本發(fā)明涉及水路運(yùn)輸技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種hub-spoke模式下港口集裝箱班輪支線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

集裝箱遠(yuǎn)洋運(yùn)輸作為國(guó)際貿(mào)易、全球經(jīng)濟(jì)一體化的必要手段，具有運(yùn)力大、費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。

集裝箱遠(yuǎn)洋運(yùn)輸對(duì)港口及泊位要求較高，既要有充足的貨源又要有足夠的水深條件，小型港口(包含沿海小型港口、內(nèi)河港口和陸地?zé)o水港)往往不具備開通遠(yuǎn)洋航線的貨運(yùn)組織和靠泊能力，其通過為大型港口喂給的形式，把集裝箱匯集到大型海港后再進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。目前集裝箱遠(yuǎn)洋運(yùn)輸航線主要有鐘擺式、多港掛靠式和hub-spoke式，其中hub-spoke模式更具有成本和時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

目前，有關(guān)hub-spoke模式下港口集裝箱支線雙向運(yùn)輸調(diào)度優(yōu)化模型問題的研究，大多數(shù)研究在考慮空箱調(diào)配、船舶航線速度、船舶配置、班輪時(shí)間、船舶容量、庫存容量等因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建hub-spoke模式下港口集裝箱支線運(yùn)輸調(diào)度優(yōu)化模型。但在考慮集裝箱上水、下水雙向流量和港口水深限制等情況下，如何進(jìn)行運(yùn)輸優(yōu)化和船舶調(diào)度的研究成果較少，尤其是同時(shí)考慮雙向流量和港口水深限制的模型。

因此，考慮在多船型、船舶容量、班輪時(shí)間、雙向流量和港口水深的約束條件下，構(gòu)建樞紐港-喂給港的集裝箱hub-spoke支線運(yùn)輸模型，已成為亟需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種hub-spoke模式下港口集裝箱班輪支線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，

一種hub-spoke模式下港口集裝箱班輪支線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一、建立模型描述；

步驟二、建立模型假設(shè)；

步驟三、建立模型參數(shù)和符號(hào)；

步驟四、建立數(shù)學(xué)模型。

步驟一中，建立模型描述具體為：

在設(shè)定一集裝箱hub-spoke模式遠(yuǎn)洋航線中，構(gòu)建一條遠(yuǎn)洋航線在hub-spoke網(wǎng)絡(luò)一側(cè)的樞紐港v0，樞紐港v0存在n個(gè)喂給港為{vi|i＝1,2,…,n}，航線的周期為t，定義該其航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)由樞紐港和喂給港構(gòu)成的有向有權(quán)的hub-spoke網(wǎng)絡(luò)g＝(v,e,w)，v＝{vi|i＝0,1,…,n}表示網(wǎng)絡(luò)中的港口，e＝(eij)＝(i,j)表示vi與vj之間的航線，i,j∈(1,2,…,n)，i≠j，w＝dij表示航線eij的權(quán)。

步驟二，建立模型假設(shè)具體為：

(2-1)假設(shè)喂給港的集裝箱上水和下水的集裝箱生成量為已知，樞紐港通過差異化的船舶運(yùn)輸把集裝箱從喂給港運(yùn)輸?shù)綐屑~港，并在樞紐港通過大型船舶進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸；

(2-2)每個(gè)喂給港的集裝箱上下水服務(wù)只接受一艘船舶運(yùn)輸服務(wù)，船舶裝載容量不能超過額定裝載容量；

(2-3)從喂給港到樞紐港，不同運(yùn)輸方式的裝載能力、容量、運(yùn)輸速度、費(fèi)用均不一樣，樞紐港需在時(shí)間窗內(nèi)完成運(yùn)輸任務(wù)；

(2-4)船舶由樞紐港出發(fā)，所有的喂給港的集裝箱物流服務(wù)都要完成，并最終回到樞紐港。

步驟三，建立模型參數(shù)和符號(hào)具體為：

(3-1)建立船舶參數(shù)和符號(hào)

(3-1a)在該hub-spoke網(wǎng)絡(luò)中，集裝箱運(yùn)輸?shù)墓ぞ邽榇埃譃閮?nèi)河船舶和近洋船舶，定義為船舶集合；共有k種船舶，mk為第k種船舶的數(shù)量，為船舶的總數(shù)量；

