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        地下物流系統(tǒng)對集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的影響分析

        2019-12-05 02:57:00王玉婷梁承姬
        制造業(yè)自動化 2019年11期
        關(guān)鍵詞:物流系統(tǒng)

        丁 一,王玉婷,梁承姬

        (上海海事大學(xué)物流科學(xué)與工程研究院,上海 201306)

        0 引言

        隨著世界集裝箱量的增長,港口行業(yè)面臨著不斷增加的貨運量的壓力,交通擁堵問題日益加劇。2017年,上海港的集裝箱吞吐量達到4023萬TEU,增長8.4%,再次成為全球最大的集裝箱港口。作為上海港的主要集裝箱港區(qū),2017年外高橋港區(qū)突破了1960萬TEU,成為世界上單一港區(qū)吞吐量最大的一個港區(qū)。按照外集卡一次運輸兩個20英尺標準箱,平均每月有331924輛外集卡進出外高橋港區(qū)。過多的外集卡運輸加重了交通擁堵。因此,提高交通網(wǎng)絡(luò)的運輸能力是解決當前問題的關(guān)鍵。

        目前,拓展現(xiàn)有的交通運輸系統(tǒng)是提高運輸能力的一種方法,屬于交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題。對于交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,Miandoabchi等[1]研究了城市離散交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題,以新建道路為交通規(guī)劃方案,建立了多目標規(guī)劃模型,使用模擬退火算法解決問題。Liu等[2]考慮具有隨機用戶均衡約束的離散網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題,減少交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的隨機性。Wang等[3]在假定每條道路的容量和建設(shè)成本都是基于車道數(shù)量的情況下,設(shè)計了新建車道和擴展道路容量兩種方案。Farvaresh等[4]考慮通過擴建道路容量來提高車輛通行能力,構(gòu)建以最小化系統(tǒng)阻抗為目標的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,也提出擴展現(xiàn)有的交通系統(tǒng)的局限性。

        只擴展現(xiàn)有的交通運輸系統(tǒng)無法滿足日益增長的集裝箱運輸需求,為了減少貨運增加導(dǎo)致的空氣污染和交通擁堵,許多國家正在研究可持續(xù)的運輸方式[5,6]。因而,地下物流運輸系統(tǒng)應(yīng)運而生。地下物流運輸系統(tǒng)是一種使用隧道或管道運輸貨物的地下運輸系統(tǒng)[7]。與集卡運輸相比,地下物流運輸系統(tǒng)的限制較少。

        對于地下物流,目前主要有美國紐約港、新澤西港、日本東京港、比利時安特衛(wèi)普港和德國魯爾工業(yè)區(qū)進行了地下集裝箱運輸系統(tǒng)的技術(shù)研究[8~11]。2006~2008年,上海市政院研究了上海發(fā)展地下集裝箱運輸系統(tǒng)的技術(shù)和經(jīng)濟可行性,提出了洋山港區(qū)至外高橋港區(qū)、洋山港區(qū)至蘆潮港物流園區(qū)的可能地下集裝箱路線[12]。

        從以上研究可以看出,對于地下物流,大多數(shù)文獻研究建造技術(shù),很少有研究引入地下物流系統(tǒng)對交通,貨運,環(huán)境和相關(guān)問題的影響。大多數(shù)研究集中在城市交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題,很少有研究在現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)新交通方式。因此,本文著重研究引入地下物流系統(tǒng)對集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的影響。

        1 問題描述

        目前,集裝箱主要依靠公路進行運輸。由于集裝箱貨運量的增加,外集卡運輸集裝箱的次數(shù)明顯增加,加劇了公路運輸壓力,碼頭及環(huán)線道路擁堵現(xiàn)象嚴重,交通事故也頻繁發(fā)生。只擴展現(xiàn)有的公路容量或者新建公路,無法滿足今后集裝箱運輸需求,將面臨嚴峻的交通壓力。同時,環(huán)境問題突出,大量外集卡尾氣排放造成空氣污染。

        因此,本文提出引入地下物流系統(tǒng)對集裝箱交通網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。地下物流系統(tǒng)由嘉定貨運綜合樞紐,地下物流通道和外高橋港區(qū)后方物流綜合樞紐組成。外集卡通過公路運輸將集裝箱運至嘉定貨運綜合樞紐,再經(jīng)由場橋和內(nèi)集卡將集裝箱運送至地下物流通道入口,由AGV小車運送至外高橋碼頭。原先通過公路分散運輸?shù)募b箱被吸引通過地下物流系統(tǒng)運輸,改變了集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的交通流狀態(tài),集裝箱則更集中通過地下物流通道運輸,減輕公路運輸壓力。將引入的地下物流系統(tǒng)抽象成地下物流通道和原有的公路運輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)合形成新的集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)作為本文研究的對象,如圖1所示。

