申慧芝　經(jīng)素萍　黃睿伶

【摘 要】集裝箱多式聯(lián)運(yùn)作為一種新型多式聯(lián)運(yùn)方式，將多式聯(lián)運(yùn)和集裝箱有效地結(jié)合在一起，與傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式相比更安全、更靈活、更有效，正是這些特點(diǎn)使得近幾十年來集裝箱多式聯(lián)運(yùn)快速發(fā)展，然而如何優(yōu)化集裝箱多式聯(lián)運(yùn)，有效地協(xié)調(diào)各種運(yùn)輸方式，降低運(yùn)輸成本，提高運(yùn)輸效率，成為集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的有效研究課題。

【關(guān)鍵詞】遺傳算法；集裝箱；多式聯(lián)運(yùn)；運(yùn)輸優(yōu)化

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈變得越來越復(fù)雜，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)變得越來越廣泛，貨物運(yùn)輸需求也發(fā)生了變化——以顧客需求為中心的方便、快捷、高效、低價的貨物運(yùn)輸已成為必然趨勢，單一的集裝箱運(yùn)輸模式已經(jīng)不能滿足當(dāng)今全球供應(yīng)鏈管理的發(fā)展要求，因此，以貨物運(yùn)輸為主的集裝箱多式聯(lián)運(yùn)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可與使用，創(chuàng)建高效的集裝箱多式聯(lián)運(yùn)模式也已成為各國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的發(fā)展是建立在完善的綜合運(yùn)輸體系之上的。然而，長期以來廣西的交通運(yùn)輸已成為其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，由于基礎(chǔ)設(shè)施不完善，沒有一個統(tǒng)一的綜合運(yùn)輸統(tǒng)籌部門，各種運(yùn)輸方式?jīng)]有真正發(fā)揮組合優(yōu)化的作用，通暢的、安全的、便捷的集裝箱多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)尚未建立。因此，本文希望通過分析廣西集裝箱多式聯(lián)運(yùn)存在的問題，以廣西集裝箱多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)內(nèi)各運(yùn)輸方式與運(yùn)輸路徑實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化組合為目標(biāo)，為廣西集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的發(fā)展提供參考和理論指導(dǎo)。

1 遺傳算法的原理及優(yōu)化模型的建立和實(shí)現(xiàn)

1.1 遺傳算法的原理

遺傳算法簡稱GA（Genetic Algorithm），在本質(zhì)上是一種不依賴具體問題的直接搜索方法。遺傳算法的基本思想是基于Darwin進(jìn)化論和Mendel的遺傳學(xué)說，Darwin進(jìn)化論最重要的是適者生存原理：它認(rèn)為每一物種在發(fā)展中會越來越適應(yīng)環(huán)境，物種每個個體的基本特征由后代所繼承，但后代又會產(chǎn)生一些異于父代的新變化。在環(huán)境變化時，只有那些能適應(yīng)環(huán)境的個體才能保留下來。Mendel遺傳學(xué)說最重要的是基因遺傳原理。它認(rèn)為遺傳以密碼方式存在于細(xì)胞中，并以基因形式包含在染色體內(nèi)。每個基因有特殊的位置并控制某種特殊性質(zhì)，所以，每個基因產(chǎn)生的個體對環(huán)境具有某種適應(yīng)性?；蛲蛔兒突螂s交可產(chǎn)生更適應(yīng)環(huán)境的后代。經(jīng)過存優(yōu)去劣的自然淘汰，適應(yīng)性高的基因結(jié)構(gòu)得以保存下來。

下圖是遺傳算法的運(yùn)算過程圖：

基于上述思路，在應(yīng)用上設(shè)計多式聯(lián)運(yùn)最優(yōu)路徑求解的步驟。將數(shù)據(jù)隨機(jī)置于起始點(diǎn)，對每條路線按照多個起始點(diǎn)計算其運(yùn)輸費(fèi)用。

1.2 優(yōu)化模型的建立和實(shí)現(xiàn)

