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网络型甩挂运输模式下的车辆调度问题研究

2024-05-10 来源:小侦探旅游网
技术与方法 doi:l0.3969/j.issn.1005-152X.2014.01.079 物流技术2014年第33卷第1期(总第304期) 网络型甩挂运输模式下的车辆调度问题研究 辛曼玉 十叉 (东莞职业技术学院[摘物流工程系,广东东莞523003) 要】甩挂运输作为一种高效的运输模式,是我国道路运输发展的必然趋势。研究甩挂运输的车辆调度问题对于提高运输 效率、节约运输成本具有重要意义。根据甩挂运输的组织模式,对网络型甩挂运输模式进行车辆调度的研究,建立了数学模型、设 计了相应算法,并通过具体算例进行分析。 【关键词】甩挂运输;运输组织模式;车辆调度问题 【中图分类号1u492 3 12 【文献标识码】A 【文章编号]1o05—152X(2014)01—0254—05 Study OR VRP under Network-structured D&P Transportation Mode Xin Manyu (Department ofLogistics Engineering,Dongguan Vocational&Technical Cdle ̄,Donggnan 523003,China) Abstract:Inthispaper,wefirststudiedthesin ̄eagnceofthedrop-and-pulltransportation,thenintheviewoftheorganizationalmodeof the transportation means,studied the vehicle routing problem of the network-structured D&P transportation mode,built the corresponding mathematical model,designed the lgoraithm for its solution,and analyzed its application in connection with all empiicalr example. Keywor ̄:drop&pull transportation;transportation organizational mode;vehicle routing problem 牵引车拖挂挂车从A点出发驶向B点,到达B点后,卸下挂 1 引言 甩挂运输是指牵引车按照预定的运行计划,拖带挂车至 目的地,在目的地点甩下所拖的挂车,换上其他挂车继续往另 一车,挂上预留在B点挂车,驶向A点。到达A点后卸下挂车, 装上A点挂车,进行下一循环。其作业流程如图1所示。 圈[ 囝 个目的地的运输组织方式Ⅲ。在甩挂运输实际运作中,牵引 车与半挂车或挂车之间能够自由分离、耦合,通过两者之间的 合理调度、接合,可以大幅度减少牵引车到达目的地后装卸货 的等待时间,牵引车利用货物装卸时间去完成下一个运输任 务,从而提高牵引车的运输效率。也正是因为如此,甩挂运输 成为我国道路运输的必然趋势121。 图1 “一线两点,两端甩挂”作业流程 2.2一线多点甩挂运输 2甩挂运输的组织模式 道路甩挂运输的组织模式主要有以下四种:一线两点、一 线多点、一点多线和网络型甩挂模式。 由一线两点的甩挂模式演化而来,装卸作业点在两个以 上,所有装卸作业点由运输车辆串联。每个装卸点存在数量不 等的半挂车,由单一的牵引车顺次在不同甩挂作业区进行甩 挂作业。其作业流程如图2所示。 2.1 一线两点甩挂运输 这是在短途运输线路上采用的形式。牵引车往复于两装 卸作业点之间,在线路两端根据具体条件进行甩挂作业,根据 2.3一点多线甩挂运输 也是由一线两点的模式演化而来,所不同的是一般其运 输是单向的,即在一个完整的运输过程中(去程+回程),货物 从集货点向货运站方向运输,或与之相反。