何紅弟， 謝　靜， 丁　一， 林國龍

(上海海事大學 物流研究中心，上海 201306)

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罐式危化品多式聯(lián)運調度模型研究

何紅弟， 謝靜， 丁一， 林國龍

(上海海事大學 物流研究中心，上海 201306)

摘要：隨著我國危化品需求的快速增長，?；愤\輸事故也越頻繁。為了降低?；愤\輸風險，保障運輸安全，本文嘗試將以罐式集裝箱為載體的危化品調度問題與多式聯(lián)運結合起來，建立了帶時間約束的成本和風險最小的多目標規(guī)劃模型。在此基礎上，利用二維歐氏距離客觀賦值的模糊算法求解模型。結合算例驗證，將多式聯(lián)運應用到?；氛{度問題有利于降低風險，確保調度的安全性。同時，該方法能在風險可控的范圍內，實現(xiàn)調度成本的最小化。

關鍵詞：?；?； 罐式集裝箱； 多式聯(lián)運； 調度模型； 模糊算法

化工產業(yè)的發(fā)展, 促進了化工原料需求的增長。2012年統(tǒng)計顯示，我國每年道路危化品在2億t左右，3000多個品種，鐵路?；坟涍\量占到鐵路貨運總量的10%。2013年液化品內貿水運總量約2100萬t，較上年增長約5%。但是我國?；飞a主要集中在東部沿海，中西部及東北地區(qū)偏少，并且需求分散，鐵路運力不足，導致?；愤^度依賴于公路運輸，這對道路安全造成了嚴重威脅。而多式聯(lián)運可以克服單一運輸方式的不足，在保證充足運力的同時，控制風險與成本。同時，罐式集裝箱具有“宜海宜路”、“宜儲宜運”、“一罐到底”的優(yōu)點，可以銜接多種運輸方式，確保中轉的安全，但是罐式集裝箱成本高租金貴，給物流企業(yè)帶來了巨額的費用。因此，研究從多個起訖點通過多式聯(lián)運調度罐式?；酚兄谖锪髌髽I(yè)在保證調度安全的同時降低調度成本。

國內外對危化品運輸路徑優(yōu)化和多式聯(lián)運最短路徑問題早有研究，但是將危化品調度和多式聯(lián)運結合起來研究的很少。儲慶中[1]建立了風險最小為上層目標，成本最小為下層目標的雙層規(guī)劃模型對危險品運輸網絡進行優(yōu)化。種鵬云[2]將風險偏好分為遠期風險厭惡型、近期風險厭惡型和風險中性，依此建立了多目標決策模型。宋偉程[3]綜合考慮危險品性質、事故類型和環(huán)境因素，建立點危險源的路徑風險評價模型。楊信豐等[4]選取時間、運輸事故的概率、交通損失、暴露人數及應急響應能力描述路段的屬性，構建了城市危險品運輸路徑選擇模型。劉慧怡[5]將風險、運距及費用目標抽象成類似廣義費用的綜合表達形式，并采用Dijkstra算法求解。ASLAN H等[6]基于博弈論的理論基礎提出了危險品運輸中的風險規(guī)避方法。ROJEE PRADHANANGA等[7]提出基于蟻群算法的危險品路徑優(yōu)化，結果表明蟻群算法能夠很好地解決帶時間窗的路徑優(yōu)化問題。MOHDRAPIKSAAT等[8]研究了北美地區(qū)危險品運輸的特性，特別針對油罐車設計了基于運輸效率和安全的運輸模型。姜軍等[9]以各運輸方式運輸費用和運輸時間的線性加權之和最小為目標建立模型，并采用改進的遺傳算法求解模型。唐建橋等[10]建立了集裝箱多式聯(lián)運組織優(yōu)化模型，并用模擬退火遺傳算法求解模型。劉艦和俞建寧[11]研究了多式聯(lián)運運輸方式選擇問題，建立了成本、風險最小的優(yōu)化模型，并采用克隆增擴的人工免疫算法求解模型。張鵬鴿等[12]分析了西江水系公鐵水多式聯(lián)運現(xiàn)狀，根據其時間窗特性建立了基于時間約束的最小費用流數學模型。楊雪[13]提出換裝時間函數，建立以總成本最小和總時間最短的多目標0-1整數規(guī)劃模型，并將時間轉化為廣義成本對模型進行求解。BAUER[14]建立了一個多式聯(lián)運碳排量最小模型，并將其應用于東歐鐵路網案例的研究。

