低碳运输下陆路运输系统货流转移及流量分配综合优化

陈　雷　林柏梁　温旭红　王　龙　李　建

(1北京交通大学交通运输学院, 北京 100044)(2中国铁路经济规划研究院, 北京 100038)

低碳运输下陆路运输系统货流转移及流量分配综合优化

陈雷1林柏梁1温旭红1王龙2李建1

(1北京交通大学交通运输学院, 北京 100044)(2中国铁路经济规划研究院, 北京 100038)

摘要:基于公路网和铁路网在货物运输过程中的不同特点,研究了可以实现低碳交通运输目标的陆路运输系统货流转移及流量分配的综合优化问题,并构建了相应的0-1规划模型．该模型以包含碳排放成本在内的陆路运输总成本最小化为目标函数,约束条件设置为节点的转移能力限制、公路运输弧段和铁路运输弧段的通过能力限制以及铁路网流量分配的树形径路特点等.通过算例对该模型进行验证．结果表明:鉴于铁路运输在成本和碳排放方面的优势,公路网货流转移至铁路后,可使包含碳排放成本在内的陆路运输系统总成本大大降低;通过对铁路网货流进行重新分配,优化了铁路货流的运输路径,提高了铁路运输能力的利用率．

关键词:陆路运输系统;综合优化;货流转移;流量分配;碳排放

随着全球经济的快速发展,温室气体污染日趋严重,发展绿色交通运输已经成为各国政府的共识．陆路运输系统承担了较大比例的货物发送量和周转量,且产生了大量的碳排放．在陆路运输系统中,公路方式的单位碳排放量通常是铁路的数倍之多,若将公路货流转移至铁路运输必然可以节约大量能源、减少交通运输业的碳排放量,对缓解日益严重的温室效应具有重要意义．

目前,关于考虑碳排放的货流转移研究主要体现为综合运输和多式联运两大类[1-6]．在货流分配方面,众多学者对公路网货流分配[7-8]和铁路网货流分配[9-16]进行了研究．然而,直接针对陆路运输系统内货流转移的研究比较少见．陆路运输系统内货流转移和流量分配是相互影响的,对两者进行综合优化的文献更是罕见．因此,本文将陆路运输系统内货流转移及流量分配问题进行综合优化,以达到实现低碳交通运输的目的．

1模型构建

1.1假设条件

构建模型时,首先进行如下假设:① 借鉴多式联运的思想对陆路运输系统的货运节点进行扩展,且假定陆路运输系统内公路网和铁路网是平行的．② 不同于铁路运输的特定径路,公路货车司机对运输路径的选择具有较高的自主性,且一般倾向于运输距离较短的路径,因此对于任意2个公路节点之间的货流,假设其选择最短径路进行运输．③ 借鉴多商品流思想,假设任意2个公路节点之间可能存在多种不同品类的货流,并假设对于任何一股公路网货流,不存在部分转移的情况．④ 利用碳税对碳排放成本进行描述．

1.2目标函数及约束条件

鉴于铁路在运输成本和碳排放方面的优势,本文拟通过将公路网货流转移至铁路网的方式,达到降低陆路运输系统碳排放的目标．具体就一股公路网货流而言,在货流起始节点至终到节点的运输过程中,可以分为3个阶段:① 该股公路网货流需经由公路运输方式运输至转运节点;② 在转运节点内部,通过换装等作业将货物转移至铁路;③ 按照铁路特有的货运组织方式送达至终到节点．因此,本文将按照这3个阶段分别对模型进行描述,最后给出综合优化模型．

1) 公路网货流转移时,首先需要选择相应的转移节点,然后将这部分货流经由公路运输至转移节点．这一过程中公路网的运输成本和运输碳排放成本为

(1)

对于公路节点i与公路节点j之间的第k类原始货流,最多可以在除终到公路节点j以外的其他节点中选择一个进行流量转移,这一约束条件可以表示为

(2)

转移方案确定后,公路网实际货流经由最短路径运输至转移节点．然而在转移过程中,当某一股公路原始货流在其近似平行径路上节点进行转移,恰好其近似平行径路上各公路节点之间的货流没有转移时,就会出现该股货流近似平行径路上2个公路节点的实际货流量大于原始货流量的情况．故流量转移时,必须满足其所经由的公路运输弧段的能力限制,即

(3)

2) 在转运过程中,也将产生转运成本和转运碳排放成本,其计算公式为

(4)

Fi≤di∀i∈V

(5)

式中,di为节点i所能承受的最大货流转移量．

3) 货流转移后,铁路网的货流结构将发生变化,需对铁路网流量进行再分配．该过程中的运输成本和运输碳排放成本为

(6)

(7)

(8)