(3-1b)定義船舶屬性集bk，bk＝(sk,ck,dk,uk,pk,fk,ek,λk)，其中k＝1,2,…,k，bk表示第k種類型船舶的屬性集，sk為船舶的折舊費(fèi)用，ck表示船舶的最大容量，dk表示船舶要求的水深，uk表示船舶航行單位距離的費(fèi)用，pk表示船舶靠泊和離港的單位時(shí)間費(fèi)用，fk表示船舶的啟始費(fèi)用，ek表示船舶?？繒r(shí)單位時(shí)間費(fèi)用；λk為0，1變量，當(dāng)?shù)趉種船舶屬于沿海運(yùn)輸船舶時(shí)候λk＝1，否則λk＝0；

(3-2)建立港口參數(shù)和符號(hào)

(3-2a)已知喂給港i上水和下水的集裝箱箱量分別為和為k類型船舶中的第l艘船舶上行離開喂給港i駛向喂給港j時(shí)的船舶箱量；為k類型船舶中的第l艘船舶下行離開喂給港i駛向喂給港j時(shí)的船舶箱量；

(3-2b)定義hi為喂給港i的船舶?？克?；定義dij為喂給港i到喂給港j的航行距離；定義為k類型船舶中的第l艘船舶上行過程中服務(wù)喂給港i的服務(wù)時(shí)間；為k類型船舶中的第l艘船舶下行過程中服務(wù)喂給港i的服務(wù)時(shí)間；為k類型船舶的第l艘船舶由喂給港i駛向喂給港j的航行時(shí)間；為k類型船舶中的第l艘船舶服務(wù)喂給港i的靠泊和離港時(shí)間；

(3-2c)定義控制變量：喂給港i由k類船舶中的第l艘完成上行配送，則否則喂給港i由k類船舶中的第l艘完成下行配送，則否則k類型船舶中的第l艘由喂給港i駛向喂給港j，則xijkl＝1，否則xijkl＝0。

步驟四中，建立數(shù)學(xué)模型具體為：

確定船舶的路徑集對(duì)n個(gè)喂給港的上水和下水集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸服務(wù)，則集裝箱港口hub-spoke支線運(yùn)輸模型的目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件st.

式(1)為目標(biāo)函數(shù)，目的要求所有的船舶的配送成本最小，μp為懲罰項(xiàng)，μ為階段函數(shù)，當(dāng)每艘船舶的花費(fèi)總時(shí)間小于航線周期時(shí)μ＝0，否則μ＝1；p為正數(shù)(p的取值范圍為1000000-10000000)；

式(2)為約束條件，表示所有喂給港的上行集裝箱均被船舶服務(wù)過，且只被一艘船舶服務(wù)；

式(3)為約束條件，表示所有喂給港的下行集裝箱均被船舶服務(wù)過，且只被一艘船舶服務(wù)；

式(4)為約束條件，表示船舶的流量流向閉環(huán)；

式(5)為約束條件，表示每艘船舶的裝載箱量不超過其最大容量；

式(6)為約束條件，表示所有的船舶要從樞紐港出發(fā)，并回到樞紐港；

式(7)為約束條件，表示喂給港水深滿足?？看耙?；

式(8)為約束條件，所有的船舶的服務(wù)完成時(shí)間要小于航線的周期，集裝箱上水裝卸和下水裝卸不能同時(shí)完成。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過構(gòu)建的樞紐港-喂給港的集裝箱hub-spoke支線運(yùn)輸模型，用算法對(duì)模型進(jìn)行求解，可得到集裝箱hub-spoke運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的最佳運(yùn)輸配置。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的支線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化迭代圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種hub-spoke模式下港口集裝箱班輪支線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟一、建立模型描述；

步驟二、建立模型假設(shè)；

步驟三、建立模型參數(shù)和符號(hào)；

步驟四、建立數(shù)學(xué)模型。

本實(shí)施例中，步驟一中，建立模型描述具體為：

在某一集裝箱hub-spoke模式遠(yuǎn)洋航線中，構(gòu)建一條遠(yuǎn)洋航線在hub-spoke網(wǎng)絡(luò)一側(cè)的樞紐港v0，樞紐港v0存在n個(gè)喂給港為{vi|i＝1,2,…,n}，航線的周期為t，定義該其航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)由樞紐港和喂給港構(gòu)成的有向有權(quán)的hub-spoke網(wǎng)絡(luò)g＝(v,e,w)，v＝{vi|i＝0,1,…,n}表示網(wǎng)絡(luò)中的港口，e＝(eij)＝(i,j)表示vi與vj之間的航線，i,j∈(1,2,…,n)，i≠j，w＝dij表示航線eij的權(quán)，本發(fā)明中指港口之間航線的距離。

