下的优化方案。魏际刚，荣朝和i l l 】从宏观上对我国集装箱多式联运存在的 协调问题进行了研究。 ( 2 ) 多式联运的实务管理 韩增林【1 2 】认为e d i 是实现集装箱运输过程中各信息和电子单证传递的主要方式和 手段，提出了集装箱运输e d i 系统建设的主要措施。宋炳良【l3 】对北方中西部地区外贸货 物多式联运的路径优化进行了分析。傅占勇【1 4 】分析了我国多式联运发展缓慢的原因，对 我国首家集装箱海铁联运组织湛江港口铁路集装箱办理站的运营状况进行了分析。 张国伍i l5 j 认为运用系统工程和管理理论来研究我国综合交通枢纽的作业过程、信息共享 和多组织的a g e n t 代理管理模式等将有助于综合运输体系的形成，提出了综合运输枢纽 的虚拟组织发展模式。廖日清【1 6 】针对目前集装箱多式联运中的一些问题，提出构建集装 箱多式联运虚拟企业，根据具体的运输任务将承运人企业及各个运输企业最大的优势动 态地组合在一起，最高效地完成任务，使集装箱多式联运虚拟企业的整体力量远远大于 其构成要素的单个力量的简单总和。周勇【1 7 】论述了各集装箱办理站采用不同的运输方案 其整个作业过程产生的箱小时消耗不同，并分析了有利的作业方案。 国外学者在利用数学模型解决多式联运问题方面取得了一定成果。例如，n i j k a r n p 惜】 分别利用l o g i t 和p r o b i t 离散选择模型和神经元网络模型比较了优化模型和预测模型对 货物多式联运网络上的物流优化和预测的能力。为了研究一些政策问题，他实施了方法 论和建模的调查和数据收集，研究了在欧洲的特定道路上实施道路收费的效果。b e u t h e 伸】 研究了铁路、公路、水运三种货物运输方式的直接和交叉的需求弹力系数。他利用详细 的多式联运运输网络计算了巴尔干地区货物运输的1 0 种不同货类，开发的交通需求分 配模型全面地考虑了整个网络的特征，包括可行的路径以及各种交通方式间的组合。 r o n d i n e l l i t 2 0 1 研究了运输系统和物流系统对物理环境的影响，分析了多式联运对环境的 负面影响，运输运营及其设施带来的环境影响，以及从运输的角度控制或防止环境污染 的方案等。k o z a n 引】讨论了在集装箱枢纽港影响转运效率的主要因素，开发了一个网络 模型用来分析系统中集装箱的运输过程，并将该模型应用到一个集装箱枢纽港口。这个 模型可以被看作是个投资多式联运集装箱枢纽港的决策支持系统。 目前，国内外对 于多式联运下的空箱调运优化研究并不多。2 0 0 2 年由s o o kt y i n gc h o o n g , ，m i e l l a e lh c o l e 和e t h a nk u t a n o g l u l 2 2 】提出的个多式联运下的整数规划模型，该模型分析了多式 联运交通运输网络中空箱管理的计划时域长度的作用，并给出了定量分析。 ( 3 ) 各种运输方式内部集装箱运输的信息化建设 张寿桂【2 3 】在调查分析港口集装箱运输的主要单证和信息流程的基础上，建立了港口 企业部门各职能域的信息流程图，通过分析厦门港信息网络系统和集装箱运输m i s 的目 标，运用信息工程的方法提出了系统的功能模块结构，建立了“数据仓库 的体系结构、 计算机信息系统的数据模型和数据字典。童晨涮2 4 】论述了信息工程方法的原理及开发方 法和步骤，并以其为指导，分析了国内外多个港口信息系统建设的现状，建立了一个典 型的港口调度现代信息网络模型。孙峰、张健【2 5 】根据铁路集装箱结点站的功能及作业特 点，分析了集装箱结点站的信息处理流程。周天星，刘澜【2 6 1 提出并设计了基于c s t 体 系结构的集装箱物流信息系统，较为详细地分析了系统的功能结构、数据库、系统优化 等关键技术。乔丽【27 】论述了采用现代化的信息手段来管理国际集装箱运输的方法，研究 了国际集装箱管理信息系统的工作流程、系统结构技术难点、解决方案及实现方法，同 时给出了具体算法。金晓春【2 8 】对集装箱班列作业管理系统、集装箱运输过程中的管理、 动态追踪进行了研究，介绍了系统的功能总体结构设计。