本文從?；肺锪髌髽I(yè)的角度出發(fā)，嘗試將?；氛{度與多式聯(lián)運結合起來，建立了成本和風險最小的多目標模型，研究將罐式危化品從多個供應點通過聯(lián)運網絡調運至多個需求點的問題。通過不同運輸方式的組合調度優(yōu)化，使整個聯(lián)運網絡風險和成本相互平衡，進而避免由于?；愤\量增加、供求信息繁雜造成的危險事故頻發(fā)以及成本劇增現(xiàn)象。

1問題描述和模型建立

1.1 問題描述

1)供應點供應箱量、需求點需求箱量以及相鄰節(jié)點間存在的運輸方式都已知；

2)供應箱量大于需求箱量；

3)只考慮一種箱型，即20英尺。

圖1　多式聯(lián)運網絡圖

1.2模型符號說明

1.3目標函數與約束條件

調度成本與調度風險一直是物流企業(yè)不可調和的矛盾所在，據此文章建立了成本與風險最小的兩個目標函數：

(1)

(2)

式(1)總成本由運輸成本、中轉成本、罐式集裝箱租箱成本和管理成本組成；式(2)總風險由運輸風險和中轉風險組成。

約束條件為：

(3)

(4)

(5)

xijkw≤Qijkwyijkw≤πxijkw

(6)

yiogwyojlw=zogl,i,j∈N，g,l∈K，w∈W；

(7)

(8)

Tif=0,i∈S；

(9)

(10)

xijkw≤Qijkw,i,j∈N；

(11)

(12)

yijkwRijkw≤Hmax；

(13)

zoglrogl≤hmax,g,l∈K，o∈O。

(14)

式(3)表示供應點S提供危化品w的箱量要不小于實際輸出供應點S的?；穡箱量；(4)表示需求點D?；穡的需求箱量等于實際輸入到節(jié)點D的?；穡箱量；(5)表示中轉點流量守恒，運入到中轉點O?；废淞康扔谶\出箱量；(6)表示是否存在箱量分配；(7)確保轉運的連續(xù)性；(8)表示運輸時間；(9)表示開始運輸時間記為0；(10)表示實際交付時間不得超過交付期限；(11)表示實際運量不超過運輸能力限制；(12)表示中轉點中轉能力限制；(13)表示節(jié)點間運輸風險不可超過運輸風險限制值；(14)表示中轉風險不超過中轉風險限制值。

1.4風險分析

本文只考慮運輸風險與中轉風險，其中風險可以表示為

R=Pζ。

(15)

式中R表示風險，P為危化品發(fā)生事故的概率，ζ為?；钒l(fā)生事故造成的損失。其中，發(fā)生事故的概率可表示為

P=PkPcτ。

(16)

Pk為運輸方式k發(fā)生事故的總體概率，該數值可以由全年交通事故統(tǒng)計所得數據求得。公路的事故概率為0.40×10-6次/km，鐵路的事故概率為0.088×10-6次/km，水運的事故概率為0.028×10-6次/km，參考2012年中國統(tǒng)計年鑒。Pc表示事故發(fā)生后罐式集裝箱破損的概率。τ為本地化因子，它反映該區(qū)域區(qū)別于其他區(qū)域誘使事故發(fā)生的環(huán)境影響因子，可以看作對道路(航道)等級、隧道、橋梁、疏散路網和其他應急設施的綜合評價。

