基于模糊層次分析法煤炭運輸路徑優(yōu)化研究*

王芙蓉黃凱王凱

（1西南交通大學交通運輸與物流學院碩士研究生，四川成都610031；2西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031；3西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

基于模糊層次分析法煤炭運輸路徑優(yōu)化研究*

王芙蓉1黃凱2王凱3

（1西南交通大學交通運輸與物流學院碩士研究生，四川成都610031；2西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031；3西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610031）

隨著高鐵建成對鐵路運輸能力的釋放和鐵水聯(lián)運的大力發(fā)展，煤炭運輸考慮的因素發(fā)生改變，以往條件下的煤炭運輸路徑選擇方法無法滿足現(xiàn)在及未來煤炭運輸?shù)囊?。遵循以費用、時間、方便性、貨物損失程度為主要目標的運輸路徑優(yōu)化的思路，根據(jù)指標定量和定性的特點，應(yīng)用模糊層次分析法建立層次結(jié)構(gòu)模型，用三角模糊數(shù)建立的判斷矩陣進行計算分析，以運輸成本、端點可變成本、運輸時間、船貨在港停留時間、辦理的便捷性、線路通暢程度、貨物損失程度七個因素為評價指標，形成煤炭運輸路徑優(yōu)化評價指標體系，并進行實例驗證。

模糊層次分析法；煤炭運輸；路徑優(yōu)化；鐵水聯(lián)運

0 引言

我國煤炭資源的生產(chǎn)地區(qū)與消費地區(qū)在空間上存在嚴重的錯位，由于我國地理條件、內(nèi)陸地區(qū)運輸能力及經(jīng)濟性等限制，形成了鐵水聯(lián)運和直達運輸并存的煤炭省際調(diào)運方式，在這樣的大環(huán)境下，運輸成為平衡不同地區(qū)煤炭供需的非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。鐵路作為煤炭運輸?shù)闹饕绞剑凇拔髅簴|運、北煤南運”的格局中發(fā)揮著重要作用。在高速鐵路快速發(fā)展的背景下，為快速響應(yīng)高速鐵路對貨運能力的影響，煤炭運輸路徑優(yōu)化十分具有實際價值。

Li Bo，Yan Huilan[1]分析了中國煤炭資源供應(yīng)地區(qū)分布特點與運輸格局，探討了海鐵聯(lián)運未來的發(fā)展趨勢，為煤炭運輸通道的多元建設(shè)提供了參考。王文凱[2]指出我國鐵水聯(lián)運水平低，一直制約著港口集疏運體系發(fā)展，闡述了造成我國鐵水聯(lián)運落后的原因，包括基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不足等，同時提出了采取提高港口的集疏運能力、延伸港口的腹地、提高港口的競爭力等多種措施來提升我國鐵水聯(lián)運水平。呂躍進[3]指出了在其他文獻中存在的兩個錯誤論點，探討了模糊層析分析法的原理，分析了模糊一致矩陣的充要條件，同時對存在的定理進行了證明，提出了在構(gòu)建模糊互補判斷矩陣中的一個新的權(quán)重排序計算公式，對權(quán)重性質(zhì)進行了討論。

本文從多方面對煤炭運輸路徑優(yōu)化進行分析，綜合現(xiàn)在及未來鐵路運輸能力不受限制的特點，對長距離煤炭運輸方式選擇進行優(yōu)化設(shè)計。在更大程度上優(yōu)化煤炭長距離調(diào)運線路，優(yōu)化煤炭運輸通道，降低其運輸成本，提高運輸效率，對煤炭選擇鐵路直達運輸還是鐵水聯(lián)合運輸具有一定的指導意義。

1 基于模糊層次分析法煤炭運輸路徑優(yōu)化模型

1.1 系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)提出的問題總目標，按照目標層、準則層、指標層的邏輯層次結(jié)構(gòu)，建立系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)煤炭運輸特點及高鐵建成后對煤炭運輸產(chǎn)生的影響因素，構(gòu)建系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)模型

1.2 模糊層次分析法計算權(quán)重步驟

Step 1專家咨詢，列出互補判斷矩陣。

由專家對評價指標及準則層對象兩兩作比較，根據(jù)表1中所列標度以三角模糊數(shù)形式進行打分，然后構(gòu)造模糊判斷矩陣。三角模糊數(shù)模糊判斷矩陣作為AHP判斷矩陣的延伸，以三角模糊數(shù)作為矩陣元素，記為P=(pij)n×n，其中pij是元素Ci與Cj相對重要度比值。矩陣滿足pij＞0，pij=（lij，mij，uij）。當有q位專家綜合判斷時，pij是計算得到的綜合三角模糊數(shù)，是q位專家共同判斷的綜合。

