民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址研究＊

吳 穎,劉義新

(1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410004;2.長(zhǎng)沙市公安局, 湖南長(zhǎng)沙 410005)

民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址研究＊

吳 穎1,劉義新2

(1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410004;2.長(zhǎng)沙市公安局, 湖南長(zhǎng)沙 410005)

以安全風(fēng)險(xiǎn)分析為重點(diǎn),同時(shí)考慮服務(wù)時(shí)間和投資成本等因素,建立多目標(biāo)多層次的民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址模型,并利用混合遺傳算法求解。通過算例證明,該方法規(guī)劃的爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),能夠降低爆炸物品對(duì)環(huán)境安全造成的影響,提高運(yùn)輸?shù)男б妗?/p>

安全風(fēng)險(xiǎn);爆炸物品;運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò);選址模型;混合遺傳算法

民用爆炸物品運(yùn)輸事故的發(fā)生,給社會(huì)及生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響,也給人民生命財(cái)產(chǎn)和企業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失。因此,運(yùn)用科學(xué)的方法來輔助運(yùn)輸管理就變得非常迫切。對(duì)于爆炸物品的運(yùn)輸管理,即設(shè)計(jì)爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò),其中最重要的就是構(gòu)建運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)選址。

1 民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址風(fēng)險(xiǎn)因素分析

選址風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括:選址周圍環(huán)境、事故影響區(qū)域、救援能力。

1.1 選址周圍環(huán)境

民用爆炸物品配送中心屬于高危險(xiǎn)設(shè)施,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),配送中心的建筑必須依山而建,進(jìn)而降低爆炸沖擊波的影響。所以本研究的選址周圍環(huán)境主要以備選地址周圍地形作為考慮的依據(jù)。選址周圍環(huán)境影響系數(shù)α為:

式中:α——備選地址周圍環(huán)境影響系數(shù);

β——備選地址周圍山體高度影響系數(shù);

γ——備選地址周圍山體坡度影響系數(shù),其中 ,β,γ的選取見表1。

1.2 事故影響范圍

本研究對(duì)于民用爆炸物品的事故影響范圍,主要考慮民用爆炸物品爆炸或燃燒對(duì)周圍人員生命的影響。設(shè)備選地址發(fā)生事故的概率為 P,事故影響以λ為直徑的圓形區(qū)域,λ由民用爆炸物品的類型、數(shù)量確定。所以備選地址事故影響范圍的人口為:

表1 選址周圍環(huán)境影響因素

式中:C——選址區(qū)域發(fā)生事故影響的總?cè)藬?shù),萬人;

ρ——選址區(qū)域周圍的人口密度,萬人 /km2;

λ——事故影響的直徑,km。

1.3 救援能力

救援能力主要是指消防設(shè)施和醫(yī)療設(shè)施這 2個(gè)因素對(duì)減輕爆炸事故后果所產(chǎn)生的積極影響[3]。

(1)消防因素。消防因素主要從距離和容量?jī)蓚€(gè)方面考慮。消防設(shè)施距離備選地址小于等于 5 km,δ1設(shè)置為 0.8;消防設(shè)施距離備選地址大于 5 km小于 20 km,δ1設(shè)置為 0.95;消防設(shè)施距離備選地址大于 20 km,δ1設(shè)置為 1.25;設(shè)施擁有消防車輛小于 3臺(tái),δ2設(shè)置為 1;設(shè)施擁有消防車輛大于 3臺(tái)小于 5臺(tái),δ2設(shè)置為 0.95;設(shè)施擁有消防車輛大于 5臺(tái) ,δ2設(shè)置為 0.85。

則消防因素的參數(shù)模型為:

(2)醫(yī)療因素。醫(yī)療因素主要從距離和容量?jī)蓚€(gè)方面考慮。醫(yī)療設(shè)施距離備選地址小于等于 5 km,ε1設(shè)置為 0.8;醫(yī)療設(shè)施距離備選地址大于 5 km小于 20 km,ε1設(shè)置為 0.95;醫(yī)療設(shè)施距離備選地址大于 20 km,ε1設(shè)置為 1.25;設(shè)施救護(hù)車輛小于 3臺(tái),ε2設(shè)置為 1;設(shè)施擁有救護(hù)車輛大于 3臺(tái)小于 5臺(tái),ε2設(shè)置為 0.95;設(shè)施擁有救護(hù)車大于 5臺(tái),ε2設(shè)置為 0.85。所以醫(yī)療因素的參數(shù)模型為:

