基于多目标规划的铁路大型装车点选址模型设计

尚 影, 王先传

(1.阜阳幼儿师范高等专科学校,安徽 阜阳 236015;2.阜阳师范大学,安徽 阜阳 236037)

近几年,随着全球城市化进程的加快,我国铁路在中远距离运输方面的技术含量越来越高,其经济相对优势也越来越大。在铁路运输中,大型装车点的选择是一个非常关键的问题,选择适当的大型装车点可以有效地减少整个运输成本,从而提高整个运输行业的发展[1]。现阶段建立铁路大型装车点则是我国铁路建设的一项战略计划,`通过建立铁路大型装车点的选址模型,可以有效地提高铁路运输的竞争能力、提高运输效率、降低企业成本、降低用户的运输成本,实现路、企双方的双赢;通过建立大型铁路车站的选址模式,可以加速我国铁路大中型车站的建设,优化铁路货运体系,改革运输组织模式,推动铁路货物集约化、规模化发展;通过对大型铁路车站的选址模式的研究,可以丰富铁路大型车站的选址模式。所以,对大型铁路车站的选址问题进行深入的探讨,为今后的选址和建设提供有益的借鉴。

1 多目标规划及其一般模型形式

多目标规划是一种新的数学规划方法。重点是在给定的范围内,多目标函数的优化问题。该方法基于线性规划,针对多目标问题的求解,在经济管理、政府管理、大型项目优化、人力资源管理等领域有着广泛的应用。

多目标规划的应用领域十分广泛,存在着许多可供优化的问题,且所需的模型也因其不同而异。通常,多目标规划的数学模型的一般形式为:

min(f1(x),f2(x),…,fk(x)),s.t.x∈X

2 选址规划的影响因素

一系列的内外因素对铁路大型装车站的选址方案都有一定的影响,这一点与其它车站选址方案具有同样的意义。而内因则是与资源、设备、设施、市场、环境、政策等方面有关[3]。总体而言,影响选址规划的主要因素有3个方面。

2.1 经营环境因素

(1)政策因素。政策因素对大型铁路车站的选址方案有较大的影响。只有在国家政权稳定的情况下,才能制定出比较合理的计划,而在国家政权的稳固和法制的保障下,商业不能被垄断。只有满足了以上条件,我们才能在政治上对大的铁路车站进行合理的规划。另外,地方政府的政策与需求也会对项目的选址有一定的影响。

(2)经济因素。经济因素也会对项目的选址和规划产生重要影响。经济因素包括:当前的经济发展、体制和市场机制、财政收入水平、国际贸易等。对企业而言,合适的选址不仅要考虑到经济上的宽松条件,还要考虑到关税、税收、劳动力素质和成本。

(3)商品因素。在选址规划中,商品因素起着关键作用。在货物上,主要关注的是对货源的需求和货源地的分布。适当的大型列车装卸站必须具备足够、稳定的运输能力、良好的运输基础、较大的货物需求和较密集的货物。达到上述要求的装车地点,既能缩短运输距离,降低成本,又增加了对货物的吸引力。

(4)运输因素。影响运输的因素主要有区位优势、交通便利度,如果在大型装车站选址时能充分考虑到这些问题,并合理选择适当的地点,可以减少运输成本,提高运输效率,增加货物数量,增加大型装车点的竞争能力。

2.2 成本费用因素

(1)定金。定金是大型铁路车站选择了特定的地点,并在运营后为维护其正常运转所支付的费用,而这种费用与货物的运载数量无关。固定费用包含机械装卸、设备折旧、日常保养、基本人员、训练等。

(2)改造和扩建工程的成本。在现有的装车点基础上,对新建的大型装车点进行综合改造,并进行重新施工,所需的施工成本,即为此项工程造价。改造和扩建工程的成本,主要包括征地、拆迁、建设、维护等。

(3)变动成本。可变成本是指在铁路大型装车站启用后,进行日常货物装卸、仓储、运输等作业所需的成本。随着运输操作数量的增长,成本也随之提高;随着设施利用率的提高,这一成本也随之降低;随着设备智能化的自动化程度的提高,这一成本也随之降低。

(4)运费。运输成本是由运输距离决定的,运输距离越远,成本就越高。

2.3 可持续性因素

(1)长期规划。大型铁路车站的选址规划要跟上时代步伐,以保证在一定时期内不会被淘汰。特别要满足的条件是:大型铁路车站的位置要与路网总体规划相一致,与现有的道路网络基础设施相匹配,与铁路网络的长期发展需求相一致。

(2)城市整体规划。大型铁路车站的选址必须与未来的城市发展规划相适应,两者能够实现合作、双赢,而不会相互牵制。另外,也要为今后的铁路大型装车站的发展规划作好准备,充分发挥它的作用。