本實(shí)施例中，步驟二中，建立模型假設(shè)具體為：

(2-1)假設(shè)喂給港的集裝箱上水和下水的集裝箱生成量為已知，樞紐港通過差異化的船舶運(yùn)輸把集裝箱從喂給港運(yùn)輸?shù)綐屑~港，并在樞紐港通過大型船舶進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸；

(2-2)每個(gè)喂給港的集裝箱上下水服務(wù)只接受一艘船舶運(yùn)輸服務(wù)，船舶裝載容量不能超過額定裝載容量；

(2-3)從喂給港到樞紐港，不同運(yùn)輸方式的裝載能力，容量，運(yùn)輸速度，費(fèi)用均不一樣，樞紐港需在時(shí)間窗內(nèi)完成運(yùn)輸任務(wù)；

(2-4)船舶由樞紐港出發(fā)，所有的喂給港的集裝箱物流服務(wù)都要完成，并最終回到樞紐港。

本實(shí)施例中，步驟三中，建立模型參數(shù)和符號(hào)具體為：

(3-1)建立船舶參數(shù)和符號(hào)

(3-1a)在該hub-spoke網(wǎng)絡(luò)中，集裝箱運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ邽榇?，分為?nèi)河船舶和近洋船舶，定義為船舶集合；共有k種船舶，mk為第k種船舶的數(shù)量，為船舶的總數(shù)量。

(3-1b)定義船舶屬性集bk，bk＝(sk,ck,dk,uk,pk,fk,ek,λk)，其中k＝1,2,…,k，bk表示第k種類型船舶的屬性集，sk為船舶的折舊費(fèi)用，ck表示船舶的最大容量，dk表示船舶要求的水深，uk表示船舶航行單位距離的費(fèi)用，pk表示船舶靠泊和離港的單位時(shí)間費(fèi)用，fk表示船舶的啟始費(fèi)用，ek表示船舶停靠時(shí)單位時(shí)間費(fèi)用。λk為0，1變量，當(dāng)?shù)趉種船舶屬于沿海運(yùn)輸船舶時(shí)候λk＝1，否則λk＝0。

(3-2)建立港口參數(shù)和符號(hào)

(3-2a)已知喂給港i上水和下水的集裝箱箱量分別為和為k類型船舶中的第l艘船舶上行離開喂給港i駛向喂給港j時(shí)的船舶箱量；為k類型船舶中的第l艘船舶下行離開喂給港i駛向喂給港j時(shí)的船舶箱量。

(3-2b)定義hi為喂給港i的船舶停靠水深；定義dij為喂給港i到喂給港j的航行距離；定義為k類型船舶中的第l艘船舶上行過程中服務(wù)喂給港i的服務(wù)時(shí)間；為k類型船舶中的第l艘船舶下行過程中服務(wù)喂給港i的服務(wù)時(shí)間；為k類型船舶的第l艘船舶由喂給港i駛向喂給港j的航行時(shí)間；為k類型船舶中的第l艘船舶服務(wù)喂給港i的靠泊和離港時(shí)間；

(3-2c)定義控制變量：喂給港i由k類船舶中的第l艘完成上行配送，則否則喂給港i由k類船舶中的第l艘完成下行配送，則否則k類型船舶中的第l艘由喂給港i駛向喂給港j，則xijkl＝1，否則xijkl＝0。

本實(shí)施例中，步驟四,建立數(shù)學(xué)模型具體為：

確定船舶的路徑集對(duì)n個(gè)喂給港的上水和下水集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸服務(wù)，則集裝箱港口hub-spoke支線運(yùn)輸模型的目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件st.

