PDF《长大货物多式联运路径优化模型与算法》

第1 4卷第1期2014年2月交通运输工程学报Journalo fT r a f f i ca n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g V o l .

1 4 N o .

1 F e b .

2 0

1 4 收稿日期:

2 0

1 3

1 0

1 1 基金项目: 国家自然科学基金项目(

7 1

3 7

1 1

9 3,

7 0

9 7

1 1

4 0 ) 作者简介: 雷定猷(

1 9

5 8 ) , 男, 湖南浏阳人, 中南大学教授, 工学博士, 从事交通运输营运管理及优化研究. 文章编号:

1 6

7 1

1 6

3 7 (

2 0

1 4 )

0 1

0 0

7 5

0 9 长大货物多式联运路径优化模型与算法 雷定猷, 游伟,张英贵, 皮志东 ( 中南大学 交通运输工程学院, 湖南 长沙

4 1

0 0

0 4 ) 摘要: 基于可行性与合理性的角度, 分析了长大货物多式联运路径优化的影响因素.以最小运输时 间、 里程与费用为目标函数, 以线路限界、 桥梁承载能力、 起重设备的起重能力为约束条件, 建立了长 大货物多式联运路径优化原始模型.考虑了约束条件的改造性特征, 将原始模型扩展优化, 设计了二 维序列编码策略, 运用遗传算法求解扩展模型.计算结果表明: 运用提出的优化模型与遗传算法, 最 优运输时间、 里程和费用分别为1

2 . 5d 、

11 1 6k m、

5 8 .

1 8万元, 运用提出的优化模型与模拟退火算法, 最优运输时间、 里程和费用分别为1

5 . 5d 、

11 3 1k m、

6 7 .

7 4万元;

运用单一的铁路运输方式与遗传算 法, 最优运输时间、 里程和费用分别为1

2 . 7d 、

11 5 2k m、

5 6 .

5 0万元.与其他2种情况比较, 提出的优 化模型与遗传算法的综合优化程度分别提高5

2 .

2 2 %与8 .

9 5 %, 可见, 模型可行, 算法有效. 关键词: 长大货物;

多式联运;

路径优化;

多目标规划;

遗传算法 中图分类号: U

1 1 6.

2 文献标志码: A 镒 嶙 嶙镒 状 LEID i n g y o u, YOU W e i , Z HANG Y i n g g u i , P IZ h i d o n g ( S c h o o l o fT r a f f i ca n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g , C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y , C h a n g s h a4

1 0

0 0 4,H u n a n , C h i n a ) :Basedo nt h ev i e wo f f e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t y , t h ep a t ho p t i m i z a t i o ni n f l u e n c ef a c t o r s o fm u l t i m o d a l t r a n s p o r t f o r l o n ga n db u l k yc a r g ow e r ea n a l y z e d .T h em i n i m u mt r a n s p o r tt i m e , m i l e a g ea n dc o s tw e r e t a k e na so b j e c t i v e f u n c t i o n s , t h e l i n eb o u n d a r y , b r i d g eb e a r i n gc a p a c i t ya n d l i f t i n ge q u i p m e n t c a p a c i t yw e r e t a k e na sc o n s t r a i n t c o n d i t i o n s , a n dt h eo r i g i n a l p a t ho p t i m i z a t i o n m o d e lo f m u l t i m o d a lt r a n s p o r tf o rl o n g a n d b u l k y c a r g o w a s s e t u p.B y c o n s i d e r i n g t h e t r a n s f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ,t h eo r i g i n a l m o d e l w a se x t e n d e da n d o p t i m i z e d , t w o d i m e n s i o n a ls e q u e n c ec o d i n gs t r a t e g y w a sd e s i g n e d , a n dt h ee x t e n s i o n a lm o d e l w a ss o l v e db yu s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m.C a l c u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tb yu s i n gt h ee x t e n s i o n a l m o d e l a n dg e n e t i ca l g o r i t h m, t h eo p t i m a l t r a n s p o r t t i m e ,m i l e a g ea n dc o s t a r e1 2. 5d ,

11 1 6k m a n d5

8 1

8 0

0 y u a n r e s p e c t i v e l y .B y u s i n g t h e e x t e n s i o n a l m o d e la n d s i m u l a t e d a n n e a l i n g a l g o r i t h m, t h eo p t i m a l t r a n s p o r t t i m e ,m i l e a g ea n dc o s t a r e1 5. 5d ,

11 3 1k ma n d6

7 74

0 0y u a n r e s p e c t i v e l y. B yu s i n gs i n g l e r a i l w a y t r a n s p o r tm o d e a n dg e n e t i c a l g o r i t h m, t h eo p t i m a l t r a n s p o r t t i m e ,m i l e a g ea n dc o s ta r e1

2 . 7d ,11

5 2k m a n d5

6 50

0 0y u a nr e s p e c t i v e l g .B yu s i n gt h e e x t e n s i o n a lm o d e l a n dg e n e t i ca l g o r i t h m, t h e i n t e g r a t e do p t i m i z a t i o nd e g r e e r i s e sb y5 2.