因此在该模式下, 牵引车在去程是空时,回程是满载,或与之相反。 货流情况或装卸能力,可采用“一线两点,一端甩挂”(即装甩卸 不甩)和“一线两点,两端甩挂”。以“一线两点,两端甩挂”为例: 设有A、B两个装卸作业点,A、B两点各预留一定数量的挂车。 2.4网络型甩挂运输 【收稿日期12013—07—16 【作者简介】辛曼玉(1980一),女,甘肃临洮人,讲师,研究方向:物流运输系统规划等。 _25 辛曼玉:网络型甩挂运输模式下的车辆调度问题研究 技术与方法 甩挂运输的最大特点在于牵引车和挂车相互分离,其车 固 圄 辆调度问题也与传统车辆调度问题有所区别,这对车辆调度 工作提出了新的要求。本文研究满载运输情况下的“一车一 挂”甩挂运输车辆调度问题,文中将甩挂运输网络中的各个运 输节点(如港口码头、物流园区、客户仓库等)视为牵引车的 “服务点”,并假设这些服务点均有足够的空间存放挂车。 图2一线多点作业流程 下面通过一个实际操作中的简单示例来说明这种甩挂运 网络型甩挂模式是甩挂运输发展到一定阶段的产物,适 合多个装卸作业点的长途运输。网络型甩挂运输的路线不一 定是线性的,而是将整个运输线路有机的结合起来,网络中的 输的操作方法和调度过程。 (1)问题描述。假设在2个车场和5服务点之间实行甩挂 运输,2个车场编号分别是车场A和车场B,5服务点编号分 各个装卸作业点可能对任何其他作业点产生货运需求,如图3 别是服务点a,b、C,d、e,服务点a需要运1单位挂车货至服务 所示。 图3网络型甩挂运输示意图 3车辆调度问题 车辆调度问题(vehicle scheduling problem,简称vsP)是运 输管理研究中核心的问题之一。VSP一般描述为:对一系列客 户(取、送货点),组织适当的行车路线使车辆有序地通过它们, 在满足一定的约束条件f如货物需求量、发送量、交发货时间、 车辆容量限制、行驶里程限制、时间限制等)下,达到一定的目 标(如路程最短、费用极小、时间尽量少、使用车辆数尽量少等)【3Jc 3.1 车辆调度问题的分类 车辆调度问题根据不同的标准可分为不同的类 ̄llt4J。根据 车场(或货场、配送中心等)的数目分,有单车场问题和多车场 问题;根据运输车辆的种类多少,可分为单车型问题(所有车辆 容量相同)和多车型问题(车辆的容量不全相同);根据车辆是否 有容量约束,可分为有容量约束的车辆调度问题和无容量约 束的车辆调度问题;根据载货现状可以分为满载车辆路径问 题、非满载车辆路径问题;根据货运任务的完成是否有时间要 求,又可分为有时间窗约束和无时间窗约束的车辆调度问题; 根据路径规划信息是否一成不变,可分为静态车辆调度问题 和动态车辆调度问题;根据货运任务的性质,有纯装问题或纯 卸问题及装卸混合问题。 网络型甩挂运输网络中存在多个车场,牵引车拖挂挂车 在各节点间进行作业,因此网络型甩挂运输模式下的车辆调 度问题属于满载多车场车辆调度问题。 3.2甩挂运输调度问题 点b,服务点b有1单位挂车货将根据货物类型运至服务点C 或服务点d,服务点e要运2单位挂车货至服务点d,各服务 点的运输需求和位置关系如图4所示。车场的空挂车数量不 限,车场之间牵引车和挂车可以相互调用,牵引车实行”一车 一挂“的甩挂运输,运输需求完成后,各服务点的挂车数目保 持不变,牵引车返回车场。需要调度人员根据各服务点的货运 需求和所拥有的车辆资源对这一系列任务进行调度。 (2)调度过程。第一阶段:先从距离服务点a最近的车场A 派出牵引车1拖挂空挂车至服务点a,卸下空挂车,挂上服务 点a事先装载好的送往服务点b的重挂车。同时从距离服务 点e最近的车辆B派出牵引车2拖挂空挂车至服务点e,卸下 空挂车后,挂上事先装载好的送往服务点d的重挂车。 牵弓J车1:A 皇垫 a 牵引车2:B—皇 e 第二阶段:牵引车1从服务点a将重挂车运至服务点b, 卸下重挂、装上在服务点b的空挂车。