集装箱甩挂运输调度优化

文/王吉生 朱安格 唐金丽

1.引言

甩挂运输是指牵引车按照预定的运行计划，在货物装卸作业点甩下所拖的挂车，换上其他挂车继续运行的运输组织方式[1]。此种运输形式可以使牵引车在货物装卸搬运停靠站排队等待的时间显著减少[2]，对于牵引车作业效率的提升有很大的帮助。牵引车与挂车之间并不固定，能够根据实际需求进行自由分离[3]，在此种形式的作用下，可以实现集装箱的装卸时间大幅缩短，可自由调度安排，进行优化，集装箱“双重运输”的实现指日可待，甩挂运输使得货车能够承载重物的时间得以延长，为货车运输货物的效率提高提供了另一种可行性的出路。目前，国外对甩挂运输调度的研究比较丰富，国内运输中的甩挂运输的设计和应用较少，为深化我国甩挂运输的传播与推广，本文提出了在特定运输网络下即轴辐式运输网络和循环运输网络采用甩挂运输对集装箱甩挂运输调度优化进行深入研究。对特定运输网络下集装箱装卸运输车辆理论的分析，优化管理模式，加强运输企业的经营管理，提出合理的优化解决方法，为企业物流运输提供节能减排的、低成本、高效率的有效途径。

2.甩挂运输优化分析

2.1 轴辐式网络下的任务集调度优化

2.1.1 轴辐式网络的概述。甩挂运输大多以多个甩挂中心之间的货物交流为主要表现形式。在各个甩挂中心周围的客户群围绕甩挂中心形成一个辐射范围，由而形成轴辐式网络。每个甩挂中心都配备有与其运输能力相对应的牵引车数量，与甩挂中心相对应的客户点同样也配备有挂车。当货物送达时，牵引车原先配备的挂车被甩下，再装上预先准备的另一挂车，送至目标地点。卸货与之同理，但卸货的最后一站为甩挂中心，在此进行集合，实现“点对点”的双向甩挂运输组织形式。甩挂运输网络与传统运输网络的最大不同在于挂车中心的使用，为甩挂运输作业效率的提升提供了很大的帮助。

2.1.2 调度优化

以轴辐式网络为背景，在集装箱的甩挂运输过程中存在两种模式，分别为取箱作业任务和送箱作业任务。当客户点有货物装载需求时，牵引车赶赴此客户点，并相应运载一个空挂车，到达后将空挂车甩下，随即离开执行其他任务，该过程认为是送箱作业任务。与送箱作业任务同理，取箱作业任务的内容是，当客户点的空挂车结束工作任务，处于空闲状态时，牵引车接到指令就随机前往，将空挂车即刻装载，送回到甩挂中心，甩下后随即去执行其他任务。由于在执行各项不同任务时，牵引车的由来各有不同，当牵引车执行完取箱作业任务后，将立刻前往甩挂中心执行下一任务，但若牵引车先行执行送箱作业任务时，其紧后作业任务则来自于与甩挂中心相对应的各个客户中心点。由此，牵引车的运输路径分别以下列四种不同的形式进行呈现。在此过程中取送箱作业任务分别为送空箱、取重箱、送重箱、取空箱[4]作业任务。

第一个路径：首先执行取箱作业任务，随后立即执行另一取箱作业任务；第二个路径：首先执行取箱作业任务，随后立即执行送箱作业任务；第三个路径：首先执行送箱作业任务，随后前往执行取箱作业任务；第四个路径：前首先执行送箱作业任务，随后再去执行送箱作业任务。这四种路径如下图所示。

