林 枫

(北京交通大学交通运输学院,北京100044)

通用型综合交通枢纽货运站布局规划与优化方法的研究

林 枫*

(北京交通大学交通运输学院,北京100044)

衔接多种运输方式之间中转货流的通用型综合交通枢纽是国家综合货物运输网路体系中的重要节点,同时也是城市交通网络的重要组成部分.本文运用无缝中转的思想,从综合交通枢纽与城市交通网络之间的动态关系出发,既保证用户广义费用最低,同时使整个货物运输系统的社会效益最大,从而构建综合交通枢纽货运站布局优化模型.该模型在考虑四种运输方式基础上,加入城市货流作为第五种运输方式,增强了模型的优越性.通过应用遗传算法求解模拟算例,验证了模型的合理性及遗传算法求解该问题的优越性.研究结果表明,该模型与实际情况吻合,是城市综合交通枢纽货运站布局优化的有效方法之一.

综合交通运输;枢纽布局;遗传算法;综合交通枢纽货运站;布局优化模型

1 引 言

综合交通枢纽货运站是国家综合运输网络中,同时承担几种运输方式枢纽功能的节点,是交通运输生产组织基地和综合运输网络中货物集散、中转及过境的场所,对所在区域的运输网络的高效运转具有重要的作用;其次,综合交通枢纽货运站对它所依托的城市的形成和发展有着很大的带动作用,是城市对外联系的桥梁,其布局的合理与否决定了枢纽系统乃至整个城市运输系统的运输效率.目前已有研究的相关文献[1-6],对综合交通枢纽货运站规划布局的研究较少,主要是针对单一运输方式枢纽场站规划布局,这样导致不同运输方式间缺乏相互协调,运输效率低,不利于综合运输货运系统的发展.本文将从无缝中转思想出发对综合交通枢纽货运站进行规划布局,以实现最大限度地压缩货物到卸与发运之间时空间隔.通过建立反映综合交通枢纽货运站布局与货运量动态关系的运输成本最小化布局优化模型,为各种运输方式协调发展提供辅助决策支持.

2 综合交通枢纽的概念及分类

2.1 综合交通枢纽

在交通枢纽地区内,配有多种运输方式的交通枢纽,但交通枢纽的运输工作是相互独立的.因此,在现有交通枢纽地区内既没有运输方式基础设施方面物理意义的综合,也不存在运输过程的直接衔接.

在交通枢纽地区设置,用以实现一定流量货物安全、高效地由一种运输方式向地区内另一种运输方式转移(货物中转换装)的专用交通运输基础设施和装备,以及管理系统,可称它为枢纽中转系统,主要包括以下三个方面:

①枢纽货运站.

货运站应配置必要数量的装卸线、装卸站台,配备必要数量的装卸机具和站内短途运输工具,修建必要面积的货物堆场和仓库,以及其他必要的设施.

②联络线.

在枢纽货运站与汽车货运站、铁路货运站(或铁路编组站)、水路港口、机场间应设置联络线.根据货流量大小,联络线可以是城市道路、高速公路或铁路.

③货物中转换装管理和服务系统.

当交通枢纽地区配置有枢纽中转系统时,借助枢纽中转系统的功能,在枢纽地区将形成货物直接中转换装在内,安全、高效的链接式的枢纽工作体系,可实现对交通枢纽地区对货运工作的有效综合.

这种综合既有交通运输基础设施方式物理意义上的综合,也有运输工作上的综合.因此,可以讲配置有枢纽中转系统的交通枢纽地区,称为综合交通枢纽地区,简称综合交通枢纽.

2.2 综合交通枢纽分类

(1)依据运输货物种类分类.

枢纽地区的中转货物,按其批量大小和运输组织特征之不同,可分为散堆装大宗货物和普通货物两类.大宗货物和采用集装箱运输的普通货物,通常水路以专用船装运,铁路组织直达列车输送,公路以大型货车或专用货车装运等形式组织运输.因此,大宗货物在运输方式间必须通过交通枢纽地区配置的枢纽货运站,采用直接换装的中转方法.也就是说,具有一定运输能力的货物运输综合交通枢纽是经济、高效地实现大宗货物运输流程的必要条件.

