（交通运输规划与管理专业论文）基于畅通可靠性分析的城市物流配送网络优化研究.pdf

摘要 城市物流配送网络是以城市道路网为载体，由物流配送中心和客户需求点等 节点以及配送线路组成。所以城市配送的送达质量受城市交通情况影响很大，但 是城市交通面临一些不确定性问题，如灾害或紧急事件发生的时间、类型、位置 及交通需求数量等。这些不确定性的存在，使得人们对城市物流配送网络的应变 能力提出了新的要求。为此，本文将网络畅通可靠性理论引入城市配送网络优化 研究中，运用畅通可靠度这个概率性的评价指标，来进行城市物流配送网络优化 研究，减少路网容量、饱和度、行驶时间等常态确定型评价指标因为观测数据的 短期性造成的结果有较大任意性。 本文的主要研究内容有：网络畅通可靠度、城市物流配送网络优化及优化模 型的遗传算法求解。网络畅通可靠度意味着网络系统在规定条件下和规定时间里 完成所规定功能的可能性。本文分析了在规定的畅通标准条件下，城市物流配送 网络的畅通可靠度的计算方法，在计算时，提出了考虑单元间堵塞相关性的城市 物流配送网络畅通可靠度计算流程，使得畅通可靠度这一指标更加符合城市交通 流特性；在设计城市物流配送网络优化流程时，基于方案比选的思想，考虑到城 市物流配送网络内单元众多，情况复杂，可供选择的改扩建方案也很多，给基于 方案比选的城市物流配送网络优化造成很大的困难，为了提高初选方案的高效性， 本文采用单元重要度分析的方法，以确定对城市物流配送网络系统畅通可靠度影 响较大的单元，并缩减城市物流配送网络投资的备选方案；在优化模型求解上， 本文基于遗传算法的适用性强和智能化等特点，研究了基于畅通可靠度分析的城 市物流配送网络优化模型求解方法，并进行了案例分析。 本文相关研究成果对提高客户服务水平、降低物流运输成本、提高物流配送 网络的可靠度，不断满足日益发展的城市配送需求具有十分重要的意义。 关键词：城市物流配送网络；畅通可靠性；单元重要度；网络优化；遗传算法 a b s t r a c t t h eu r b a nl o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r kt a k e st h eu r b a nr o a dn e t w o r ka st h e c a r r i e r ，a n di tw a sc o m p o s e do ft h en o d eo fd i s t r i b u t i o nc e n t e ra n dc u s t o m e rd e m a n d p o i n t sa n dd i s t r i b u t i o nl i n e s t h eq u a l i t yo fu r b a nd e l i v e r ys e r v i c ew a sa f f e c t e db vt h e u r b a nt r a f f i cc o n d i t i o n s g r e a t ，b u tt h eu r b a nt r a n s p o r tf a c e ds o m eu n c e r t a i n t i e s p r o b l e m s ，s u c ha st h et i m e ，t y p e ，l o c a t i o na n dq u a n t i t yo ft r a f f i cd e m a n do ft h e d i s a s t e ro re m e r g e n c yo c c u r r e d w h i c hh a sp r o p o s e dt h en e wr e q u i r e m e n t st ot h e r e s i l i e n c eo ft h ec i t y l o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h e r e f o r e ，t h et h e e r vo ft h e n e t w o r ku n b l o c k e dr e l i a b i l i t yw i l lb eu s e dt oo p t i m i z a t i o n s t u d yt h eu r b a nd i s t r i b u t i o n n e t w o r k ，a n du s et h ep r o b a b i l i t yi n d e xo fe v a l u a t i o nr e l i a b i l i t yt oc a r r yo u tu r b a n l o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o n ，w h i c hc a nr e d u c et h ea r b i t r a r yc a u s e df o r d e t e r m i n i s t i ce v a l u a t i o ni n d e x e so fc a p