基于實時車貨信息的港-公調(diào)度優(yōu)化模型

張 赫 姚 迪 王 煒

(1大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸管理學(xué)院，大連116026)

(2東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096)

近年來，國際貿(mào)易發(fā)展迅速，進(jìn)出口商品的物流量急劇增加，港口作為國際貿(mào)易的主要結(jié)點，是綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的樞紐，已經(jīng)成為發(fā)展物流的重要資源［1］.為了促進(jìn)港口物流的順暢發(fā)展，快速增加的港口吞吐量需要更加高效的港口集疏運(yùn)系統(tǒng)［2］.然而，集疏運(yùn)系統(tǒng)中公路運(yùn)輸比例偏高造成了港口的嚴(yán)重?fù)頂D，接踵而來的延遲已經(jīng)大大增加了承運(yùn)人和托運(yùn)人的成本［3］.同時，港口日益增加的吞吐量，使得城市運(yùn)輸?shù)缆返呢?fù)荷過重，這些都已經(jīng)嚴(yán)重影響到港口集疏運(yùn)體系和城市的交通發(fā)展［4］.因此，將港口系統(tǒng)與公路運(yùn)輸系統(tǒng)作為整體進(jìn)行研究不僅對改善現(xiàn)階段港口存在的交通擁擠等問題具有積極的作用，而且也為之后的港口集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)打下良好的基礎(chǔ).

1 港-公調(diào)度優(yōu)化問題概述

港-公調(diào)度優(yōu)化問題就是對港口系統(tǒng)和公路運(yùn)輸系統(tǒng)的貨運(yùn)車輛進(jìn)行共同調(diào)度優(yōu)化的問題，是指如何根據(jù)港-公系統(tǒng)實時動態(tài)的車貨信息，如港口貨運(yùn)量、客戶需求量、貨物裝卸作業(yè)時間、車輛行程時間等信息，使得港口貨物能夠通過公路運(yùn)輸方式以最高的效率運(yùn)送至客戶手中的協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化問題.該問題的簡化圖解如圖1所示.

圖1 港-公調(diào)度優(yōu)化問題圖解

從圖1中可看出，公路貨運(yùn)場站作為連接港口系統(tǒng)與公路運(yùn)輸系統(tǒng)的節(jié)點，是港-公調(diào)度優(yōu)化問題研究的主要環(huán)節(jié).因此，本文就以公路貨運(yùn)場站為中心，建立一個可以提高港-公系統(tǒng)整體效率的港-公調(diào)度優(yōu)化模型.

2 港-公調(diào)度優(yōu)化模型的建立

2.1 模型基本思想

每一艘貨船靠岸或離港，港口都要對其進(jìn)行裝卸作業(yè).港口裝卸作業(yè)分為2種:一種是卸載作業(yè)，即貨物從港口運(yùn)到貨運(yùn)場站再到目的地;另一種是裝載作業(yè)，即貨物從目的地運(yùn)到場站再到港口，裝載上船［5］.完成這2種作業(yè)的過程就是將港口貨物運(yùn)至各個目的地并將客戶(這里統(tǒng)稱為目的地)貨物集裝上船的過程.其作業(yè)流程如圖2所示.

由圖2也可看出公路貨運(yùn)車輛的作業(yè)流程:一方面，船舶到達(dá)泊位，通過裝卸機(jī)械卸貨到貨運(yùn)車輛，車輛載著貨物運(yùn)至貨運(yùn)場站卸貨，然后返回泊位，此過程構(gòu)成一個車輛行走回路;另一方面，貨運(yùn)車輛在場站內(nèi)裝車，然后將貨物運(yùn)至某一目的地，再返回場站或者到下一目的地裝貨再返回場站，此過程又構(gòu)成一個車輛行走回路［6］.

圖2 港口裝卸作業(yè)流程

由此可看出，港-公調(diào)度優(yōu)化模型的基本思想就是對于每次港口裝卸船作業(yè)，在滿足港口和所有目的地的貨物需求量的條件下，如何協(xié)調(diào)、調(diào)度公路貨運(yùn)車輛，使得整個港-公調(diào)度系統(tǒng)高效率的運(yùn)作.基于路徑最短的車輛路徑優(yōu)化問題并沒有考慮到車輛在港口、貨運(yùn)場站以及目的地中的裝卸作業(yè)效率，而裝卸作業(yè)效率也是評價港-公調(diào)度系統(tǒng)效率的重要指標(biāo)［7-8］.因此，本文將線路最短優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為時間最短的優(yōu)化問題，使得港-公調(diào)度優(yōu)化模型既包括貨運(yùn)車輛的行程時間又包括裝卸作業(yè)時間.

2.2 模型建立

因為港-公調(diào)度優(yōu)化模型以作業(yè)時間最短為目標(biāo)，因此模型中的參數(shù)和變量應(yīng)包括車輛裝卸車作業(yè)時間、車輛行程時間以及車輛往返于港口、貨運(yùn)場站和目的地之間的運(yùn)輸次數(shù);同時，模型又要滿足港口、貨運(yùn)場站和所有目的地的貨物需求量，故模型中的參數(shù)還應(yīng)包括船舶裝卸貨運(yùn)量、貨運(yùn)場站的總配送量和總接收量、目的地的需求量和提供給場站的貨運(yùn)量以及車輛一次在港口、場站和目的地之間的運(yùn)輸量.