普通中转货物批量小,为提高货物送达速度,通常和枢纽地区始发货物共同组成一个预算内单元组织输送,因此,普通中转货物应该和枢纽地区始发货物在同一综合交通枢纽内办理作业.

将办理大宗货物(煤炭、矿石、粮食等)和集装箱中转换装作业的综合交通枢纽称为专用型货物运输综合交通枢纽,而服务于普通货物的枢纽称为通用型货物运输综合交通枢纽.

由于现有专用型综合交通枢纽已初具规模,例如秦皇岛煤运码头可实现货物的高效综合运输,但是针对通用型综合交通枢纽的研究和建设较少,因此本文主要研究通用型综合交通枢纽的规划和布局.

(2)依据枢纽服务范围分类.

综合交通枢纽依据其服务范围分为:国家型综合交通枢纽、区域型综合交通枢纽、地区性综合交通枢纽.本文主要研究区域型综合交通枢纽的布局规划.

3 通用型综合交通枢纽货运站布局模型

3.1 通用型综合交通枢纽货运站的构成方案

在城市内修建综合交通枢纽货运站要与城市的交通网络和已有货运站的布局密切相关,因此在城市内部修建综合交通枢纽货运站有两种构成方案:

①将已有货运站改建成枢纽货运站;

②新建枢纽货运站.

当选择方案①时,如果不同运输方式交流的货运量较小时,可选用现有城市交通系统道路和高速公路的优化径路作为联络线;若公铁、水铁间交流货运量较大时,既可以选用城市交通系统,也可以修建铁路专用线.其次,当选择方案①时,应增加运输方式之间直接换装能力和换装设备作业能力;最后在枢纽内应增加货物存储能力.当选择方案②时,枢纽的建设费用会增加,因此在同等条件下,优先选择方案①.

3.2 枢纽货运站服务货流运输过程的描述

经过综合交通枢纽货运站的中转货流包括以下三类:

①经过城市的不同运输方式间中转货流;

②不同运输方式运达城市内部交通小区的到达货流;

③从城市交通小区运往不同运输方式的始发货流.

综合交通枢纽货运站中转货流的运输过程可以用三个节点,三个作业环节来描述.三个节点是指货流发生点、货流中转点(即枢纽站)和货流吸引点.三个作业环节分为:

(1)货流发生点至货流中转点间的集运环节;

(2)货流中转点的货物装卸和仓储等中转环节;

(3)货物在中转点至货流吸引点间的疏运环节.

对于城市地区内部货物运输,货流发生点和货流吸引点是指货流的产生地和消费地.设i货流发生点至g货运站距离为lig,流量为pig,则该货流的集运运输量为;相应地,货流疏运运输量应为.若i=1,2,…,m,j=1、2,…,n,g=1,2,…, q,则在城市内部运输量应为,城市内部运输的集运、疏运工作由市内交通系统承担.

相应地,根据各运输方式货流在枢纽内运输过程的特点,可取公路干线与城市边缘的交点,铁路编组站、水路港口、机场货运区作为相应运输方式的发生点或吸引点.作为一般形式,公路、铁路、水路和航空在枢纽地区的货运量也可以表示为

为便于描述城市内部运输量和枢纽间不同运输方式干线的货运量大小,本文将城市内部运输作为一种运输方式研究.因此,k种运输方式(k=1, 2,…,u)发生、吸引货运量为.当K=1时,系统为城市内部货运系统;当k=2、3、4、5时,系统分别为公路、铁路、航空、水路的单一货运交通枢纽;当k=1、2、3、4、5时,系统为综合货运交通枢纽.

3.3 通用型综合交通枢纽货运站布局规划模型

(1)模型假设条件.

假设1依据最短路径法,货主选择距离其最近的枢纽进行中转换装;

假设2每个出发点的全部运量选择一个枢纽中转;

假设3每个交通场站内部处于最优状态.

基于以上3个假设,货物在综合交通枢纽货运站的成本,主要由节点之间的运输费用和中转作业费用构成,不考虑货物在枢纽的等待时间.

假定在各备选地址设置货运站的基建投资,中转费用和运输费用为已知,则可以用成本E最小为目标确定货运站布局的最优方案,规划模型为

约束方程为

(2)模型符号含义.

