一种量化碳排放影响的多式联运多目标决策研究方法

摘要

本发明公开了一种量化碳排放影响的多式联运多目标决策研究方法，包括如下步骤：步骤1、根据运输节点、路线和货运参数，建立不确定条件下的多式联运多目标路径决策模型；步骤2、对不确定条件进行处理，构造不确定条件下多式联运多目标路径决策问题中的优化目标和约束条件；步骤3、建立不同碳排放政策下的路径决策模型，进行碳排放政策影响下的路径优化。本发明弥补了当前大空间尺度区域碳排放政策对交通决策影响的方法不足，解决了不确定条件和碳排放政策对路径决策影响性质和能力的量化问题。

说明书

技术领域

本发明涉及交通规划技术领域，尤其是一种量化碳排放影响的多式联运多目标决策研究方法。

背景技术

实施合理的碳排放政策，有助于更好地降低碳排放与运输成本、缓解道路拥堵，同时促进多式联运的推广，形成综合运输发展的良性循环。

目前，多式联运过程中，基于对运输环保性的考虑，越来越多的学者开展碳排放政策下的路径优化研究，并且现有研究已证明碳排放政策对路径决策会产生显著影响。但是，真实多式联运网络的线网特征、区域经济体量都会影响碳排放政策的实施。此时，碳排放政策对路径决策影响的显著性也会发生变化。目前大部分研究采用人为设置的虚拟网络，实验结果与分析结论是否能够适用于实际的运输过程，仍等待进一步证实。因此，如何能够基于不确定的碳排放政策，构建合理的、可量化碳排放政策影响的多式联运多目标决策方法成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种量化碳排放影响的多式联运多目标决策研究方法，能够解决不确定条件和碳排放政策对路径决策影响性质和能力的量化问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种量化碳排放影响的多式联运多目标决策研究方法，包括如下步骤：

步骤1、根据运输节点、路线和货运参数，建立不确定条件下的多式联运多目标路径决策模型；

步骤2、对不确定条件进行处理，构造不确定条件下多式联运多目标路径决策问题中的优化目标和约束条件；

步骤3、建立不同碳排放政策下的路径决策模型，进行碳排放政策影响下的路径优化。

优选的，步骤1中，货运参数包括运输速度、节点转运时间、送达时间及运输费用。

优选的，步骤1中，建立不确定条件下的多式联运多目标路径决策模型具体为：涉及到期望运输总时间和期望运输总成本两个优化目标，需建立如式(1)的多目标随机期望值模型：

其中，x为n维决策向量，ξ为随机向量，f

优选的，步骤2中，对不确定条件进行处理，构造不确定条件下多式联运多目标路径决策问题中的优化目标和约束条件具体为：构造不确定条件下多式联运多目标路径决策问题中的优化目标和约束条件，其中，运输总时间T

E(T

公式(2)(3)(4)中，h,i,j表示运输节点，h,i,j∈N；(h,i)表示运输路径；k,l表示货物运输方式，k,l∈M；

运输总成本C

C

E(C

公式(5)(6)(7)中，

确定条件下，货物能否准时送达目的地只存在是与否两种情况；但在不确定条件下，货物的准时送达与否属于服从0-1分布的随机变量，准时送达的概率和期望相等，故定义变量h(λ

E[h(λ

其中，T

估计期望运输总时间和准时送达期望约束，随机模拟产生r组样本

当随机模拟总次数R足够高时，公式(9)、(10)箭头左侧即为期望运输总时间、期望延误惩罚费用和准时送达期望约束的估计值。

优选的，步骤3中，建立不同碳排放政策下的路径决策模型，进行碳排放政策影响下的路径优化具体包括如下步骤：

步骤S31、不考虑运输碳排放的情况：

该条件下，不考虑多式联运过程中产生的碳排放，以运输总时间T

步骤S32、考虑强制碳排放政策的情况；

强制碳排放政策是指监管机构向运输企业分配固定的排放限额，该政策要求货物运输过程中的碳排放总量Em

Em

对于不同运输方式，其碳排放的计算方式不同；若k∈M

特别的，若k∈M

而公路运输速度与碳排放量成反比，车辆运输速度越慢，产生的二氧化碳就越多，对环境的影响越大，公路运输碳排放的计算公式如下：

其中，

步骤S33、考虑碳税政策的情况；

碳税是由监管机构向企业征收的，针对每单位的二氧化碳的排放费用，征收碳税的目的在于引导企业采用绿色物流技术减少碳排放量，对运输过程中产生的碳排放总量征收税率为E

步骤S34、考虑碳总量管制与交易政策的情况；

碳交易政策指在一个第三方监管的市场上，运输企业有一定量的碳排放额度，且额度允许交易；若碳排放低于限额，剩余额度可以出售获取利润；若碳排放高于限额，需要向市场购买超出的额度；该政策下，运输企业拥有有固定的碳排放额度Em

其中，δ＝g(x)，x＝Em

约束(20)表示相邻运输路径货物流量守恒约束；约束(21)保证同一物流需求在一条运输路径上采用的运输方式不超过1种；约束(22)保证在一个节点上进行的货物转运环节不超过1次；约束(23)保证任意路径上的货物量小于等于路径的通行服务能力；约束(24)保证任意转运节点的货物量小于等于其转运能力；约束(25)表示货物在起点或终点不发生转运；约束(26)表示决策变量的取值。

