危险货物铁公联运的优化模型与算法研究

摘要

危险货物铁公联运包括铁路长途运输、公路短途接驳以及换装操作三大过程，这一结合铁路和公路各自特点的运输模式既可以囊括铁路长距离运输规模经济效应，又具备公路运输的灵活性特点，是危险货物长距离陆路运输的一种常用运输模式。危险货物铁公联运优化问题主要包含站在以铁路运输部门为主导的铁公联运运输商角度的运输办理站选址问题和服务网络设计问题，以及站在危险货物铁公联运货主角度的路径优化等问题，本文利用现代数学优化理论和方法探讨危险货物铁公联运优化的这三大关键问题，主要的研究内容如下:
　　第2章研究了危险货物铁公联运风险评估问题，该问题的关键在于综合考虑危险货物铁公联运全过程的风险特性，建立适用于危险货物铁公联运优化问题的风险评估模型。本章首先系统分析了铁公联运流程，根据流程和各风险评估模型的特点，分析了铁公联运各过程的事故概率和事故后果;并期望风险作为风险评估的基础，建立了给定铁公联运路径下的危险货物铁公联运风险评估模型，考虑到该模型适用范围的局限性，构建了基于期望风险的危险货物铁公联运单商品流路径优化和多商品流路径优化模型，为后续优化问题的模型构建提供风险目标建模思路;最后，设计了两个优化模型的求解算法，并构造算例验证了模型和方法的有效性，测试结果显示铁公联运模式对于危险货物运输来讲具备一定的风险优势。
　　第3章探讨了危险货物铁公联运办理站选址问题，该问题在于在若干铁公联运办理站备选点中，选址各类危险货物铁公联运办理站，并将各批危险货物运输需求在这些办理站之间进行合理分配，以使得各类型的各批货物的运输需求均能满足，且达到系统总成本和总风险的权衡。本章首先构建了危险货物铁公联运p-hub选址模型，该模型易于理解，但由于建模策略的弱点，使得模型规模较大，进而带来了模型求解的困难。为了改进该模型，接着构建了一个基于点弧模型思想多商品网络设计模型，该模型以最小化系统总成本、最小化系统总风险为国标，考虑了运到时间限制、办理站对不同类型危险货物的办理能力等约束。多商品服务网络设计模型结构紧凑，相比于p-hub选址模型能够大大降低变量和约束的个数，基于此特点，为多商品服务网络设计模型定制了3个多目标求解算法，包括线性加权求和算法、增广加权切比雪夫算法和增广ε-约束算法。最后，对1个大规模切实算例所进行的计算分析、算法比较和灵敏度分析结果表明:模型和3种算法均是正确有效的;3个算法中，增广ε-约束算法由于在非支配解的区分度上面所占据的优势，较适合于本问题的求解;另外，办理点能力的扩大，在一定程度上可以降低系统总成本和总风险。
　　第4章探讨了铁公联运服务网络优化设计问题，该问题是基于我国的铁路货物运输的实际情况，综合考虑危险货物和普通货物，在既定的铁路危险货物货运列车编组计划基础上，确定列车开行频率、货流分配方案和货流的铁路公路接续方案。通过巧妙运用统一化手段，将服务节点之间的公路运输服务和铁路运输服务定义为不同服务类型的运输服务弧;将铁路、公路服务节点之间的换装、中转服务统一定义为不同类型的中转服务弧，构造出铁公联运基本服务网络。基于此，建立了综合考虑危险货物和普通货物的铁公联运服务网络优化设计的混合整数线性规划模型，模型以最小化系统总成本、最小化系统总风险为目标，并且考虑了货物与服务的相容性约束、铁公联运办理点的能力限制、货物的运到时间限制等因素。基于服务网络构造的建模思路使得模型构建较为简便、结构紧凑，根据该特点，同样定制了3个多目标求解算法。最后，对1个大规模切实算例所进行的计算分析、算法比较和灵敏度分析结果表明:铁公联运服务网络设计模型和算法均是正确有效的;3个算法中，增广ε-约束算法由于在非支配解的区分度上面所占据的优势，较适合于本问题的求解;另外，运到时间限制要求的放宽和办理点中转时间的压缩，在一定程度上均能降低系统总成本和总风险。
　　第5章探讨了危险货物铁公联运路径优化问题，该问题的关键是在综合考虑铁路运输固定时刻表、服务时间窗和规模经济效益的基础上，确定各批危险货物运输路径，以使得所有危险货物的运到时间要求得到满足，且能达到总成本和总风险的权衡。首先将铁路运费描述为分段线性函数，并且在细致分析铁路运输固定时刻表和服务时间窗要求的基础上构造考虑时间的铁公联运服务网络。然后建立了一个同时以总费用最小和总风险最小为目标，囊括所有运营和能力约束、各批货物运到时间限制因素等的便于理解的危险货物铁公联运路径优化的多目标非线性模型。接着，对模型进行线性化，并且定制了3个通用的多目标优化算法求解该线性模型。最后，对1个大规模切实案例的计算分析、算法比较和灵敏度分析结果表明:模型和算法均是正确有效的;增广ε-约束算法既可确保非支配解均匀分布，也可有效避免冗余计算，并且还在更侧重费用目标的情况下有非常好地表现，更适合求解危险货物铁公联运路径优化模型;另外，适当放宽运到时间限制约束或者压缩铁路-公路之间的中转时间，在一定程度上都可以降低系统路径优化的总费用和总风险。