牵引车2从服务点e将 重挂运至服务点d,卸下重挂、装上在服务点d的空挂车。 牵引车1:a— b 牵引车2:e—里苎_÷d 第三阶段:牵引车2从服务点d将空挂车运至服务点e, 卸下空挂车,装上事先装载好的送往服务点d的重挂车。 ①根据需要,服务点b的重挂要运往服务点c:牵引车1 从服务点b将重挂运至服务点c,卸下重挂车,装上在服务点 c的空挂车。 ②根据需要,服务点b的重挂要运往服务点d:牵引车1 从服务点b将重挂运至服务点d,卸下重挂车,装上在服务点 d的空挂车。 牵引车1:b—重 c/d 牵引车2:d— e 第四阶段:牵引车2从服务点e将重挂运至服务点d,卸 下重挂车,装上在服务点d的空挂车。 ①服务点b的重挂运往服务点c:牵引车1从服务点C将 空挂带回车场A。 ②服务点b的重挂运往服务点d:牵引车1从服务点d将 空挂带回车场B。 牵引车1:c—皇 or d—皇 B 牵引车2:e—重 d 第五阶段:牵引车2从服务点d将空挂车带回车场B。 牵弓l车2:d窒堡 B -25争 技术与方法 牵引车的总路线流程为: 牵弓I车1:A— _ a一 .重鱼. b— 堂_÷c— 生 0r 室些》a一重挂_ b一坠 d 台 量 B 牵引车2:B—皇 e—重 d—皇 —重 d—皇 B 该问题的车辆调度如图4所示。 , / /。 / / 一, / / ~譬. 一 图4甩挂运输车辆调度示意图 4网络型甩挂运输车辆调度问题的数学建模 4.1问题描述 甩挂运输车辆的调度问题可以描述为:某个运输系统里 分布有多个车场和多个服务点,牵引车只能停放在车场,每个 车场可提供的牵引车和空挂车数量不限,车场之间的牵引车 和挂车资源共享,但牵引车运输不可以从车场到车场。服务点 有足够数量的空挂车,服务点之间的挂车可以通用,但服务点 自身拥有的挂车数保持不变。为满足服务点之间的货运需求, 在甩挂运输的模式下,牵引车从车场出发向多个服务点执行 配送任务,在有限时间内完成货运需求后返回车场,如何安排 牵引车合理的配送路线。 (1)已知条件。①车场与服务点之间的往返路线不一定对 称,运输网络中各车场及各服务点间的距离固定。②服务点到 服务点间的货运需求随机生成。③用单位挂车作为两点间货 运需求量的单位。④多个车场服务多个服务点,且车场能提供 牵引车和挂车的数量不限。⑤牵引车实行“一车~挂”满载运 输,每次只能拖挂一个挂车。⑥牵引车行驶路线的起点和终点 均为车场,但牵引车不可从车场直接行驶到车场。⑦客户自身 拥有足够数量的空挂车,所有待运货物都在牵引车到来之前 装上挂车,客户间的挂车可以通用,但客户拥有的挂车数量保 持不变。⑧服务点的货运需求没有时间要求,但要求在固定的 时间内完成全部服务点的货运需求。⑨牵引车卸挂和装挂的 作业时间较短,忽略不计。⑩牵引车以固定的平均行驶速度进 行运输作业。 (2)优化目标。单目标:牵引车总运输距离最小,总运输成 本最低。 4.2模型构建 4.2.1建模说明。为了满足服务点i到服务点 间的货运需 求,首先牵引车从距离服务点i最近的车场或服务点出发,将 空挂车送至服务点i,换上重挂后将重挂运至服务点j。到达服 _25 物流技术2014年第33卷第1期(总第304期) 务点i之后,卸下重挂,换上服务点j的空挂车,如无服务,则 牵引车挂上空挂返回最近车场;或有服务,则挂上空挂驶向另 一个服务点。整个运作过程中,牵引车运输作业不产生等待时 间。 由以上描述可知,对于甩挂运输网络中的每一个节点,为 完成货运需求都需要牵引车到达和离开该节点。 牵引车的行驶状态分为两种类型: ①h=1:牵引车拖挂空挂车行驶; ②h=2:牵引车拖挂重挂车行驶。 对于每个服务点而言,可能是牵引车拖挂空挂或重挂到 达,也可能是牵引车拖挂重挂和空挂离开。对于车场,牵引车 到达和离开都只能是拖挂空挂状态。牵引车拖挂空挂和重挂 的单位成本不同。 