此外,在货流转移后,铁路网流量分配必须满足弧段能力限制,即

(9)

综上所述,以Z1,Z2和Z3的总和最小化为目标函数,以式(1)～(9)为约束条件,即可构建考虑碳排放的陆路运输系统内货流转移及流量分配综合优化模型,即

minZ=Z1+Z2+Z3

(10)

s.t.式(1)～(9)

2算例分析

利用本文所构建的模型对文献[6]中的算例数据进行求解,计算时所需参数也参考文献[6]取值．基于Lingo11.0平台进行编程计算,经过9 398 s的计算过程,得到的最优化方案目标函数为1.817×109元,公路网货流的转移方案见表1．

优化计算得到的货流转移后铁路网货流运输径路见表2．

由表1和表2可以看出,共有82股公路网货流转移至铁路网,18股铁路网货流进行了绕道运输,最终方案中转移总量达2.047×107t．为了验证所提模型的合理性,本文利用Lingo11.0软件对文献[6]中的算例进行计算,得到的全局最优解与文献[6]的计算结果相同,说明文献[6]利用粒子群算法也得到了全局最优解．对这2个计算结果进行对比可知:① 文献[6]中算例的目标函数值为2.239×109元,本文算例的目标函数值较文献[6]

表1　公路网流量转移方案

表2　铁路网货流运输径路

中的目标函数值降低了4.22×108元,说明利用所提模型更能实现整个陆路运输系统社会物流成本的降低．② 与文献[6]相比,本文算例中通过铁路网货流的重新分配,吸纳了更多的公路货流进行转移,使得由公路网转移至铁路网的货物总量增加了6×105t,从而进一步提高了陆路运输系统中铁路运输能力的利用率．

3结语

本文研究了考虑碳排放的陆路运输系统内货流转移及流量分配的综合优化问题．通过构建综合优化模型对该问题进行了描述,并通过算例进行验证．优化结果显示,鉴于铁路运输在成本和碳排放方面的巨大优势,公路网货流转移至铁路后,降低了整个陆路系统的社会物流成本．此外,流量转移后通过铁路网货流的重新分配,可进一步提高铁路运输能力的利用率．下一步的主要工作为寻求计算效率更高的启发式算法并对大规模实际案例进行求解．

参考文献 (References)

[1]Winebrake J J, Corbett J J, Falzarano A, et al. Assessing energy, environmental, and economic tradeoffs in intermodal freight transportation[J].JournaloftheAirandWasteManagementAssociation, 2008, 58(8):1004-1013,

[2]罗诚. 考虑碳排放控制的多种运输方式组合优化模型研究[J]. 陕西科技大学学报(自然科学版), 2011, 29(5):113-116,125. DOI:10.3969/j.issn.1000-5811.2011.05.027.

Luo Cheng. Study on the combination optimization model of multiple transportation modes considering the carbon emission control[J].JournalofShaanxiUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition), 2011, 29(5):113-116,125. DOI:10.3969/j.issn.1000-5811.2011.05.027.(in Chinese)

[3]温旭红,林柏梁,何世伟,等.基于碳排放的综合运输流量分配及径路优化[J].北京理工大学学报,2013, 33(S1):5-8.

Wen Xuhong, Lin Boliang, He Shiwei, et al. The optimization model for flow assignment and routing plan in integrated transportation based on carbon emissions[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology, 2013, 33(S1):5-8. (in Chinese)

[4]Bryan J, Weisbrod G, Martland C D. Rail freight as a means of reducing roadway congestion: Feasibility considerations for transportation planning[C]//TransportationResearchBoardoftheNationalAcademies. Washington DC, USA, 2007:75-83.

[5]陈伟建. 考虑碳排放的公铁联运货流转移方案设计[D].北京:北京交通大学交通运输学院, 2015.

[6]陈雷,林柏梁,王龙，等.考虑碳排放的公铁两网之间货流转移[J].东南大学学报(自然科学版),2015, 45(5):1002-1007.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2015.05.032.

Chen Lei, Lin Boliang, Wang Long, et al. Transfer of freight flow between highway and railway based on carbon emissions[J].JournalofSoutheastUniversity(NaturalScienceEdition), 2015, 45(5): 1002-1007. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2015.05.032.(in Chinese)

[7]荣海涛, 宁宣熙. 改进蚁群算法在公路煤运路径选择中的应用[J]. 计算机工程与应用, 2009, 45(12):239-241,245. DOI:10.3778/j.issn.1002-8331.2009.12.076.