（1）根據(jù)集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸資源配置的分析可知，該問題屬于非線性約束組合問題，即使問題規(guī)模較小時也難以解決，隨著規(guī)模的增大，解決問題的復(fù)雜度也增大。近幾年來隨著仿真優(yōu)化方法研究的逐漸完善，Tabu算法越來越多應(yīng)用到仿真模型優(yōu)化中，該算法具有大量隨機(jī)參數(shù)的組合優(yōu)化問題等特點(diǎn)。

（2）運(yùn)用仿真優(yōu)化方法，結(jié)合仿真模型算法的特點(diǎn)對系統(tǒng)資源配置協(xié)調(diào)優(yōu)化問題進(jìn)行求解，通過運(yùn)行仿真模型得到相應(yīng)的評價指標(biāo)，在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，對仿真方案進(jìn)行不斷的矯正，最后得出較優(yōu)的運(yùn)輸方案。

（3）優(yōu)化模塊。主要通過遺傳算法算出問題的最優(yōu)解，根據(jù)具體的目標(biāo)，采用科學(xué)算法，搜索仿真模型的最優(yōu)解，并對其進(jìn)行優(yōu)化組合。

2 基于遺傳算法的廣西集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸優(yōu)化實(shí)例分析

2.1 問題假設(shè)

假設(shè)某多式聯(lián)運(yùn)經(jīng)營人準(zhǔn)備建立和開發(fā)一條由廣西柳州（O）至廣西欽州（D）的集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路線，中途可選擇若干個（n個）城市作為中間節(jié)點(diǎn)，任意相鄰的兩個城市之間都有若干種（g種）運(yùn)輸方式可供選擇，在相鄰的兩個城市之間各種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸時間、運(yùn)費(fèi)、運(yùn)輸能力不同，當(dāng)從一種運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換到另一種運(yùn)輸方式時，需要一定的中轉(zhuǎn)時間和中轉(zhuǎn)費(fèi)用，而且在整個運(yùn)輸過程中的總時間不能超過運(yùn)輸期限（T），在考慮上述各種因素的前提下確定最佳的運(yùn)輸路線和組合方式，使得總運(yùn)費(fèi)和總運(yùn)輸時間為最少。

為了對問題進(jìn)行有效的求解，參考Spiess和Florian提出的多式聯(lián)運(yùn)的優(yōu)化算法，本文將每一個城市到另一個城市的每一種運(yùn)輸方式都單獨(dú)作為一條運(yùn)輸路線加入到運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中。即如圖2城市1到城市2是連通的，我們用一條有向箭頭表示城市1到城市2之間連通，但實(shí)際城市1到城市2共有三種運(yùn)輸方式可行，所以將圖2進(jìn)行改進(jìn)后成為了圖3，兩種從城市1到達(dá)城市2的運(yùn)輸方式成為了三條可選的運(yùn)輸路線。這樣就可以將這個多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成一個最短路問題。

2.2 優(yōu)化模型的建立

針對最短路問題的特點(diǎn)先對模型作以下假設(shè)：

（1）運(yùn)量在某兩個城市之間不能分割，即在某兩個特定的城市之間，只能選擇一種運(yùn)輸方式；

（2）運(yùn)輸成本與距離成線性關(guān)系。

為了建立模型用有向圖G（N，A）來代表多式聯(lián)運(yùn)的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖，其中N表示結(jié)點(diǎn)集合，A表示邊集合，N表示G圖的結(jié)點(diǎn)總個數(shù)。C=[Cijk]表示圖G的鄰接權(quán)矩陣——即運(yùn)輸費(fèi)用矩陣，k={1，2，3}代表三種可行的運(yùn)輸方式，其中T=[tijk]表示第二鄰接權(quán)矩陣——即運(yùn)輸時間矩陣，當(dāng)城市i、j沒有任何方式相鄰的時候：Cijk=tijk=N（N為一非常大的正整數(shù)）。始點(diǎn)與終點(diǎn)分別以O(shè)和D來表示。Ii表示節(jié)點(diǎn)i是否被選擇到運(yùn)輸路線中。Ii=1代表節(jié)點(diǎn)被選取到運(yùn)輸路線中，0代表沒有被選取。Wijk等于I（i）與I（j）相與，即I（i）與I（j）是否以第k種運(yùn)輸方式被選入到運(yùn)輸路線中，當(dāng)I（i）&I（j）=1時，Wijk=1；當(dāng)I（i）&I（i）=0時，Wijk=N，即節(jié)點(diǎn)i， j之間沒有被選擇作為運(yùn)輸路線。

