铁路既有繁忙干线货运产品布局优化模型及算法_刘杰

文章编号:1673-0291(2013)06-0091-08

铁路既有繁忙干线货运产品布局优化模型及算法

刘　杰,何世伟,宋　瑞,李志杰

(北京交通大学交通运输学院,北京100044)

摘　要:采用节点拆分的方式构建了既有繁忙干线货运产品网络,在此基础上按运输需求的特征对其分类并借鉴服务网络设计的思想,设计了既有繁忙干线铁路货运产品布局优化模型,采用免疫克隆变邻域搜索算法对模型进行求解,最后采用算例对模型和算法进行验证分析,测试结果表明模型和算法具有较好的适用性.

关键词:铁路货物运输;既有繁忙干线;货运产品;免疫克隆-变邻域搜索算法中图分类号:O157.5 文献标志码:A

Optimization model and algorithm for cargo products layout

of existing busy main line

Liu Jie ,He Shiwei ,Song Rui ,Li Zhijie

(School o f T raffic and T ransportation ,Beijing Jiaotong U niversity ,Beijing 100044,China )

A bstract :In this paper ,the service netwo rk of railw ay cargo products is built by using the w ay of node splitting ,and the transpo rtation dem and is classified by the dem and characteristics .Based on the idea of service network desig n ,after the model of optimized layout of cargo products is built ,it is solved w ith

the immune clone -variable neighborhood algorithm .A numerical example is given to verify the model and algo rithm .The results show that the model and algo rithm are of good practical applicability .Key words :railw ay freight traffic ;existing busy main line ;cargo products ;immune clone -variable neighborhood alg orithm

收稿日期:2013-06-21

基金项目:国家“973”项目资助(2012CB725403);铁道部科技研究开发计划项目资助(2012X006-C );中国铁路总公司科研项目资助(2013X005-A );科技部“科技支撑”项目资助(2011BAG01B02-1)作者简介:刘杰(1986—),男,山东莱芜人,博士生.研究方向为交通运输现代组织管理理论与方法.email :ajiede1986@ .

铁路货运产品布局优化,即在现有铁路运输资源条件下(场站、线路、载运工具),以满足用户多样化运输需求为前提组织和开行货运产品,从而形成合理的货运产品布局结构.随着高速铁路的大规模修建,我国铁路主要繁忙干线长期运能紧张局面得以有效缓解,在此条件下,对铁路货运产品布局优化问题进行研究,不但有利于满足铁路多样化运输的需求,而且对提高铁路运输的竞争力具有重要意义.目前在货运产品布局方面的研究,国外较少涉及,与之类似的是服务网络设计研究.文献[1]研究了公路零担货物运输服务网络设计问题,并采用基于次梯度的算法对其求解;文献[2]分析了轴辐式服

务网络的三种结构,构建了多商品网络流优化模型,并以美国联邦快递公司(FedEx )的航空运输服务网

络为案例进行验证;文献[3]以快递业为基础,以时间为标准对网络设计进行了分层探讨,建立了0-1整数规划模型;文献[4]将传统的流量和服务决策变量转换为基于OD 所选运输径路的复合变量,构建了只含有服务决策变量的服务网络设计模型.国内在货运产品方面的研究相对丰富,文献[5]运用图论构建了铁路快捷运输网络,并设计了基于网络流的数学模型;文献[6]提出基于输送能力的列车产品设计与开行方案结合的分析方法,从客流需求角度对客运专线本线运输产品进行设计;文献[7]结合敏捷

第37卷第6期2013年12月 北　京　交　通　大　学　学　报JO URN AL O F BEIJIN G JIAO TO NG UN IV ERSI T Y

V ol .37N o .6

Dec .2013

化货运产品开发的特点,提出了基于QFD的铁路货物运输产品开发模式;文献[8]从战略、战术两个层次对铁路货运产品布局优化进行了研究,分别给出了两个层次的货运产品布局优化流程图.通过对上述文献分析可以发现:国外的研究主要侧重于服务网络的设计,即侧重对服务的开行与否进行决策,而货运产品布局则侧重确定货运产品开行的结构关系,即确定货运产品开行的种类和比例关系,两者在研究内容及模型构建方面都存在一定的区别;国内的研究主要是侧重于宏观层次运输产品的规划,或者是侧重于对某种运输产品开行方案的设计,缺少对运输需求特性及点线能力的综合研究,同时对货运产品在节点内的作业组织考虑较少.本文作者借鉴节点拆分的思想描述货运产品在节点的作业组织,在此基础上构建铁路既有繁忙干线货运产品网络,并根据运输需求特征对其进行层次划分,以铁路运输部门收益最大为目标构建既有繁忙干线货运产品布局优化模型,并采用改进的免疫克隆算法对模型进行求解,从而达到优化铁路运输资源配置,提高铁路运输竞争力的目的.

1　繁忙干线货运产品网络的构建由于铁路既有繁忙干线上开行的货运产品种类非常繁多,如果在货运产品布局优化时,同时考虑货运产品服务径路及其起讫点的优化,将扩大问题的规模,增加求解难度.因此本文首先根据繁忙干线上货运现状、OD需求的特点、货运产品的属性、区域经济发展趋势及一些特殊的限制因素,同时结合现有货运产品的开行情况及对未来货运需求发展状况的判断分析,生成既有繁忙干线货运产品类型备选集合,然后再根据集合中要素构建既有繁忙干线的货运产品网络.所谓货运产品网络是由既有繁忙干线中可能开行的货运产品构成的运输服务网络,它是铁路运营者制定的营运计划的网络表现形式.货运产品网络中的节点为干线中的编组站、大型装卸站点及货运站,而网络中的弧段应为产品的一个运输服务.目前我国既有繁忙干线上大部分是双线运营,而上下行线路及技术站的解编能力也会有一定的差别.因此货运产品网络应该分上下行分别考虑.图1是以某一繁忙干线的上行方向的4个技术站为例构建的初始货运产品网络.

图1(a)为物理网络,图1(b)为根据备选货运产品构建的货运产品网络.我国铁路的货运产品类型按照运输速度方面可以分为:快运产品和普速产品.同时铁路运输部门在运输能力有一定富裕的线路上按照客车化的方式开行了货运班列,随着我国产业结构的调整,班列产品以其优质的服务能够更好的适应货运市场的需要,因此在这里将班列单独作为一类货运产品来考虑.由于本文重点考虑的是干线中技术站间开行货运产品情况,为了缩小问题的规模,对技术站与货运站之间开行的产品不进行优化,即将技术站与货运站间开行的产品类型及其数量作为已知条件

.

(a)

物理网络

(b)货运产品网络

图1　繁忙干线货运产品网络

Fig.1　Cargo products netw ork fo r busy main railway line 在铁路货运产品网络中,有些货运产品在技术站会有解体以及编组作业,而有些货运产品在技术站则只进行中转、甩挂作业,这两种作业在能力占用以及作业时间方面存在很大差别.为了清晰描述货运产品在节点的作业过程,需要对网络进行相应变换.本文借鉴节点拆分的思想来描述货运产品在节点的不同作业[9].

当某些货运产品无需在铁路编组站进行改编作

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