林 楓

(北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院,北京100044)

通用型綜合交通樞紐貨運站布局規(guī)劃與優(yōu)化方法的研究

林 楓*

(北京交通大學(xué)交通運輸學(xué)院,北京100044)

銜接多種運輸方式之間中轉(zhuǎn)貨流的通用型綜合交通樞紐是國家綜合貨物運輸網(wǎng)路體系中的重要節(jié)點,同時也是城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分.本文運用無縫中轉(zhuǎn)的思想,從綜合交通樞紐與城市交通網(wǎng)絡(luò)之間的動態(tài)關(guān)系出發(fā),既保證用戶廣義費用最低,同時使整個貨物運輸系統(tǒng)的社會效益最大,從而構(gòu)建綜合交通樞紐貨運站布局優(yōu)化模型.該模型在考慮四種運輸方式基礎(chǔ)上,加入城市貨流作為第五種運輸方式,增強了模型的優(yōu)越性.通過應(yīng)用遺傳算法求解模擬算例,驗證了模型的合理性及遺傳算法求解該問題的優(yōu)越性.研究結(jié)果表明,該模型與實際情況吻合,是城市綜合交通樞紐貨運站布局優(yōu)化的有效方法之一.

綜合交通運輸;樞紐布局;遺傳算法;綜合交通樞紐貨運站;布局優(yōu)化模型

1 引 言

綜合交通樞紐貨運站是國家綜合運輸網(wǎng)絡(luò)中,同時承擔(dān)幾種運輸方式樞紐功能的節(jié)點,是交通運輸生產(chǎn)組織基地和綜合運輸網(wǎng)絡(luò)中貨物集散、中轉(zhuǎn)及過境的場所,對所在區(qū)域的運輸網(wǎng)絡(luò)的高效運轉(zhuǎn)具有重要的作用;其次,綜合交通樞紐貨運站對它所依托的城市的形成和發(fā)展有著很大的帶動作用,是城市對外聯(lián)系的橋梁,其布局的合理與否決定了樞紐系統(tǒng)乃至整個城市運輸系統(tǒng)的運輸效率.目前已有研究的相關(guān)文獻[1-6],對綜合交通樞紐貨運站規(guī)劃布局的研究較少,主要是針對單一運輸方式樞紐場站規(guī)劃布局,這樣導(dǎo)致不同運輸方式間缺乏相互協(xié)調(diào),運輸效率低,不利于綜合運輸貨運系統(tǒng)的發(fā)展.本文將從無縫中轉(zhuǎn)思想出發(fā)對綜合交通樞紐貨運站進行規(guī)劃布局,以實現(xiàn)最大限度地壓縮貨物到卸與發(fā)運之間時空間隔.通過建立反映綜合交通樞紐貨運站布局與貨運量動態(tài)關(guān)系的運輸成本最小化布局優(yōu)化模型,為各種運輸方式協(xié)調(diào)發(fā)展提供輔助決策支持.

2 綜合交通樞紐的概念及分類

2.1 綜合交通樞紐

在交通樞紐地區(qū)內(nèi),配有多種運輸方式的交通樞紐,但交通樞紐的運輸工作是相互獨立的.因此,在現(xiàn)有交通樞紐地區(qū)內(nèi)既沒有運輸方式基礎(chǔ)設(shè)施方面物理意義的綜合,也不存在運輸過程的直接銜接.

在交通樞紐地區(qū)設(shè)置,用以實現(xiàn)一定流量貨物安全、高效地由一種運輸方式向地區(qū)內(nèi)另一種運輸方式轉(zhuǎn)移(貨物中轉(zhuǎn)換裝)的專用交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施和裝備,以及管理系統(tǒng),可稱它為樞紐中轉(zhuǎn)系統(tǒng),主要包括以下三個方面:

①樞紐貨運站.

貨運站應(yīng)配置必要數(shù)量的裝卸線、裝卸站臺,配備必要數(shù)量的裝卸機具和站內(nèi)短途運輸工具,修建必要面積的貨物堆場和倉庫,以及其他必要的設(shè)施.

②聯(lián)絡(luò)線.

在樞紐貨運站與汽車貨運站、鐵路貨運站(或鐵路編組站)、水路港口、機場間應(yīng)設(shè)置聯(lián)絡(luò)線.根據(jù)貨流量大小,聯(lián)絡(luò)線可以是城市道路、高速公路或鐵路.

③貨物中轉(zhuǎn)換裝管理和服務(wù)系統(tǒng).

