【毕业学位论文】货物装运优化理论与应用研究-交通运输规划与管理博士论文

博士学位论文 货物装运优化理论与应用研究 作 者 姓 名： 雷定猷 学 科 专 业： 交通运输规划与管理 学院 (系、所 )： 交通运输工程学院 指 导 教 师： 陈治亚 教授 中 南 大 学 二 00 五年四月 分类号 密级 博士学位论文 货物装运优化理论与应用研究 On an of 者 姓 名： 雷定猷 学 科 专 业： 交通运输规划与管理 学院 (系、所 )： 交通运输工程学院 指 导 教 师： 陈治亚 教授 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 二 00 五年四月 中南大学博士学位论文 摘要 摘 要 从运输组织角度来看，货物有多种分类。货物 按形态可分为成件货物和不成件货物。本文以铁路运输方式为背景研究成件货 物的装运优化问题。我们把成件货物划为阔大货物和小件货物两类，而超限货物运 输具有阔大货物运输的所有特征，所以论文从超限货物运输优化和小件货物装载优化两方面展开。 1）装载决策。分析超限货物运输基本特征和影响超限货物运输的主要因素，针对超限货物的特征构建超限货物运输评价指标体系，提出了评价模型和评价方法。超限货物装载决策是一个半结构问题，有一部 分装载参数可通过建立数学模型求解得到，但多数装载参数由于受数学模型表达能 力和求解条件的限制，它不能用结构化的方式表达，所以除使用数学模型之外，文 章构建了超限货物装载决策的实例推理模型，提出了知识表达与推理机制，给出了装载推理算法和机器学习算法。 （ 2）路径决策。路径决策是超限运输的关键技术，文章把超限货物运输路径决策问题描述为双目标双容量的数学模型，用运 输经济的思想把双目标模型化为单目标模型，提出了最大容量路算法和减少删除边 的检查方法，把超限调度路径决策问题简化为容量限制下的最短路问题，提出了多项式算法。 （ 3）限界检算。限界检算是超限货物运输安全的保证, 文章对铁路限界进行了凸性分析，凸性理论的分析结果极大地简化了 货物超限检查的处理过程；文章提出桥隧限界综合算法和限界检算算法。 （ 4）超限货物运输智能决策系统的开发设计。运用知识推理理念和模型驱动方法构建了 框架，融合上述研究的系列模型与算法，开发出全路超限货物运输智能决策支持系统，解决了在繁忙路网上超限货物运输决策问题。 件货物装载优化属于带约束的布局问题，它是一个 备问题。论文构造了集重约束和重心约束条件下的一车多件货物装载布局优化模型；首次提出了 s 中心骨架，带已布物群约束的布局，形状的相似性 等布局新方法，通过构造装载布局函数，中心骨架移动和带已布物群约束布局等算 法，采用空间合并和融合技术，求解了一车多件货物装载布局优化问题。进一步把 一车多件货物装载模型推广到多车多件装载的情形，构造了多车多件货物装载布局优化模型；提出类 分算法和多车多件货物装载布局算法，较好地解决了有 货物集重约束和重心约束的多车多件装载布局优化问题。 关键词：货物装载；超限货物；实例推理；智能决策支持系统；模型与算法 中南大学博士学位论文 摘要 of be to of is on of in is of so is as of of 1. of (1)of on to in to is a a of be up t be in of of so on (2)is a of is as a in is a a of of of (3)is a 中南大学博士学位论文 摘要 of of of of (4)of of of up a of so as to of on 2. of of to It is P on a of of of as s of It of a as of of of on a of so as to on It it on of of 目录 录 第一章 绪 论.大货物运输研究现状 . 1 外阔大货物运输研究现状 . 1 内阔大货物运输研究现状 . 3 填布局研究现状 . 4 外装填布局研究现状 . 4 内装填布局研究现状 . 6 究现状评价 . 7 要研究内容和组织结构 . 8 第二章 超限货物运输因素分析与指标评价 .限货物运输特征 . 10 限货物运输决策因素分析 . 11 限货物运输评价指标体系 . 16 限货物运输评价指标体系构建原则 . 17 限货物运输评价指标 . 17 限货物运输评价指标的评定 . 