本发明的有益效果为：本发明通过建立不确定条件下的多式联运多目标路径决策模型，再对不确定条件进行处理，构造不确定条件下多式联运多目标路径决策问题中的优化目标和约束条件，最终建立不同碳排放政策下的路径决策模型，进行碳排放政策影响下的路径优化，弥补了当前大空间尺度区域碳排放政策对交通决策影响的方法不足，解决了不确定条件和碳排放政策对路径决策影响性质和能力的量化问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的多式联运测试网络及运输里程示意图。

图3为本发明的不同税率下的多式联运路径决策结果示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种量化碳排放影响的多式联运多目标决策研究方法，包括如下步骤：

步骤S1、建立不确定条件下的多式联运多目标路径决策模型。

由于确定条件下，货物的运输速度和转运时间都属于不确定值，若按照确定情况建模与求解，决策结果往往与实际运输特征不符，可靠性大大降低。因此，本发明取不确定变量所对应函数的平均值，即数学期望，对该类问题进行处理。在降低求解复杂度的同时，使决策结果更加符合实际运输特征。

涉及到期望运输总时间和期望运输总成本两个优化目标，需建立如式(1)的多目标随机期望值模型：

其中，x为n维决策向量，ξ为随机向量，其概率密度函数为φ(ξ)，f

步骤S2、对不确定条件的处理，构造不确定条件下多式联运多目标路径决策问题中的优化目标和约束条件。

构造不确定条件下多式联运多目标路径决策问题中的优化目标和约束条件。其中，运输总时间T

E(T

运输总成本C

C

E(C

确定条件下，货物能否准时送达目的地只存在是与否两种情况。但在不确定条件下，货物的准时送达与否属于服从0-1分布的随机变量，准时送达的概率和期望相等。故定义变量h(λ

E[h(λ

其中，α为货物准时送达期望阈值，α∈(0,1)。阈值的设置剔除了部分在运输时间上表现较差的路径方案，降低了计算复杂度。该约束允许部分路径的运输总时间超过运输时效限制T

利用上述方法可以估计期望运输总时间和准时送达期望约束。随机模拟产生r组样本

当随机模拟总次数R足够高时，公式(9)、(10)箭头左侧即为期望运输总时间、期望延误惩罚费用和准时送达期望约束的估计值。

步骤S3、建立不同碳排放政策下的路径决策模型，进行碳排放政策影响下的路径优化。

实现低碳运输，碳税政策的实施行之有效。为探究不确定条件下，实施相应碳排放政策后对路径决策的影响，本发明共建立了不考虑运输碳排放、考虑强制碳排放政策、考虑碳税政策以及考虑碳总量管制与交易政策四种多目标路径规划模型。估计期望值后，不同碳排放政策下模型的优化目标和约束条件如下所示：

S31，不考虑运输碳排放的情况：

该条件下，不考虑多式联运过程中产生的碳排放。以运输总时间T

S32，考虑强制碳排放政策的情况。

强制碳排放政策是指监管机构向运输企业分配固定的排放限额，该政策要求货物运输过程中的碳排放总量Em

Em

对于不同运输方式，其碳排放的计算方式不同。若k∈M

特别的，若k∈M

而公路运输速度与碳排放量成反比，车辆运输速度越慢，产生的二氧化碳就越多，对环境的影响越大。根据欧盟委员会在MEET会议上提出的标准，公路运输碳排放的计算公式如下：

其中，

S33，考虑碳税政策的情况。

碳税是由监管机构向企业征收的，针对每单位的二氧化碳的排放费用。征收碳税的目的在于引导企业采用绿色物流技术减少碳排放量。对运输过程中产生的碳排放总量征收税率为E

S34，考虑碳总量管制与交易政策的情况。

碳交易政策指在一个第三方监管的市场上，运输企业有一定量的碳排放额度，且额度允许交易。若碳排放低于限额，剩余额度可以出售获取利润；若碳排放高于限额，需要向市场购买超出的额度

其中，δ＝g(x)，x＝Em

约束(20)表示相邻运输路径货物流量守恒约束；约束(21)保证同一物流需求在一条运输路径上采用的运输方式不超过1种；约束(22)保证在一个节点上进行的货物转运环节不超过1次；约束(23)保证任意路径上的货物量小于等于路径的通行服务能力；约束(24)保证任意转运节点的货物量小于等于其转运能力；约束(25)表示货物在起点或终点不发生转运；约束(26)表示决策变量的取值。

如图2所示的小型“公-铁-水”多式联运网络，对于两组不同的运输情景，采用精确求解策略求解。图中运输起点和终点已进行标注，其他节点都具备转运功能。

碳税政策下，设置两组不确定情景进行多目标路径决策分析，两组情景除碳税税率不同外，其他完全相同。其中，情景1中碳税税率为0.05元/KgCO

表2不确定公路运输速度与转运时间随机分布

货物运输与转运单价如表3所示，其中x表示运输里程。

表3货物运价与转运单价

公路运输碳排放采用式(17)计算，铁路和水路运输单位碳排放量以及货物转运单位碳排放量如表4所示。

表4货物运输与转运单位碳排放量

根据图3中的路径决策结果如可知，碳税税率的降低使运输总成本降低，进而路径方案非支配解集出现显著改进。其次，碳税税率为32元/KgCO