當(dāng)交通樞紐地區(qū)配置有樞紐中轉(zhuǎn)系統(tǒng)時,借助樞紐中轉(zhuǎn)系統(tǒng)的功能,在樞紐地區(qū)將形成貨物直接中轉(zhuǎn)換裝在內(nèi),安全、高效的鏈接式的樞紐工作體系,可實現(xiàn)對交通樞紐地區(qū)對貨運工作的有效綜合.

這種綜合既有交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施方式物理意義上的綜合,也有運輸工作上的綜合.因此,可以講配置有樞紐中轉(zhuǎn)系統(tǒng)的交通樞紐地區(qū),稱為綜合交通樞紐地區(qū),簡稱綜合交通樞紐.

2.2 綜合交通樞紐分類

(1)依據(jù)運輸貨物種類分類.

樞紐地區(qū)的中轉(zhuǎn)貨物,按其批量大小和運輸組織特征之不同,可分為散堆裝大宗貨物和普通貨物兩類.大宗貨物和采用集裝箱運輸?shù)钠胀ㄘ浳?通常水路以專用船裝運,鐵路組織直達列車輸送,公路以大型貨車或?qū)Ｓ秘涇囇b運等形式組織運輸.因此,大宗貨物在運輸方式間必須通過交通樞紐地區(qū)配置的樞紐貨運站,采用直接換裝的中轉(zhuǎn)方法.也就是說,具有一定運輸能力的貨物運輸綜合交通樞紐是經(jīng)濟、高效地實現(xiàn)大宗貨物運輸流程的必要條件.

普通中轉(zhuǎn)貨物批量小,為提高貨物送達速度,通常和樞紐地區(qū)始發(fā)貨物共同組成一個預(yù)算內(nèi)單元組織輸送,因此,普通中轉(zhuǎn)貨物應(yīng)該和樞紐地區(qū)始發(fā)貨物在同一綜合交通樞紐內(nèi)辦理作業(yè).

將辦理大宗貨物(煤炭、礦石、糧食等)和集裝箱中轉(zhuǎn)換裝作業(yè)的綜合交通樞紐稱為專用型貨物運輸綜合交通樞紐,而服務(wù)于普通貨物的樞紐稱為通用型貨物運輸綜合交通樞紐.

由于現(xiàn)有專用型綜合交通樞紐已初具規(guī)模,例如秦皇島煤運碼頭可實現(xiàn)貨物的高效綜合運輸,但是針對通用型綜合交通樞紐的研究和建設(shè)較少,因此本文主要研究通用型綜合交通樞紐的規(guī)劃和布局.

(2)依據(jù)樞紐服務(wù)范圍分類.

綜合交通樞紐依據(jù)其服務(wù)范圍分為:國家型綜合交通樞紐、區(qū)域型綜合交通樞紐、地區(qū)性綜合交通樞紐.本文主要研究區(qū)域型綜合交通樞紐的布局規(guī)劃.

3 通用型綜合交通樞紐貨運站布局模型

3.1 通用型綜合交通樞紐貨運站的構(gòu)成方案

在城市內(nèi)修建綜合交通樞紐貨運站要與城市的交通網(wǎng)絡(luò)和已有貨運站的布局密切相關(guān),因此在城市內(nèi)部修建綜合交通樞紐貨運站有兩種構(gòu)成方案:

①將已有貨運站改建成樞紐貨運站;

②新建樞紐貨運站.

當(dāng)選擇方案①時,如果不同運輸方式交流的貨運量較小時,可選用現(xiàn)有城市交通系統(tǒng)道路和高速公路的優(yōu)化徑路作為聯(lián)絡(luò)線;若公鐵、水鐵間交流貨運量較大時,既可以選用城市交通系統(tǒng),也可以修建鐵路專用線.其次,當(dāng)選擇方案①時,應(yīng)增加運輸方式之間直接換裝能力和換裝設(shè)備作業(yè)能力;最后在樞紐內(nèi)應(yīng)增加貨物存儲能力.當(dāng)選擇方案②時,樞紐的建設(shè)費用會增加,因此在同等條件下,優(yōu)先選擇方案①.

3.2 樞紐貨運站服務(wù)貨流運輸過程的描述

經(jīng)過綜合交通樞紐貨運站的中轉(zhuǎn)貨流包括以下三類:

①經(jīng)過城市的不同運輸方式間中轉(zhuǎn)貨流;

②不同運輸方式運達城市內(nèi)部交通小區(qū)的到達貨流;

③從城市交通小區(qū)運往不同運輸方式的始發(fā)貨流.