Qkig为第k种运输方式货流发生点i到备选枢纽g的货流量;Ckig为第k种运输方式货流发生点i到备选枢纽g的单位运输费用;lkig为第k种运输方式货流发生点i到备选枢纽g的运输距离;Qkgj为第k种运输方式货流从备选枢纽g到货流吸引点j的货流量;Ckgj为第k种运输方式货流从备选枢纽g到货流吸引点j的单位运输费用;lkgj为第k种运输方式货流从备选枢纽g到货流吸引点j的运输距离;Wg、xg为备选货运站g是否被选中的决策变量, Wg,xg∈{0,1};Fg为备选枢纽g的基建投资费用;Cg为备选枢纽g的单位货运量中转费用(含装卸费用和仓储费用等)为所有发生点的货流量之和;为所有吸引点的货流量之和.

(3)约束条件.

式(2)限制了一个出发点的全部运量选择一个枢纽中转的情况;式(3)为k种运输方式货流发生点i到备选枢纽场站g的货流量之和小于等于所有发生点货流量的和;式(4)为k种运输方式从备选枢纽场站到货流到达点的货流量之和小于等于所有到达点j的货流量之和;式(5)为每个备选枢纽站到达货流量等于发运货流量;式(6)限制了最多选择的枢纽数目为n;式(7)为如果某小区不设置枢纽,则不可能有其他小区的货流到该小区中转.

4 通用型综合交通枢纽货运站布局模型的求解方法

求解该模型需要从q个枢纽备选点中选择拟定枢纽个数n,则有Cqn种全排列,每种排列是一个选址方案,用枚举求解出所有枢纽的最优组合工作量较大,因此应该选用一种合适的启发式算法来求解,而遗传算法则对于解决此类问题有突出的优越性[7].

模型求解步骤:

Step 1交通小区的划分.

交通小区划分的目的是为了预测和枢纽选址的方便.通常,由于一些基础资料一般是按照行政区划采集、统计的,因此为了便于收集资料,交通小区的划分一般不打破行政区划[8].

Step 2调查城市内部小区的中心点、公路干线与城市边缘的交点、铁路编组站、水路港口、航空机场货运区之间的货流分布,作为交通量分配的基础数据.

Step 3交通路网的确定.

求出各城市内部小区的加权几何中心,该几何中心作为小区的节点,是其出发、到达货流集结点;将公路干线与城市边缘的交点、铁路编组站、水路港口、航空机场货运区分别作为四种运输方式的节点;将联接上述节点之间的城市主要道路、干道为边,确定规划城市的货运交通路网.

Step 4生成有效货运枢纽方案集.

当货运需求点较多时,将每个可能组合方案进行枚举计算,工作量较大,因此必须先生成有效货运枢纽方案集,为后续应用模型计算作数据准备.而遗传算法在生成有效方案时有较大优势:枢纽的方案可以由一系列离散的基因数据表示,而且方案的探索可以通过基因的杂交、变异等算子得到;此外,还可以随机生成方案,再对不符合约束条件的方案进行取舍[8].应用遗传算法可以从大量备选枢纽中选出有效的枢纽,用于下一步的计算.

Step 5货运交通量分配.

交通分配目前有两大类,均衡分配法和非均衡分配法.在实际工程中采用的是非均衡分配方法[9].非均衡分配方法包括最短路径交通分配、容量限制交通分配、多路径交通分配、容量限制一多路径交通分配4种方式.一般来说,最短路径分配最能反映出行者的路径选择愿望,所以常用于确定公路网以及枢纽布局等规划问题的布局方案和规模[9].本文考虑采用最短路径输送货物.

Step 6应用模型求解枢纽最优方案.

应用遗传算法得到有效枢纽集合后,应用模型求解2个,3个,…,n个枢纽点不同组合方案下的值,使得整个综合货运网络整体运费最低.

Step 7依据上述求解步骤,采用Java语言编程得到求解软件,输入基础数据,即可得到最优布局方案及费用的最小值.

5 算例分析

5.1 问题描述

应用trans-CAD软件随机生成的城市货运交通网络如图1(距离单位:米)所示,图中线段表示货运网络的各条路段(弧).图中小区a-小区d代表城市小区的中心节点,铁路1、铁路2代表城市2个铁路编组站,公路1、公路2、公路3代表城市边缘与公路干线节点,图中还包括5个道路网交叉点.