王琳【2 9 】对集装箱信息跟踪系统 进行了目标定位和规划设计，建立了系统的逻辑模型，提出了目标系统资源配置的初步 要求；对目标系统的组建模式、子系统划分、模块设计、数据库和网络结构进行了探讨。 苗沁，刘澜【3 0 】提出了可以通过以信息网络资源为基础、安全可靠的数据平台为后台、软 件程序控制前台界面，来解决有关部门问的集装箱信息互通、数据共享。翁民玲【3 i 】研究 了集装箱运输管理信息系统的系统目标、方案及系统功能。王云鹏，王占中，赵颖【3 2 】 在系统分析多式联运流程的基础上，运用扩展p e t r i 网对多式联运业务流程进行了建模 和仿真。通过对业务流程仿真，找出了系统的瓶颈，提出了优化方案。罗雄飞，伊晓强， 张秀嫒【3 3 】认为运用系统工程和管理理论来研究我国综合交通枢纽的作业过程、信息共享 和多组织的a g e n t 代理管理模式等将有助于综合运输体系的形成，提出了综合枢纽的虚 拟组织发展模式。 1 3 本文研究重点和论文框架 本文重点针对多式联运运输优化模型及算法进行研究，根据多式联运系统的网络特 性，建立了多式联运系统的虚拟运输网络描述。以此为基础，根据不同的应用需要，分 6 别涉及多式联运运输方式组合优化模型和多式联运最短时间路径模型，并给出了求解算 法。运输方式组合优化模型，在考虑各个网点的运输时间、运费、运输能力不同以及发 生换装的可能性等前提下，确定最佳的多式联运的运输组合方式，使得总运费最低：最 短时间路径模型，重点考虑了运输方式的换装时间和可能发生的延迟，构造了多式联运 运输网络时间分析图。为完成具有多功能、开放式和模块化的多式联运智能运输管理和 决策支持系统提供支持，从而发挥各种运输方式的优势，满足供应链总体上对时间、空 间和成本的约束，使有限的运输资源发挥最大的效益。 论文具体研究内容如下： 第一章绪论。首先从多式联运的现状出发，分析中国多式联运的发展现状，得出 目前中国多式联运还处于初级阶段，还面临着众多问题，选择多式联运的运输优化问题 进行研究。介绍了论文的选题背景和论文的主要研究内容。 第二章多式联运下运输优化研究综述。总结了现代物流运输优化的内容、作用与 基本要素，结合对目前运输优化模型研究的成果，提出多式联运下运输优化重点考虑的 属性。总结目前多式联运运输优化的现状。 第三章多式联运下物流运输方式和路径选择建模。首先介绍了网络优化基础和多 目标优化与评价，在此基础上针对多式联运进行了网络描述，分别针对运输费用最小与 最短时间建立了运输方式组合优化模型和最短时间路径模型。 第四章多式联运下物流运输方式和路径选择求解。首先介绍了遗传算法的基本原 理，包括g a 的产生、工作机理、特点以及参数选择问题。设计编码、初始群体、适应 度函数、以及各种算子对多式联运下物流运输方式和路径选择算法求解。 第五章实例应用亿利资源集团销售物流多式联运方案设计。结合亿利资源集 团p v c 销售物流项目，首先针对鄂尔多斯的外运通道进行分析，根据实际调研情况， 结合本文设计的运输优化组合模型，得出亿利集团发往的天津、上海、广州的运输方式 组合方案，最后对其运输流程进行设计。 第六章总结与展望。对全文的研究内容进行总结，并对以后的研究内容进行了展 望。 2 多式联运下运输优化研究综述 2 1 现代物流运输优化基础 ( 1 ) 运输优化的内容 所谓运输优化，是从物流系统的总体目标出发，运用系统理论和系统工程原理和方 法，充分利用各种运输方式的优点，以运筹学等数量方法建立模型与图表，选择和规划 合理的运输路线和运输工具，以最短的路径、最小的环节、最快的速度和最小的费用， 组织好物质产品的运输活动，避免不合理运输情况和次优化的情况。 运输优化的内容是避免不合理运输的出现，因为不合理运输是对运力的浪费，会造 成运输费用不必要的增加，从而使运输费用及服务失衡。运输优化所要解决的不合理运 输问题主要有： 与运输距离有关的不合理运输 过远运输。过远运输在运输总量中占有相当大的比重，主要表现在木材和建筑材料 上。在木材的不合理运输总量中，过远运输甚至达到7 0 以上。 迂回运输。迂回运输形式的原因很多，很多是因选择运输路径不当引起的。如果因 道路施工、事故等因素被迫绕道是允许的，但应当尽快恢复正常，因为它毕竟会引起运 输能力的浪费和运输费用的超支。 铁路、大型船舶的过折运输。 与运输方向有关的不合理运输 对流运输。