多式联运联合运输路径优化模型

多式联运联合运输路径优化模型

随着现代物流业的发展和国家综合运输体系的逐步完善，多式联运运输已成为中国交通运输业可持续发展的必然趋势。多段交通优化是多段交通链管理的核心内容之一。由于运输方式对运输基础设施的占领和依赖性，在联合运输系统中，运输方式的选择与运输路径的优化密切相关。路径优化问题也包括选择运输方式。现有的研究大多是基于总运输时间、总运输成本或服务模式中的最佳选择，通过建模分析了联合运输路径的选择和优化，最终将其转换为最短模型、统一规划模型或多目标组合优化模型。对于最短模型，研究较多，但现有模型通常认为，如果在每个图纸上连接两个按钮，则可以搜索，忽视整个传输过程中传输模式转换的数量和转换序列的合理性。计算公路通常是网络图上最好的，而不是用户可以执行的最佳类型，从而影响理论研究在实践应用上的过程和效率。在本文中，我们将重点关注联合运输道路的合理可行性，在现有的短距离模型的基础上，研究联合运输道路的合理选择和优化模型。1联合运输全要素模型联合运输是指综合运输网络中的五大运输方式在设施、技术和组织上的科学配合和协调运输.由于管道运输的特殊性,在研究联合运输时,通常不将其考虑在内.如果只是针对集装箱货物运输,则主要考虑公路、铁路、水路3种方式.不失一般性,本文主要研究基于除管道运输外的其他4种方式的联合货物运输.采用联合运输方式完成一次门到门运输任务的过程示意图如图1(a)所示,这是分析联合运输全程运输方式组成结构的比较直观的表示方法,但是这一方法将所有的运输方式混合在一起,不利于描述单一运输方式的技术经济特点和网络拓扑结构.由于各种方式对运输设施存在独占性,相互之间只有在枢纽处才能发生转换关系,借鉴目前比较成熟的GIS分层技术,可以将图1(a)所示的运输过程转换成图1(b)所示的联合运输立体分层示意图,从图1(b)中可以很清晰地看出整个联合运输过程的运作流程和参与联合运输的各种方式的独立与协作关系.理论上而言,4种运输方式之间可以任选2种或以上的组合进行联合运输,但在实践中,为了满足货主对不同货物的运输需求,同时也是为了充分发挥各种运输方式的技术经济优势,常见的运输组合主要有铁公水联运、铁公联运、铁水联运、公水联运和公航联运等.铁路通常是内陆联合运输中的主角,而海运则在国际联合运输中占主体地位.公路通常用来完成集散运输,是实现“门到门”联合运输的不可或缺的运输方式.在联合运输中,公路运输也叫做“拖运”,相对运输全程而言,拖运运输距离较短,但却占据整体运输成本很大的比例(20%~40%),对联合运输的经济性和市场应用范围有很大的制约作用,是联合运输重点优化内容之一.2联合运输合理路径联合运输合理路径是指符合一般货主或多式联运经营人货物运输作业特性的包括运输方式使用在内的合理可行的运输路径方案.公路运输主要位于联合运输路径的两端,铁路、水运、航空三者则是组成路径中间主体的候选方式,这就是联合运输方式的序列属性.另外,由于各种运输方式都具备各自的合理运输距离,在此距离内,单一运输方式比联合运输方式有较高的竞争优势.基于运输效益最大化的目标考虑,运输企业或货运代理人不会为了实现联合而放弃具有优势的单方式运输手段.现代物流中的合理运输原则也要求在运输方式的合理运距范围内尽量选择直达运输,从而减少中间环节带来的成本提升和货损增加.因此完成一次运输任务各种方式间换装的次数必须有一定的约束,不能无限增加.本文定义的联合运输合理路径在一般联合运输路径概念的基础上增加了2个约束条件:①合理的方式序列;②合理的换装次数.对于给定的联合运输路线:铁路-公路-铁路;或者公路-铁路-航空-水运-铁路-公路,在目前运输体系中认为其不符合一般逻辑,是不合理的路径,其中:铁路-公路-铁路与约束①冲突,而公路-铁路-航空-水运-铁路-公路则存在换装次数过多的不合理性.但是具体合理的平均换装次数也需要通过足够的统计资料才能获悉.图2为比较典型的公铁联运过程,路径序列为公路-铁路-公路,换装次数为2.3采用联合运输合理路径选择模型3.1有多种扩展运输方式某联合运输商或代理人准备将一批货物从仓库O运往一定距离以外的仓库D,途经n个节点,除始末节点仅有公路可利用外,其余每2个节点之间有m种扩展运输方式可选(公路、铁路、航空、水运这4种方式都存在多种扩展路线可以选择,如公路运输可以选择收费的高速公路或者免费的低等级公路,铁路或者航空运输可以选择不同的班次和货箱),每个节点都有能力办理换装业务.整个运输过程还可能受总行程时间、线路容量的约束和特殊货物(如危险品、易腐、牲畜、鲜活货物等)换装可能性的约束,在考虑上述条件下确定最佳运输方式组合与运输线路,使得总运费最低.3.2节点v,e根据3.1节描述问题的特点,构建如图3所示的联合运输网络图.