根據(jù)AHP方法基本理論[4]，采用簡單加權(quán)運算對所選聘的專家偏好信息進行集結(jié)（綜合），其計算公式為：

用于模糊判斷矩陣的三角模糊數(shù)的標度見表1[5]。

表1 0.1～0.9標度法及其意義

Step 2對于各模糊判斷矩陣，求解出其中各因素的綜合重要程度值ti，即

然后，將ti規(guī)范化為Di，其計算公式為：

Step 3可能度排序。對各模糊判斷矩陣，計算第i個因素重要于其他各因素的可能度。

Step 4依據(jù)得到的d（Ai）（i=1，2，...，n），則各元素的排序向量可被視為w=[d（A1），d（A2），...d（An）]T。

Step 5求得歸一化的權(quán)向量W=（w1,w2,…,wn），其中

根據(jù)模糊層次分析法計算步驟和相應(yīng)公式進行層次單排序，計算優(yōu)屬度值，求出平均優(yōu)屬度值，結(jié)合權(quán)重對最終評價計算，最后進行層次總排序。

1.3 算法步驟

1.3.1 構(gòu)建優(yōu)先關(guān)系矩陣

每一層次中各因素對上一層中某因素的相對重要性可以用矩陣形式表達，矩陣因素的確定方法如下[6]：

可以用0，0.5和1標度來確定因素值，這種方法簡便易行。在m個因素下、n個評價方案所形成的優(yōu)選問題，首先對m個單因素建立模糊優(yōu)先關(guān)系矩陣為在因素k下Ai對Aj的優(yōu)先關(guān)系系數(shù)），其值為：

1.3.2 建立一級模糊矩陣

對同一層的每個因素進行評價稱為一級模糊綜合評判，設(shè)對i類中的第j個因素進行Uij評判，評判對象的隸屬度為rjk(j=1，2，…，n；k=1，2，…，m)，即表示因素Uij具有評語Vk(k=1，2，…，m)的程度。則對單因素的一級模糊綜合評判矩陣為：

1.3.3 層次單排序

依據(jù)判斷矩陣，求解針對上一層次某個因素而言，本層次因素重要性的優(yōu)先權(quán)重的方法稱為層次單排序。單因素和指標權(quán)重的優(yōu)屬度值的計算方法如下。

在方案Ai下計算k因素的優(yōu)屬度值Ski，采用方根法：

1.3.4 層次總排序

層次總排序，是計算同一層所包含因素對最高層次重要性的排序權(quán)值。利用同一層中所有層次單排序所計算的優(yōu)屬度值，結(jié)合所求得的權(quán)重值，就可以計算所有方案在所有因素下重要性的權(quán)重值。參照系統(tǒng)可分性原理，在方案進行優(yōu)選時，將考慮的因素按照其不同性質(zhì)劃分為若干分系統(tǒng)，對分系統(tǒng)采用單層次—多因素的模型來計算各方案的優(yōu)屬度值。

可以由公式：

對Si（i=1，2，...，n）進行排序可得到n個參評方案在m個因素影響下的優(yōu)屬度排名。

2 實例分析

2.1 運輸路徑方案實例

本文主要選擇已探明的位于內(nèi)蒙古呼和浩特市的中國最大煤田——東勝煤田，作為運輸路徑的起點。南京港是亞洲第一大內(nèi)河港口，作為5萬t級海輪內(nèi)陸推進400 km的終點站，當建成時將會由內(nèi)河港“變身”為海港。同時南京港也是是長江水陸聯(lián)運通道與江海中轉(zhuǎn)的樞紐港，依靠的城市江蘇南京是鐵路、公路、管道、航空及水運的會合點，為華東第二大城市，具有很高的經(jīng)濟地位，交通綜合條件發(fā)達，故選擇南京作為線路終點。

根據(jù)內(nèi)蒙古到江蘇省煤炭運輸路徑，一共有三個運輸路徑方案。

方案1：鐵路直達運輸。煤炭從東勝運出，通過包神—京包—京滬鐵路，到達南京。

方案2：鐵水聯(lián)運。煤炭從東勝運出，通過包神—京包—大秦鐵路，經(jīng)秦皇島港下水，到南京港上水。

方案3：鐵水聯(lián)運。煤炭從東勝運出，通過包神—神黃鐵路，經(jīng)黃驊港下水，到南京港上水。

對內(nèi)蒙古東勝煤田到江蘇南京的三條運輸路徑狀況進行描述：兩省之間選用的三條煤炭運輸路徑分別選用費用、時間、方便性和貨物損失程度四個主要煤炭運輸路徑指標來評價。

Step 1根據(jù)式（1），將專家打分的原始值計算得到表2。

表2 主要因素系統(tǒng)