对流运输是不合理运输中最突出、最普遍的一种。对流运输不合理的实 质在于多占用了运输工具，出现了额外的车辆走行公里和货物走行的吨公里，增加不必 要的运费。 返程或起程空驶。空车空载行使，可以说是不合理运输最严重的形式。必须调运的 空车在管理上不能视为不合理运输，但是，因调运不足、货源计划不周、不实行运输社 会化而形成的空驶，是不合理运输的表现。 与货运量有关的不合理运输 重复运输。把可以直线运输的物资经不必要的中转，成为重复运输，这不仅浪费装 卸劳力，增加作业的负担，而且增加物资损耗和出入库手续，因而造成物流时间长，费 用消耗和占用多等不利影响。 无效运输。无效运输即不必要的运输，它不仅浪费了大量的运输能力，而且还往往 人为的夸大了生产单位的成果，是消费者不能按质按量的得到价格适当的产品。消除无 效运输具有十分惊人的经济效果。 运力选择方式不当。不正确地利用运输工具造成的不合理现象，主要有弃水走陆、 运输工具承载能力选择不当等表现形式。 ( 2 ) 运输优化的作用 物品运输优化，即合理化的作用主要体现在以下几点： 合理组织物品运输，有利于加速社会再生产的进程，促进国民经济的持续、稳 定、协调的发展。 物品的合理运输，能节约运输费用，降低物流成本。运输费用是构成物流费用 的重要组成部分。在物流过程中，运输作业所消耗的劳动占的比例最大。低运输费用是 提高物流系统效益、实现物流系统目标的主要途径之一。物流过程的合理运输，就是通 过运输方式、运输工具和运输路线的选择，进行运输过程的优化，实现物品运输的合理 化。物品运输的合理化会达到缩短运输里程，提高运输工具的运用效率，从而达到节约 运输费用、降低物流成本的目的。 合理的运输，缩短了运输时间，加快了物流速度。运输时间的长短决定着物流 速度的快慢。所以，物品运输时间是决定物流速度的重要因素。合理组织物品的运输， 才能使被运输的物品在途时间尽可能缩短，能达到到货及时地目的，因此，从宏观角度 讲，物流速度的加快，减少了物品的库存量，节约了资金的占用。 运输合理化，可以节约运力，缓解运力紧张的状况，还能节约资源。物流运输 合理化，克服了许多不合理的运输现象，从而节约了动力，提高了货物的通过能力，起 到合理运用运输能力的作用。同时，由于物品运输的合理性，降低了运输部门的能源消 耗，提高能源利用率，。 ( 3 ) 运输优化的要素 运输优化的影响因素很多，其决定性作用的有五方面的因素： 运输距离。在运输时，运输时间、运输货损、运费、车辆或船舶周转等运输的若干 技术经济指标，都与运距有一定比例关系，运距长短是运输是否合理的一个最基本因素。 缩短运输距离从宏观、微观都会带来好处。 运输环节。每增加一次运输，不但会增加起运的运费和总运费，而且必须要增加运 输的附属活动，如装卸、包装等，各项技术经济指标也会因此下降。所以，减少运输环 节，尤其是同类运输工具的环节，对运输优化有促进作用。 运输工具。各种运输工具都有其使用的优势领域，对运输工具进行优化选择，按运 输工具特点进行装卸运输作业，最大发挥所用运输工具的作用，是运输优化的重要一环。 运输时间。运输是物流过程中需要花费较多时间的环节，尤其是远程运输，在全部 物流时间中，运输时间占绝大部分，所以，运输时间的缩短对整个流通时间的缩短有决 定性的作用。此外，运输时i h j 短，有利于运输工具的加速周转，充分发挥运力的作用， 9 有利于货主资金的周转，充分发挥运力的作用，有利于货主资金的周转，有利于运输路 线通过能力的提高，对运输优化有很大贡献。 运输费用。运费在全部物流费中占很大比例，运费高低在很大程度决定整个物流系 统的竞争能力。实际上，运输费用的降低，无论对货主企业来讲还是对物流经营企业来 讲，都是运输优化的一个重要目标。运费的判断，也是各种合理化实施是否行之有效的 最终判断依据之一。 2 2 运输优化研究综述 国外将物流配送中的运输调度问题归结为v e h i c l es c h e d u l i n gp r o b l e m 。最早由 d a n t z i g 和r a m s e r 于1 9 5 9 年首次提出，很快引起运筹学、应用数学、组合数学、图论 和网络分析、物流科学、计算机应用等学科的专家与运输计划制订者和管理者的极大重 视，成为运筹学与组合优化领域的前沿与研究热点问题。