基于運費結(jié)構(gòu)的多式聯(lián)運方式選擇研究

李 愈，李美彥，趙 軍

（1.西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 交通運輸系，四川 峨眉山 614202；2.西南交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，四川成都 610031）

伴隨通交運通輸運方輸式業(yè)的的技逐術(shù)步經(jīng)發(fā)濟展優(yōu)，勢充，分實發(fā)行揮多各種種運交輸方式共同參與一類貨物的運輸，是加快貨物流通速度、提高各種運輸方式設(shè)施使用效率、實現(xiàn)交通運輸可持續(xù)發(fā)展的有效措施。多式聯(lián)運經(jīng)營者在進行貨物承運時，有的運輸方式的運輸速度較快，但運輸費用較高；有的運輸方式的運輸費用較低，但運輸速度較慢。因此，需要對各種運輸方式進行合理搭配，在滿足貨主對所承運貨物各種運輸需求的前提下，使自身經(jīng)營費用最低。這種決策問題被稱為多式聯(lián)運方式選擇問題。既有文獻(xiàn)對多式聯(lián)運方式選擇問題做了系統(tǒng)研究。張運河等[1]研究了不受限的單目標(biāo)問題，并且通過網(wǎng)絡(luò)抽象描述，將該問題轉(zhuǎn)換為廣義最短路問題，可以借助于最短路精確算法求解；部分學(xué)者研究了送達(dá)時間和運輸能力受限的單目標(biāo)問題[2-7]，其中，有學(xué)者根據(jù)問題特點設(shè)計了基于最短路問題的近似求解算法[2-5]，王玲玲等[6]采用0－1編碼設(shè)計了遺傳算法，孫華燦等[7]考慮了貨物送達(dá)延誤懲罰和中轉(zhuǎn)次數(shù)限制，給出了求解思路；姜軍等[8]研究了送達(dá)時間受限的單目標(biāo)問題，對具有中轉(zhuǎn)延誤的情況進行了建模分析，設(shè)計了遺傳算法；還有學(xué)者研究了貨物送達(dá)具有時間窗的能力受限單目標(biāo)問題，設(shè)計了遺傳算法[9-10]，其中，賀竹磬等[9]采用整數(shù)編碼，李麗等[10]采用0－1編碼；此外，井祥鶴等[11]研究了能力不受限的多目標(biāo)問題，設(shè)計了遺傳算法。以上所有文獻(xiàn)只考慮了運輸費用的變動部分，沒有充分考慮各種運輸方式的運輸費用結(jié)構(gòu)，忽略了其固定部分，通過分析既有文獻(xiàn)研究，對運輸費用進行更為準(zhǔn)確的建模分析，以期對多式聯(lián)運方式選擇問題做出更加符合實際的描述。

1 多式聯(lián)運方式選擇問題的描述

多式聯(lián)運方式選擇主要研究的問題為：多式聯(lián)運經(jīng)營者需要將一批運輸量為 Q，送達(dá)時間窗為 [E，L] 的貨物從該貨物的始發(fā)城市 O 運送到目的城市 D，已知運輸路徑，路徑將途經(jīng) n 個不同的城市，任意2個相鄰的城市之間都有 g 種運輸方式可供選擇，已知各種運輸方式的運輸費用 (固定費用和變動費用)、運輸時間和運輸能力。當(dāng)貨物從始發(fā)地出發(fā)時，或在任意城市從一種運輸方式轉(zhuǎn)換到另一種運輸方式時，運輸費用由固定費用和變動費用兩部分組成；其他情況下，運輸費用只包括變動費用。當(dāng)貨物在任意城市從一種運輸方式轉(zhuǎn)換到另一種運輸方式時，需要一定的中轉(zhuǎn)費用及中轉(zhuǎn)時間，已知中轉(zhuǎn)費用和時間。在滿足送達(dá)時間和各種運輸方式運輸能力限制的前提下，確定各種運輸方式的最佳搭配，使得包括運輸費用、中轉(zhuǎn)費用和送達(dá)早點或延誤懲罰費用 (簡稱送達(dá)懲罰費用) 的總費用最低。利用圖論知識，將多式聯(lián)運方式選擇問題抽象為網(wǎng)絡(luò) G =[V，E，W]，式中，V 為頂點集合，E 為弧集合，W 為弧權(quán)重集合。多式聯(lián)運虛擬運輸網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