構(gòu)造互補判斷矩陣：

Step 2根據(jù)式（2）和式（3），計算各個準則同所有其他準則作對比得出的綜合重要程度值。

Step 3根據(jù)公式（5），計算出可能度

Step 4由公式（4）計算出主因素系統(tǒng)下每個準則比其他所有準則重要的可能性程度。

主因素系統(tǒng)：

所以，得到排序權(quán)向量：

Wˊ=(1,0.367,0.261,0.756)。經(jīng)過歸一化，得到每個準則相對于總目標的權(quán)向量

W=（0.419,0.154,0.109,0.317）

在上述過程中已經(jīng)得到第2層（準則層）對第1層（目標層）的權(quán)向量，記作W（2）。用同樣的方法構(gòu)造第3層對第2層的每一個準則的互補判斷矩陣，見表3—5，其中C1—C6分別表示運輸成本、端點可變成本、運輸時間、船貨在港平均停留時間、辦理的便捷性、線路通暢程度、貨物損失程度。

表3 費用子系統(tǒng)

表4 時間子系統(tǒng)

表5 方便性子系統(tǒng)

由第3層的判斷矩陣Bk計算出權(quán)向量Wk（3），結(jié)果列入表6。

表6 第三層對第二層權(quán)重確定表

綜上，得出煤炭運輸路徑評價指標權(quán)重確定表，如表7。

表7 煤炭運輸路徑評價指標權(quán)重確定表

2.2 各評價指標優(yōu)屬度計算

對于給出的3個方案，其運輸成本分別為：方案1為307.162元/t、方案2為223.055元/t、方案3為315.007元/t。

端點可變成本分別為：方案1為22.4元/t、方案2為40元/t、方案3為34.5元/t。

運輸時間：方案1經(jīng)鐵路直達運輸，平均約為9天；方案2從東勝經(jīng)鐵路運輸?shù)竭_秦皇島港，經(jīng)水路運輸?shù)竭_南京港，平均約為9.64天；方案3從東勝經(jīng)鐵路運輸?shù)竭_黃驊港，經(jīng)水路運輸?shù)竭_南京港，平均約為11.84天。

船貨在港平均停留時間：指內(nèi)貿(mào)船舶停泊的起止時間，即以船舶進港到達港方指定的泊位處停泊穩(wěn)妥時起，直到裝卸貨物結(jié)束，辦好交接手續(xù)，駛離碼頭或錨地、浮筒時止[7]。從東勝到南京，只有鐵水聯(lián)運方案有船貨在港平均停留時間，所以方案1為0天，方案2船貨在港平均時間約為36 h，方案3平均約為53 h。

辦理的便捷性：鐵路直達運輸，可通過12306平臺直接辦理或者到鐵路貨運站辦理貨運手續(xù)；水陸聯(lián)運鐵路轉(zhuǎn)水路內(nèi)貿(mào)貨物運輸，托運人需在鐵路指定貨物運單托運人記錄事項欄填記“鐵轉(zhuǎn)水終到xx港。換裝港代理xx”，在收貨人欄填記目的港以及收貨人，鐵路貨車可以直接進入港口。受委托辦理港口作業(yè)流程手續(xù)的代理人(或托運人、收貨人)需要分別與港口鐵路車站、港口公司對港口交接手續(xù)作約定。因此認定方案1優(yōu)于方案2、3，方案2、3等優(yōu)（見表8）。

表8 路徑方案辦理便捷性綜合打分表

線路通暢程度：據(jù)資料查詢，線路通暢程度主要受天氣影響較重。我國沿海散貨運輸受天氣影響非常大，考慮天氣因素影響線路通暢程度，因此鐵路直達運輸優(yōu)于鐵水聯(lián)運，則方案1優(yōu)于方案2和方案3，方案2和方案3的影響程度一樣（見表9）。

表9 路徑方案線路通暢程度綜合打分表

貨物損失程度的計算：煤在儲存、運輸期間，因為風力等原因會隨風流失、飄落。根據(jù)統(tǒng)計得出，目前在鐵路、公路等運輸期間，煤炭損耗約為0.8％～1％（來源：煤炭網(wǎng)）。水路煤炭運輸現(xiàn)一般為散貨運輸。到達港(站)依據(jù)《鐵路和水路貨物聯(lián)運規(guī)則》的規(guī)定同用煤單位進行交接和辦理。煤炭每進行一次中轉(zhuǎn)換裝的損耗標準約為1％；在水路運輸過程中的煤炭自然減少量標準約為1.5％。方案1煤損耗約為0.8％～1％，方案2和方案3等優(yōu)，煤損耗約為3.3％～3.5％，損耗越小越優(yōu)。