4.2.2数学模型 (1)变量设置 D:所有车场的集合,D=f1,2,3,....,d); C:所有服务点集合,c=f1,2,3,. .c}; v:所有牵引车的集合,V:f1,2…3…,v}; H:牵引车的行驶状态的集合,H:f1,2}; d:第d个车场; v:第v辆牵引车; x :从d车场出发的第v辆牵引车到达i点,行驶状态为 h,取值为次数; :从d车场出发的第v辆牵引车离开i点,行驶状态为 h,取值为次数; w 从d车场出发的第v辆牵引车从i点驶往j点,行驶 状态为h,取值为次数; l 点i到点i的距离; Q 点i到点j的货运量,单位为挂车; c :牵引车行驶状态为h时的单位成本; T:完成所有货运需求的最大工作时; S:牵引车平均行驶速度。 (2)建立模型 minZ:∑∑∑∑∑W tJ hl C㈨ (1) l∈DuC J∈Dl d∈D VE h∈ ∑∑ 。= ,Vi, eC (2) DwV ∑∑∑ =∑∑∑磁,vieC (3) dED ve:V艇H deDwVttEIt ∑∑ dED =∑ keC[1 j ,Vi∈C (4) ∑∑搿=∑ ,deD wzV jeCf Vi∈C (5) F2=0 vf∈D.d∈D.v∈V (6) =0,V ∈D,d∈D,v∈ (7) ∑∑ =∑∑础=0,Vf,d∈D,V∈V,h H (8) i∈DImM i∈nhod l∑∑∑ 、』 /S ,,V ∈D,V∈ (9) l∈DUc ̄eDUChE日 / 式(1)表示模型的目标函数是实现总运输成本最小;式 (2)表示牵引车拖挂重挂从服务点i到服务点i行驶的次数等 辛曼玉:网络型甩挂运输模式下的车辆调度问题研究 于服务点i到服务点i的货运需求;式(3)表示每个服务点挂 车数不变;式(4)表示牵引车拖挂重挂到达服务点i的总和等 于其他各服务点到服务点i货运量的总和;式(5)表示牵引车 拖挂重挂离开服务点i的总和等于服务点i到其他各服务点 货运量的总和;式(6)表示牵引车只能拖挂空挂从车场出发; 式(7)表示牵引车只能拖挂空挂返回车场;式(8)表示牵引车 不能直接从车场到车场;式(9)表示所有货运需求必须要在牵 引车有限工作时间内完成。 5算法设计 5.1 算法思想 根据各服务点的货运需求,将服务点之间连成有向图,并 根据货运量大小赋予权值。一辆牵引车完成一个有向图;若完 成该有向图的时间超过设定的最大牵引车工作时间,则该有 向图分解成若干个有向图,由不同的牵引车完成。当牵引车到 达有向图中最后一个服务点时,根据距离大小,判断是返回最 近的车场还是继续完成下一个有向图的任务。对于存在两个 方向的边,取权值较大的方向。若一条边同时存在于不同的有 向图中,选择节点较少的有向图,若节点数目相同,则随机选 择一个有向图,其他的有向图中不再包含这条边。直到所有服 务点的任务都完成。 5.2算法步骤 步骤1:初始化集合; 步骤2:更新各服务点参数(货运量、挂车数量); 步骤3:将各服务点根据货运需求连成有向图,权值为货 运量(货运量以挂车为单位); 步骤4:判断有向图中各服务点的货运需求所需时间是否 会超过牵引车的最大设定工作时限,1 计算(2n一1)次,其中13为 有向边 的权值。若未超过设定时限,执行步骤5;否则,执行 步骤7; 步骤5:选定离有向图起点最近的车场; 步骤6:判断离有向图止点最近车场的距离1.和离该止点 最近的另一个有向图起点的距离l:的大小关系,若l ≤l ,选定 车场,执行步骤10;否则,执行步骤9; 步骤7:将该有向图进行分段,最大的不超过设定时间的 部分,执步骤行8;剩余部分,执行步骤4; 步骤8:寻找离有向图起点最近的车场和离有向图止点最 近的车场,执行1O; 步骤9:将有向图止点与寻找到的有向图起点连接,执行 4; 步骤10:将选定的起止车场和有向图连接,形成线路; 步骤1 1:判断是否还有服务点未与车场形成线路,若是, 执行步骤2;否则,任务结束。 具体算法流程如图5所示。 