2.3 優(yōu)化模型的求解算法

基于上面的問題模型可以看出這個問題是一個NP難題，很難得到全局最優(yōu)解或滿意解，如用改進(jìn)的遺傳算法對其進(jìn)行求解，能取得較好的效果[i]。在用遺傳算法對該模型進(jìn)行求解時主要要進(jìn)行下面幾項工作。endprint

（1）確定個體的編碼方式：對于遺傳算法來說，它的可行解由個體來表示，主要在個體之間中進(jìn)行交叉、變異的操作生成新的個體，直到得到合乎條件的個體為止。所以如何決定個體的編碼方式，對問題的求解速度、誤碼率、最優(yōu)解的范圍都有很大影響。拿一個8城市3種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)來說，染色體長度就是8x（8+1）=72，其中城市選取用0-1來代表節(jié)點(diǎn)是否被選中，而運(yùn)輸方式的選取用1-3的自然數(shù)編碼來表示。

（2）確定初始群體：若干個染色體或個體組成的一組向量稱為一個群體，遺傳算法計算的第一步首先要確定一個初始群體，在此基礎(chǔ)上才可以進(jìn)行之后的遺傳進(jìn)化過程。初始群體的選擇應(yīng)該具有較為廣泛的代表性，并且要有足夠多的染色體（個體），否則有可能陷人局部最優(yōu)解而出現(xiàn)早熟現(xiàn)象。論文的染色體生產(chǎn)的方式是隨機(jī)生成大部分染色體，再在群體中加入一部分可行解染色體，作為初始群體。

（3）確定適應(yīng)度函數(shù)：在遺傳算法中用適應(yīng)度函數(shù)來表明個體和解的優(yōu)劣性，用來確定個體遺傳到下一帶的概率，適應(yīng)度越高的個體遺傳到下代的概率就越高，這樣就保證了個體向最優(yōu)解的方向發(fā)展。本文直接用目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，即f（x）=z（x）。同時為了防止在計算早期出現(xiàn)個別特殊個體，用以下方式對適應(yīng)度函數(shù)其中f是原適應(yīng)度函數(shù)，f'是標(biāo)定后的適應(yīng)度函數(shù)，fmax、fmin分別是按照實(shí)際問題的一個估計值，δ為一個0到1之間的正實(shí)數(shù)。

（4）確定交叉和變異規(guī)則：交叉是指種群中確定的染色體做為父代，通過一定規(guī)則產(chǎn)生子代染色體的過程，這一過程所遵循的規(guī)則稱為交叉規(guī)則。這里我們采用兩點(diǎn)交叉法，在這種方法中，在親代中選擇好兩個染色體，隨機(jī)產(chǎn)生兩個點(diǎn)，作為交叉點(diǎn)，然后將兩個染色體中兩個交叉點(diǎn)之間的對應(yīng)信息碼相交換得到兩個子代的染色體。然而，經(jīng)過該操作后，新產(chǎn)生的后代不一定符合約束條件，所以還要對產(chǎn)生的新個體進(jìn)行檢驗(yàn)，如果不符合約束條件，還要重新進(jìn)行交叉，直到滿足約束條件為止。

3 總結(jié)

由以上的分析可以看出，集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸方式組合優(yōu)化模型在成本最小的前提下，通過遺傳算法和計算機(jī)編程的運(yùn)用，可以較方便地求出最優(yōu)解。在多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸下，以運(yùn)輸系統(tǒng)收益最大為目標(biāo)，設(shè)計與遺傳算法相結(jié)合的組合算法對模型進(jìn)行求解。在集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸總成本最小化的基礎(chǔ)上，通過對各種費(fèi)用和時間的分析，為多式聯(lián)運(yùn)企業(yè)選擇最優(yōu)運(yùn)輸路徑，也為廣西集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸方式合理安排提供了一定的依據(jù)。

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