各学科专家对该问题进行了大 量的理论研究及试验分析，取得了很大进展【3 5 】。 该问题一般定义为：对一系列装货点和( 或) 卸货点，组织适当的行车线路，使车 辆有序地通过它们，在满足一定的约束条件( 如货物需求量、发送量、交发货时间、车 辆容量限制、行驶里程限制、时间限制等) 下，达到一定目标( 如路程最短、费用最省、 时间尽量少、使用车辆数尽量少等) 。本章从一般运输和加入多式联运后的运输路径优 化两个角度对近年来国内外的运输优化模型进行总结。 运输路线选择主要是选择起点到终点的最短路，不同运输方式路线选择业不同。最 短篱的度量单位可能是时间最短、距离最短或费用最小等。运输路线选择是继模式选择 之后的又一重要运输决策，它们之间紧密相联，最好是将运输模式和路线选择结合在一 起，因为路线选择的可能性在很大程度上取决于运输模式。路线选择问题可分为以下几 类：起讫点不同；起讫点相同；多起点；多终点，没有中间点；多个起点，多个终点， 由中间或转运点。 ( 1 ) 起讫点不同 这种情况通常不考虑其他运输因素，如路径容量约束等。常用最短路算法，其步骤 如下： 第一步：确定网络中已标号及未标点的点； 第二步：对每个标号的点，确定和它直接相联的为标号的点； 第三步：选择和已标号的点有最近距离的未标号的点进行标号： 第四步：若到达终点便停止，否则返回第二步，重新进行。 ( 2 ) 起讫点相同 l o 这类问题主要指考虑从设施点出发访问一定数量顾客后又回到原来的出发点的线 路确定问题。通常应用在饮料地送、送牛奶、送包裹等问题。也就是运筹学中常见的旅 行商( t s p ) 问题。其目标是确定回到出发点前服务顾客的次序，失踪旅行距离最小。 通常的数学模型为： m i n z = q 乃 一一 vv 扛1 卢i ( 2 1 ) 踉= 1 v j ( 2 2 ) f ；i y 置，：1 v i( 2 3 ) j = l 瓦 o ，1 ) v i ，_ ， ( 2 - 4 ) 式中：c ，旅行商经过对应路段( i ，j ) 所花的费用，如时间、距离、费用等； 决策变量五，如果路段( i ，j ) 在线路上，其值为1 ，否则为o 。 ( 3 ) 多起点、多终点，没有中间点 这个问题主要是将多个供应点的供应分配到多个顾客需求点，常用在产品从工厂到 仓库的配送、从仓库向顾客供应等。这类经典的运筹学问题称为运输问题，通常也称为 h i t c hc o o k 运输问题，求解运输问题常用伏格尔法或表上作业法，在一般的运筹学及交 通规划的书籍上都能找到。 ( 4 ) 多起点、多终点，有中间点 这个问题是最优分配多个供应点的供应到多个需求点，也可以灵活地在各个中间点 处分配，有些起点或终点也可能是中间点。这类问题又称为转运问题。解决此问题第一 步要采用一些规则将它转化为运输问题，那就是可以用任何一种求解运输问题的算法来 解决了【3 6 】。 近年来，国内学者在运输优化做了大量的研究，其中有： ( 1 ) 刘荣华、孙皓、赵娟口刀的基于供应链的运输决策研究根据运输决策制定流程 图，分析研究了运输决策中相关运输绩效参数的识别、运输方式及承运商的选择、供应 链中运输网络的设计以及运输路线和行程安排的优化算法。 ( 2 ) 刘文芳、陈永峰m 3 的供应链中运送线路规划问题研究研究了供应链中通过 配送中心为客户送货的送货模式中运送路线的规划问题，通过节约方阵，将节约最大， 同时满足承载量的客户合并为一组，由同一运输工具进行运输，达到减少运距的目的。 在同一组内，采用了相应的算法，在完成运送任务的前提f ，安排运送顺序，使运距最 小。 ( 3 ) 梁冬梅、邹平m 1 的供应链中物流网络的运输优化模型研究通过对文献的研 究，从供应链的一般结构中，抽象出供应链物流网络图，许总结了该网络图的特点。鉴 于该供应链物流网络的复杂性，笔者将该网络的运输系统分为两部分。分别构建运输优 化模型。介绍了一些求解方法；并引用实例。应用m i c r o s o f te x c e l 电子建模方法和l i n d o 数学规划软件进行求解，从而验证了该运输优化模型的正确性。 ( 4 ) 桂华明、马士华1 的运输能力柔性约束的供应链p a r e t o 优化策略针对单位 产品运输成本对批量敏感并由生产商负责产品运输的情况，建立了供需双方在分散决策 和集中决策情形下的最佳批量模型。分析结果表明运输能力柔性越强，生产商的最佳生 产批量越小，与批发商要求的短周期、小批量订货越接近，从而在不增加成本的情况下， 生产商能够对批发商的需求快速响应。且当运输能力非完全柔性时，生产商可以通过降 低产品转让价格改让批发商负责产品运输，以使批发商在分散决策情形下的最佳订货批 量更接近于生产商的最佳生产批量和供应链在集中决策情形下的订货批量，从而在供需 方双赢的前提下实现整个供应链的利益优化。 ( 5 ) 杨金刚、赵道致h 的需求不确定和单位运输成本变化的供应链模型基于需 求信息不确定的情况，对由一个供应商和一个销售商组成的两层供应链系统进行了研 究，继而再考虑商品单位运输费用随订货量增加而降低的情况，分析了销售商采集需求 不确定信息的必要条件，指出了什么条件下供销双方会共享这种不确定信息以及供应链 系统中多个销售商联合订货的优势。 2 3 多式联运运输优化研究综述 ( 1 ) 多式联运运输的特点 。多式联运是多种运输方式的联合协调运输，多式联运强调的是公路、铁路、海 运、河运、空运等多种方式的无缝衔接和紧密协调。由于集装化运输在装卸和换装方面 的突出优势，集装箱成为了多式联运的一种主要形式。多式联运的效率与选择的联运方 式、运输路径有很大关系。通常，运输优化和基础设施是多式联运的中心问题，而管理、 法律环境和信息交换也是影响多式联运的重要因素。 多式联运下的运输优化研究要考虑到多式联运的如下属性： 空间属性：运输实现货物的空间位移。运输起讫地具有的交通方式决定了运输方式 的选择；运输起讫地之间的距离构成了运输距离；运输起讫地跨越的地理空间具有的运 输方式影响着运输方式的转换。 时间属性：运输消耗时间，完成一次多式联运的时间消耗包括选用的各种运输方式 的运输时间，以及运输方式转换时阳j 。时间是衡量运输效益的重要因素。 成本属性：运输消耗的货币衡量。多式联运的成本因素除了通常意义上的燃料费用、 设备费用、劳动力费用和管理费刖外，转换运输方式的总费用是重要部分。 网络属性：多式联运运用了多种运输方式，而各种运输方式如公路、铁路和水运等 1 2 都有一个庞大的网络，多式联运从一个运输网络转换到另一个网络。运输优化就是合理 的选择运输路线和转换节点( 即车站或港口) 。 信息属性：多式联运的信息十分复杂，信息联系的广泛性和信息交换的频繁性远远 超过了单一形式的运输，而空间信息的采集、处理和运用影视多式联运信息管理的重点 之一。 ( 2 ) 多式联运运输优化模型综述 多式联运模型相对比较简单，r e d d y ( 1 9 9 5 ) 以费用最小作为目标函数，假设在任意 给定两城市间采用同一种运输方式，运输费用和运输距离成线性关系做了一个模型。模 型为： m i n z = 艺+ 。+ 。+ 砖+ 。= 1 v f k ( 2 6 ) y y l v i 七， i ，+ 砖+ 。2 y _ v i ，k ，i + l ， o ，1 ) v i ，k ，1 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) c ：；：! 从i 市到i + 1 时采用运输方式k 的运输费用； 在i 市从k 方式转换为l 方式的转运费用。 决策变量如下： 。f 1 如果从i 市n i + l 市运输货物采用k 方式 + 1 10否则 hf l如果从i 市如果将货物从k 方式转运为l 方式，k l “ f0否则 式中目标函数是使两个线性费用函数取值最小。右边式子第一项是对已确定节点的 货物从起点到终点的总运输费用。第二项是总转运费用，此项只有在中问某地点将货物 从一种方式转换为另一种方式是才存在。第一个约束保证在任何两时间只有一种方式运 输货物。第二个约束是指在某一城市只有一种转运类型。第三个约束保证期内部具有一 致性，即如果在城市i 运输方式从k 变为l ，那么从i 1 市到i 市货物就是通过k 方式运 输，而从i 市到i + l 市货物将通过l 方式运输。最后一个约束是决策变量的0 1 约束。近 年来，众多学者在此基础进行了改进。 杨龙海、安实、毛科俊【4 2 1 的基于