2 2%a n d 8.

9 5% c o m p a r e dw i t ht h eo t h e r2c o n d i t i o n s .O b v i o u s l y , t h ee x t e n s i o n a lm o d e l i sf e a s i b l e , a n d g e n e t i ca l g o r i t h mi se f f e c t i v e . 5t a b s , 5f i g s ,

2 1r e f s . 交通运输工程学报2014年 :l o n ga n d b u l k yc a r g o ;

m u l t i m o d a lt r a n s p o r t ;

p a t h o p t i m i z a t i o n;

m u l t i o b j e c t i v e p r o g r a mm i n g ;

g e n e t i ca l g o r i t h m :LEID i n g y o u (

1 9

5 8 ) , m a l e , p r o f e s s o r , P h D,+

8 6

7 3

1

8 2

6 5

5 9

3 1 , d i n g @ c s u . e d u . c n .

0 引言公路运输中, 装后总轮廓尺寸、 车货总重或汽车 轴重超过规定允许限度的货物称之为超限货物或大 件货物[ 1] ;

铁路运输中, 装后综合轮廓或计算轮廓超 过机车车辆限界基本轮廓的货物为超限货物, 重车 总重活载效应超过桥涵设计标准活载( 中活载) 的 货物为超重货物, 二者统称为铁路超限超重货物[

2 ] ;

水路运输中, 将质量或长度超过特定航道既定标准 的货物称为笨重长大货物[

3 ] .将公路大件货物、 铁 路超限超重货物和水路笨重长大货物统称为长大货 物.长大货物包括大型发电机组、 变压器、 锅炉汽 包、 轧钢机部件、 炼油厂和化工厂的反应塔等大型设 备, 具有阔大、 笨重、 价格昂贵等特征.世界各国的 长大货物运输技术发展实践证明, 长大货物运输对 国家基础建设和国防建设具有重大意义[

4 ] . 长大货物多式联运是指通过公路、 铁路和水路 中的2种或

2 种以上运输方式进 行的长 大货物 运输.与单一运输方式相比, 长大货物多式联运具有 显著优越性, 既能弥补单一运输方式不可达性的缺 陷, 又能充分发挥各种运输方式的优势, 降低运输成 本, 缩短运输时间[ 5] .长大货物多式联运涉及的运 输过程尤为复杂, 需要更多的货物中转作业, 组织难 度较大, 若不能合理地选择运输路径, 势必大大削弱 多式联运的优势, 因此, 路径优化是长大货物多式联 运过程中至关重要的一个环节. 既有长大货物运输的路径优化研究更加注重单 一运输方式( 公路和铁路运输) 的路径优化.R a y结 合美国特拉华州长大货物高速公路运输的实际需求, 研制出路径审批决策支持系统, 其功能偏向于长大货 物运输路径的审核与评价[

6 ] ;

乔国会等构建了网络配 流模型, 以线路障碍因素为约束获取了可行线路方 案, 并根据模糊评价理论从中挑选较优的大件货物公 路运输线路[

7 ] ;

罗建设计了层次优化模型, 制定公路 大件运输线路选择方案[

8 ] ;

汤波等通过构造基于属性 向量和权重向量的超限超重货物运输网络, 以正常运 输组织受到的干扰程度最小、 最小运输里程和费用为 优化目标, 建立模型并设计启发式算法求解铁路超限 超重货物运输路径优化问题[

9

1 0 ] . 多式联运常见于集装箱运输, 且既有多式联运 路径优 化方 面的研究 很少 涉及 长大 货物.L o z a n o 等设计了标签法在综合运输网络上搜索最短路径, 并采用修改的连时序法求解多式 联运 最短可行路 径[

1 1 ] ;

L a m 等通过设计聚类算法来改善多式联运网 络中关于氪巫疃搪肪段侍獾拇乘惴ǖ男阅[

1 2 ] ;

B o u s s e d j r a等采 用双向研究策略构造多式联运网络, 并设计了最小化运输时间的遗传算法[

1 3] ;