a c i t y ，s a t u r a t i o n ，n o r m a lt r a v e lt i m ew i t ha s h o r t t e r mo b s e r v a t i o nd a t a t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e ra r e ：t h en e t w o r ku n b l o c k e dr e l i a b i l i t y , o p t i m i z a t i o no ft h eu r b a nl o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h mt o t h eo p t i m i z a t i o nm o d e l t h eu n b l o c k e d r e l i a b i l i t yo fn e t w o r km e a n st h ep o s s i b i l i t vo f c o m p l e t i n gt h et a s k su n d e rt h er e q u i r e dc o n d i t i o n sa n dt i m e t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h e c a l c u l a t i o nm e t h o do fu r b a nl o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r ku n b l o c k e dr e l i a b i l i t vi n s t a n d a r du n b l o c k e dc o n d i t i o n s ，w h i l ec o n s i d e r i n gt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec e l l so f u r b a nl o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，s ot h a tt h i si n d i c a t o rw i l lb em o r ec o n s i s t e n tw i t h u r b a nt r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c s d e s i g n i n gt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s s ，t h eu r b a n l o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n v o l v e san u m b e ro fu n i t sa n dt h es i t u a t i o n sa r e c o m p l e x ，s oi ti ss od i f f i c u l tt om a k eac h o i c ef r o ms o m a n yo p t i o n so f r e c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o nb a s e do n c o m p a r i s o nt h i n k i n g ，w h i c hc a u s e sg r e a t d i f f i c u l t i e st ot h eu r b a nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko p t i m i z a t i o n t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c v o fp r i m a r yp r o g r a m s ，i nt h i st h e s i s ，a ni m p o r t a n te l e m e n ta n a l y s i sm e t h o di s u s e dt o d e t e r m i n et h eu n i t st h a ta r em o r ei m p o r t a n tt ot h eu r b a nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k s y s t e m u n b l o c k e d r e l i a b i l i t y , a n dr e d u c et h eo p t i o n s b a s e do nt h e i n t e l l i g e n t a n d a p p l i c a b i l i t yf e