Fig1 he four types of vehicles routing图1四种车辆路径类型

本文以时间紧迫度为首要考核标准，通过紧迫度衡量各任务执行的先后次序，在此基础之上，使用启发式的算法设计，对牵引车执行任务时的最优路径做出合理规划。为使各个任务集调度优化的时间达到最小值，甩挂运输的效率达到最大化，制定合理科学的牵引车行驶路径方案。首先，假设（1）牵引车与挂车的各项指标保持相统一的状态；（2）牵引车在拖挂时，一辆牵引车只允许拖挂一辆挂车,即一车一挂[5]。；（3）牵引车在拖挂时，无论是空车还是重挂车，其行驶速度保持一致；（4）牵引车取下或者挂上挂车的时间忽略不计[6]；（5）在甩挂运输作业开始之前，所有的任务集都已明确。其次，计算任务集中各个任务的紧迫度，并将各个任务根据时间紧迫度进行排序，时间紧迫度的计算为一常数减去某一未完成任务最早开始时间与当前时间之差，即Em=a-(ETm-Tnow)，m∈L,其中a为一常数，ETm为任务m的最早开始时间，Tnow为当前时间，L为未完成任务集。在确定各个任务的紧迫度排序后，选出最为紧迫的一个任务，执行该任务。

然后，对该任务的性质做出判断，若判定是取箱作业任务，则直接执行，若不是，则更新未完成的任务集，直到生成的最高紧迫度任务，不是送箱作业任务，而是取箱作业任务，生成后，判断新任务是否需要当天完成，若是，则立即执行，若不是，则将该任务加入到未完成任务集，计算其时间窗，当未完成任务集为空时，即可停止计算，若不为空，则重新计算各任务的紧迫度，重新轮回。每执行完一个任务后，都将剩下的未完成任务的时间紧迫度进行新一轮的更新，再次得出新的一个最高紧迫度的任务，选择其进行执行，直至未完成任务集为空集时，停止计算。根据以上启发式算法的设计思路，对集装箱在轴辐式网络下的甩挂运输的最佳路径进行求解，能够得出最优解，为甩挂运输作业的工作效率的提升提供一定的支持。

2.2 循环甩挂运输网络下的牵引车调度优化

2.2.1 循环甩挂运输的概述

循环甩挂运输指的是运用甩挂运输方式在一个闭合且循环的路径中运输货物的一种方式。它要求提前调配充足数量的挂车在各个货物运输的作业点上，接着执行甩挂运输，这就要求牵引车要从起点出发最终回到起点，也就是所进行的线路必须要是一条闭合的环形线路。循环甩挂运输的原理是在闭合的环形线路上进行甩挂作业[7]，它的本质是采用循环调配的方式在一条封闭的路径上进行甩挂运输的操作。即把牵引车作为此次循环甩挂的调度对象[8]，并且将空挂车与货物当成一个整体，对其整体进行实施装卸任务。因为甩挂作业覆盖范围较大，计划、组织起来比较困难。所以，进行循环甩挂运输要满足其运输条件：①货运量大且稳定。循环甩挂运输只有在装载足量的货物进行甩挂运输，才会体现出甩挂运输的优势，也就是说其重要的条件是稳定并且充足的货源。②所有节点能够构成循环式行驶路线。因为循环甩挂的运输线路必须是在闭合、环形的。所以在执行甩挂运输时，牵引车经过的所有分节点的路径必须是循环式线路。③装备完善的站场设施。只有设施完善，才能集中周围的所有货物，接着，在各分节点将执行货物运输的操作。完善货运站场的设施设备之后，货物装卸率便会随之提高，才能让甩挂运输装卸作业的效率越来越高，让这些设施设备可以更好地服务于循环甩挂运输。④良好的交通状况。保证循环甩挂运输的重要条件是完善的道路条件，只有顺畅、平坦的道路，汽车列车才能准时到达。同样，只有优秀的道路条件，循环甩挂运输才能高效执行。⑤足够的装卸作业人员。车辆到达后，工作人员需立即对挂车进行卸货、装货任务，不能等待，否则会影响下一环节的时间。