綜合交通樞紐貨運站中轉(zhuǎn)貨流的運輸過程可以用三個節(jié)點,三個作業(yè)環(huán)節(jié)來描述.三個節(jié)點是指貨流發(fā)生點、貨流中轉(zhuǎn)點(即樞紐站)和貨流吸引點.三個作業(yè)環(huán)節(jié)分為:

(1)貨流發(fā)生點至貨流中轉(zhuǎn)點間的集運環(huán)節(jié);

(2)貨流中轉(zhuǎn)點的貨物裝卸和倉儲等中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié);

(3)貨物在中轉(zhuǎn)點至貨流吸引點間的疏運環(huán)節(jié).

對于城市地區(qū)內(nèi)部貨物運輸,貨流發(fā)生點和貨流吸引點是指貨流的產(chǎn)生地和消費地.設(shè)i貨流發(fā)生點至g貨運站距離為lig,流量為pig,則該貨流的集運運輸量為;相應(yīng)地,貨流疏運運輸量應(yīng)為.若i=1,2,…,m,j=1、2,…,n,g=1,2,…, q,則在城市內(nèi)部運輸量應(yīng)為,城市內(nèi)部運輸?shù)募\、疏運工作由市內(nèi)交通系統(tǒng)承擔(dān).

相應(yīng)地,根據(jù)各運輸方式貨流在樞紐內(nèi)運輸過程的特點,可取公路干線與城市邊緣的交點,鐵路編組站、水路港口、機場貨運區(qū)作為相應(yīng)運輸方式的發(fā)生點或吸引點.作為一般形式,公路、鐵路、水路和航空在樞紐地區(qū)的貨運量也可以表示為

為便于描述城市內(nèi)部運輸量和樞紐間不同運輸方式干線的貨運量大小,本文將城市內(nèi)部運輸作為一種運輸方式研究.因此,k種運輸方式(k=1, 2,…,u)發(fā)生、吸引貨運量為.當(dāng)K=1時,系統(tǒng)為城市內(nèi)部貨運系統(tǒng);當(dāng)k=2、3、4、5時,系統(tǒng)分別為公路、鐵路、航空、水路的單一貨運交通樞紐;當(dāng)k=1、2、3、4、5時,系統(tǒng)為綜合貨運交通樞紐.

3.3 通用型綜合交通樞紐貨運站布局規(guī)劃模型

(1)模型假設(shè)條件.

假設(shè)1依據(jù)最短路徑法,貨主選擇距離其最近的樞紐進行中轉(zhuǎn)換裝;

假設(shè)2每個出發(fā)點的全部運量選擇一個樞紐中轉(zhuǎn);

假設(shè)3每個交通場站內(nèi)部處于最優(yōu)狀態(tài).

基于以上3個假設(shè),貨物在綜合交通樞紐貨運站的成本,主要由節(jié)點之間的運輸費用和中轉(zhuǎn)作業(yè)費用構(gòu)成,不考慮貨物在樞紐的等待時間.

假定在各備選地址設(shè)置貨運站的基建投資,中轉(zhuǎn)費用和運輸費用為已知,則可以用成本E最小為目標(biāo)確定貨運站布局的最優(yōu)方案,規(guī)劃模型為

約束方程為

(2)模型符號含義.

Qkig為第k種運輸方式貨流發(fā)生點i到備選樞紐g的貨流量;Ckig為第k種運輸方式貨流發(fā)生點i到備選樞紐g的單位運輸費用;lkig為第k種運輸方式貨流發(fā)生點i到備選樞紐g的運輸距離;Qkgj為第k種運輸方式貨流從備選樞紐g到貨流吸引點j的貨流量;Ckgj為第k種運輸方式貨流從備選樞紐g到貨流吸引點j的單位運輸費用;lkgj為第k種運輸方式貨流從備選樞紐g到貨流吸引點j的運輸距離;Wg、xg為備選貨運站g是否被選中的決策變量, Wg,xg∈{0,1};Fg為備選樞紐g的基建投資費用;Cg為備選樞紐g的單位貨運量中轉(zhuǎn)費用(含裝卸費用和倉儲費用等)為所有發(fā)生點的貨流量之和;為所有吸引點的貨流量之和.

(3)約束條件.