a t u r e so ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m s ，i ti ss t u d i e dt h a tt h es o l v i n gm e t h o d f o rt h el o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k o p t i m i z a t i o nm o d e l ，a n dc o n d u c t e dc a s es t u d i e s t h i sr e s e a r c hr e s u l t sh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v ec u s t o m e rs e r v i c el e v e l s r e d u c el o g i s t i c sc o s t s ，i m p r o v et h eu n b l o c k e dr e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k 。a n d i l c o n t i n u o u s l ym e e tt h eg r o w i n gd e m a n df o ru r b a nd i s t r i b u t i o n k e yw o r d s ：u r b a nl o g i s t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；u n b l o c k e dr e l i a b i l i t y ；c e l l i m p o r t a n c e ；o p t i m i z a t i o no fn e t w o r k ；g e n e t i ca l g o r i t h m i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 确、确痒 日期：切，p 年，月玎e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：齑一砀菇 导师签名：j 鸦 日期：扣，口年j 月才日 日期：沙如年夕月日 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 选题背景及问题提出 1 1 1 选题背景 城市尤其是枢纽城市是商品的集散和加工中心，在经济发展中处于“中心地 和“增长极”的作用，以其核心枢纽将整个地域“极化 成一个商品流通整体。 城市化水平是物流业发展的一个重要条件，反过来产业的发展也伴随着城市化， 促进城市工业生产、商贸、金融、服务等其他经济的协调发展，提高社会分工协 作水平，充分满足社会需求。一些大中型城市迫切需要建立起高效、规范的城市 物流配送体系，以满足城市发展的需要。然而大型城市的特点和强中心的格局， 导致中心城区庞大的物流配送需求与有限的道路交通资源之间的矛盾日益显现。 为了规避市区道路通行限制，物流配送企业纷纷使用非法的“客改货 ( 将客车 拆除座位从事货物运输) 车辆从事配送服务，加剧了城市交通的拥挤，市区的物 流配送畸形发展。我们认为，按照城市物流配送专业化、规模化、网络化、信息 化的思路打造载体一一“城市快运”，通过对“城市快运 品牌的建设，逐步使 城市配送系统构架、企业建设、设施布局、车辆装备水平、营运组织等诸方面适 应物流配送高效率、低成本发展要求，是在市区范围构建合理、高效的物流配送 组织方式的关键举措。 日本东京大学的t a n i g c h i e t a l 等在1 9 9 9 年把城市物流定义为：“在市场经济 中，考虑城市交通环境、交通堵塞和能源消耗的同时，由个体企业全面优化城市 区域内物流和交通行为的过程。城市物流的任务是为处在城市里的零售商、工商 企业和家庭，以城市可以承受的方式，经济高效地进行物质供应和废弃物处理， 以减轻城市的交通和环境负担。 但是快速增长的城市物流配送需求以及缺乏规划和管理的配送车辆的违规出 行，使得原本拥挤的大中城市交通更加不畅通。交通拥挤程度作为路网运行状态的 一个主要评价指标，其直接危害是使交通延误增大，行车速度降低，带来时间损 失；低速行驶还导致耗油量增加及出行成本增加。美国德州运输研究所通过研究 美国3 9 个主要城市，估算美国每年因交通阻塞造成的经济损失约为4 1 0 亿美元。 在日本，仅首都圈，严重拥挤地点就有2 1 9 处，在首都高速道路拥挤严重的路段， 其拥挤持续时间长达1 7 小时，拥挤长度达9 8 7 公里。日本东京每年因为交通拥 挤造成交通参与者的时间损失相当于1 2 3 0 0 0 亿日元。欧洲每年因交通事故、交通 拥挤和环境污染造成的经济损失分别为5 0 0 亿欧元、5 0 0 0 亿欧元和5 0 亿5 0 0 亿欧兀。 城市物流配送是与城市道路运行状况密不可分的相关体，在城市道路拥挤程 度不断增加的情况下，有必要对城市物流配送的网络的运行可靠性进行研究，以 提高客户服务水平和降低运输成本。 