        圖1 引入地下物流系統(tǒng)后的集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)圖

        結(jié)合地下物流的特征,做出以下假設(shè):1)外集卡司機總是選擇阻抗最小的道路運輸集裝箱;2)地下物流通道出入口與嘉定物流園區(qū)和外高橋碼頭已銜接;3)不考慮地下物流通道投資建設(shè)問題,假設(shè)地下物流通道已經(jīng)建成;4)暫不考慮水路和鐵路運輸集裝箱。

        2 模型建立

        下面將建立針對地下物流系統(tǒng)的集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)模型,綜合考慮系統(tǒng)阻抗和二氧化碳排放量兩個指標,構(gòu)建多目標規(guī)劃模型。交通阻抗通過阻抗函數(shù)來描述,地上路段采用BPR(Bureauof Public Roads)函數(shù),而地下物流通道的阻抗取決于AGV小車速度和地下物流通道長度[13]。

        2.1 符號說明

        集合和參數(shù):A1為集裝箱交通網(wǎng)絡(luò)中地上路段的集合;A2為集裝箱交通網(wǎng)絡(luò)中地下路段的集合;E為集裝箱交通網(wǎng)絡(luò)中所有路段的集合;Rw為OD對w的所有路徑集合;Q為OD需求有界集合;xa為路段或地下物流通道的集裝箱運輸量;la為路段或地下物流通道的長度;va是路段或AGV小車的行駛速度;Er為外集卡二氧化碳排放系數(shù);Euls為AGV小車二氧化碳排放系數(shù);ca為地上路段或地下物流通道的實際通行能力;為地上路段的阻抗函數(shù);為地下物流通道的阻抗函數(shù);α和β是參數(shù),其值設(shè)為0.15和4;qw為OD對w的集裝箱運輸需求量;為OD對w的集裝箱運輸需求量的“名義值”;為OD對w的第k條路徑的集裝箱運輸量;σak為0~1變量,當且僅當?shù)厣下范位蛘叩叵挛锪魍ǖ涝诼窂絢上時為1,否則為0。

        2.2 數(shù)學(xué)模型

        目標函數(shù)(1)最小化地上路段和地下物流通道的的總系統(tǒng)阻抗和二氧化碳總排放量。條件約束(2)表示路段a的集裝箱運輸量和路徑集裝箱運輸量的關(guān)系。條件約束(3)表示路徑集裝箱運輸量和總集裝箱運輸量的關(guān)系。條件約束(4)、(5)分別表示路段和地下物流的阻抗函數(shù)。條件約束(6)表示路段a的流量不能超過其最大通行能力。條件約束(7)表示路徑k上的集裝箱運輸量大于等于0。

        2.3 模型優(yōu)化

        在交通網(wǎng)絡(luò)中,OD需求具有不確定性,魯棒優(yōu)化是處理不確定性問題的重要方法。針對集裝箱運輸需求的不確定性,本文利用一個有界集合來表示集裝箱運輸需求的不確定性,得到:

        優(yōu)化后的數(shù)學(xué)模型為:

        其余約束同式(2)~式(7)。

        3 蟻群算法設(shè)計

        蟻群算法最早是由Dorigo等[14]提出,特別適用于組合優(yōu)化問題。針對本文建立的多目標規(guī)劃模型,基于蟻群算法的思想,對系統(tǒng)最優(yōu)情況下的集裝箱運輸量分配問題進行求解。

        3.1 參數(shù)設(shè)置

        1)能見度:能見度以距離來衡量,本文考慮以集裝箱運輸量作為變量,即:

        2)信息素:針對本文要解決的問題,考慮交通網(wǎng)絡(luò)中的地下物流通道和原有路段的通行能力,引進阻抗函數(shù),因此第k只螞蟻在路段和地下物流通道的信息素量公式調(diào)整為:

        式中,E表示螞蟻循環(huán)一次釋放的信息素總量。隨著時間推進,螞蟻遺留的信息素逐漸蒸發(fā)。因此,當所有螞蟻完成一次集裝箱運輸量分配后,信息素濃度需要進行實時更新,即:

