王芙蓉黄凯王凯

（1西南交通大学交通运输与物流学院硕士研究生，四川成都610031；2西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031；3西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031）

基于模糊层次分析法煤炭运输路径优化研究*

王芙蓉1黄凯2王凯3

（1西南交通大学交通运输与物流学院硕士研究生，四川成都610031；2西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031；3西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031）

随着高铁建成对铁路运输能力的释放和铁水联运的大力发展，煤炭运输考虑的因素发生改变，以往条件下的煤炭运输路径选择方法无法满足现在及未来煤炭运输的要求。遵循以费用、时间、方便性、货物损失程度为主要目标的运输路径优化的思路，根据指标定量和定性的特点，应用模糊层次分析法建立层次结构模型，用三角模糊数建立的判断矩阵进行计算分析，以运输成本、端点可变成本、运输时间、船货在港停留时间、办理的便捷性、线路通畅程度、货物损失程度七个因素为评价指标，形成煤炭运输路径优化评价指标体系，并进行实例验证。

模糊层次分析法；煤炭运输；路径优化；铁水联运

0 引言

我国煤炭资源的生产地区与消费地区在空间上存在严重的错位，由于我国地理条件、内陆地区运输能力及经济性等限制，形成了铁水联运和直达运输并存的煤炭省际调运方式，在这样的大环境下，运输成为平衡不同地区煤炭供需的非常关键的环节。铁路作为煤炭运输的主要方式，在“西煤东运、北煤南运”的格局中发挥着重要作用。在高速铁路快速发展的背景下，为快速响应高速铁路对货运能力的影响，煤炭运输路径优化十分具有实际价值。

Li Bo，Yan Huilan[1]分析了中国煤炭资源供应地区分布特点与运输格局，探讨了海铁联运未来的发展趋势，为煤炭运输通道的多元建设提供了参考。王文凯[2]指出我国铁水联运水平低，一直制约着港口集疏运体系发展，阐述了造成我国铁水联运落后的原因，包括基础设施建设的不足等，同时提出了采取提高港口的集疏运能力、延伸港口的腹地、提高港口的竞争力等多种措施来提升我国铁水联运水平。吕跃进[3]指出了在其他文献中存在的两个错误论点，探讨了模糊层析分析法的原理，分析了模糊一致矩阵的充要条件，同时对存在的定理进行了证明，提出了在构建模糊互补判断矩阵中的一个新的权重排序计算公式，对权重性质进行了讨论。

本文从多方面对煤炭运输路径优化进行分析，综合现在及未来铁路运输能力不受限制的特点，对长距离煤炭运输方式选择进行优化设计。在更大程度上优化煤炭长距离调运线路，优化煤炭运输通道，降低其运输成本，提高运输效率，对煤炭选择铁路直达运输还是铁水联合运输具有一定的指导意义。

1 基于模糊层次分析法煤炭运输路径优化模型

1.1 系统递阶层次结构模型

根据提出的问题总目标，按照目标层、准则层、指标层的逻辑层次结构，建立系统递阶层次结构模型。根据煤炭运输特点及高铁建成后对煤炭运输产生的影响因素，构建系统递阶层次结构模型，如图1所示。

图1 系统递阶层次结构模型

1.2 模糊层次分析法计算权重步骤

Step 1专家咨询，列出互补判断矩阵。

由专家对评价指标及准则层对象两两作比较，根据表1中所列标度以三角模糊数形式进行打分，然后构造模糊判断矩阵。三角模糊数模糊判断矩阵作为AHP判断矩阵的延伸，以三角模糊数作为矩阵元素，记为P=(pij)n×n，其中pij是元素Ci与Cj相对重要度比值。矩阵满足pij＞0，pij=（lij，mij，uij）。当有q位专家综合判断时，pij是计算得到的综合三角模糊数，是q位专家共同判断的综合。

根据AHP方法基本理论[4]，采用简单加权运算对所选聘的专家偏好信息进行集结（综合），其计算公式为：

用于模糊判断矩阵的三角模糊数的标度见表1[5]。

表1 0.1～0.9标度法及其意义

Step 2对于各模糊判断矩阵，求解出其中各因素的综合重要程度值ti，即

然后，将ti规范化为Di，其计算公式为：

Step 3可能度排序。对各模糊判断矩阵，计算第i个因素重要于其他各因素的可能度。

Step 4依据得到的d（Ai）（i=1，2，...，n），则各元素的排序向量可被视为w=[d（A1），d（A2），...d（An）]T。

Step 5求得归一化的权向量W=（w1,w2,…,wn），其中

根据模糊层次分析法计算步骤和相应公式进行层次单排序，计算优属度值，求出平均优属度值，结合权重对最终评价计算，最后进行层次总排序。

1.3 算法步骤

1.3.1 构建优先关系矩阵

每一层次中各因素对上一层中某因素的相对重要性可以用矩阵形式表达，矩阵因素的确定方法如下[6]：

可以用0，0.5和1标度来确定因素值，这种方法简便易行。在m个因素下、n个评价方案所形成的优选问题，首先对m个单因素建立模糊优先关系矩阵为在因素k下Ai对Aj的优先关系系数），其值为：