2.2.2 调度优化

在进行调度优化分析时，要考虑设计循环甩挂线路时的因素如下。（1）根据当前货物量及其预计货物量确定发车时间。预计货运量由网络计划、配送中心计划、路线计划等决定。（2）按照整个执行周期，实现一个周期行程所花费的时效为24的倍数。周期行程包括中转时间、行程时间、机车整备时间等，如果这条路线货运量大，即两班以上出发的路线，一般路线出发时间不严格，可以免除这一要求。（3）在完成一个运输周期所需的时间是二十四的倍数的情况下，那种执行一线两分的路径则不会与其他回路发生循环甩挂。甩挂装置设计的环节更多的情况下更容易发生意外，而且也会影响车辆的正常行驶。（4）在接近的的物流区块分布环形路线设计的路线，这有利于车辆组织操作，同时也方便驾驶员熟悉沿途道路状况。（5）如果实行两地卸货的办法，在转运站装卸时间为两小时，其他因在转运站站停留而消耗的时间也包含在此时段内，按车辆平均速度七十公里每小时，车辆准备时间至少有两小时，以便面对车辆途中容易发生的事故。（6）环线之间没有交叉，即两条环线之间没有重叠的运输段。满足一线两分剔除的线路时，则优先一线两分甩挂。在循环甩挂运输网络下，每个流程设置一个起点，和一个终点，将这两点整合成一个点，而牵引车的行驶途径则需改变，变成路径模式。而且我们设计牵引车从甩挂中心到另一个甩挂中心的路径是一种假设的行驶线路。接着我们需要设置牵引车从装卸作业第一个需求点到转运中心的取箱作业执行完务后，去进行接下来的行驶路径任务；除此之外，牵引车还需执行从装卸作业第二个需求点再到转运中心的取箱作业。

建立一个牵引车调度的优化模型，我们设计启发式规则，去求解一个牵引车所需数量的上限到底是多少，设任务集合，牵引车集合，启发式规则的流程如下所示：首先初始化，设置L=M，i=1，j=1，将任务集L按照时间窗进行从小到大的排序，接着依次把任务i加入到第j辆牵引车的形式路径中，并且判断其是否满足时间窗要求，如果不满足则回到上一步操作，如果满足则计算L=L/i，判断L是否为空，如果不是，则加入i=i+1，j=1,回到最开始的操作中，若果是空的则生成初始解。接着确定牵引车好相关需求数量上限之后，我们应用自适应交叉概率和自适应变异概率的改进遗传式算法，去求出牵引车的最优行驶路径[9]。在优化循环甩挂运输网络下的牵引车调度时，选取某企业货物运输的数值进行试验，使用matlab中，它自带的函数进行我们需要的数值确定分析。紧接着，我们依据启发式规则，在求出一个牵引车最大的需求量的基础下，再使用改进遗传算法求出我们最终所需要的最优解。最终得出在能够组织车辆沿环形行驶的路线上，满足循环调度的要求，提高了车辆的载运能力，压缩了装卸作业停歇时间，提高了里程利用率，是甩挂运输中较为经济、运输效率较高的组织形式之一[10]。

Fig.2 The four types of vehicles routing图2四种车辆路径类型

3.结论：

在装卸搬运货物的过程中，传统的集装箱卡车运输不允许牵引车和挂车相分离，在这种传统的方式下，牵引车在装卸时的等待时间被无意义浪费，牵引车的工作效率低下，牵引车的作业效率在甩挂运输的作用下，能够以明显的比例向上提升，使得排队等候的时间显著降低。这样一种绿色环保的方式，有效降低了物流的运输成本。以牵引车取得最优调度优化路径为设计初衷，高效完成全部任务集为出发点，对牵引车的调度使用路径问题进行具体分析，最终实现通过使用比较理想的小数量车辆来达到降本增效的目的。从更加科学合理的角度，设计甩挂运输牵引车的路径模式，较为广泛地应用于实际生活，有效提高牵引车的工作效率，对甩挂运输作业效率的提升提供帮助。C