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公路快速货运轴辐式网络运载规划研究与应用

作　者: 张健
导　师: 吴耀华
学　校: 山东大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 公路快速货运轴辐式网络运载规划车辆选择多目标规划遗传算法贪婪算法
分类号: U492.3
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

公路快速货运是为适应优质服务和快速运输需求而开展的公路运输业务。由于经济和科技的发展,商品流通速度加快,小批量、多品种、高时效的货物不断增加,普通公路货运已经不能满足货运市场的需求,而公路快速货运以其快速、安全、准确和“门到门”的服务形式成为货物中短途快速运输的最佳组织方式。近年来公路快速货运发展迅速,已经成为道路运输市场新的经济增长点。公路快速货运以零担货物和小件货物为主要运输对象,注重服务的时效性。轴辐式网络可以通过合并运输达到提高车辆实载率,降低运营成本的目的,因此成为公路快速货运企业普遍采用的运输组织形式。运载规划是轴辐式网络中期营运规划的一个分支,是将货物排程、车辆选择、空车平衡等问题结合起来进行规划研究,以期在保证服务水平的前提下最大限度地降低运营成本。目前,欧美发达国家和台湾学者对此研究较为深入,也有研究人员将设施和运载规划进行统筹考虑。这些研究所针对的地区往往经济发展状况较好,运输企业成熟度普遍较高,加上运输政策的支持,运输企业常采用载重量相对固定的车辆(其中,许多国家和地区采用甩挂运输,即一个牵引车拖挂多个车厢的形式)。因而,现有文献对轴辐式网络中多车型并存的情况研究较少,较少涉及使用不同载重量的车辆对货物路径及运营成本影响的研究。由于国内各地经济发展极不平衡,同一企业不同货运站的货运需求量差异极大,加上甩挂运输由于运输政策和成本限制难以执行和推广,不可避免地需要采用具有不同装载容量的车辆进行运输。将车型选择因素纳入轴辐式网络运载规划,是针对国内公路快运实际情况提出的新课题,亟待开展相关研究。另外,由于国内人力成本等固定支出不断上涨,车辆保有成本持续上扬,加上整个货运市场运力过剩,许多货运企业更愿意在保有部分自有车辆的情况下与个体车主签订合同,采用车辆挂靠、租用等多种形式,以求增加经营灵活性,降低运营成本。车辆挂靠和车辆租用方式在车辆调度的方便性和保障货物的安全性方面显然不如自有车辆。如何在成本、调度方便性及运输安全方面进行综合平衡,是公路快运企业面临的现实问题,鲜有文献研究,值得我们进行深入地探讨和研究。本文以带有沿途停靠线路的层级轴辐式网络和带有直达运输线路的混合轴辐式网络为研究对象,以最优化理论和方法为指导,针对国内独有的多车型混合及多种车辆使用方式并存的状况,对轴辐式网络的运载规划问题进行了分析和数学描述,找到了符合工程应用研究特点的解决方法,采用实际业务数据进行了运算和验证,通过大量理论分析和实际应用,取得了较为丰富的研究结果。本文首先讨论了公路货物运输的两种营运方式:整车货物运输和零担货物运输,指出由于需要保证在指定时间内将货物送到收货人手中,零担货物运输不能按照整车运输“车满即发”的原则进行,只能采用“合并运输”的方式,通过轴辐式网络进行货物的运输和组织,以求能在保证服务承诺的前提下,提高车辆实载率,降低运输成本。本文介绍了轴辐式网络的概念,根据以往的文献资料对其结构进行了描述,总结归纳了轴辐式网络的分类,阐述了轴辐式网络中货物的发运过程,介绍了轴辐式网络中两个最重要的要素—中转站和货运站的概念、作用和货物走向。本文研究的层级轴辐式网络是单一中继站指派情况下带有沿途停靠线路的轴辐式网络。为避免大规模优化问题给建模和求解带来不便,本文通过分析层级轴辐式网络的特点,将网络分为多个普通子网和一个主干子网。每个中转站及其所属的货运站加上其中的线路归入一个普通子网,所有中转站及它们之间的线路归入主干子网。这样的划分,使得子网内部各要素间耦合度很大而子网间耦合度很小。本文以成本最小化为目标,以各车型车辆数和车辆行驶线路为决策变量,对普通子网和主干子网分别建立了数学模型。各子网之间没有互相交叉的决策变量,因此完全可以独立求解。论文借助分枝定界和回溯法的思路缩小搜索空间,开发出层级式遗传算法用于求解普通子网模型,运用分枝定界方法求得主干子网的优化运载方案,然后将所有子网的优化结果综合起来,就是整个层级轴辐式网络的优化结果。本文以国内某快运公司的三个中转站及其覆盖的轴辐式网络作为实例进行运算和验证,运算结果表明,经过优化后的层级轴辐式网络运载方案较企业原有运载方案节约成本15.3%,而且在车辆行驶时间约束下,同一普通子网内部线路数较少的情况下更容易得到较优的运载方案,即同一线路上经过的站点较多时,采用车载量较大的车辆进行运输,更易得到较为经济的配置方案。混合轴辐式网络也是公路货运企业经常采用的运输网络形式。本文研究的混合轴辐式网络是在层级轴辐式网络的基础上增加直达线路形成的。研究以层级轴辐式网络运载规划的结果为基础,采用改进的贪婪算法向网络中添加直达线路,添加时以每次添加能够最大限度地降低运营成本为准则。分析表明,当两货运站间距离较短或货量较大时增加直达线路更有利于降低成本。于是,本文提出基于距离和基于货量的两种改进贪婪算法,分别运用这两种算法对问题实例进行运算。运算结果验证了“在距离较近或货量较大的货运站间添加直达线路更有利于降低运营成本”的推测,经过比较进一步发现,采用基于货量的改进贪婪算法可以更好地发挥出直达线路在降低成本方面的作用。对某快运公司轴辐式网络添加直达线路,可以在层级轴辐式运载优化结果的基础上将子网成本再降低4.86%左右。针对目前国内货运行业多种车辆使用方式并存的情况,本文在分析自有车辆、挂靠车辆、包租车辆和临时租车管理特点和结算特征的基础上,归纳和总结了这几种车辆使用方式的成本构成要素,在成本、运输安全性和调度方便性等方面对它们进行了比对,提出了综合考虑成本、安全和调度方便性的多目标规划模型,采用多目标规划的主要目标法,结合拉格朗日松弛技术、层级式遗传算法和分枝定界法对模型进行求解。经过分析,提出了安全性参数和方便性参数的设置原则,采用国内某快运公司的实际数据进行了实例运算。运算结果表明,与完全使用自有车辆相比,采用多种车辆使用方式相结合的办法,通过牺牲部分安全性和调度方便性,可以将运营成本适当降低,其成本降低的程度,与安全性参数和方便性参数的设置有关,而这些参数的设置,取决于决策者对安全性和方便性的需要及重视程度。

