港口集疏运系统优化模型

3 类[2～5 ] . a. 出海通道优化问题. 目的是找出某地最优的
出海通道 ,该类问题一般应用多目标决策模型 ,计算 各评价指标 ,对所有主要出海通道进行排序和评价.
b. 路径流量优化问题. 目的是对连接货源地与 消费地的所有主要路径进行合理的流量分配. 该问 题一般应用多路径概率配流模型 ,利用 Logit 分配 方法求出各路径的货流比率和流量.
记 P 为对象集合 , p 为其中的某种运输对象 (即某种货物) ,运输对象由起点 o ( o ∈O Α N ) 到终 点 d ( d ∈D Α N ) . 令 gm ( p) 为对象 p ( p ∈P) 的需 求矩阵 ,其中 , m ( p) 为运输对象 p 的所有运输方式 的集合 M ( p) 的子集 ,即 m ( p) ∈M ( p) .
货源地 2 (C2) 虽然不在转运枢纽的核心辐射范 围之内 ,但由于地理位置的缘故 ,仍优先选择公路先 到达转运枢纽 ,再通过铁路运至港口.
货源地 3 (C3) 不在转运枢纽的核心辐射范围之 内 ,既可选择公路直接至港口 ,也可通过枢纽转运 , 要看它具体位置和广义费用综合的结果.
货源地 4 (C4) 除了兼有 C3 同样的情况外 ,还要 面对内河水运的竞争.
a. 模型的网络仅是腹地与港口之间直线路径 的集合 ,不能反映港口集疏运网络的真实状况 ;
b. 不能避免路径列出繁琐工作 ,必须人工列出 起迄点间的有效路径 ,限制了在大型网络上的应用 ;
c. 几乎所有文献的研究货种都集中在集装箱 上 ,且缺乏多种运输方式之间的联运 ;
d. 网络弧的费用函数不考虑运输网络的拥挤 效应 ,路径阻抗不受流量影响 ,这与实际情况不符.
第 5 期
董洁霜 : 港口集疏运系统优化模型
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条连线代表一种可能的运输方式.
图 2 港口集疏运基本网络示意图 Fig. 2 Scheme of t he basic network for t he port’s
collecting and distributing system
以上基本网络对于每种运输方式单独完成其运 输任务 ,即对于无方式间联运的情形可以进行很好 的描述 ,但对于那些必须进行多式联运的情况 ,上述 网络是不适合的. 现采用节点扩展进行网络的描述 和定义.
假定各种运输方式之间的衔接只能在转运枢纽 发生 ,则可以通过转运点的扩展来解决这个问题 ,如 图 3 所示. 其基本做法是将发生换装的转运点 ( x ) , 根据其流入流量 (1 ,2) 和流出流量 (3 ,4) ,分裂成两 个流入节点 ( x 1 , x 2) 和两个流出节点 ( x 3 , x 4) ,并在 其间用换装线相连 ,从而形成一个由流入节点和流 出节点两部分组成的换装扩展节点.
Abstract : The p hysical description of t he collection and dist ribution system for t he port s is presented , t he nodes ,links and networks are defined ,and t he t ranship ment junction is also defined and described by met hod of extending t he nodes. Then t he multi2goods multi2modes comprehensive equilibrium opti2 mal model of t he port s collection and dist ribution network is established , which is aimed at t he system optimization and based on t he generalized cost .
令 Kmod( p) 表示通过 m ( p) 中的运输方式从起点
o 到终点 d 的路径集合 ,则流量平衡公式为
∑ hk
=
g
m( od
p)
k ∈Kmod( p)
o ∈O , d ∈D , m ( p) ∈ M ( p) , p ∈P
图 3 节点扩展示意图 Fig. 3 Scheme of t he node expand
4 港口集疏运系统平衡优化模型
假设港口集疏运网络由一个节点集 N 、路段集 A 、运输方式集 M 和转运枢纽集 T 所组成. 对任意 一条弧 a ( a ∈A ) , 其费用函数为 S a ( ·) , 每一转运 枢纽 t ( t ∈T) ,其费用函数为 S t (·) .
c. 网络综合优化问题. 这是港口集疏运系统优 化问题中层次最高 、最为复杂的一类. 目的是发现港 口集疏运网络中现存的问题 ,提出近期改善建议 ;从 运输需求分析出发 ,分析未来集疏运网络的流量分
收稿日期 : 2007 - 04 - 12 基金项目 : 中国工程院基金资助项目 (20062X216) ;上海市重点学科建设资助项目 ( T0502) 作者简介 : 董洁霜 (1973 - ) ,女 ,讲师.
(上海理工大学 城市建设与环境工程学院 , 上海 200093)
摘要 : 对港口集疏运系统进行物理描述 ,定义节点 、路段和网络 ,并运用节点扩展的方法对转运枢 纽进行描述与定义 ,建立以系统最优为目标 ,基于广义费用的多货种 、多方式的港口集疏运网络综 合平衡优化模型 ,并对该模型进行评价. 关键词 : 港口集疏运系统 ; 广义费用 ; 优化模型 中图分类号 : U 113 文献标识码 : A
第 29 卷 第 5 期
上海理工大学学报
J . University of Shanghai for Science and Technology
文章编号 :1007 - 6735 (2007) 05 - 0453 - 04
Vol. 29 No. 5 2007
港口集疏运系统优化模型
董洁霜
Key words : collection an d dist ribution system f or t he ports ; generalized cost ; opti m al model
1 问题的提出
港口集疏运系统优化是世界港口面临的战略性 问题 ,其实质是货物承运人或网络管理者的决策问 题 ,他们通过确定合理的运输路径和联运方式使运 输成本最小化 ,这里的运输成本除了运输 、装卸和存 储等直接货币费用之外 ,还包括时间延误或耗用所 引起的资金占用和市场风险等间接费用 ,另外 ,按计 划交货的准时性 、货物损坏和灭失的可能性也都是 与路径选择有关的影响因素[1 ] . 存在不同层次的港 口集疏运系统优化问题 ,一般可以分为出海通道优 化问题 、路径流量优化问题和网络综合优化问题这
collecting and distributing network of ports
港口集疏运网络综合优化问题最为复杂 ,无法 轻易列出所有的有效路径 ,货主可以选择的路径和 方法很多. 如图 1 中 ,6 个货源地情况就截然不同.