目录

声明

摘要

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目标与研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 研究方法及技术路线

第2章 危险货物铁公联运风险评估模型

2．1．1 单一运输模式风险评估研究动态

2．1．2 多运输模式风险评估研究动态

2．1．3 风险评估研究评述

2．2 危险货物铁公联运流程及风险分析

2．2．1 铁公联运流程分析

2．2．2 风险评估模型选择

2．2．3 联运各过程风险分析

2．3 基于期望风险的危险货物铁公联运风险评估模型

2．3．1 路径风险评估模型

2．3．2 单商品网络流路径优化模型

2．3．3 多商品网络流路径优化模型

2．3．4 求解算法

2．3．5 算例分析

2．4 本章小结

第3章 危险货物铁公联运办理站选址问题研究

3．1 引言

3．1．1 危险货物运输设施选址问题研究现状

3．1．2 常规多式联运设施选址问题研究现状

3．1．3 国内外研究现状综述

3．2 p-hub选址模型构建

3．2．1 问题描述

3．2．2 模型假设

3．2．3 符号说明

3．2．4 模型构建

3．3 多商品网络设计模型构建

3．3．1 问题假设

3．3．2 符号说明

3．3．3 模型构建

3．4 求解算法

3．4．1 多目标优化概述

3．4．2 线性加权求和算法

3．4．3 增广加权切比雪夫算法

3．4．4 增广ε-约束算法

3．5 测试算例

3．5．1 路网概况

3．5．2 参数设置

3．5．3 计算结果

3．5．4 算法比较

3．5．5 灵敏度分析

3．5．6 结论

3．6 本章小结

第4章 危险货物铁公联运服务网络优化设计研究

4．1．1 国外研究现状

4．1．2 国内研究现状

4．1．3 国内外研究现状综述

4．2 铁路危险货物运输服务概述

4．2．1 我国铁路危险货物运输与普通货物运输

4．2．2 我国铁路货物列车编组计划的编制

4．2．3 铁路货物运输服务种类

4．3 铁公联运服务网络设计理论分析

4．3．1 铁公联运服务的内涵

4．3．2 铁公联运服务网络设计的内涵

4．3．3 服务网络优化设计流程

4．4 模型构建

4．4．1 问题描述

4．4．2 模型假设

4．4．3 铁公联运基本服务网络构造

4．4．4 符号定义

4．4．5 数学模型

4．5 求解算法

4．6 测试算例

4．6．1 路网概况

4．6．2 参数设置

4．6．3 计算结果

4．6．4 算法比较

4．6．5 灵敏度分析

4．6．6 结论

4．7 本章小结

第5章 危险货物铁公联运路径优化问题研究

5．1 引言

5．1．1 国外研究现状

5．1．2 国内研究现状

5．1．3 国内外研究现状综述

5．2 铁公联运相关理论分析

5．2．1 铁路运输规模经济特性分析

5．2．2 铁路运输固定时刻表及服务时间窗特性分析

5．2．3 铁公联运节点物流过程分析

5．2．4 考虑时间的铁公联运服务网络分析

5．3 模型构建

5．3．1 问题描述

5．3．2 模型假设

5．3．3 符号定义

5．3．4 数学模型

5．4 求解算法

5．4．1 模型线性化

5．4．2 线性模型

5．4．3 求解算法

5．5 测试算例

5．5．1 路网概况

5．5．2 参数设置

5．5．3 计算结果

5．5．4 算法比较

5．5．5 灵敏度分析

5．5．6 结论

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 研究总结

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果