對于事故造成的損失，本文主要考慮事故發(fā)生后影響的人口數目，具體可表示為

ζ=4(σ)2ρ。

(17)

式中ζ表示液體?；钒l(fā)生事故影響的人口數；ρ表示人口密度；σ表示發(fā)生事故的影響半徑，影響半徑參考表1，表1來源于佛蘭德政府環(huán)保部門2009年報告(LNE，2009)。

表1　危化品泄露影響距離

2基于二維歐氏距離客觀賦權的模糊算法

對于多目標模型

s.t.x∈f(x),

(18)

其求解算法如下[15]。

Step3:將多目標模型轉化為單目標模型

(19)

Step4:解單目標模型，構造拉格朗日函數

(20)

上述整個計算過程的實施通過Matlab軟件完成。

3實例分析

?；氛{運網絡如圖2所示，分別由供應點1、2，中轉點3、4和需求點5、6組成。不同節(jié)點間有水路、鐵路、公路可供選擇。供應點1可提供油品30箱，苯2箱；供應點2可提供油品20箱，苯5箱；需求點5需要油品25箱，苯4箱；需求點6需要油品25箱，苯2箱。求滿足需求的情形下，找到風險和成本整體最優(yōu)的?；氛{度方案。

已知公路、鐵路、水路3 種運輸方式的運費分別為0.4元/(t·km)、0.15元/(t·km)、0.05元/(t·km)，運速分別為60 km/h,40 km/h,20 km/h；交貨期為48 h；租箱成本為200元/箱天(不足一天按一天算)；管理成本為50元/箱；發(fā)生事故后罐體破裂的概率為0.1；中轉發(fā)生事故概率為0.2×10-6；運輸能力限制為80箱，運輸風險限制為0.5；中轉能力限制為100箱，中轉風險限制為0.1。表2、表3分別是運輸過程和中轉過程模擬數據。

圖2　算例聯(lián)運網絡

(i,j)距離/(km)本地因子人口密度/(人/km2)公路鐵路水路公路鐵路水路公路鐵路水路1,3488585—36—800800—1,4681809—36—1000700—1,59881162—66—500800—2,36591169—44—800800—2,46188834333471200100010002,61743234210033467004003003,43493013925561500160012003,5450467—46—500600—3,6486998—36—600600—4,5782968—46—700600—4,6561900408448800700800

1)“—”表示節(jié)點間不考慮此種運輸方式

表3　中轉模擬數據1)

1)a/b/c中a的單位為h；b的單位為元；c的單位為人/km2

式(1)、(3)～(17)構成模型1成本最小，式(2)、(3)～(17)構成模型2風險最小，模型1、2求解結果見表4。

模型1求得最小成本是27.691 7萬元，總風險是42.808 77×10-2。從調運方案可看出，由于水運成本最低，危化品特別是油品主要通過水路調運，而水-公聯(lián)運既降低成本又避免單一水運由于時間過長增加調運風險。模型2求得最小風險是9.620 15×10-2，成本是151.418 6萬元。調運方案顯示?；反蠖嗤ㄟ^鐵路或者公-鐵聯(lián)運調運，這主要因為一旦油品或苯發(fā)生泄露，水路的擴散速度遠大于公路、鐵路運輸，并且水運事故救援反應慢代價高，影響人口遠大于公路和鐵路,為了保證調度安全，鐵路成為首選，再通過公-鐵聯(lián)運緩解單一公路運輸的調運風險。綜上所述，多式聯(lián)運可以彌補單一運輸方式帶來的不足，所得調運結果符合聯(lián)運的風險分布。