綜合以上 2個(gè)因素的影響,救援能力的參數(shù)模型為:

式中:H——備選地址的救援能力系數(shù)。

通過對(duì)選址周圍環(huán)境、事故影響的范圍以及救援能力的分析,并建立了相應(yīng)的參數(shù)模型,最終可以得到民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址風(fēng)險(xiǎn)模型:

式中:R——民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)備選地址的風(fēng)險(xiǎn)值;

P——備選地址發(fā)生事故的統(tǒng)計(jì)概率。

2 民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址模型的構(gòu)建

本研究將民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的層次分為地方運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)、區(qū)域運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)和中央運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)等級(jí)別層次。一般中央運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的規(guī)模最大,配送批量大,通常只為少數(shù)的大用戶或者區(qū)域運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)服務(wù),由于其量大,所以比較重視降低成本;區(qū)域運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)和地方運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的規(guī)模就比較小,配送批量也小,尤其是地方運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)規(guī)模小,要求“小批量、多頻次”的配送,對(duì)時(shí)間的控制更嚴(yán),但是這 3個(gè)層次的運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)對(duì)于安全風(fēng)險(xiǎn)控制的要求都非常高。

2.1 影響建模的其他因素

(1)運(yùn)輸量因素。包括客戶的需求量、供應(yīng)的數(shù)量、民用爆炸物品分類等,這些數(shù)據(jù)會(huì)隨著時(shí)間變化而出現(xiàn)波動(dòng)。

(2)成本因素。包括各節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)輸成本,運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)所在地的土地成本、建設(shè)投資、設(shè)備投資及勞動(dòng)力成本等。

(3)時(shí)間因素。包括供應(yīng)商至運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)至客戶的配送時(shí)間、運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)之間的配送時(shí)間;供應(yīng)商到運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的到達(dá)率、運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)至客戶在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的到達(dá)率;運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)對(duì)需求的響應(yīng)時(shí)間、客戶要求的響應(yīng)時(shí)間。

(4)其他因素。供應(yīng)商的位置、客戶的位置,以及各個(gè)運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)候選地址的運(yùn)輸距離。本研究采用的是折現(xiàn)距離 (Rectilinear Metric),也叫做城市距離。由于實(shí)際路線中,幾乎不存在完全的直線形式,所用折現(xiàn)距離等于歐幾里德距離乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)φ,在我國(guó)φ一般取值為 1.4～1.6。

2.2 建立多級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址模型

(1)地方運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)選址模型為:

式中,m——供應(yīng)商數(shù)量,即 j=1,2,…,m;

r——運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,即 r=1,2,…,r;

p——需求點(diǎn)個(gè)數(shù),即 p=1,2,…,p;

t——運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的服務(wù)年限;

cjk——從供應(yīng)商 j到運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k的單位運(yùn)輸成本;

dkl——從運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k到需求點(diǎn) l之間的單位運(yùn)輸成本;

Xjkl——從供應(yīng)商 j經(jīng)過運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k到需求點(diǎn) l的運(yùn)輸量;

θ——運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k的變動(dòng)費(fèi)用與運(yùn)輸量的相關(guān)系數(shù);

Fk——運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k的單位變動(dòng)成本;

Gk——運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k的固定資產(chǎn)投資費(fèi)用;

Lk——運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k的固定資產(chǎn)的年折舊率;

zk——0～1變量,當(dāng)使用運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k時(shí),取值為 1,否則,取值為 0;zkl是 0～1變量,當(dāng)運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k為需求點(diǎn) l服務(wù)時(shí),取值為 1,否則,取值為 0;

μikl——運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k到達(dá)需求點(diǎn) l的準(zhǔn)時(shí)率;

ol——需求點(diǎn) l要求的準(zhǔn)時(shí)到達(dá)率;