式(1)為目標(biāo)函數(shù)，目的要求所有的船舶的配送成本最小，μp為懲罰項(xiàng)，μ為階段函數(shù)，當(dāng)每艘船舶的花費(fèi)總時(shí)間小于航線周期時(shí)μ＝0，否則μ＝1；p為一個(gè)正數(shù)(p的取值范圍為1000000-10000000)；

式(2)為約束條件，表示所有喂給港的上行集裝箱均被船舶服務(wù)過，且只被一艘船舶服務(wù)；

式(3)為約束條件，表示所有喂給港的下行集裝箱均被船舶服務(wù)過，且只被一艘船舶服務(wù)；

式(4)為約束條件，表示船舶的流量流向閉環(huán)；

式(5)為約束條件，表示每艘船舶的裝載箱量不超過其最大容量；

式(6)為約束條件，表示所有的船舶要從樞紐港出發(fā)，并回到樞紐港；

式(7)為約束條件，表示喂給港水深滿足?？看耙?；

式(8)為約束條件，t為航線周期，表示所有的船舶的服務(wù)完成時(shí)間要小于航線的周期，集裝箱上水裝卸和下水裝卸不能同時(shí)完成。

實(shí)施例1

將本發(fā)明提出的一種hub-spoke模式下港口集裝箱班輪支線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法應(yīng)用于上海港到美西集裝箱hub-spoke運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)為例，實(shí)施如下：

選取上海港為樞紐港，長(zhǎng)江沿線港口南通、鎮(zhèn)江、揚(yáng)州、南京、常州為喂己港，上海港每周發(fā)一班遠(yuǎn)洋航線，為滿足長(zhǎng)江沿線港口進(jìn)出口需求，所有船舶從上海發(fā)出，根據(jù)時(shí)間窗要求服務(wù)于喂給港，將進(jìn)口集裝箱卸載至相應(yīng)港口，并裝載出口集裝箱，所有船舶在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回到上海港。

樞紐港上海港與喂己港之間的運(yùn)距如表1所示。

表1上海港與喂己港之間運(yùn)距(單位：海里)

各喂己港航道要求水深如表2所示。

表2各喂給港航道水深(單位：米)

一周內(nèi)各喂己港進(jìn)出口箱量如表3所示。

表3各喂己港進(jìn)出口箱量(單位：teu)

由進(jìn)出口箱量可得集裝箱船舶在各喂己港?？垦b卸費(fèi)用，如表4所示。停靠裝卸費(fèi)用包括集裝箱港務(wù)費(fèi)以及集裝箱裝卸包干費(fèi)。

表4各喂己港停靠裝卸費(fèi)用(單位：元)

根據(jù)喂己港進(jìn)出口集裝箱量，代表船型選取350teu，500teu，800teu，1000teu，四種船型基本參數(shù)如表5所示。

表5代表船型基本參數(shù)

四種船型航次成本如表6所示。其中起始費(fèi)用依據(jù)集裝箱船舶折舊費(fèi)求得，按船舶價(jià)值的5％計(jì)收，折舊期限為15年。航行費(fèi)用依據(jù)船舶航行所耗重油與輕油價(jià)格以及船員工資求得?？坎措x港費(fèi)用依據(jù)船舶凈噸求得港務(wù)費(fèi)、船舶噸稅、引航費(fèi)、靠泊費(fèi)、系解纜費(fèi)和拖輪費(fèi)。

表6代表船型航次成本

(數(shù)據(jù)來源：《不確定環(huán)境下支線集裝箱班輪網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究》劉建秋)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，利用多智能體遺傳算法對(duì)模型求解，模型要求集裝箱船舶掛靠喂己港滿足吃水要求，整體航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)滿足時(shí)間窗要求(時(shí)間窗限定為1周)。相關(guān)系數(shù)見表7。

表7多智能體遺傳算法相關(guān)系數(shù)

在win8操作系統(tǒng)下，內(nèi)存為4g，cpu為intel(r)core(tm)i5-4210u的硬件平臺(tái)下，采用matlab2017a平臺(tái)編程，分別用多智能體遺傳算法和遺傳算法優(yōu)化迭代，其過程如圖1所示。

多智能體遺傳算法運(yùn)行時(shí)間12.38秒，算法在25次左右收斂到極值點(diǎn)2336787，算法比較穩(wěn)定。遺傳算法運(yùn)行時(shí)間26.848秒，算法在75次左右收斂到極值點(diǎn)2336787。由優(yōu)化過程可知，多智能體遺傳算法與遺傳算法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，收斂速度與收斂時(shí)間具有明顯的提高。

統(tǒng)計(jì)多次優(yōu)化結(jié)果，求得最優(yōu)支線運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)如表所示。

表8最優(yōu)支線運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。