1 1 2 问题的提出 近年来，城市物流规划成为热点，但往往可操作性差，实施效果差强人意，本文 将城市交通网络中的畅通可靠性研究理论引入城市配送网络规划中，通过对城市 道路网的畅通可靠性分析，来引出城市配送网络的畅通可靠性的优化研究。 在非自然灾害条件下，由于近几年大中型城市消费品零售快速发展，如：在 “十一五 期间，杭州消费品零售总额年均增长2 4 5 ，2 0 1 0 年杭州完成消费品 零售总额1 2 6 5 8 亿元，商品交易市场数量为1 0 2 6 个，其中成交额超亿元的市场 有10 9 个。其次，中心城市以三产和居住为主，商业商务活动十分频繁，释放了 强大物流需求，形成新的城市配送物流市场，催生了一大批以文件、国际包裹、 金融单据、外贸单据等业务为主要内容的快递企业的崛起。再次，中心区物流配 送服务对象以超市、商场、门店、各类企业总部、机关、以及居民家庭等为主； 运输特点以小件物品，高附加值，批量小，批次多，随机性强，要求提供全天候， 门到门的服务等。工业原材料及其产成品的货物运输在城市道路货运中的份额已 明显降低。 与此同时，城市正规物流配送运力供给不足。由于受到市区道路通行的限制， 企业等不得不大量使用“客改货 违规从事货物运输，其中包括一些依托国际网 络从事快件运输的国际知名企业，包括u p s 、t n t 、敦豪、联邦快递等。如：杭州 一家港资快运企业1 1 2 辆车中有7 3 辆面包车；一家合资物流企业6 5 辆车中有5 6 辆面包车。这种“客改货 车辆使用性质是客车，无法办理货运道路运输证，逃 避了国家大量税费，营运成本低廉，对合法正规城市货运车辆的相对经营优势， 吸引大量企业进入“客改货”的非法运输活动，且数量日渐膨胀，严重扰乱运输 市场秩序。 不规范的物流配送活动的增加，就造成了交通需求激增，城市道路供需矛盾日 益加剧，从而造成阻塞频发，而随机发生的交通事故等紧急事件的发生进一步恶 化了城市物流配送网络运行状态，不仅加重了城市交通拥挤，也增大了出行时间 的不确定性和物流配送成本，降低了客户服务水平。而目前国内外对交通系统运 行状态的研究指标，如饱和度、路网容量、行驶时间、拥挤度、延误、用户满意 度、服务水平等多为非概率测度参数。这些常态指标往往仅来自某一次或短期观 测结果，以此作为一定时期的城市物流配送网络系统运行状态的评价依据，难免 有较大的任意性，而且这些确定性指标难以正确描述和评价未来城市物流配送网 2 络运行的期望状态，准确的预测节点拥挤、堵塞发生的可能性。这将给交通系统 的应变性规划及管理带来一定的困难。因此，有必要应用概率型评价指标来分析 和研究城市配送网络。本文由此依据城市道路网的运行状态的畅通可靠性指标来 进行城市物流配送网络优化设计的研究。 1 2 研究目的和意义 目前我国城市物流的快速发展，导致中心城区庞大的物流配送需求与有限的 道路交通资源之间的矛盾日益显现，导致原有的城市物流配送网络运行效率较低， 不能满足日益发展的城市配送需求，服务水平不高。 本文以概率型评价指标一一畅通可靠度，作为城市物流配送网络运行状态评 价指标，弥补了以往确定性评价指标的不足，更具有适应性。 而且本文中在进行城市物流配送网络优化过程中，采取基于方案比选的原则， 使用了单元重要度分析方法，有效的缩减了初选方案的数量，明确了网络投资建 设顺序。使其操作更有效率和实际应用价值。 1 3 国内外研究现状 1 。3 1 物流配送网络优化 在物流网络优化工程中，目前主要是选址理论，根据其是否考虑服务分派，将 物流网络优化问题分为以下三种情况：纯设施选址问题( f a c i1i t yl o c a t i o n p r o b l e m ) ，即决策中不考虑服务分派；设施选址一服务分派问题 ( l o c a t i o n - a 1 l o c a t i o np r o b l e m ，l a p ) ，即同时考虑设施选址和服务分派问题； 若同时考虑设施选址、服务分派和路径安排问题，则称之为设施选址一路径安排问 题( l o c a t i o n r o u t i n gp r o b l e m ，l r p ) 。 1 9 0 9 年a 1 f r e dw e b e r 提出了单一仓库选址问题，开创了选址理论先河；1 9 6 4 年，h a k i m i 关于选址问题一般情形的研究标志着选址理论研究进入繁荣时期；2 0 世纪年代以后，现代物流理念的产生和l r p 问题研究的兴起，丰富了选址理论的 研究内容h 1 。本文接下来总结了纯设施选址问题和l r p 的研究进展问题，并将l a p 问题视为l r p 问题的特殊情形，不再对其详细阐述。 按配送中心的数量可以将配送中心布局优化划分为单一配送中心选址和多个 配送中心选址优化问题。单一配送中心选址是指一个配送中心服务于多个顾客的 选址，而所谓的多个配送中心选址则是在一些已知的所选地点中选出适当数量的 地点来设置配送中心。 