1.3.2 建立一级模糊矩阵

对同一层的每个因素进行评价称为一级模糊综合评判，设对i类中的第j个因素进行Uij评判，评判对象的隶属度为rjk(j=1，2，…，n；k=1，2，…，m)，即表示因素Uij具有评语Vk(k=1，2，…，m)的程度。则对单因素的一级模糊综合评判矩阵为：

1.3.3 层次单排序

依据判断矩阵，求解针对上一层次某个因素而言，本层次因素重要性的优先权重的方法称为层次单排序。单因素和指标权重的优属度值的计算方法如下。

在方案Ai下计算k因素的优属度值Ski，采用方根法：

1.3.4 层次总排序

层次总排序，是计算同一层所包含因素对最高层次重要性的排序权值。利用同一层中所有层次单排序所计算的优属度值，结合所求得的权重值，就可以计算所有方案在所有因素下重要性的权重值。参照系统可分性原理，在方案进行优选时，将考虑的因素按照其不同性质划分为若干分系统，对分系统采用单层次—多因素的模型来计算各方案的优属度值。

可以由公式：

对Si（i=1，2，...，n）进行排序可得到n个参评方案在m个因素影响下的优属度排名。

2 实例分析

2.1 运输路径方案实例

本文主要选择已探明的位于内蒙古呼和浩特市的中国最大煤田——东胜煤田，作为运输路径的起点。南京港是亚洲第一大内河港口，作为5万t级海轮内陆推进400 km的终点站，当建成时将会由内河港“变身”为海港。同时南京港也是是长江水陆联运通道与江海中转的枢纽港，依靠的城市江苏南京是铁路、公路、管道、航空及水运的会合点，为华东第二大城市，具有很高的经济地位，交通综合条件发达，故选择南京作为线路终点。

根据内蒙古到江苏省煤炭运输路径，一共有三个运输路径方案。

方案1：铁路直达运输。煤炭从东胜运出，通过包神—京包—京沪铁路，到达南京。

方案2：铁水联运。煤炭从东胜运出，通过包神—京包—大秦铁路，经秦皇岛港下水，到南京港上水。

方案3：铁水联运。煤炭从东胜运出，通过包神—神黄铁路，经黄骅港下水，到南京港上水。

对内蒙古东胜煤田到江苏南京的三条运输路径状况进行描述：两省之间选用的三条煤炭运输路径分别选用费用、时间、方便性和货物损失程度四个主要煤炭运输路径指标来评价。

Step 1根据式（1），将专家打分的原始值计算得到表2。

表2 主要因素系统

构造互补判断矩阵：

Step 2根据式（2）和式（3），计算各个准则同所有其他准则作对比得出的综合重要程度值。

Step 3根据公式（5），计算出可能度

Step 4由公式（4）计算出主因素系统下每个准则比其他所有准则重要的可能性程度。

主因素系统：

所以，得到排序权向量：

Wˊ=(1,0.367,0.261,0.756)。经过归一化，得到每个准则相对于总目标的权向量

W=（0.419,0.154,0.109,0.317）

在上述过程中已经得到第2层（准则层）对第1层（目标层）的权向量，记作W（2）。用同样的方法构造第3层对第2层的每一个准则的互补判断矩阵，见表3—5，其中C1—C6分别表示运输成本、端点可变成本、运输时间、船货在港平均停留时间、办理的便捷性、线路通畅程度、货物损失程度。

表3 费用子系统

表4 时间子系统

表5 方便性子系统

由第3层的判断矩阵Bk计算出权向量Wk（3），结果列入表6。

表6 第三层对第二层权重确定表

综上，得出煤炭运输路径评价指标权重确定表，如表7。

表7 煤炭运输路径评价指标权重确定表

2.2 各评价指标优属度计算

对于给出的3个方案，其运输成本分别为：方案1为307.162元/t、方案2为223.055元/t、方案3为315.007元/t。

端点可变成本分别为：方案1为22.4元/t、方案2为40元/t、方案3为34.5元/t。

运输时间：方案1经铁路直达运输，平均约为9天；方案2从东胜经铁路运输到达秦皇岛港，经水路运输到达南京港，平均约为9.64天；方案3从东胜经铁路运输到达黄骅港，经水路运输到达南京港，平均约为11.84天。