式(2)限制了一個出發(fā)點的全部運量選擇一個樞紐中轉(zhuǎn)的情況;式(3)為k種運輸方式貨流發(fā)生點i到備選樞紐場站g的貨流量之和小于等于所有發(fā)生點貨流量的和;式(4)為k種運輸方式從備選樞紐場站到貨流到達點的貨流量之和小于等于所有到達點j的貨流量之和;式(5)為每個備選樞紐站到達貨流量等于發(fā)運貨流量;式(6)限制了最多選擇的樞紐數(shù)目為n;式(7)為如果某小區(qū)不設(shè)置樞紐,則不可能有其他小區(qū)的貨流到該小區(qū)中轉(zhuǎn).

4 通用型綜合交通樞紐貨運站布局模型的求解方法

求解該模型需要從q個樞紐備選點中選擇擬定樞紐個數(shù)n,則有Cqn種全排列,每種排列是一個選址方案,用枚舉求解出所有樞紐的最優(yōu)組合工作量較大,因此應(yīng)該選用一種合適的啟發(fā)式算法來求解,而遺傳算法則對于解決此類問題有突出的優(yōu)越性[7].

模型求解步驟:

Step 1交通小區(qū)的劃分.

交通小區(qū)劃分的目的是為了預(yù)測和樞紐選址的方便.通常,由于一些基礎(chǔ)資料一般是按照行政區(qū)劃采集、統(tǒng)計的,因此為了便于收集資料,交通小區(qū)的劃分一般不打破行政區(qū)劃[8].

Step 2調(diào)查城市內(nèi)部小區(qū)的中心點、公路干線與城市邊緣的交點、鐵路編組站、水路港口、航空機場貨運區(qū)之間的貨流分布,作為交通量分配的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

Step 3交通路網(wǎng)的確定.

求出各城市內(nèi)部小區(qū)的加權(quán)幾何中心,該幾何中心作為小區(qū)的節(jié)點,是其出發(fā)、到達貨流集結(jié)點;將公路干線與城市邊緣的交點、鐵路編組站、水路港口、航空機場貨運區(qū)分別作為四種運輸方式的節(jié)點;將聯(lián)接上述節(jié)點之間的城市主要道路、干道為邊,確定規(guī)劃城市的貨運交通路網(wǎng).

Step 4生成有效貨運樞紐方案集.

當(dāng)貨運需求點較多時,將每個可能組合方案進行枚舉計算,工作量較大,因此必須先生成有效貨運樞紐方案集,為后續(xù)應(yīng)用模型計算作數(shù)據(jù)準(zhǔn)備.而遺傳算法在生成有效方案時有較大優(yōu)勢:樞紐的方案可以由一系列離散的基因數(shù)據(jù)表示,而且方案的探索可以通過基因的雜交、變異等算子得到;此外,還可以隨機生成方案,再對不符合約束條件的方案進行取舍[8].應(yīng)用遺傳算法可以從大量備選樞紐中選出有效的樞紐,用于下一步的計算.

Step 5貨運交通量分配.

交通分配目前有兩大類,均衡分配法和非均衡分配法.在實際工程中采用的是非均衡分配方法[9].非均衡分配方法包括最短路徑交通分配、容量限制交通分配、多路徑交通分配、容量限制一多路徑交通分配4種方式.一般來說,最短路徑分配最能反映出行者的路徑選擇愿望,所以常用于確定公路網(wǎng)以及樞紐布局等規(guī)劃問題的布局方案和規(guī)模[9].本文考慮采用最短路徑輸送貨物.

Step 6應(yīng)用模型求解樞紐最優(yōu)方案.

應(yīng)用遺傳算法得到有效樞紐集合后,應(yīng)用模型求解2個,3個,…,n個樞紐點不同組合方案下的值,使得整個綜合貨運網(wǎng)絡(luò)整體運費最低.

Step 7依據(jù)上述求解步驟,采用Java語言編程得到求解軟件,輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù),即可得到最優(yōu)布局方案及費用的最小值.

5 算例分析

5.1 問題描述

應(yīng)用trans-CAD軟件隨機生成的城市貨運交通網(wǎng)絡(luò)如圖1(距離單位:米)所示,圖中線段表示貨運網(wǎng)絡(luò)的各條路段(弧).圖中小區(qū)a-小區(qū)d代表城市小區(qū)的中心節(jié)點,鐵路1、鐵路2代表城市2個鐵路編組站,公路1、公路2、公路3代表城市邊緣與公路干線節(jié)點,圖中還包括5個道路網(wǎng)交叉點.