根据求解方法,在运输方式节点、小区节点及道路交叉点中确定若干货运枢纽点,使得城市综合交通枢纽货运网络的运费最低.由于各节点之间的货物是通过汽车运输,所以从发生点到枢纽、从枢纽到吸引点的运费基本相同,对枢纽选址影响不大.现从上述网络中至多允许建设4个枢纽.假设各小区之间年货流需求量如表1所示.

图1 城市货运交通网络示意图Fig.1 Urban freight transportation network

表1 小区货运量表Table 1 Freight volume of districts(单位:吨/年)

5.2 求解算例

根据上述模型求解方法,依据综合交通货运网络,采用遗传算法选出有效枢纽方案集,之后在有效枢纽方案集中,应用全有全无最短路径法进行货流分配,最终求出枢纽选址最佳方案.通过上述求解过程,采用Java语言编程实现上述算法,结合该实例求解该模型.经过40次迭代进化得到最优枢纽方案,程序运行过程如图2.由图2可见进化过程中的最小值的变化幅度比较大,这和基因的交叉变异机制有关,也和基因的含义有关.但由于基因最优保存策略的引入,最小值在迭代40代以内就达到恒定的值,收敛速度很快.

由E总=E运+E中+E建可知,模型总成本由运输费用、中转费用、建设费用构成.表2给出了不考虑枢纽建设费用时的最优方案.由此可以看出当建两个枢纽时,需在交叉点3、小区a附近建设枢纽;当要建三个枢纽时,需在交叉点3、小区a、交叉点2附近建设枢纽;当建四个枢纽时,需在航空、小区a、公路1、交叉点3附近建设枢纽,这个结果总体上符合实际情况.表2还给出考虑枢纽建设费用时,每种方案对应的枢纽建设费用的取值范围.由此可以得出:①E建≥3 783 440元时,选择方案1;②E建∈(1 807 980,3 783 440)元时,选择方案2;③E建≤1 807 980元,选择方案3.

表2 不同枢纽个数下最优方案Table 2 Optimized scheme based on different hubs

图2 进化过程示意图Fig.2 Schematic diagram of evolution process

6 研究结论

本文对依托城市的通用型综合交通枢纽货运站布局问题进行分析,提出以综合货物运输成本最小为目标的规划模型.并结合拥有铁、公、航三种运输方式的城市综合交通网络进行货运综合交通枢纽的规划布局,并取得科学、可靠的结果.结果表明,用遗传算法求解可以用较快的速度得到较正确的结果,这个解与经验的结果基本一致.因此,该优化模型可以为实际决策提供依据.此模型只考虑到货流量对枢纽选址的影响,之后将把枢纽选址与城市规划等因素结合起来,使得模型更全面完善.

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Model and Optimization of Freight Station Locations in General-purpose Comprehensive Transportation Terminal

LIN Feng
(School of Traffic and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

The general-purpose integrated transportation hub which links up with multi-modal transport transit cargo flow is not only an important node in the national integrated transportation network system,but also a crucial part of the urban transportation network.The paper uses the ideas of seamless interchange, from the dynamic interactions between comprehensive transportation terminals and urban transportation network,which can ensure both a minimum user generalized cost and a maximum of social benefit in the system.The optimization model is thus proposed to determine the locations of freight stations in integrated transport hub.The model considers four modes of transport,and adds urban flow of goods as the fifth mode of transport,which enhances the model superiority.The genetic algorithm is used to solve the simulation example and the rationality of the model and the advantages are validated.Results show that the model is more consistent with the real conditions and it is one of the effective ways for optimizing the freight stationlocation of the comprehensive transportation terminal.

comprehensive transportation;terminal planning;genetic algorithm(GA);freight station in comprehensive transportation terminal;optimal location model

U115Document code: A

U115

A

1009-6744(2013)04-0023-06

2013-04-12

2012-05-21录用日期:2013-06-08

国家科技支撑计划(2012BAC20B1002).

林枫(1988-),女,吉林省延边州人,博士生.

*通讯作者:12114245@bjtu.edu.cn