        其中,ρ(0<ρ<1)表示信息素的揮發(fā)程度。

        3)轉(zhuǎn)移概率:在最初t=0時刻時,各路徑的信息素都相同,則螞蟻選擇路徑的概率相同。但是隨著一次循環(huán)完成后,路段上的信息素濃度和能見度都發(fā)生變化,所以結(jié)合上面對信息素濃度和能見度的公式的調(diào)整,將螞蟻的轉(zhuǎn)移概率調(diào)整為:

        其中,a-allowedk表示螞蟻下一步選擇的路段,α為信息素重要程度因子,β為能見度重要程度因子。

        3.2 算法步驟

        Step1:設(shè)置算法參數(shù),取α=1,β=2,ρ=0.7,Q=100,將集裝箱運輸量作為螞蟻數(shù)量m。輸入路網(wǎng)信息,并且初始化路段集裝箱運輸量。

        Step2:將m只螞蟻分成兩批進行集裝箱運輸量分配。第一批螞蟻放在路網(wǎng)起點上,隨機選擇路段,完成一次分配,計算此時道路的上的螞蟻數(shù),即路段集裝箱運輸量和阻抗函數(shù),并且根據(jù)公式更新螞蟻信息量,得到路段初始信息素。

        Step3:從第二批螞蟻開始,螞蟻通過轉(zhuǎn)移概率來計算任意相鄰路段的行走概率并轉(zhuǎn)移到下一節(jié)點,計算此時路網(wǎng)中路段螞蟻數(shù)和阻抗函數(shù),記錄當前的最優(yōu)解,并且更新信息量。

        Step4:更新后的信息素量若滿足路段最大能力的限制,則進行下一步,否則終止。

        Step5:計算目標函數(shù)值,即系統(tǒng)的阻抗函數(shù)值和碳排放量,找出路網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)解。

        Step6:若m只螞蟻全部循環(huán)一次結(jié)束,轉(zhuǎn)至7),否則轉(zhuǎn)至3)。

        Step7:滿足最大循環(huán)次數(shù),則循環(huán)結(jié)束輸出最優(yōu)解,否則轉(zhuǎn)2)。

        4 算例分析

        圖2 交通網(wǎng)絡(luò)圖

        圖2所示交通網(wǎng)絡(luò)中,有13個節(jié)點,25條路段,其中包括嘉定貨運綜合樞紐到外高橋碼頭之間的地下物流通道。地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)為引入地下物流系統(tǒng)后的網(wǎng)絡(luò)。統(tǒng)計2016年外高橋碼頭8月到10月的集裝箱運輸量,總計2089317TEU。假設(shè)AGV小車的速度為60km/h,集卡速度為45km/h。初始數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 初始數(shù)據(jù)

        本文引入平均度和平均路徑長度來評價交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并且考慮加權(quán)網(wǎng)絡(luò)。平均度反映網(wǎng)絡(luò)連通性,計算公式為式中,Nj是節(jié)點i的相鄰節(jié)點的集合,wij為路段集裝箱運輸量,n1為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量。平均路徑長度反映網(wǎng)絡(luò)傳輸效率,計算公式為L=1/n2(∑a(ta/xa)),由Qin[15]等提出,式中n2表示交通網(wǎng)絡(luò)中路段的數(shù)量。

        4.1 算例求解

        在固定OD需求和基本通行能力,并且公路集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)二氧化碳排放系數(shù)為0.3kg/km,地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)二氧化碳排放系數(shù)為0.2kg/km的情況下,使用MATLAB(R2014b)對多目標規(guī)劃模型進行求解,得到的結(jié)果如表2、圖3所示。

        表2 結(jié)果對比

        圖3 流量對比

        由表2可看出,地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)阻抗和二氧化碳排放量分別減少40%和44%,在緩解交通擁堵和減排上效果明顯。優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)平均度增加到720,平均路徑長度降低為245,地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的連通性和整體性增強,傳輸效率得到提高。同時,蟻群算法求解時間在20s左右,有較好的求解效果。

        如圖3所示,集裝箱運輸量在地上路段和地下通道上得到合理分配。原公路集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)中路段1,路段2,路段4,路段10和路段24的集裝箱運輸量已超出給定的600TEU/小時,明顯造成交通網(wǎng)絡(luò)擁堵。優(yōu)化后,地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)中,這些路段的運輸量降低至給定的范圍,地下物流通道承擔(dān)更多的運輸量,明顯減少擁堵。