总结配送中心布局规划理论方法，主要有两种思路：一种是根据配送中心布 局原则，结合运用层次分析法和模糊综合评价法对选取的m 个选址方案进行评价； 另一种是以某一种或几种指标达到优化为目标应用数学模型进行配送中，t l , 的布局 规划，如，c f l p ( c a p a c i t a t e df a c i l i t yl o c a t i o np r o b l e m ) 法、重心法、混合 整数规划法、h a m b u r g e rk u e h n 模型、遗传算法等明确配送中心布局的原则，运 用层次分析法和模糊综合评价法相结合对选取的m 个选址方案进行评价。 1 3 2 随机情况下网络可靠性研究现状 城市物流配送网络系统是基于城市交通系统的的一个复杂网络，研究其网络 可靠性，就要考虑交通的随机性，所以有必要对随机情况下的网络可靠性研究现 状进行综述。 现有的评价随机情况下网络可靠性的方法主要有蒙特卡罗仿真法、状态树评 定法、以及基于网络中最小路集m p s 和最小割集m c s 的方法。近些年来在我国 专家们对随机流网络方面也取得了一定的研究成果，但是相对于国外的研究成果 来说还是很少，特别是随机网络可靠性理论在相关领域的应用研究更少。目前的 研究成果大多只考虑了系统弧上面的容量限制，但在现实网络的应用中，网络系 统中节点单元在一定时间内所能允许的流量也是有限的，也可能因此失效。所以 这将是本文完善网络可靠性分析的一点研究。原有具体研究成果如下： 1 国内研究综述 王芳，侯朝帧1 1 2 】一种提出了通过一定的规则生成网络的状态树的方法，然 后利用离散知识来计算随机网络可靠性，使得每一个分支都是全序集合；在生成 状态树的同时搜索每一个分支，对状态采用基于割集的方法进行判断，每个分支 上的最小的有效状态就是网络d 一下界点，进而求出网络的可靠性。王芳，侯朝帧 【1 5 l 还提出一种估计随机流网络可靠性的基于蒙特卡罗抽样和p e t r i 网建模仿真的 m c p 方法。该算法以蒙特卡罗方法为基本框架，通过蒙特卡罗抽样来模拟网络系 统的随机性；对于随机抽取的网络状态，通过p e t r i 网仿真计算相应加权图的最大 流量，判断是否为有效状态。 但是以上研究成果表明，现有的估算随机网络可靠性的算法的研究大都是在 没有考虑节点的有效性也就是假定网络中节点完好无损即的情况下进行的，而没 有和实际的相关应用系统如城市交通系统、计算机系统、物流系统等相结合，缺 乏实际应用价值。 2 国外研究综述 t s i a k i s 1 4 】提出将两阶段随机过程模型应用于不确定性的供应链网络的优化 设计中。他尝试了将研究成果应用于一个涉及1 4 种产品、1 8 个客户点、6 个分销 中心和3 个要求条件的欧洲供应链网络优化研究中，并用一个大规模的修改整合 的线性模型来解决这个问题。但是由于由于计算水平等的限制，这种两阶段随机 过程模型，只适合单元数量是小数目的不确定因素下供应链网络计的设计。 4 s h a b b i r a h m e d 5 】同样采用两阶段方法对供应链进行初步建模优化，但是基于算法 限制的研究，他提出用一种样本平均近似( s a a ) 的方案，针对大规模的拥有多 数量节点流量的供应链网络，他使用了一种能加速b e n d e r s 分解的算法来进行供 应链随机设计。y i 。k u e il i n 6 】考虑了多商品( 信息) 随机流网络m u l t i c o m m o d i t y s t o c h a s t i c f l o wn e t w o r k 中的节点可能失效，则提出一种基于最小割集算法求出上 界点，用来对网络系统的可靠性评价。他以两种商品( 信息) 在网络上传输为例， 将节点的有效性和弧的有效性一起考虑，列出所有的割集，并利用不等式组求出 最小割集确定上界点，从而得出网络可靠性的概率，并将两种商品在网络上传输 的研究情况推广到多商品( 信息) 的传输。从当前研究或扩展的所知道的最好的 算法中找出用简单概念发展一个很直观的算法，使它从不考虑节点的可靠性到考 虑节点的可靠性，这是一个可靠性理论的又一次取得的很大进步。 可见，上述网络可靠性研究主要围绕是否考虑节点有效性进行网络可靠性分 析，而没有考虑节点之间的失效相关性。因此，本文在计算城市物流配送网络畅 通可靠度时，考虑了单元失效相关性，更加具有实际指导意义。 1 3 3 城市路网可靠性研究现状及局限 城市物流配送网络是以城市路网为载体，二者是相辅相成，不可分割的。为 此，本文综合以上网络可靠性理论和交通系统可靠性理论，对城市物流配送网络 畅通可靠度进行研究。 目前道路交通系统涉及的可靠度指标主要限定在以下几个方面7 】【8 】【9 】【1 0 1 ：连 通可靠度、运行可靠度和容量可靠度。 1 连通可靠度( c o n n e c t i v i t yr e l i a b i l i t y ) 连通可靠度最早是由同本的m i n ek a w a i 在19 8 2 年提出的i l3 1 ，饭田恭敬等人 做了进一步的研究。它反应的是交通网络结点两两间保持连通个概率。连通可靠 度求解过程中一般只研究路段的0 、1 两种状态，即具有最大通行能力或通行能力 为o 。当路段通行能力为零时，表示路段不连通；反之，则连通。 1 1路段a 连通l “口 l0 相反 l 路段的可靠度匕由艺等于1 的概率期望给出，即 屹= e x 。】