图3构建了一个无向图G=(V,E),V表示网络中的所有节点(仓库、中转站或者城市等);E表示边集,包括运输弧和方式之间的换装弧;运输弧指相同运输方式不同节点之间的连线,弧权表示货物在两节点之间的运输费用;换装弧则指相同节点不同运输方式之间的连接线,弧权表示货物在节点处的换装费用.3.3运输方式的影响1)货物在2个节点之间不能分割,即在2个城市之间只能选择一种运输方式,不考虑多种方式的运量分担和分批运输;2)每个节点都有足够的能力办理换装手续;3)为保证运输的连续性,假设货物在节点处即时换装,不考虑长期仓储;4)运输线路成本与距离成线性关系.3.4运输能力约束目标函数由运输费用、换装费用和惩罚费用构成,即minz=∑i∈n∑i∈mcki,i+1xki,i+1+∑i∈n∑k∈m∑l∈mdkliykli+Ρt(1)minz=∑i∈n∑i∈mcki,i+1xki,i+1+∑i∈n∑k∈m∑l∈mdkliykli+Pt(1)式中,cki,i+1ki,i+1表示从节点i到i+1之间,运输方式为k的货物运输成本;xki,i+1ki,i+1∈{0,1},1表示在节点i与i+1之间选择第k种运输方式,0表示选择其他方式;dklikli表示在节点i处,运输方式由k转换到l时的中转费用;ykli∈{0,1},1表示在节点i处由方式k转换到方式l,0表示不发生转换;Pt表示超过合约期限的惩罚成本.约束条件:2个节点之间只能选择一种运输方式,即∑xki,i+1=1∀i∈n(2)在某一个节点处,至多发生一次转换,即∑k∈m∑l∈mykli≤1∀i∈n(3)如果在节点i运输方式由k转换为l,则从节点i-1到城市i,运输方式为k,从节点i到节点i+1,运输方式采用l,即xki,i-1+xli,i+1≥2ykli∀i∈n,k∈m,l∈m(4)货物实际运达时间由线路运输时间和换装时间组成,即t=∑i∈n∑k∈mtki,i+1xki,i+1+∑i∈n∑k∈m∑l∈makliykli(5)式中,t为货物运输总时耗;tki,i+1为从节点i到i+1之间,运输方式为k的货物运输时间;akli为在节点i处,运输方式由k转换到l时的转运时间.线路或运输工具容量约束为qxki,i+1≤fki,i+1∀i∈n,k∈m(6)式中,q为货物的总运量;fki,i+1为节点i与i+1之间第k种运输方式的运输能力.惩罚函数为Ρt={0t＜Τ(t-Τ)pt≥Τ(7)式中,T为起点到终点容许的最大时间期限;p为单位时间的惩罚值.实际运输方式转换次数为g=∑i∈nykli∀k∈m,l∈m(8)运输方式转换次数约束为g≤G(9)式中,G为最大换装次数.运输方式转换序列约束为s∈S(10)式中,s为实际换装序列;S为合理换装序列集合,S={S1,S2,…,Sn}.变量非负性约束为cki,i+1,tki,i+1,fki,i+1,akli,dkli,t,T,g,G,p,P,Pt≥0(11)3.5生成层开关模型可以通过建立序列禁忌表,用改进的最短路算法进行搜索求解.除了采用常规的路径搜索方法先求出所有备选路径,然后再根据合理性约束条件进行后期筛选外,本文认为在借助计算机实现的过程中,另一个比较有效的思路是通过引入方式层开关,在搜索过程中进行控制.例如,假设每个节点都有4种运输方式可选,起点方式为公路运输.输入合理序列{公路-铁路-水运-公路},并开始执行路径搜索命令.当搜索点在起点时,水路、航空对应的方式层将被关闭,而铁路层和公路层则被激活(当前所使用的运输方式的层自动激活);当前方式为铁路时,除水路层和铁路层外,其余运输方式层将被关闭.在运输方式发生更替时,方式转换计数器累加,超过限制的路径将被放弃.以此类推,直到完成可用路径的搜索.从结果集中根据货主或多式联运经营人的决策偏好选取合适的联合运输路径进行详细运输方案的进一步设计.理想情况下,所有的序列都被允许,转换的次数也无限制,那么模型求解的算法和算例可以参考与本文接近但不含合理性约束的相关文献.4费用最短路问题在已有多方式联合运输静态路径优化问题研究的基础上,提出联合运输合理路径的概念,并基于联合运输的流程分析了合理路径的主要含义.通过构建联合运输网络图,分析运输总费用和总时间的组成,将联合运输合理路径的选择问题转化为带有换装序列和换装次数等多重约束的广义费用最短路问题,并建立了相应的数学模型.模型可以为联合运输经营人在进行运输组织优化决策时提供参考,同时通过不同的求解方法(如K最短路算法)可以为综合运输网络上货流量的多路径加载提供与运输实践比较一致的合理路径.联合运输路径中方式的合理序列不是一成不变的.综合运输网络上的用户(货主或多式联运经营人)只能在现有的技术条件约束下选择运输方式