5.3算例分析 假设在一个有l3个节点的网络中,有3个车场,在运输 系统的编号分别为车场A、车场B、车场C;10个服务点在运 输系统的编号分别为服务点1、服务点2、服务点3、服务点4、 技术与方法 图5甩挂运输的算法流程 服务点5、服务点6、服务点7、服务点8、服务点9、服务点10。 各节点之间相互距离以及货运需求见表1、表2。在这l0个客 户点之间随机生成货运需求,并假设牵引车每天最大工作时 限为2gh,牵引车行驶平均速度为60km/h。牵引车从车场出发 满足客户点问货运需求后,返回最近车场,目标是使得牵引车 的总行程最小。 表1运输网络中各节点间的距离 位:km) A B C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A 0 l80 300 45 40 140 90 55 180 95 220 240 250 } L B l80 0 150 220 190 50 c 55 170 35 80 90 200 190 C 300 150 O 250 270 210 170 36 85 55 70 65 45 1 45 220 250 0 80 230 100 85 180 l30 210 200 240 2 40 190 270 80 0 165 75 180 150 180 200 230 220 3 140 50 210 165 165 0 60 150 75 130 160 280 235 4 90 55 17O 75 75 60 0 75 1o0 1 35 l50 210 220 5 55 17O 135 85 85 170 1 75 0 120 85 145 155 270 6 l80 35 85 l50 l50 7'5 100 120 0 65 75 ll5 102 7 95 80 55 180 180 130 135 85 65 0 90 80 85  __ _ 8 220 90 70 210 200 l60 150 145 75 90 0 120 80 9 240 200 65 2O0 23O 280 210 155 115 80 120 0 90  11 1 10 2 50 190 45 240 220 135 220 240 105 85 80 90 0 (1)根据货物需求,形成初步有向图,并对每边赋予权值, 标注节点间距离: 有向图1:l÷2—扣4寺3 有向图2:8— 3÷4 有向图3:5÷7÷9 有向图4:6寺7÷9 有向图5:10÷9 (2)根据有向图生成原则,有向图调整为: -257- 技术与方法 表2客户点之间的货运需求(单位:挂车) 1 1 2 3 4 5 6 O 0 O 0 0 O 2 O O O 0 0 3 0 O O 2 0 0 4 O l 1 O O 0 5 0 O O 0 O O 6 O 0 O O O O 7 0 O O O 3 2 8 O O O O O O 9 O O O O O 0 1O 0 O O 0 O O 物流技术2014年第33卷第1期(总第304期) 表3传统运输模式和甩挂运输模式的实验结果分析 行程 (重挂) 行程 (空挂) 总行程 行驶 等待 总时间 时间h 时间h h 元 传统运输 1 370 用挂运输 1 370 节约 百分比 1 555 1 04O 515 33% 2 925 48.8 42.5 2 410 40.2 5 l8}6 91.3 1 229.25 40.2 51.1 56% O 42.5 100j6 1 049 l80.25 15{6 O 096 8,6 18 7 8 O 0 O O 0 1 O 0 0 O O 0 0 O 0 0 4 O 0 0 9 10 O 0 0 O 0 0 0 O 0 0 O 0 0 O O O 0 1 O 0 由表3可知,甩挂运输能有效的减少汽车空载行程,提高 运输效率;由于甩挂运输不产生等待时间,能够有效的减少_T 作时间,且运距越短,节约时间的效果越明显。 