頂點集 V 包括始發(fā)城市 O，城市擴展集合和虛擬目的城市 D′ 組成，在已知的運輸路徑上，除始發(fā)城市 O 外，將其他每個城市分別擴展為 g 個城市，分別表示 g 種運輸方式 (例如 V11,V12,...,V1g)。弧集 E 包括始發(fā)城市與途經(jīng)第一個城市的弧集E1(例如)，除始發(fā)城市外各個途經(jīng)城市間弧集 E2(例如) 和目的城市與虛擬目的城市間弧集 E3(例如。弧權(quán)重 W 由運輸費用、運輸時間和運輸能力的三元組構(gòu)成，除了弧集 E3外，其余弧的運輸時間、運輸費用和運輸能力分別等于弧所對應(yīng)的兩相鄰城市采用某種運輸方式時的運輸費用加中轉(zhuǎn)費用、運輸時間加中轉(zhuǎn)時間、運輸能力，弧集 E3的運輸費用和時間等于 0，運輸能力為無窮大。這種網(wǎng)絡(luò)抽象描述方法適用于各個途經(jīng)城市可供選擇的運輸方式和運輸方式總數(shù)不同的情況，為了保證結(jié)果的合理性，需要將不存在中轉(zhuǎn)方式所對應(yīng)的弧的費用和時間設(shè)為無窮大，運輸能力設(shè)為 0。通過網(wǎng)絡(luò)抽象描述，多式聯(lián)運方式選擇問題可以轉(zhuǎn)換為具有時間窗和能力約束的最短路問題。

2 優(yōu)化模型

模型的假設(shè)為：①同一支貨流在其途經(jīng)路徑上兩相鄰城市間不能分割，也就是在兩相鄰城市間只能選擇一種運輸方式；②任意兩相鄰城市間至少存在1種運輸方式。

以運輸費用、中轉(zhuǎn)費用和送達(dá)懲罰費用最小為目標(biāo)，考慮送達(dá)時間窗和運輸能力的約束，建立多式聯(lián)運方式選擇問題的優(yōu)化模型為：

式中：n 為運行路徑上城市集合，按照運輸路徑前進方向依次編號；g 為運輸方式集合；，，，分別為相鄰城市 i 和 i+1 選擇第 k 種運輸方式的固定運輸費用、變動運輸費用、運輸時間和運輸能力；和分別為在城市 i 從第 k 種運輸方式轉(zhuǎn)換到第 l 種運輸方式的中轉(zhuǎn)費用和中轉(zhuǎn)時間；T 為運送貨物花費的總時間；α 和 β 分別為貨物送達(dá)早點和延誤的懲罰費用系數(shù)。為 0－1 變量，若在相鄰城市 i 和 i+1 選擇第 k 種運輸方式，=1，否則，=0；為0－1變量，若在城市i從第 k 種運輸方式轉(zhuǎn)換到第 l 種運輸方式，=1，否則，=0；z1為0－1變量，若貨物送達(dá)時間早于規(guī)定時間 e， z1=1，否則，z1=0；z2為0－1變量，若貨物送達(dá)時間晚于規(guī)定時間 l 時，z2=1，否則，z2=0。

公式⑴為目標(biāo)函數(shù)，表示運輸費用、中轉(zhuǎn)費用和送達(dá)懲罰費用的總和最小。其中，運輸費用由前2項算式構(gòu)成，分別表示運輸過程中所需要花費的固定運輸費用和變動運輸費用，第1個算式表明只有當(dāng)貨物從始發(fā)地出發(fā)或在途經(jīng)任意城市從一種運輸方式轉(zhuǎn)換到另一種運輸方式時，需要支付所選擇的運輸方式的固定費用。公式⑵—⑾為約束條件，公式⑵限制運送貨物時，在途經(jīng)兩相鄰城市間只能選擇一種運輸方式；公式⑶為在每一個途經(jīng)城市只能選擇一種運輸方式進行后續(xù)運輸；公式⑷確保貨物運送的連續(xù)性，同時描述決策變量之間的邏輯關(guān)系；公式⑸為貨物運送時間的計算方法；公式⑹為運輸能力約束；公式⑺—⑻為貨物送達(dá)時間與時間窗之間的邏輯約束；公式⑼—⑾為變量定義域約束。

s.t. 多式聯(lián)運方式選擇問題優(yōu)化模型中公式⑵、⑶、⑷、⑹、⑼

與既有研究方法相比，上述模型更具有一般性，而且能充分反映各種運輸方式的運輸費用結(jié)構(gòu)。模型⑴—⑾為 0－1 非線性規(guī)劃模型，對于此類模型，盡管現(xiàn)階段不存在精確算法，但隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)優(yōu)化理論的不斷發(fā)展和計算機能力的不斷提高，對于中小規(guī)模的問題實例，現(xiàn)有的各種商業(yè)優(yōu)化軟件能夠勝任求解工作；對于大規(guī)模問題實例，與既有研究相比，該模型的數(shù)學(xué)性質(zhì)沒有變化。因此，可以直接移植現(xiàn)有近似求解算法，如遺傳算法，根據(jù)初步研究結(jié)果，建議采用整數(shù)編碼方法。通過介紹基于各種運輸方式的運輸費用結(jié)構(gòu)的前提下，多式聯(lián)運方式選擇問題的建模方法，采用商業(yè)優(yōu)化軟件 LINGO 對1個小規(guī)模問題實例進行算例分析，說明模型的優(yōu)越性。