船货在港平均停留时间：指内贸船舶停泊的起止时间，即以船舶进港到达港方指定的泊位处停泊稳妥时起，直到装卸货物结束，办好交接手续，驶离码头或锚地、浮筒时止[7]。从东胜到南京，只有铁水联运方案有船货在港平均停留时间，所以方案1为0天，方案2船货在港平均时间约为36 h，方案3平均约为53 h。

办理的便捷性：铁路直达运输，可通过12306平台直接办理或者到铁路货运站办理货运手续；水陆联运铁路转水路内贸货物运输，托运人需在铁路指定货物运单托运人记录事项栏填记“铁转水终到xx港。换装港代理xx”，在收货人栏填记目的港以及收货人，铁路货车可以直接进入港口。受委托办理港口作业流程手续的代理人(或托运人、收货人)需要分别与港口铁路车站、港口公司对港口交接手续作约定。因此认定方案1优于方案2、3，方案2、3等优（见表8）。

表8 路径方案办理便捷性综合打分表

线路通畅程度：据资料查询，线路通畅程度主要受天气影响较重。我国沿海散货运输受天气影响非常大，考虑天气因素影响线路通畅程度，因此铁路直达运输优于铁水联运，则方案1优于方案2和方案3，方案2和方案3的影响程度一样（见表9）。

表9 路径方案线路通畅程度综合打分表

货物损失程度的计算：煤在储存、运输期间，因为风力等原因会随风流失、飘落。根据统计得出，目前在铁路、公路等运输期间，煤炭损耗约为0.8％～1％（来源：煤炭网）。水路煤炭运输现一般为散货运输。到达港(站)依据《铁路和水路货物联运规则》的规定同用煤单位进行交接和办理。煤炭每进行一次中转换装的损耗标准约为1％；在水路运输过程中的煤炭自然减少量标准约为1.5％。方案1煤损耗约为0.8％～1％，方案2和方案3等优，煤损耗约为3.3％～3.5％，损耗越小越优。

根据以上给出的数据，通过MATLAB进行求解，得到各评价指标优属度，如表10所示。

表10 各评价指标优属度

2.3 结果计算与分析

通过专家评价打分法计算得到的权重值及隶属度值，运用公式（12）计算3个方案路径的最终评价值为：

由模糊层次分析法的运算过程可知，一级模糊矩阵是取数值小的为优而建立的，而评价指标中的费用是越小越好，对办理的便捷性和线路通畅程度打分选取也是以分值小的为优，选取运输时间少的为优，选取货损少的为优。根据指标优劣的选取方法和计算的步骤可以知道，评价的最终结果中，数值最小的就是要选取的最优方案。

计算得到的最终结果即为三个运输方案的最终优化评价值，由上文内容可知，选取其中数值最小的一个即为东胜煤田到南京煤炭运输的最优路径。经过计算结果的比较可知，三条路径中方案1的路径可以作为煤炭运输的最佳路径，方案3路径次之，方案2路径最差，即从内蒙东胜到江苏南京的煤炭运输，在铁路运能不受限制情况下，铁路直达运输是最优的选择。从结果可以看出，方案在不同因素取值的情况下选择不尽相同，体现了模糊层次分析法的敏感度，与实际应用也是相符的。

3 结论

本文分析了以高速铁路建成后对既有线路运输能力的释放为背景的煤炭运输路径选择影响的主要因素，并用三角模糊数模糊层次分析法进行优化。在此基础上，针对内蒙古到江苏长距离煤炭运输的特点，将问题转化为从费用、时间、方便性和货物损失程度四个目标进行决策，结合指标模糊性的特点，运用模糊理论构建了基于模糊层次分析法的煤炭运输路径优化研究模型，并对内蒙古东胜—江苏南京的煤炭运输路径方案求解和分析。

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

[2]王文凯.铁水联运的发展及其对中国港口的影响[J].江西科技学院学报，2012（12）：63-65

[3]吕跃进.基于模糊一致矩阵的模糊层次分析法的排序[J].模糊系统与数学，2002，16（2）：79-85

[4]陈欣.模糊层次分析法在方案优选方面的应用[J].计算机工程与设计，2004，25（10）：1847-1849

[5]臧涛涛.基于模糊层次分析法（FAHP）的军事运输路径优化研究[D].长春：吉林大学，2013

[6]黄健元，胡航宇.改进的模糊一致矩阵决策方法及其应用[J].河海大学学报，2006（11）：721-723

[7]吴澎，商剑平.沿海港口航道通过能力仿真模型研究[J].中国海湾建设，2010（10）：42-45

（责任编辑：魏艳红）

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）

*国家自然科学基金项目（61273242）：高速铁路旅客列车停站方案与运行图协同优化研究；中国铁路总公司科技研究计划项目（2014X004D）