- 1 木p r x 。= 1 j + 0 木扛。= 0 j 则网络系统可靠度函数为 f 1系统的起讫点间保持连通 ” l0相反 可见连通可靠度研究的是道路单元连通与否，是路网处于临界状态的概率， 没有考虑路网容量限制的问题，所以适用于评价地震等灾害发生的极端条件狭隘 的路网。 2 运行时间可靠度( t r a v e lt i m er e l i a b i l i t y ) 运行时间可靠度是评价出行时间稳定性的一种指标，它也是考察路网可靠度 的另一种常用测度方法。a s a k u r a 和k a s h i w a d a n i 于1 9 9 1 年提出了运行时间可靠 度的概念。运行时间的可靠度可定义为：在规定的时间内，车辆能从七点0 到达 讫点d 的概率。利用运行时间可靠度对同常( 非灾害) 情况下的路网运行状况的 评价很有效。 在此基础上，1 9 9 6 年a s a k u r a t 2 3 1 又提出了由于道路条件的恶化而导致的容量 下降的运行时间可靠度的计算复方法。该运行时间可靠度定义为阻塞状态运行时 间与畅通状态运行时间之比的函数。根据这一定义计算的可靠度可作为标准来确 定服务水平等级，按照不同的要求，无论是否发生拥挤，整个路网都应保持在一 定的服务水平上。 2 0 0 0 年s e u n 西a e l e e 等人建立了基于运行时间可靠度的大范围交通网络交通 分配模型【2 5 1 。该模型在分析交通供给与交通需求的基础上，得到了相应的运行时 间可靠度。 在进行日常状态下的路网运行时间可靠度研究的同时，h i r o s h iw a k a b a y a s h i 建立了在不确定的雨雪天气下的运行时间可靠度计算方法的框架【3 1 1 ，并将其应用 于实际的快速路网络中。该方法为偶发事件下的路网运行状态的评价方法奠定了 基础。 3 容量可靠度( c a p a c i t yr e l a t e dr e l i a b i l i t y ) 路网容量可靠性【3 2 】的概念是美国犹他州州立大学a n t h o n yc h e n 等提出的。 其含义是：在一定服务水平下，路网容量能满足一定交通需求水平的概率。根据 定义，首先要确定基于路线选择行为的路网的最大容量，由此引出了路网储存容 量洗漱的概念，即指一个已知需求o d 矩阵被扩大若干倍后，将其分配到路网上 时既不会大于路段的通行能力，也不会超过预先规定的负荷度，这个最大的倍数 就被称为路网储存容量系数。a n t h o n yc h e n 建立的可靠度指标的评价指标方法设 计了可靠度技术、网络均衡模型及m o n t ec a r l o 模拟方法。但该方法对于偶发香 的交通事件( 如交通事故、车辆抛锚等) 则需要用随机模型来分析驾驶员的路线 选择行为。容量可靠度是从宏观的角度来考察整个路网的容量是否满足交通需求 的扩大或者交通需求的管理。 从以上概念可知，现存的可靠性测度方法对于评价交通系统营运状态都是有 效的，但存在一定的局限性：上述计算方法都是采用了模拟法，使得单元可靠度 与系统可靠度的解析关系不明确；另外以往的路网可靠性分析，都是在单元之间 相互独立的前提下进行的，这与实际的交通流现象不符。 综上所述，可知目前道路交通系统可靠度的评价指标还尚未成熟。其主要存 6 在以下不足： 1 、缺乏对路网功能的准确界定 城市路网可靠性是路网在规定时间、规定条件下完成预定功能的能力。而目 前的研究对路网预定功能，尤其在各类灾害及紧急事件下的预定功能标准没有明 确界定。相应的单元及路网系统的可靠性标准或要求也没有确定。 2 、缺乏对各种随机因素对道路及路网通行能力的影响的研究 在道路交通系统抗灾应变能力预测研究中，研究者多将结构可靠性分析与路 网容量分析割裂开来，仅进行道桥结构及系统炼铜可靠性评估。事实上，在自然 灾害或紧急事件时，路网上连通可靠的0 d 对还会因交通需求及通行能力的矛盾激 化造成阻塞而丧失运输功能。因此系统连通可靠性评估不能完全预测系统应变能 力，有必要考虑路网容量限制进行路网可靠性评价。而目前缺乏各类随机因素对 道路及路网通行能力的影响的研究。 3 、缺乏对各种随机因素对道路交通需求的影响的研究 各种重大灾害及紧急事件对路网通行能力造成削减的同时，也使交通需求随 之发生变化，如出行人次及出行目的的改变、路径选择的变化、交通方式的转移， 道路出行费用矩阵的变化等。而对于非灾害条件下的拥挤路网，日常交通需求的 变化也不容忽视，少量增加的需求就可能造成已超负荷运转的路网发生长时间拥 堵。交通需求的变化具有典型的随机性。对灾害及紧急事件下的交通需求进行合 理的预测是进行路网可靠性评价、交通管理抗灾预案的制定及应急交通管制的基 础。而目前缺乏对同常、灾后及紧急事件下人的出行行为分析及实用有效的交通 需求随机分布的预测方法。 4 、缺乏单元可靠性及考虑失效相关的路网可靠性评价方法 由于道路供需随机分布参数的确定需要大量的观测数据，因此有必要建立各 类使用的单元( 路段及路口) 可靠度评估方法。同时，灾害及紧急事件下路网各 单元( 路段或路口) 的运行状态具有很强的失效( 阻塞) 相关性。