Rong Haitao, Ning Xuanxi. Improved ant colony algorithm and its application in routing selection of coal transportation[J].ComputerEngineeringandApplications, 2009, 45(12):239-241,245. DOI:10.3778/j.issn.1002-8331.2009.12.076.(in Chinese)

[8]程博, 杨育, 刘爱军, 等. 基于遗传模拟退火算法的大件公路运输路径选择优化[J]. 计算机集成制造系统, 2013, 19(4):879-887.

Cheng Bo, Yang Yu, Liu Aijun, et al. Highway transportation route selection optimization based on improved genetic annealing algorithm[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems, 2013, 19(4):879-887.(in Chinese)

[9]Crainic T G, Ferland J A, Rousseau J M. A tactical planning model for rail freight transportation[J].TransportationScience, 1984, 18(2):165-184.

[10]Haghani A E. Formulation and solution of a combined train routing and makeup, and empty car distribution model[J].TransportationResearchPartB:Methodological, 1989, 23(6):433-452. DOI:10.1016/0191-2615(89)90043-x.

[11]Cordeau J F, Toth P, Vigo D. A survey of optimization models for train routing and scheduling[J].TransportationScience, 1998, 32(4):380-404.

[12]高旭敏, 周潮, 顾炎. 铁路网货车车流经路分配的优化模型及算法[J]. 铁道学报, 1992, 14 (4): 43-48.

Gao Xumin, Zhou Chao, Gu Yan. The optimization model and algorithm of the distribution of cars’ paths in a railway network[J].JournaloftheChinaRailwayScience, 1992, 14(4):43-48. (in Chinese)

[13]史峰, 李致中. 铁路车流路径的优选算法[J]. 铁道学报， 1993, 15(3):70-76.

Shi Feng, Li Zhizhong. An algorithm for the wagon path problem[J].JournaloftheChinaRailwayScience, 1993, 15(3):70-76. (in Chinese)

[14]孙晚华, 郑时德. 铁路车流径路优化算法的研究[J]. 北方交通大学学报, 1995, 19(S1):39-44.

Sun Wanhua, Zheng Shide. Study on the optimization algorithm of railway wagon flow path[J].JournalofNorthernJiaotongUniversity, 1995, 19(S1):39-44. (in Chinese)

[15]林柏梁, 徐忠义, 黄民, 等. 路网发展规划模型[J]. 铁道学报, 2002, 24(2):1-6. DOI:10.3321/j.issn:1001-8360.2002.02.001.

Lin Boliang, Xu Zhongyi, Huang Min, et al. An optimization model to railroad network designing[J].JournaloftheChinaRailwaySociety, 2002, 24(2):1-6. DOI:10.3321/j.issn:1001-8360.2002.02.001.(in Chinese)

[16]曹学明, 王喜富, 林柏梁. 重空车流径路及多车种空车调配协同优化模型[J]. 中国铁道科学, 2009, 30(6):114-118. DOI:10.3321/j.issn:1001-4632.2009.06.019.

Cao Xueming, Wang Xifu, Lin Bailiang. Collaborative optimization model of the loaded & empty car flow routing and the empty car distribution of multiple car types[J].ChinaRailwayScience, 2009, 30(6):114-118. DOI:10.3321/j.issn:1001-4632.2009.06.019.(in Chinese)

Integrated optimization of transfer of freight flow in land transportation system and transportation flow assignment based on low carbon emissions

Chen Lei1Lin Boliang1Wen Xuhong1Wang Long2Li Jian1

(1School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China) (2China Railway Economic and Planning Research Institute, Beijing 100038, China)

Abstract:Based on the different characteristics of highway and railway freight transportations, the integrated optimization of transfer of freight flow in the land transportation system and the transportation flow assignment was studied to achieve the goal of low carbon transportation, and the corresponding 0-1 mathematic model was put forward. The objective function of the proposed model was to minimize the total cost of the land transportation system including the cost of carbon emission. The constraints of the model were set as the transfer capacity limitation of the railway nodes, the transportation capacity limitation of highway and railway transportation arcs, and the tree-type routing characteristics of railway transportation flow assignment and so on. A numerical case was given to solve the proposed model. The results show that due to the advantages of rail transport in terms of cost and carbon emission, the total cost of the land transport system, including the cost of carbon emission, is greatly reduced after the transfer of freight flow. In addition, through the reassignment of freight flow of railway network, the transport paths are optimized and the utilization rate of the railway is improved.

Key words:land transportation system; integrated optimization; transfer of freight flow; transportation flow assignment; carbon emission

doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.036

收稿日期:2015-12-03.

作者简介:陈雷(1989—)，男，博士，讲师；林柏梁(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，bllin@bjtu.edu.cn.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378056).

中图分类号:U292.32

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0671-04

引用本文: 陈雷,林柏梁,温旭红,等.低碳运输下陆路运输系统货流转移及流量分配综合优化[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):671-674. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.036.