有向图1:1寺有向图2:8— 2寺3 4寺3 6结束语 甩挂运输作为一种高效的运输方式已经在国内外多地得 到广泛的应用,研究其车辆调度问题有助于其更好的发挥降 有向图3:5÷有向图4:6寺有向图5:lo÷路线: 7 7÷9 9 (3)根据各有向图起止点选定起止车场,连成牵引车行驶 低物流成本,促进节能减排、提高经济效益的优势。有关甩挂 运输车辆调度的研究还不多,本文只是进行了初步的探索和 研究,如一车多挂和动态情况下的甩挂运输等车辆调度还值 得进一步研究。 【参考文献】 路线1: 路线2:c 路线3: 路线4:B 路线5:c 5.4实验结果 1寺2寺8÷ 5÷7 6寺7÷1o÷ 4寺 B c 9 c c 【1]吴宇,曾传华,杨伟.道路运输组织甩挂运输策略研究【J].物流工程与 管理,2010,(8):83—85. [2]温旖旎.道路运输发展的必然趋势 现代经济信息(产业经济),2012, (3):273. 假设各服务点间是高速公路对接的,设牵引车行驶平均 速度为60km/h;一般情况下,可设装货时间为1.5h/挂,卸货时 间为lh/挂;设牵引车重载行驶的成本为O.5元/km,空载行驶 的成本为0.35元/km;在牵引车每天最大工作时限为24h的 [3]肖建军.车辆路径优化文献综述fJ1.广东技术师范学院学报(自然科 学),2010,(2):31—36. [41陈君兰,叶春明.物流配送车辆调度问题算法综述[J】.物流科技,2012, (3):8-12. [5]王莹.拖挂分离模式集装箱运输车辆调度研究[D].武汉:武汉理工大 学,2010. 情况下,传统运输模式和甩挂运输模式有不同的运输结果见 表3。 [6]熊浩.多车场物流配送车辆调度研究(D].武汉:华中科技大学,2006. (上接第253页)显著的波动特征,并且不具备指数型变化特 征,极大地降低了该模型的预测精度。 本文模型、GS—SVR模型和PSO—SVR模型具备较高的预 测精度,主要是因为背景值优化GM(1,1)模型和LMBP模型分 流操作成本为数据,将所提出的数学模型与网格搜索SVR模 型、PSO—SVR模型、Levenberg—Marquardt BP神经网络模型及 背景值优化GM(1,1)模型进行对比实验。结果表明所提出的优 化数学模型能够解决上述问题且具有较高的预测精度。 [参考文献】 析的目标是确保经验风险最低化,但是支持向量机模型的分 析目标是确保结构风险的最小化,最终确保该模型对小样本 数据具有较强的泛化性能。 2009,28(3):127—129. [1]杨惠贤,周淼.油气生产中作业基础预算管理的应用叨.天然气工业, [2l ̄g洪,王州.油气生产成本影响因素实证研究[J】.财会通讯,2010,(3): l23-124. 5结论 本文提出一种物流配送成本优化估计的数学模型。为了 有效地利用物流成本估计中线性和非线性数学模型的优点, 把线性预测性能优异的ARIMA数学模型和RBF神经网络相 【3]ZHAO Yue,ZHAO Song-zheng.Optimization background value GM(1,1) model for predicting oil-gas production cost[A].Intemalional Conference OO Fuzzy Systems and Knowledge Discovery[C].2012.1 528-1 531. [4]王妍娉.大港油田公司油气操作成本预测研究[D].青岛:中国石油大 学.2007. 结合,使模型非线性数学变化上行成估计优化,可以捕捉物流 成本价格的线性和非线性规律,有效地减少传统预测数学模 型中一些非线性因素的影响。以某物流公司1993~2012年物 _25 【5惆超,王秀芝.组合预测在油气操作成本预测中的应用研究【J】.天然 气勘探与开发,2009,32(4):78—80. 

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