一方面，当灾 害尤其是大规模灾害发生时，多个单元因共同原因将同时发生破坏或通行能力折 减；另一方面，当某些单元发生破坏或通行能力折减时，将因路网流量重新分布 导致路网内其他相关单元因供需矛盾激化而同时导致阻塞。而现有的路网可靠性 研究缺少对失效( 阻塞) 相关性的全面研究，不利于路网可靠性的准确评价及路 网的有效改善。而且现有的路网可靠性算法普遍存在计算量过大，难以应用于大 规模路网的局限。而国外广泛使用的基于蒙特卡洛模拟的方法不仅可能受到伪随 机数循环的困扰，而且也难以考虑失效相关性问题。 5 、缺乏有效的单元重要性分析及系统优化方法 在路网体系中，不同的路段或路口具有不同的重要度，如果仅对应变薄弱环 节进行改善和管制，可能会造成交通流分布的不均衡，从而加大交通量与通行能 7 力的矛盾。而目前的研究缺乏全面可量化的单元重要性分析及完善的路网可靠度 优化模型，仅从单元自身可靠性出发确定路网薄弱缓解，忽视了路网拓扑结构变 化及单元改善在路网流量重分布及路网可靠性提高中所起的作用和效益，从而难 以保障系统整体应变能力的有效提高。 本论文主要针对以上问题，力图建立城市物流配送网络畅通可靠度评估方法， 研究路网畅通可靠度指标在城市配送网络系统运行状态评价、配送网络布局、配 送网络改扩建规划等方面的应用。 1 4 本文的主要研究内容与技术路线 本文运用网络的可靠性理论，提出了基于畅通可靠性分析的城市物流配送网 络的优化问题。主要由以下章节构成： 第一章为绪论。主要阐述了城市物流配送网络畅通可靠度研究的背景及意义。 第二章为网络畅通可靠度理论的基础理论。介绍了复杂网络畅通可靠度的相 关概念和复杂网络单元及系统畅通可靠度的计算方法，以及畅通可靠度在城市路 网优化中的应用；并考虑了由于初选优化方案的选取直接影响到最终方案的有效 性。 第三章为城市物流配送网络畅通可靠度分析。介绍城市物流配送网络的概念， 分析城市物流配送网络的特性及构成，然后根据复杂网络畅通可靠性的计算方法， 分析大中型城市物流配送网络畅通标准，得出城市物流配送网络单元及系统畅通 可靠度计算方法及城市配送网络优化目标及步骤； 第四章为基于畅通可靠度分析的城市配送网络优化模型设计。分析影响城市 物流配送网络畅通可靠性的因素，以完成预期服务水平为系统预定功能，基于网 络可靠性分析进行城市物流配送网络可靠度建模，建立以畅通可靠度最大为目标 的城市物流网络优化模型，并应用遗传算法求解。 第五章为算例分析。根据前面章节基本理论和计算方法，本章分别例举了城 市物流配送网络系统畅通可靠度计算和基于畅通可靠度分析的城市物流配送网络 优化的算例。 第六章为结论与展望。归纳本文的主要研究结论，提出一些新的有待进步 深入解决的问题 根据上述的研究内容，本文的研究技术路线如下图： 8 图1 1 本文技术路线图 9 第二章网络畅通可靠性的基础理论 2 1 网络畅通可靠度的概念 系统或单元的可靠度是指一个系统或单元，在规定的时间和预定的工作条件 下，能正常工作的概率。本章将物流配送线路处于畅通状态视为线路正常工作状 态，从而城市配送网络单元畅通可靠性定义为，在规定的时间内、规定的条件下， 配送网络单元( 线路、节点) 运行处于畅通状态的可能性，其概率测度称为畅通 可靠度。 城市物流配送网络是一个受城市交通影响的复杂的、动态的大系统。其网络 设施包括车站、码头、仓库、物流配送中心、城市对外干线( 铁路、公路、河流航 道、航空航线、管道) 、对内城市道路等。所以城市配送网络畅通问题反映的不仅 仅是某个路段或某个节点的问题，而是整个城市配送网络各个组成部分综合作用 的结果。 2 2 网络系统可靠度分析 在技术词典中“可靠性 指的是“产品在规定条件和规定的时间内完成规定 功能的可能性 。将此定义内涵移置到网络系统中，网络系统的可靠性就意味着网 络系统在规定条件下和时间里完成所规定功能的可能性。这就表示在一定的限制 条件下，系统达到一定的目的的可能性越大，则说明系统的可靠性大，反之则小。 2 2 1 系统及单元可靠度概念 1 单元可靠度 可靠度分析是指对某一系统或者系统中的单元在规定的时间和预定的工作 条件下，完成预定任务的概率的估算。以往研究中，用缈s 来表示系统的可靠度， 用( = l ，2 ，) 来表示系统中各单元可靠度。如果系统不可靠时，就称该系统失 效，如果用0 和易( = 1 ，2 ，) 分别代表系统和单元的失效概率，那么，可靠度与 失效概率之间的关系可用下面算式表示： 虬2 1 一弓；。1 一易 ( 2 1 ) 1 0 但是对于系统及其单元是否失效状态，是由设计者根据系统及单元的功能， 首先设定了其失效的判别准则或判别标准，然后再确定决定它们是否失效的。 2 网络可靠度 设有可靠性网络= 杪，e ) ，在规定的条件和规定的期限内，可将载体从指 定源集o ( ，通过顶点集y和关系集e ，传送到指定汇集( y ) 的概 率称为网络的网络可靠度，记为国= 尸戡体从。可达 2 2 2 网络可靠度与畅通可靠度 交通系统可靠性研究始于2 0 世纪8 0 年代，目前可靠性技术在道路交通系统 中的可靠度的评价指标主要限定在以下几个方面1 1 1 【1 2 1 【1 3 】【1 4 】：连通可靠度、运行 时间可靠度、容量可靠度。