全文目录

摘要  10-13
ABSTRACT  13-17
符号说明  17-18
第一章绪论  18-33
  1.1 研究背景和研究动机  18-20
  1.2 研究的目的和意义  20-21
  1.3 国内外研究现状  21-29
    1.3.1 线路安排及网络设计问题  22-23
    1.3.2 货物排程问题  23-25
    1.3.3 货柜选择与均衡问题  25
    1.3.4 运载问题  25-26
    1.3.5 模型和求解方法  26-27
    1.3.6 其他行业的轴辐式网络研究  27-28
    1.3.7 有待研究的问题  28-29
  1.4 本文主要研究内容和工作  29-33
第二章轴辐式网络与公路快速货运概述  33-44
  2.1 公路货物运输的营运方式  33
  2.2 轴辐式网络  33-40
    2.2.1 轴辐式网络的概念和起源  34-35
    2.2.2 轴辐式货运网络的一般结构  35-36
    2.2.3 轴辐式网络中的货物发运过程  36-37
    2.2.4 轴辐式网络的分类  37-39
    2.2.5 货运站与中转站  39-40
  2.3 公路快速货运的含义  40-41
  2.4 概念和术语定义  41-43
  2.5 小结  43-44
第三章公路快速货运层级轴辐式网络运载规划研究  44-86
  3.1 层级轴辐式运载规划问题描述  44-46
  3.2 层级轴辐式运载规划问题解决策略  46-47
  3.3 层级轴辐式网络成本构成  47-48
  3.4 层级轴辐式运载规划问题建模  48-55
    3.4.1 普通子网建模  48-52
    3.4.2 主干子网建模  52-55
  3.5 层级轴辐式运载规划问题求解  55-84
    3.5.1 求解步骤  55-57
    3.5.2 缩小搜索空间  57-62
    3.5.3 普通子网模型的层级式遗传算法求解  62-73
      3.5.3.1 遗传算法概述  62-64
      3.5.3.2 层级式遗传算法设计与实现  64-73
    3.5.4 层级轴辐式网络运载规划实例  73-81
      3.5.4.1 实例描述  73-74
      3.5.4.2 数据准备  74-75
      3.5.4.3 计算结果  75-81
    3.5.5 分析与评价  81-84
  3.6 小结  84-86
第四章公路快速货运混合轴辐式网络运载规划研究  86-103
  4.1 合轴辐式网络运载规划问题描述  86-88
  4.2 混合轴辐式运载规划问题解决思路  88
  4.3 混合轴辐式运载规划问题建模  88-92
    4.3.1 普通子网建模  88-91
    4.3.2 主干子网建模  91-92
  4.4 混合轴辐式运载规划问题求解  92-102
    4.4.1 求解策略  92-94
    4.4.2 算法要点  94-95
    4.4.3 应用贪婪算法求解普通子网模型  95-96
    4.4.4 混合轴辐式网络运载规划实例运算  96-101
      4.4.4.1 基于距离的贪婪运算  97-99
      4.4.4.2 基于货量的贪婪运算  99-101
      4.4.4.3 主干子网  101
    4.4.5 结果分析  101-102
  4.5 小结  102-103
第五章公路快速货运层级轴辐式网络多目标运载优化  103-119
  5.1 问题背景  103-104
  5.2 各类车辆的管理特点及结算办法  104-105
  5.3 各类车辆运输成本构成  105-106
  5.4 层级轴辐式网络多目标运载优化建模  106-109
    5.4.1 普通子网建模  106-108
    5.4.2 主干子网建模  108-109
  5.5 层级轴辐式网络多目标运载优化问题求解  109-115
    5.5.1 求解普通子网模型  110-114
    5.5.2 求解主干子网模型  114-115
  5.6 层级轴辐式网络多目标运载优化问题实例运算  115-117
  5.7 小结  117-119
第六章总结与展望  119-122
参考文献  122-128
致谢  128-129
攻读学位期间发表的学术论文  129-130
攻读学位期间参与的科研项目及获奖情况  130-132
附件  132-143
学位论文评阅及答辩情况表  143

公路快速货运轴辐式网络运载规划研究与应用

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