18 目标模糊评价法111. 18 第三章 超限货物装载 决策.载实例模型 . 21 载实例推理模型 . 21 中南大学博士学位论文 目录 载数学模型 . 22 载数学模型求解 . 23 载推理算法 . 26 于面向对象技术的实例表达129. 27 于实例推理的过程 . 27 于实例的推理算法 . 27 器学习 . 28 发式规则 . 29 则学习148. 29 第四章 超限货物路径决策.限运输路径决策的主要因素 . 31 限运输路径决策数学模型 . 31 型化简 . 32 径决策 . 34 . 34 少检查删除边方法 . 38 域匹配 . 38 第五章 限界综合与检算.路限界 . 40 路限界的凸性理论分析 . 40 定超限程度最大点算法 . 42 界综合算法 . 42 中南大学博士学位论文 目录 界综合算法 . 43 法实例 . 46 界距离 . 46 线段外轮廓与限界距离 . 48 线段外轮廓与限界距离 . 48 第六章 系统开发与实 例.限货物运输决策支持系统 . 50 统目标 . 50 础数据 . 50 统的主要功能 . 51 体逻辑结构 . 51 统运行结构图 . 53 键技术 . 54 例 . 59 般超限货物运输实例 . 59 大型超限货物专列运输实例 . 66 第七章 一车多件货物装载布局.局约束 . 70 物集重约束 . 70 物重心约束 . 71 车多件货物装载布局模型 . 72 方体装载布局函数 . 74 中南大学博士学位论文 目录 据结构 . 76 位规则 . 77 已布物群约束的布局 . 80 布物群约束布局 . 80 余空间的合并 . 81 布物群约束的布局算法 . 81 心骨架 . 82 s 中心骨架 . 82 心集合 . 83 似性 . 84 心骨架移动 . 86 一车多件货物装载布局算法 . 87 第八章 多车多件货物装载布局.车多件货物装载布局模型 . 89 物划分 . 91 车多件货物装载布局算法 . 93 载布局实例 . 95 第九章 结论与 展望.论及创新点 . 99 续工作展望 . 100 参考文献. 录.南大学博士学位论文 目录 . 谢 .南大学博士学位论文 第一章绪论 1第一章 绪 论 摘要： 本论文课题受国家自然科学基金项目( 资助，其工程背景是作者主持的铁道部攻关项目“全国铁路超限货物调度决策支持系统（”和铁道部重点项目 “特种货物承运、 装载加固计算机管理系统的研究 （2001” 。本章给出论文研究的工程背景和研究意义，在介绍和分析国内外研究现状的基础上，给出论文的主要研究内容和组织结构 。 提高货物运输效率历来是交通运输领域一个重 要的课题。从运输组织的角度来看，货物运输的形式有多种分类。按特性分货 物运输可分为普通货物运输和特殊货物运输1。特殊货物按照货物的不同运送要求，特殊货物又可分为危险货物、鲜活货物和阔大货物。阔大货物也称为长大货物2，俗称大件货物。在铁路运输中，阔大货物可再分为超限货物、超长货物和集重货物。 超限货物可以是超长货物，也可以是集重货物，还可以是既不超长也不集重，所以 超限货物运输集中反映了阔大货物运输的所有特征。 货物按形态可分为成件货物和不成件货物。本 文采用铁路零担托运成件货物标准，即单件（或经过包装或捆绑的多件货物）体积大于等于 单件重量大于等于 10我们把成件货物再分为大件货物和小件货物两类。阔大货物为大件货物，阔大货物以外其余的成 件货物统称为小件货物。不成件货物包括液态货物和干散货物等。这类货物由于它的自流性1一般可自适应容器的形状，它的装载简单，一般不需要优化。本文以铁路 运输方式为背景研究成件货物的装载运输优化问题。论文从阔大货物装运优化和小 件货物装载优化两个方面展开。阔大货物运输优化方面主要对超限货物运输优化进行研究。 大货物运输研究现状 超限货物运输反映了阔大货物运输的所有特征,在阔大货物中最为典型，国内外阔大货物运输研究集中在超限货物运输方面。 外阔大货物运输研究现状 由于铁路在世界各国的综合交通网络中所处的 地位不同，各国铁路的运输组织方式各异，以及铁路建筑限界和机车车辆限界 尺寸不同，车辆、线路的特征和超限货物数量、特点也不相同，因此，各国对超限 货物运输理论的重视和研究程度各不相同3。美国由于公路运输发达，公路基础设施好，运输车辆承载能力高4，大件货物一般由各个公路大件运输公司承运，因此对 铁路超限货物运输理论研究较少。