基于此，參數(shù)和變量作如下假設(shè):M為船舶的卸貨量;m為船舶的裝貨量;Q為場站配送至各目的地的總配送量;q為場站來自各目的地的總接收量;i，j為目的地(i=1，2，…，n;j=1，2，…，n);n 為目的地的個數(shù);Di為目的地i的需求量;di為目的地i提供給場站的貨運(yùn)量;t(1)和t(2)分別為在港口每輛車的裝車作業(yè)時間和卸車作業(yè)時間;t(3)和t(4)分別為在場站每輛車的裝車作業(yè)時間和卸車作業(yè)時間;t(5)和t(6)分別為在目的地每輛車的裝車作業(yè)時間和卸車作業(yè)時間;tos為從港口到場站的車輛運(yùn)輸時間;tso為從場站到港口的車輛運(yùn)輸時間;tsi為從場站到目的地i的車輛運(yùn)輸時間;tis為從目的地i到場站的車輛運(yùn)輸時間;tij為從目的地i到目的地j的車輛運(yùn)輸時間;xoso為從港口到場站再空車返回的車輛運(yùn)輸次數(shù);xsos為從場站到港口再空車返回場站的車輛運(yùn)輸次數(shù);xsis為從場站到目的地i再空車返回場站的車輛運(yùn)輸次數(shù);xisi為從目的地i到場站再空車返回目的地i的車輛運(yùn)輸次數(shù);xos為從港口到場站的車輛運(yùn)輸次數(shù);xso為從場站到港口的車輛運(yùn)輸次數(shù);xsi為從場站到目的地i的車輛運(yùn)輸次數(shù);xis為從目的地i到場站的車輛運(yùn)輸次數(shù);xij為從目的地i到目的地j的車輛運(yùn)輸次數(shù)(i≠j);yos為貨運(yùn)車輛一次從港口運(yùn)到場站的貨運(yùn)量;yso為貨運(yùn)車輛一次從場站運(yùn)到港口的貨運(yùn)量;ysi為貨運(yùn)車輛一次從場站運(yùn)到目的地i的貨運(yùn)量;yis為貨運(yùn)車輛一次從目的地i運(yùn)到場站的貨運(yùn)量.上述變量下標(biāo)中o代表港口，s代表貨運(yùn)場站［9］.

以車輛行程時間T1和裝卸作業(yè)時間T2之和最短為目標(biāo)，那么港-公調(diào)度優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)如下:

式中，變量xij中i≠j.為了滿足港口和所有目的地的貨物需求量，變量應(yīng)滿足如下約束條件:

其中，式(1)表示貨運(yùn)車輛從港口運(yùn)到場站的往返運(yùn)輸量與單獨運(yùn)輸量之和不小于港口船舶的卸貨量，保證了船舶卸船作業(yè)的完成;式(2)表示貨運(yùn)車輛從場站運(yùn)到港口的往返運(yùn)輸量與單獨運(yùn)輸量之和不小于港口船舶的裝貨量，保證了船舶裝船作業(yè)的完成;式(3)表示貨運(yùn)車輛從場站到各目的地的往返運(yùn)輸量與單獨運(yùn)輸量之和不小于場站配送至各目的地的總配送量，保證了場站配送作業(yè)的完成;式(4)表示貨運(yùn)車輛從各目的地到場站的往返運(yùn)輸量與單獨運(yùn)輸量之和不小于場站來自各目的地的總接收量，保證了場站接收所有目的地貨物作業(yè)的完成;式(5)表示貨運(yùn)車輛從場站到目的地i的運(yùn)輸量不小于目的地i的需求量，保證了對目的地i的配送作業(yè)的完成;式(6)表示貨運(yùn)車輛從目的地i到場站的運(yùn)輸量不小于目的地i提供給場站的貨運(yùn)量，保證了接受目的地i貨物作業(yè)的完成;式(7)保證目的地i的裝卸次數(shù)平衡，即貨運(yùn)車輛從場站到目的地i的次數(shù)與從目的地i到其他目的地的次數(shù)相同;式(8)保證目的地j的裝卸次數(shù)平衡，即貨運(yùn)車輛從其他目的來地到目的地j的次數(shù)與從目的地j返回場站的次數(shù)相同;式(9)保證貨運(yùn)車輛從場站到目的地i再到目的地j，最后會再回到場站;式(10)中N表示非負(fù)整數(shù)集，保證模型中定義的所有運(yùn)輸次數(shù)為非負(fù)整數(shù).