现分别陈述如下： 1 连通可靠度( c o n n e c t i v i t yr e l i a b i l i t y ) 1 9 8 2 年由日本的m i n ek a w a i 首先提出了连通可靠度 6 1 的概念，然后由饭田 恭敬等人做了更进一步的研究。连通可靠度指的是交通网络两两结点之间保持连 通个概率，也是一个评价路网运行状态的概率型指标。所以连通可靠度求解过程 中一般只研究路段的0 和l 两种状态，即具有最大通行能力时为1 或通行能力为 0 。当路段通行能力为零时，表示该路段不连通；反之，则表明连通。算式见( 2 2 ) 和( 2 3 ) = 0 1嚣连通 2 ， 2 1 相反 f “z 路段的可靠度匕由x 。等于l 的概率期望给出，即 ，口= e x 。】= 1 幸p r x 口= 1 ) + 0 乖扛口= 0 ) ( 2 3 ) 则网络系统可靠度函数为 击：l 系统的起讫点问保持连通 ( 24 ) 口= lz q ， n 0 相反 可见连通可靠度反应的是道路单元是否保持连通，而没有考虑运行路网容量 限制和时间等因素，表示的是路网处于临界状态的概率，所以连通可靠度这个指 标适合应用于评价由于地震等灾害而导致的极端条件狭隘的路网研究。 2 运行时间可靠度( t r a v e lt i m er e l i a b i l i t y ) 运行时间可靠度是考察路网可靠度的另一种常用测度方法，它是评价出行时 间稳定性的一种指标。可将运行时间的可靠度定义为：车辆能在规定的时间内从 起点o 到达讫点d 的概率。目前研究成果表明运行时间可靠度这个评价指标对 日常( 非灾害) 情况下的路网运行状况的评价很有效的，而不适用于对灾害性情 况下的路网运行情况进行评价。 3 容量可靠度( c a p a c i t yr e l a t e dr e l i a b i l i t y ) 路网容量可靠性是指在一定服务水平下，路网容量能满足一定交通需求水平 的概率。可见容量可靠度是从整体的角度来考察整个路网的容量是否满足交通需 求的扩大或者交通需求的管理，而没有考虑网络单元的容量及失效相关性。 从以上概念可知，现存的可靠性测度方法对于评价交通系统营运状态都是有 效的，但存在一定的局限性：上述计算方法都是采用了模拟法，使得单元可靠度 与系统可靠度的解析关系不明确；另外以往的路网可靠性分析，都是在单元之间 相互独立的前提下进行的，这与实际的交通流现象不符。 所以本文根据路网交通的实际情况，建立了符合符合交通流特性的可靠度指 标一一畅通可靠度。并分析和研究其在城市物流配送网络优化中的应用。 2 2 3 网络系统结构 在网络系统可靠度研究中，一般可根据网络通道连接形式将系统分为简单系 统和复杂系统，简单系统一般指串联系统，并联系统，及复合串并联系统等，一 些表决系统和某些冗余系统也可归为简单系统。复杂系统指除简单系统形式以外 的系统形式，如多级递阶系统和网络系统，城市物流配送网络就是一个复杂系统。 现把常见的物流配送网络按照结构方式的不同分为：串联结构、并联结构和 串并联混合结构，如图2 1 、2 2 和2 3 所示。 1 串联结构。 是指货物从出发地到目的地要经过多种功能类型通道，而经过的各种物流通 道在城市物流网络系统内属于相互依存、相互合作的关系。 图2 1 基本物流通道串联结构类型 2 并联结构。 并联结构是指各种类型道路在物流网络内是并联的、相互竞争的关系，任何 而且任何一种类型物流通道均可单独完成运输任务。 1 2 物流 1 圭墨星垡迥理l 一 物流 快速配送通道 物流 1 圭翌堕堕! 型一f 物流 快速配送通道 物流 快速配送通道 图2 2 物流配送网络并联结构类型 3 串并联结构。 串并联结构是指各种类型物流通道实际中不是单纯的串联或并联，而是既有 串联也有并联。也就是说各种物流通道之间既有相互竞争，又有相互合作的关系。 图2 3 物流通遭串并联结构类型 不同的网络网络结构有不同的计算方法，基于本文研究的城市物流配送网络 是一个复杂的网络系统，下面提出了复杂网络系统可靠度的计算方法。 2 3 复杂网络系统可靠度计算方法 复杂系统一般指非串联、非并联、非复合串并联等其他形式的可靠性系统。 如图2 4 所示网络为，就是一个顶点数和弧数最少的典型的复杂的网络形式。 图2 4 典型复杂网络 归纳后知道，解析法和模拟法( 如m o n t e c a r l o 法) 是目前网络系统的可靠 性分析两大类方法。 解析法的基本思想就是首先将复杂网络简化为一些简单系统的组合，这些简 单系统就是前面提到的串联系统、并联系统或串并联系统等，然后再对其进行可 靠性分析，就比较简单和容易了。然后再利用这些组合间的交与并的概率计算， 最后求解出复杂系统的可靠度。目前这类解析方法主要有状态枚举法、概率图法、 最小路法、最小割法和全概率分解法等。 而解析法中的最小路法应用比较广泛的，它是k r o f t 于19 6 7 年提出的，其基 本思想是利用凸轮中的“迷宫寻路 的理论，在网络系统中建立起源点与汇点间 的最小路集，然后在各小璐两两间失效相互统计独立的条件下，用各最小路有效 事件并“ 的概率来计算两端点网络的网络连通可靠度。即源与汇间任一最小 路为真，则与间便是相通的。从而 r