王涛 等通过构造多式联运虚拟运输网络, 将多式联运路 径优化问题转化为带时间和能力约束的最短路径问 题[

1 4 ] ;

苏印等将运输时间、 费用和质量作为国际多 式联运的关键3要素, 利用决策论方法求解国际多 式联运线路选择问题[

1 5 ] ;

康凯等采用基于粒子群的 蚁群算法求解了多式联运中运输方式与路径集成优 化问题[

1 6] ;

王金华提出了基于运输合理化的多式联 运路径优化方法[

1 7] . 在上述国内外研究现状中, 既有研究较少涉及 长大货物多式联运路径优化问题.结合公路、 铁路 以及水路长大货物运输的客观需要, 本文统筹考虑 长大货物多式联运路径优化问题的影响因素, 以总 运输时间、 里程及费用最小为优化目标, 建立了长大 货物多式联运路径优化模型.考虑线路综合限界、 桥梁承载能力和起重设备起重能 力的 可改造性特 征, 提出长大货物多式联运扩展优化模型, 并设计遗 传算法求解问题.

1 路径优化影响因素分析 长大货物多式联运路径优化问题的影响因素包 括路径可行性与合理性2方面.路径可行性因素是 决定性的, 直接决定着长大货物能否安全运达目的 地;

路径合理性因素是基于安全性、 经济性、 时效性 以及运输组织复杂程度等层面的多式联运运输方案 优劣评价的标准, 以得到更加合理的长大货物多式 联运运输路径. 1.

1 路径可行性因素分析 长大货物多式联运路径优化问题的可行性因素 主要包括线路限界、 桥梁承载能力以及换装点起重 设备的起重能力3方面的内容. 1. 1.

1 线路限界 线路限界决定了该线路上可安全通过的货物最 大尺寸, 是影响路径优化的关键因素.铁路限界往

6 7 第1期 雷定猷, 等: 长大货物多式联运路径优化模型与算法 往受隧道、 桥梁、 天桥、 站台、 雨棚、 通讯 设备、 接触网、 安装在线路上的各种安全检测装置和靠近建筑 限界的其他建筑物的影响;

公路限界经常会受到路 旁建筑、 桥梁、 隧道、 广告牌、 交通标志牌和收费站等 控制点的影响;

水路限界则主要受航道跨河建筑物 的影响.有些线路限界的某些影响可以通过改造加 以消除, 如暂时移动铁路信号设备与拆除公路交通 标志牌等, 制定长大货物多式联运运输路径方案时 应考虑限界的改造时间与费用. 1. 1.

2 桥梁承载能力 桥梁承载能力与桥梁结构、 跨度、 设计截面以及 使用年限等因素相关, 不同桥梁的承载能力相差很 大[

1 8] .长大货物运输要求途经桥梁必须都具备足 够的承载能力, 在确定运输路径之前需对途经桥梁 的当前承载能力进行严格测算.同样, 也可以通过 改造、 加固桥梁或建 桥上桥 等方法增加原有桥梁 的承载能力, 并将改造时间与费用纳入相应路段进 行计算. 1. 1.

3 起重设备的起重能力 在长大货物多式联运过程中, 常会遇到换装的 问题, 如公铁、 水陆换装作业.换装时, 要求换装点 必须具备足够起重能力的起重设备, 否则就不能在 该换装点换装, 导致相应运输路径不可行.在实际 运输过程中, 就曾发生过从西安运往三峡的某长大 货物由于武汉换装点不具备相应起重设备, 不得不 将该货物运往上海进行换装, 而其理想方案便是直 接在武汉将其换装至水路再经由 长江航 道运往 三峡.当然, 也可通过购置或从别处调用起重机( 如浮 吊) 来解决此类问题, 购置或调用起重设备的时间与 费用应纳入相应路段进行计算. 1.

2 路径合理性因素分析 从运输时间、 运输里程和运输费用3方面衡量 长大货物多式联运运输路径的合理性. 1. 2.

1 运输时间 运输时间包括2部分, 即在节点之间的运输时 间和消耗在某些节点的换装时间;

若存在限界、 桥梁 或起重设备改造 时, 改造 时间 需计入 总运 输时 间. 对于货主和运输企业来讲, 时间意味着巨大的经济 效益, 因此, 运输时间是长大货物多式联运运输方案 的重要评价指标之一, 合理的运输路径应该是耗费 尽可能少的运输时间. 1. 2.

2 运输里程 运输里程是运输路径上各节点之间的距离之 和.运输里程直接影响运输时........