英国由于铁路的建筑接近限界过小 (宽 4166 4572限制了超限货物运输铁路的发展，而前苏联、东欧各国、德国及国 际铁路联盟对超限货物运输的有关理论中南大学博士学位论文 第一章绪论 2研究较多。 苏联和东欧各国的研究状况3前苏联是世界上铁路比较发达的国家之一，也 是对我国铁路建设和运营管理影响较大的国家，我国在超限货物运输管理的许 多方面都借鉴了前苏联的经验。近年来随着国际联运的发展，为方便超限货物运输组织， 1989 年开始在保加利亚、匈牙利、波兰、罗马尼亚、捷克和前苏联铁路上试 用超限货物统一分级办法。该方法首先按建筑限界求出超限货物的最大允许轮廓， 按机车车辆限界确定超限货物的最小轮廓，再将超限货物的最大允许轮廓与超限货 物的最小轮廓之间的“自由空间”分成四个区域；然后用标有代码的若干个轮廓划 分各个区域，并用这些轮廓将货物划分为若干个超限等级。 在车辆偏移计算方面，前苏联和东欧各国，将 在线路上由于车辆走行部横向游间而产生的横向偏移量，按有关各国铁路平车 在直线和曲线上偏移量的大小 (取决于车辆长度和销距 )分为三种类型，并将偏移量分别取为 115、 140、 170个值。 对于车辆运行中由于车辆振动，倾斜所产生的 横向振动偏移量按高度分四段，并分别取值： 高度为 12003800取 100高度为 38014300取 110度为 43014650取 120度为 46514750取 125 际铁路联盟 (研究 文献5,6中给出了国际联运动力车的动态限界 、国际联运客车和行李车的动态限界和国际铁路运输中使用的货车动态限界的确 定方法。其中比较详细系统地分析了车辆结构和线路状况对车辆运行所需空间限界 的影响，对于由车辆走行部横向游间而产生的横向偏移量，给出了具体计算公式和 表格。对于车辆运行中产生的横向振动偏移量则考虑在安全预量中，具体数值由各个国家自己确定。 国铁路的研究状况 文献7绍了德国在铁路超限货物运输 方面的研究成果。在超限货物分级方面，德国铁路采用与前苏联及东欧各国相似的统一分级办法，只是在区域划分方面，分成三个区域，由于两者采用的建筑限界尺寸不同，每一区域内的超限轮廓的数量、间隔、尺寸也不相同。德国铁路为缩短超限货 物运送时间，采用多种办法进行超限货物的运输组织工作，可以概括如下： (1)代码法。它的基本作法是：将铁路的承载车辆、货物 和线路都编成各种不同的代码，其中车辆代码按车型确定，货物代码 以其断面轮廓尺寸来表示，线路代码表示允许通过的最大断面，并通过预先规定的 三者之间的搭配关系，选择运输径路和判定超限货物运输的可能性。 (2)新的超限限界法。它的基本作法是：绘出各种超限限 界图，并标以代号，同时绘出哪些路径容许运送不同代号的超限货物 的线路图，这样便能清楚地看出哪些线路可以运送哪些代号的超限货物。 (3)重型车辆法。将各种重型车辆分类，并规定出相应的 运送条件，如运送的货物重量、可以跨越的桥梁及运行的线路等，从而方便超限货物运输组织。 中南大学博士学位论文 第一章绪论 3(4)计算机技术支持下的超限货物运输处理系统。以上各 种方法都需要计算机技术的支持，从货物超限等级的计算到运行径路 的选择及运行条件的确定等各个方面都要借助计算机网络系统辅助完成。由于建立 这样的计算机网络系统须大量的资金和人力，还需建立相关配套措施，因此目前德 国铁路尚未完成超限货物运输管理的计算机化。 内阔大货物运输研究现状 论研究 新中国成立后，我国铁路科技工作者对超限货 物运输进行了大量的科学研究和科学试验，其研究成果集中体现在现行的铁路超限货物运输规则 （简称超规 ）和铁路货物装载加固规则简称加规等规章中11 超规对超限货物运输组织的各个环节和操作程序作出了明确细致的 规定，对于安全迅速地运送超限货物起到了积极作用。 超规制定的依据就是超限货物运输基本理论，其中给出了超限货物的定义、超限货物计算宽度的计算公式、 货物超限等级的划分、超限货物的各级超限限界、超限车的运行条件等。 近年来在超限货物运输理论研究有：郭维鸿、韩梅18,19针对现行规章中超限货物计算宽度不能反映货物超限程度和运行条件 的问题，给出了货物在直线上和曲线上的四种典型状态，并推导出新的计算宽度公 式，对于建立科学的超限货物运输理论具有重要意义；分析了我国铁路机车限界和 建筑限界的内在联系和特点，对计算宽度的计算公式进行了系统研究，力图使它更加全面、科学、合理；鞠殿铭3根据随机振动和系统理论，建立计算车辆横向振动最 大偏移量的数学模型，通过实例