表4　單目標多式聯(lián)運調運方案

式(1)～(20)構成模型3，求解結果見表5。

表5　不同權重下的成本-風險

表5給出了基于二維歐氏距離客觀賦權的模糊算法在不同權值情形下的調度成本-風險值，其中權值ω1,ω2分別表示對成本、風險的重視程度。從表5可以看出，隨著參數ω2值的變小，總風險在不斷增加，成本在不斷下降。根據表5中散點A-K,繪制得散點圖3，K點對應調運方案成本最小風險最大，A點對應調運方案風險最小成本最高。物流企業(yè)一方面要保證運輸安全，同時也要降低成本，就會權衡點A-K,找出相對較佳的調運方案。由圖3看出，調運成本-風險的變化分三個階段，第一階段從點K到點J，成本增加約15.6萬元就可降低風險約18.51×10-2，風險下降幅度最大；第二階段從點J到點E，隨著成本增加，風險下降幅度變??；第三階段從點E到A，隨著成本增加風險下降很少，趨近最小風險值。考慮到物流企業(yè)對安全的重視程度必定會賦予ω2更高的權值，同時要最大程度地降低成本，因此點E(ω1=0.4,ω2=0.6)對應的調度方案是相對較佳的，調運風險為11.287 96×10-2，調運成本為120.342 5萬元，具體調度方案見表6。綜上所述，該模型可以平衡成本與風險的關系，在調度風險可控范圍內，最大程度的降低調運成本，得到成本與風險綜合最優(yōu)的調運方案。

圖3　基于權重的成本-風險圖

需求點種類:需求量/箱運輸方式運量/箱節(jié)點5油品:251-5(鐵)25苯:41-5(鐵)22-4-5(水-公)2節(jié)點6油品:251-4-6(公-水)52-3-6(鐵-公)20苯:22-6(鐵)2總成本/萬元120.3425總風險/10-211.28796

4結語

本文考慮到裝卸搬運會加大危化品調度風險，特別的以罐式集裝箱為載體，結合實際情況建立了不同品種危化品的多式聯(lián)運調度模型，并利用二維歐氏距離客觀賦權的模糊算法解決了基于成本和風險最小的多目標問題。結合算例驗證，多式聯(lián)運可以彌補單一運輸方式帶來的不足，所得調運方案成功地避開了風險較大的路段。并且該模型可以平衡成本和風險的關系，在風險可控范圍內，最大程度地降低調度成本，這對物流企業(yè)安排調度計劃有一定的借鑒意義。

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A Research on Multimodal Transportation Scheduling Model of Hazardous Chemical Materials in Tank Containers

HE Hongdi，XIE Jing，DING Yi，LIN Guolong

(Shanghai Maritime University， Logistics Research Center，Shanghai 200135，China)

Abstract：With the rapidly growing demands of hazardous chemical materials, transport accidents are more and more frequent. In order to reduce the risk of transportation and ensure the transportation safety, a research is conducted by connecting scheduling problems of hazardous chemical materials with multimodal transportation and the hazardous chemical materials packed in tank containers. A multimodal transportation scheduling model of hazardous chemical materials in tank containers is established based on the minimum cost and risk under a time constraint. At the same time, a fuzzy algorithm based on two-dimensional Euclidean distance is used to solve the model. The case study verifies that the application of multimodal transport to scheduling problem of hazardous chemical materials is beneficial to reduce risks and ensure safety of the scheduling. In addition, this method can reach the goal of minimizing cost within the scope of the controllable risk and it is a good reference for the logistics enterprise to do scheduling plan.

Key words：hazardous chemical materials；tank containers；multimodal transportation；scheduling model；fuzzy algorithm

中圖分類號：U15

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7375(2016)01- 0045- 06

doi:10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.01.007

作者簡介：何紅弟(1980-)，男，陜西省人，副教授，博士，主要研究方向為交通流交通污染、綠色物流、低碳物流.

基金項目：國家自然科學基金資金資助項目(11302125，71301101)；上海教育委員會科研創(chuàng)新重點資助項目(11ZS1145)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新重點資助項目(13YZ085)；上海市教委重點學科資助項目(J50704)

收稿日期：2014- 12- 26