3 算例分析

假設(shè)某多式聯(lián)運經(jīng)營者需要將一批運輸量為100單位，送達(dá)時間窗為 [45 50] 單位的貨物從始發(fā)城市1運送到目的城市8，途經(jīng)8個城市。各相鄰城市間各運輸方式的運輸費用、運輸時間和運輸能力見表1。貨物中轉(zhuǎn)費用和時間見表2。貨物送達(dá)早點和延誤的懲罰費用系數(shù) α 和 β 分別為 3單位和2單位。

表1 相鄰城市間各運輸方式的運輸費用、運輸時間和運輸能力

表2 貨物中轉(zhuǎn)費用和時間

利用 LINGO11.0 編程，可以找到局部最優(yōu)解。計算結(jié)果為：，。這表明：采用運輸方式2將待運送貨物從始發(fā)城市1運送到城市 6，然后由運輸方式3運送到目的城市 8。送達(dá)時間為45單位，總費用為 60 單位，其中，運輸費用、中轉(zhuǎn)費用和送達(dá)懲罰費用分別為 57 單位、3 單位和0單位，運輸費用中固定費用和變動費用分別為9單位和 48 單位。

4 結(jié)束語

結(jié)合各種運輸方式的運輸費用結(jié)構(gòu)，研究了多式聯(lián)運中運輸方式的合理搭配問題。與既有研究方法相比，建立了更為一般的優(yōu)化模型。對于中小規(guī)模問題，建議采用商業(yè)優(yōu)化軟件求解；對于大規(guī)模問題實例，建議設(shè)計近似算法求解。通過采用商業(yè)優(yōu)化軟件 LINGO 進行算例分析表明，在綜合考慮運輸費用組成的基礎(chǔ)上，多式聯(lián)運方式選擇問題的優(yōu)化模型能夠找到更優(yōu)解，對多式聯(lián)運方式選擇問題進行更為符合實際的描述和建模分析。

[1]張運河，林柏梁，梁 棟，等. 優(yōu)化聯(lián)合運輸問題的一種廣義最短路方法研究[J]. 鐵道學(xué)報，2006，28(4)：22-26.

[2]張得志，凌春雨. 多種運輸方式的組合優(yōu)化模型及求解算法[J]. 長沙鐵道學(xué)院學(xué)報，2002，20(4)：71-75.

[3]王 濤，王 剛. 一種多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)運輸方式的組合優(yōu)化模式[J]. 中國工程科學(xué)，2005(10)：46-50.

[4]賀國先. 集裝箱公鐵聯(lián)運的費用加權(quán)最短路計算機算法[J].鐵道學(xué)報，2006，28(1)：1-5.

[5]范志強，莊佳芳. 基于多維有向圖的多式聯(lián)運中運輸方式的選擇研究[J]. 物流技術(shù)，2006，26(5)：47-48，60.

[6]王玲玲，覃運梅. 多式聯(lián)運的運輸方案選擇研究[J]. 鐵道運輸與經(jīng)濟，2009 ，31(10)：78-81.

[7]孫華燦，李旭宏，陳大偉，等. 綜合運輸網(wǎng)絡(luò)中合理路徑優(yōu)化模型[J]. 東南大學(xué)學(xué)報，2008，38(5)：873-877.

[8]姜 軍，陸 建. 集裝箱多式聯(lián)運系統(tǒng)中各種運輸方式最優(yōu)組合模式研究[J]. 物流技術(shù), 2008，27(4)：127-129，134.

[9]賀竹磬，孫琳巖，李曉宏. 時效性物流聯(lián)運方式選擇模型及其算法[J]. 管理科學(xué)， 2007，20(1)：8-12.

[10] 李 麗，曾永長. 物流運輸中多式聯(lián)運模型及算法[J]. 統(tǒng)計與決策，2009(20)：27-29.

[11] 井祥鶴，魏冬峰，周獻(xiàn)中. 運輸方式選擇多目標(biāo)優(yōu)化問題的混合遺傳算法[J]. 計算機工程與應(yīng)用，2008，44(6)：210-212，224.