根據(jù)求解方法,在運輸方式節(jié)點、小區(qū)節(jié)點及道路交叉點中確定若干貨運樞紐點,使得城市綜合交通樞紐貨運網(wǎng)絡(luò)的運費最低.由于各節(jié)點之間的貨物是通過汽車運輸,所以從發(fā)生點到樞紐、從樞紐到吸引點的運費基本相同,對樞紐選址影響不大.現(xiàn)從上述網(wǎng)絡(luò)中至多允許建設(shè)4個樞紐.假設(shè)各小區(qū)之間年貨流需求量如表1所示.

圖1 城市貨運交通網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Urban freight transportation network

表1 小區(qū)貨運量表Table 1 Freight volume of districts(單位:噸/年)

5.2 求解算例

根據(jù)上述模型求解方法,依據(jù)綜合交通貨運網(wǎng)絡(luò),采用遺傳算法選出有效樞紐方案集,之后在有效樞紐方案集中,應(yīng)用全有全無最短路徑法進行貨流分配,最終求出樞紐選址最佳方案.通過上述求解過程,采用Java語言編程實現(xiàn)上述算法,結(jié)合該實例求解該模型.經(jīng)過40次迭代進化得到最優(yōu)樞紐方案,程序運行過程如圖2.由圖2可見進化過程中的最小值的變化幅度比較大,這和基因的交叉變異機制有關(guān),也和基因的含義有關(guān).但由于基因最優(yōu)保存策略的引入,最小值在迭代40代以內(nèi)就達到恒定的值,收斂速度很快.

由E總=E運+E中+E建可知,模型總成本由運輸費用、中轉(zhuǎn)費用、建設(shè)費用構(gòu)成.表2給出了不考慮樞紐建設(shè)費用時的最優(yōu)方案.由此可以看出當(dāng)建兩個樞紐時,需在交叉點3、小區(qū)a附近建設(shè)樞紐;當(dāng)要建三個樞紐時,需在交叉點3、小區(qū)a、交叉點2附近建設(shè)樞紐;當(dāng)建四個樞紐時,需在航空、小區(qū)a、公路1、交叉點3附近建設(shè)樞紐,這個結(jié)果總體上符合實際情況.表2還給出考慮樞紐建設(shè)費用時,每種方案對應(yīng)的樞紐建設(shè)費用的取值范圍.由此可以得出:①E建≥3 783 440元時,選擇方案1;②E建∈(1 807 980,3 783 440)元時,選擇方案2;③E建≤1 807 980元,選擇方案3.

表2 不同樞紐個數(shù)下最優(yōu)方案Table 2 Optimized scheme based on different hubs

圖2 進化過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of evolution process

6 研究結(jié)論

本文對依托城市的通用型綜合交通樞紐貨運站布局問題進行分析,提出以綜合貨物運輸成本最小為目標(biāo)的規(guī)劃模型.并結(jié)合擁有鐵、公、航三種運輸方式的城市綜合交通網(wǎng)絡(luò)進行貨運綜合交通樞紐的規(guī)劃布局,并取得科學(xué)、可靠的結(jié)果.結(jié)果表明,用遺傳算法求解可以用較快的速度得到較正確的結(jié)果,這個解與經(jīng)驗的結(jié)果基本一致.因此,該優(yōu)化模型可以為實際決策提供依據(jù).此模型只考慮到貨流量對樞紐選址的影響,之后將把樞紐選址與城市規(guī)劃等因素結(jié)合起來,使得模型更全面完善.

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Model and Optimization of Freight Station Locations in General-purpose Comprehensive Transportation Terminal

LIN Feng
(School of Traffic and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

The general-purpose integrated transportation hub which links up with multi-modal transport transit cargo flow is not only an important node in the national integrated transportation network system,but also a crucial part of the urban transportation network.The paper uses the ideas of seamless interchange, from the dynamic interactions between comprehensive transportation terminals and urban transportation network,which can ensure both a minimum user generalized cost and a maximum of social benefit in the system.The optimization model is thus proposed to determine the locations of freight stations in integrated transport hub.The model considers four modes of transport,and adds urban flow of goods as the fifth mode of transport,which enhances the model superiority.The genetic algorithm is used to solve the simulation example and the rationality of the model and the advantages are validated.Results show that the model is more consistent with the real conditions and it is one of the effective ways for optimizing the freight stationlocation of the comprehensive transportation terminal.

comprehensive transportation;terminal planning;genetic algorithm(GA);freight station in comprehensive transportation terminal;optimal location model

U115Document code: A

U115

A

1009-6744(2013)04-0023-06

2013-04-12

2012-05-21錄用日期:2013-06-08

國家科技支撐計劃(2012BAC20B1002).

林楓(1988-),女,吉林省延邊州人,博士生.

*通訊作者:12114245@bjtu.edu.cn