根據(jù)以上給出的數(shù)據(jù)，通過MATLAB進行求解，得到各評價指標優(yōu)屬度，如表10所示。

表10 各評價指標優(yōu)屬度

2.3 結(jié)果計算與分析

通過專家評價打分法計算得到的權(quán)重值及隸屬度值，運用公式（12）計算3個方案路徑的最終評價值為：

由模糊層次分析法的運算過程可知，一級模糊矩陣是取數(shù)值小的為優(yōu)而建立的，而評價指標中的費用是越小越好，對辦理的便捷性和線路通暢程度打分選取也是以分值小的為優(yōu)，選取運輸時間少的為優(yōu)，選取貨損少的為優(yōu)。根據(jù)指標優(yōu)劣的選取方法和計算的步驟可以知道，評價的最終結(jié)果中，數(shù)值最小的就是要選取的最優(yōu)方案。

計算得到的最終結(jié)果即為三個運輸方案的最終優(yōu)化評價值，由上文內(nèi)容可知，選取其中數(shù)值最小的一個即為東勝煤田到南京煤炭運輸?shù)淖顑?yōu)路徑。經(jīng)過計算結(jié)果的比較可知，三條路徑中方案1的路徑可以作為煤炭運輸?shù)淖罴崖窂剑桨?路徑次之，方案2路徑最差，即從內(nèi)蒙東勝到江蘇南京的煤炭運輸，在鐵路運能不受限制情況下，鐵路直達運輸是最優(yōu)的選擇。從結(jié)果可以看出，方案在不同因素取值的情況下選擇不盡相同，體現(xiàn)了模糊層次分析法的敏感度，與實際應(yīng)用也是相符的。

3 結(jié)論

本文分析了以高速鐵路建成后對既有線路運輸能力的釋放為背景的煤炭運輸路徑選擇影響的主要因素，并用三角模糊數(shù)模糊層次分析法進行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，針對內(nèi)蒙古到江蘇長距離煤炭運輸?shù)奶攸c，將問題轉(zhuǎn)化為從費用、時間、方便性和貨物損失程度四個目標進行決策，結(jié)合指標模糊性的特點，運用模糊理論構(gòu)建了基于模糊層次分析法的煤炭運輸路徑優(yōu)化研究模型，并對內(nèi)蒙古東勝—江蘇南京的煤炭運輸路徑方案求解和分析。

[1]Li Bo,Yan Huilan.Analysis on Present Situation of Ocean-Rail Transportation of Coal in China[J].Port Engineering Technology，2009（1）

[2]王文凱.鐵水聯(lián)運的發(fā)展及其對中國港口的影響[J].江西科技學院學報，2012（12）：63-65

[3]呂躍進.基于模糊一致矩陣的模糊層次分析法的排序[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學，2002，16（2）：79-85

[4]陳欣.模糊層次分析法在方案優(yōu)選方面的應(yīng)用[J].計算機工程與設(shè)計，2004，25（10）：1847-1849

[5]臧濤濤.基于模糊層次分析法（FAHP）的軍事運輸路徑優(yōu)化研究[D].長春：吉林大學，2013

[6]黃健元，胡航宇.改進的模糊一致矩陣決策方法及其應(yīng)用[J].河海大學學報，2006（11）：721-723

[7]吳澎，商劍平.沿海港口航道通過能力仿真模型研究[J].中國海灣建設(shè)，2010（10）：42-45

（責任編輯：魏艷紅）

Research on Coal Transportation Path Optimization based on Fuzzy Analytic Hierarchy Process

WANG Furong1,HUANG Kai2,WANG Kai3
(1 School of Transportation and Logistics,Southwest Jiaotong University,Graduate Student,Chengdu Sichuan 610031,China；2 School of Transportation and Logistics,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China；3 School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)

With the development of high-speed railways,which releases the capacity of railway transportation and promotes railwayshipping combination,factors that should be considered in coal transportation has changed.The method of coal transportation path selection cannot meet the requirements of the currency and the future.The main idea of this paper is using the cost,time,convenience,the extent of loss as the objective,based on quantitative and qualitative characteristics of indicators to establish a hierarchical model with Fuzzy Analytic Hierarchy Process method.Eventually,with the transportation costs,the endpoint variable costs,the time of transportation,the dwell time of cargo,convenience,path patency,the extent of loss as seven factors,a rating index system of coal transportation path optimization is established,and case analysis is given.

Fuzzy Analytic Hierarchy Process；coal transportation；path optimization；railway-shipping combined transportation

A

：1004-9746（2016）04-0043-05

2016-07-01）

*國家自然科學基金項目（61273242）：高速鐵路旅客列車停站方案與運行圖協(xié)同優(yōu)化研究；中國鐵路總公司科技研究計劃項目（2014X004D）