本文建立的港-公調(diào)度優(yōu)化模型為整數(shù)規(guī)劃模型.由約束條件看，雖然求解的最終調(diào)運(yùn)方案的某地運(yùn)輸量有可能會大于其需求量，但有目標(biāo)函數(shù)實現(xiàn)最小值的制約，方案各變量數(shù)值絕不會比最優(yōu)解大;同時，對于那些運(yùn)輸量大于需求量的調(diào)運(yùn)方案，可調(diào)整最后一次運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸量，使其總運(yùn)輸量與需求量相等，調(diào)運(yùn)方案的各變量數(shù)值也不會改變，因此該模型求出的解即可作為最優(yōu)調(diào)運(yùn)方案.由于模型的變量個數(shù)和約束條件較多，而且計算復(fù)雜，下面的數(shù)值模擬將運(yùn)用Lingo軟件進(jìn)行求解.

3 港-公調(diào)度優(yōu)化模型數(shù)值模擬

數(shù)值模擬中以某一港口為例，該港口擁有一換裝、周轉(zhuǎn)的公路貨運(yùn)場站.設(shè)港口船舶的卸貨量M為5 000 t;裝貨量m為7 000 t;場站配送至各目的地的總配送量Q為4 500 t;場站的總接收量q為6 000 t;港口貨物要求運(yùn)往8個目的地，即n=8;在港口每輛車的裝車作業(yè)時間t(1)和卸車作業(yè)時間t(2)分別為3.5 min和3 min;同時，在場站每輛車的裝車作業(yè)時間t(3)和卸車作業(yè)時間t(4)分別為3 min和2.5 min;在目的地每輛車的裝車作業(yè)時間t(5)和卸車作業(yè)時間t(6)分別為4 min和3.5 min.

貨運(yùn)車輛在公路上的運(yùn)輸時間即為車輛行程時間［10］.由于公路運(yùn)輸車流不穩(wěn)定，路段的飽和量也各不相同，四通八達(dá)、錯綜復(fù)雜的公路網(wǎng)使車輛的運(yùn)行有多種選擇，不同的線路、不同的車流量會導(dǎo)致行程時間的不同，因此，為了使模型取得真正意義上的最優(yōu)解，對模型中的車輛行程時間tos，tso，tsi，tis以及 tij的預(yù)測成為必要［11］.本文通過港口提供的歷史數(shù)據(jù)利用車輛行程時間預(yù)測軟件對以上提到的5種車輛行程時間進(jìn)行了預(yù)測，取某一時刻的預(yù)測結(jié)果如下:貨運(yùn)車輛從港口到場站、從場站回到港口的車輛行程時間tos和tso分別為10 min和12 min;貨運(yùn)車輛從場站到目的地及返回場站的車輛行程時間如表1所示，目的地之間的行程時間如表2所示.

表1 場站到目的地i的往返車輛行程時間 min

表2 目的地之間的車輛行程時間tij min

目的地i的需求量Di和提供給場站的貨運(yùn)量di如表3所示.

表3 目的地i的Di和di t

貨運(yùn)車輛一次從港口運(yùn)到場站的貨運(yùn)量yos為10 t;一次從場站運(yùn)到港口的貨運(yùn)量yso為8 t;一次從場站運(yùn)到目的地i的貨運(yùn)量ysi和一次從目的地i運(yùn)到場站的貨運(yùn)量yis如表4所示.

表4 貨運(yùn)量ysi和yis t

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，運(yùn)用Lingo軟件對港-公調(diào)度優(yōu)化模型進(jìn)行求解.解得的目標(biāo)函數(shù)值為53 400.50 min.各變量值如表5所示，由于變量較多，在此僅列出求解結(jié)果中得數(shù)不為零的變量.

表5 求解結(jié)果 次

根據(jù)表5的求解結(jié)果，得到的貨運(yùn)車輛最優(yōu)調(diào)度方案如表6所示.

表6 貨運(yùn)車輛最優(yōu)調(diào)度方案

表6說明，本文提出的模型可以為貨運(yùn)車輛在港口、貨物場站和目的地之間提供最優(yōu)運(yùn)輸路線，節(jié)省了裝卸和運(yùn)輸時間，提高了港-公系統(tǒng)的作業(yè)效率.

4 結(jié)語

本文以貨物裝卸運(yùn)輸時間最短為目標(biāo)，建立了基于實時車貨信息的港-公調(diào)度優(yōu)化模型.該模型將能夠連接港口系統(tǒng)與公路運(yùn)輸系統(tǒng)的公路貨運(yùn)場站作為節(jié)點，利用綜合公用管理信息平臺提供的實時車貨信息，將港口貨物與貨運(yùn)車輛進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)、調(diào)配，對港-公調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化.

港-公調(diào)度優(yōu)化模型不僅適用于一次港-公調(diào)度作業(yè)，亦可應(yīng)用于全年港-公調(diào)度優(yōu)化作業(yè).可以通過對全年港口貨運(yùn)量(既包括船舶卸貨量又包括船舶裝貨量)的預(yù)測、裝卸車作業(yè)時間和車輛行程時間的預(yù)測以及一次車載貨運(yùn)量的分析等工作確定模型中的參數(shù)值，然后運(yùn)用該模型求解，得到港-公系統(tǒng)在未來一年內(nèi)的調(diào)度方案.這將對港口和公路貨運(yùn)站的年度計劃、設(shè)備更新計劃、資金周轉(zhuǎn)計劃等多方面起到?jīng)Q策支持作用.

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