货源地 1 (C1) 处于内陆公铁转运枢纽的核心辐 射范围之内 ,因此 ,优先选择经过转运枢纽 ,再通过 铁路运至港口.
第一类出海通道优化问题一般运用多目标决策 模型对港口集疏运系统进行优化 ,其定量描述极为 简单 ,仅列出若干条集疏运通道 ,只能对这些通道的 相对优劣进行比较 ,不能得到具体某条路径的流量 值.
第二类集疏运路径流量优化问题一般运用路径 配流方法优化港口集疏运路径 ,提高了对集疏运系 统定量分析的技术水平 ,但用 Logit 概率分配模型 进行路径配流也存在不少局限性 ,主要表现在 :
( i , j , m ) i ∈ N , j ∈ N , m ∈ M 其中 , i 表示起始节点 ; j 表示终止节点 ; m 表示 i 、j 间可用的某种运输方式 ; N 代表网络上所有节点的 集合 ; M 则代表网络中所有运输方式的集合.
假设一个运输网络由 X、Y 和 Z 这 3 个节点组 成 ,可用的运输方式有 3 种 :公路 、铁路和内河. X、Y 两节点间 3 种方式全部可用 ,X、Z 之间有公路 、铁路 两种运输可用 ,而 Y、Z 之间只有公路一种运输方 式. 则对该路网的描述采用图 2 的形式 ,即用具有方 向性的多条相互平行的直线连接相邻的两节点 ,每
定义 v p 为港口集疏运网络中对象 p 的流量 ,
v p 包括弧流 ( v ap) 和转运流 ( v tp) 两部分 ,即
vp =
(
v
p a
)
(
v
p t
)
a ∈A t ∈T
式中
,
v
p a
为货种
p
在路段
a
上的流量 ;
v
p t
为货种
p
在转运枢纽 t 上的流量.
网络上所有对象的流量为 v = ( v p) , p ∈P. v
为一个 np ( nA + n T) 维向量. 对于一个给定的流量 ,
设路段平均费用函数和转运平均费用函数分别为
s
p a
(
v)
和
stp ( v)
, 则对象
p 的费用函数可定义为
sp = ( sap) ( stp)
a ∈A t ∈T
式中
,
s
p a
为货种
p
在路段
a
上的单位费用 ;
stp
为货
种 p 在转运点 t 上的单位费用.
Optimal model of collection and distribution system f or the ports
DONG J ie2s huang
( College of U rban Const ruction and Envi ronmental Engi neeri ng , U niversity of S hanghai f or Science and Technology , S hanghai 200093 , Chi na)
目前第三类集疏运网络综合优化问题的研究并 不多见. 本文将以系统最优为目标 ,建立起基于广义 费用的港口集疏运系统网络平衡优化模型 ,这是一 种多货种 、多方式的综合运输网络优化模型.
3 港口集疏运系统网络的物理描述
港口集疏运系统基本网络由节点以及每两个节 点之间的一条或相互平行的多条连线所组成. 其中 , 每条连线代表一种运输方式. 定义一个连线为
港口集疏运网络是一种复杂的多货种 、多方式 的综合运输问题 ,其系统优化的本质是要构建一个 多货种 、多方式的网络配流模型 ,属于非线性规划的 范畴. 在 20 世纪 70 年代前区域货运交通网络优化
的应用局限在相当简单的网络上 ,运用运筹学中的 一些经典方法进行物资运输问题的优化 ,主要方法 有表上作业法 、最短路线法及最小费用最大流法 等[6～9 ] . 这些方法都不能解决多货种 、多方式的综 合运输问题 ,目前一般应用交通规划原理中的网络 配流方法 ,如最短路分配方法 、容量限制分配模型 、 多路径概率配流模型和平衡配流模型 ,实际上应用 较多的是后两种[10～12 ] .
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上海理工大学学报
2007 年 第 29 卷
配结果 ,提出不同的优化方案 ,进行方案比选 ,给出 各网络的规划建议方案. 该类问题的简化图解如图 1 所示.
图 1 港口集疏运网络综合优化问题图解 Fig. 1 Scheme of synt hetically optimization for t he
s = ( sp) 同样也是一个 np ( nA + n T) 维向量.
对象
p 对应于路段
a
的总费用为
s
p a
(
v)
v
p a
,
对
应于转运枢纽
t
的总费用为 stp (
v)
v
p t
.
那么
,
所有对
象在整个网络Fra Baidu bibliotek的总费用函数
∑ ∑ ∑ F =
s
p a
(
v)
v
p a
+
stp (
v)
v
p t
p ∈P a ∈A
t ∈T
货源地 5 (C5) 由于位置距离港口非常近 ,因此 , 直接通过公路运至港口.
货源地 6 (C6) 还有选择其他竞争港口的机会. 图 1 是一个简化图 ,没有把公路网 、铁路网和内 河网全部表示出来 ,即没有表示出在这些网络内部 如何进行路径选择. 真正的港口集疏运网络是一个 更加复杂的系统.
2 常用的港口集疏运网络优化方法及 其评价