        4.2 靈敏度分析

        為進一步分析引入地下物流對集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的影響,從OD需求,通行能力和二氧化碳排放這三個方面進行靈敏度分析。

        4.2.1 OD需求變動的影響分析

        本節(jié)通過控制OD需求不確定范圍的參數(shù)θ來分析對集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的影響。

        圖4 不同參數(shù)下系統(tǒng)阻抗和網(wǎng)絡(luò)測度值

        圖4顯示了在集裝箱運輸需求變動的情況下交通網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)阻抗增加,但地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的增量更小。θ取0.3,0.6和0.9時,公路集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)阻抗分別為7000小時,7260小時,7600小時。地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)阻抗分別為4250小時,4325小時,4400小時。此時,地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗增量更小,需求的變動對其影響更小,使其更穩(wěn)定。對交通網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)而言,地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的平均度更大,平均路徑長度更小,網(wǎng)絡(luò)的連通性、可達性、傳輸效率增強。在需求變動的情況下,地下物流通道凸顯其可達性強和運輸效率高的優(yōu)勢。

        4.2.2 通行能力變動的影響分析

        通行能力受到很多因素的影響,如天氣、道路擁堵狀況等,將會造成道路通行能力折減,本文采用式CP=CBf1f2f3…fn進行修正,f為折減系數(shù)。假設(shè)f=1代表固定通行能力情況,f=0.9代表上下班高峰期對道路通行能力的折減系數(shù),f=0.8代表節(jié)假日對道路通行能力的折減系數(shù),f=0.7代表惡劣天氣對道路通行能力的折減系數(shù)。通過不同的折減系數(shù)來評估通行能力對集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的影響,如圖5所示。

        由圖5可以看出,惡劣天氣、節(jié)假日、上班高峰期對原公路集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)影響較大,系統(tǒng)阻抗最高達到7398小時,系統(tǒng)阻抗明顯增加。而對于地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)阻抗增量很小,對其影響較小,地下物流通道應(yīng)對天氣和道路變化的優(yōu)勢明顯,交通網(wǎng)絡(luò)的抗毀性更好。在天氣和道路因素變化造成擁堵的情況下,外集卡司機更愿意選擇有地下物流通道的路線,此時網(wǎng)絡(luò)的連通性和可達性更好。

        圖5 不同折減系數(shù)下系統(tǒng)阻抗和網(wǎng)絡(luò)測度值

        4.2.3 二氧化碳排放的影響分析

        參照國家溫室氣體清單指南和上海電力碳排放系數(shù),將高峰期柴油二氧化碳排放系數(shù)設(shè)為1.1kg/km,非高峰期為0.9kg/km。將高峰期電力二氧化碳排放系數(shù)設(shè)為0.4kg/km,非高峰期為0.3kg/km。本節(jié)對高峰時期和低峰時期的二氧化碳排放量進行比較,來分析優(yōu)化前后集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)減排效果,得到如表3和圖6所示結(jié)果。

        表3 碳排放量結(jié)果對比

        圖6 路段碳排放量

        表3所示為優(yōu)化前后總的二氧化碳排放量。無論是在高峰期還是非高峰期,地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)的碳排放量都比原公路集裝箱交通網(wǎng)絡(luò)小,高峰期碳排放量減少25473千克,非高峰期減少21509千克。地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)各路段碳排放量分布更加均衡,地下物流通道碳排放量相對較小,如圖6所示。從長遠角度考慮,地下物流運輸以電力為動力,而集卡運輸以柴油為動力,地下物流通道不僅可以減少碳排放量,而且可以減少能源消耗,環(huán)境效益將會越來越明顯,符合可持續(xù)性發(fā)展要求。

        5 結(jié)語

        本文針對引入地下物流系統(tǒng)后的集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建了考慮系統(tǒng)阻抗和碳排放的多目標規(guī)劃模型。在算例分析中,對原集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)和地下集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)進行對比分析。結(jié)果表明,地下物流運輸系統(tǒng)能有效減少港口擁堵,緩解了集裝箱運輸壓力。在環(huán)境污染方面,地下物流運輸系統(tǒng)碳排放量明顯減少,從長遠角度考慮,其環(huán)境效益可觀。同時,地下物流系統(tǒng)不受天氣等外界因素的影響,運輸更加穩(wěn)定,實現(xiàn)了高效、安全、無中斷物流運輸。通過本文研究,為優(yōu)化集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)提供了一種方法。

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