Tjkl——供應(yīng)商 j經(jīng)過運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k中轉(zhuǎn)到達(dá)需求點(diǎn) l的響應(yīng)時(shí)間;

Ql——需求點(diǎn) l的需求量;

Wk——運(yùn)輸節(jié)點(diǎn) k的最大容量;

Aij——供應(yīng)商 j的最大供應(yīng)能力。

(2)區(qū)域運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)選址模型。由于該節(jié)點(diǎn)要求上級(jí)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)貨的批量和頻率都較之客戶直接對(duì)運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的要求低很多,而且運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)內(nèi)還會(huì)有一定的庫存量,因此可以不考慮時(shí)間影響。模型如下:

式中:k——地方運(yùn)輸節(jié)點(diǎn);

k2——區(qū)域運(yùn)輸節(jié)點(diǎn);

r2——區(qū)域運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù),即 k2=1,2,…,r2;

r1——地方運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù),即 k=1,2,…,r1;

t1——區(qū)域運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)服務(wù)年限。

(3)中央運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)選址模型。這一級(jí)運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)選址在考慮安全風(fēng)險(xiǎn)因素的前提下采用重心法。

3 利用混合遺傳算法求解模型

遺傳算法作為一種全局搜索優(yōu)化算法,在遇到包含多個(gè)局部最優(yōu)值的多峰函數(shù)問題時(shí),往往能成功地避開局部最優(yōu)的陷阱,但是求解到一定范圍時(shí),會(huì)出現(xiàn)大量冗余,導(dǎo)致對(duì)求解過程中對(duì)于優(yōu)化信息的反饋不足。蟻群算法主要是通過蟻群之間迅速的信息反饋使問題的解達(dá)到最優(yōu),但是算法初期信息量缺乏,導(dǎo)致求解速度慢。將遺傳算法與蟻群算法結(jié)合,能夠充分發(fā)揮遺傳算法的快速全局搜索和蟻群算法信息反饋迅速的能力,運(yùn)算流程如圖1所示。

圖1 混合遺傳算法運(yùn)算流程

4 算 例

本文擬定某民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用年限為 15 a,假設(shè)該爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)擁有 26個(gè)需求區(qū)域,目前該運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的年運(yùn)輸費(fèi)用是 500萬元,平均配送準(zhǔn)時(shí)率為 86%,在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的準(zhǔn)時(shí)率甚至在 70%以下。安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素、及時(shí)到達(dá)率和一次性建設(shè)成本根據(jù)實(shí)際情況確定,安全風(fēng)險(xiǎn)值小于 130為合理范圍;各需求點(diǎn)的平均需求量已知;地方運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)備選點(diǎn)與需求區(qū)域之間的單位運(yùn)輸成本,參考國(guó)家交通部發(fā)布的《汽車運(yùn)價(jià)規(guī)則》和行業(yè)水平。

通過Matlab計(jì)算,最終獲得該算例的一組優(yōu)化結(jié)果見表2。所有被選地址的安全風(fēng)險(xiǎn)值均在合理范圍。建設(shè)多層次的配送中心網(wǎng)絡(luò)后年運(yùn)輸成本是277.7210萬元,平均配送及時(shí)率達(dá)到 97.5%。年運(yùn)輸成本的結(jié)余 44.46%,即使是考慮到配送中心建設(shè)一次性投資 3000萬元,仍具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 最終選址結(jié)果

5 總 結(jié)

本文在解決民用爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址問題上,具有以下優(yōu)勢(shì):

(1)通過改進(jìn)運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)選址模型加入考慮安全風(fēng)險(xiǎn)和及時(shí)到達(dá)率 2個(gè)重要的影響因素,建立更加符合爆炸物品運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求的多層次選址模型;

(2)將運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址進(jìn)行層次劃分,更有效的提高運(yùn)輸效率降低運(yùn)輸成本;

(3)本文采用遺傳算法和蟻群算法相結(jié)合的混合遺傳算法求解模型,能夠更加快速的求出最優(yōu)解,降低民用爆炸物品的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)。

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湖南省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(11C0493).

2011-07-06)

吳 穎 (1983-),男,湖南長(zhǎng)沙人,講師,博士生,從事交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理研究,Email:763974151@qq.com。