(3)环保的需要。环境因素对规划的影响非常大。同时,在规划设计时,也要充分考虑到周围的自然环境、人文环境,尽量减少对居民的生活造成的影响。大型铁路车站是一个大的集散中心,应该把它建在远离市区的位置,从而减轻城市的交通压力,促进城市的生态文明建设。

3 选址模型设计

3.1 模型假设

为建立合理、切实可行的选址模型,假设如下:① 新建铁路大型装车点只在某一特定的网络区域内,而且选择站点是确定的一部分站点,其地形、环境、交通等方面都符合基本要求。② 确定供货量、市场需求,确定大型铁路装车站有充足的货源,以保证满足货运需求。③ 大型铁路车站的选址规划费用,不考虑由某些客观因素引起的费用。例如,在装卸站运行时的仓储费用和拣货、集货和配货所需的费用,用单位运输费用来替代,把每一种商品的运输费用设定在同一数量上,通常设定为一个固定的常数。在选址规划中,费用仅考虑固定费用、变动费用和改建费用,并明确了每条铁路主要装车点的固定和改扩建费用。④ 在建设大型铁路车站时,应明确大规模铁路车站的选址和选址后的潜在供给量。为更好地建立铁路大型装车点的位置模型,在不同的备选站之间,有可能出现相同的区域,而在重合区,则可以在任何一个候选点上进行装车。⑤ 根据大型铁路车站的选址规划的集约性原则,尽可能地减少车站的位置规划数量,并将此最小数量作为最小的车站选址。

3.2 模型构建

在大型铁路车站选址模型中,采用了以下有关的参数:

i用于代表供应区域;j用于代表另一种大的列车装载点;Xij用于表示从供应地供应i到备选铁路大型装车点j的广义单位运输费用,Ai用来表示考察期内货源供给地i所能提供的货物供给量;Dt用来表示对来自货源供给地i的货物需求量;Wj用来表示铁路备选大型装车点j发出的货运量;Qj用来表示铁路备选大型装车点j所要求的最小作业处理能力;∂j用来表示铁路备选大型装车点j处理单位运输货物的可变费用系数;fj用来表示铁路备选大型装车点j的固定费用;Ej用来表示铁路备选大型装车点j达到应有的最小作业处理能力的改扩建费用之和;Kj用来表示关闭铁路备选大型装车点j所节省的一切费用。

在满足上述5个假设条件的前提下,建立铁路大型装车站选址模型的目标函数是:企业的固定费用、改扩建费用和可变费用之和[5]。

3.3 模型求解

根据目标重要性的大小,可以将多目标规划分成2种,一种是没有优先权的多目标规划,这就是每个目标的重要性都差不多;另一种是有优先权的多目标规划。在铁路大型装车点模型中,由于目标函数之间存在着许多矛盾,因此很难取得满足全部条件的最佳方案。根据以上所述,多目标优化问题的求解方法有:主目标法、线性权重法、层次序列法和步进法。在对实际问题进行分析后,采用层次顺序方法对以上模型进行求解,并根据目标重要性的大小进行分级,以求较好地解决该问题。

(1)在相同的目标下,当存在多个可能的解决方案时,可以将这些解决方案视为最佳的解决方案;

(2)同一级别的重要对象,不必是单一的,也不限定人数。如果同一级别有多个目标,则根据其重要性程度,将其分配到不同的权重;

(3)在层次序列法中,各目标的重要性可以相互比较,因此,在寻求最佳方案时,必须先满足更高层次的目标的限制,然后再确定下一个层次的目标是否符合。

在满足上述假设条件的情况下,由于上述建立的大型铁路装车站选址模型的2个主要目标是寻求最小的铁路公司成本和最小的顾客的运输费用。因此,应该从最小化的角度出发,把顾客的运输成本降到最低。在求解第一个目标时,采用算法,在最小化的情况下,求解第二个目标。

4 算例分析

用Lingo优化软件进行算例运算,算例说明如表1所列。假设在一个特定的经济地区中,设有5个供应地、5个备用的大型装车站,则Cij为从供应地i至铁路备用大型装车点j的单位运输成本,且已知货源供给地i所能供给的货物量和货物需求目的地的实际需求量,如表2所列。根据交互线性通用优化算解器进行计算,相关参数赋值如表3所列。

表1 算例说明 万元

表2 货源供给地i所能供给的货物量

表3 铁路备选大型装车点各相关参数赋值

通过对上述算例计算可知,在以1、4、5号备选大型装车位置为模型的有效解,只考虑了铁路运输企业的总体费用最小。在实现了铁路企业的总费用最小化目标后,以最大的顾客满意为目的,在1、4、5号3个备用的大型装车地点,寻求最优化的方案,使顾客的运输费用最少。

5 结束语

针对大型装车点选址问题的特点,建立了一种基于多目标规划的铁路大型装车点选址模型。该模型充分考虑了各方面的利益,以最小化的成本和最大顾客满意的方式,运用优先权法和优化软件对模型进行了求解,为大规模装车点的选址优化问题提供了一种新的思路。