基于广义费用的集疏运系统优化

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 2.72MB 67 页 15积分
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第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 研究背景
回顾世界交通运输业的发展，大体经历了水运阶段，铁路运输阶段，公路、
航空和管道运输阶段以及综合运输阶段。五种运输方式各具独自的技术经济特征，
在满足运输需求方面各有优势和不足，只有合理分工、相互协作、协调发展，形
成综合运输体系，才能实现最佳的运输社会经济效益。
港口作为综合运输的枢纽和进出口货物的主要集散地，在区域物流网络中起
着举足轻重的地位。港口与腹地间的联系必须通过集疏运系统得以实现，港口集
疏运系统是港口发展的主要因素和基础条件，它是港口经济成长扩张的动脉，是
港口城市集聚、扩散能量的渠道，是联结一个核心（港口）两个扇面（海向腹地，
陆向腹地）的网线，对发挥港口的枢纽作用和经济腹地范围的扩大起着重要作用，
因此改善港口集疏运系统是增强港口运输区位的必要条件。
港口深水化及船舶大型化趋势方兴未艾，庞大的货物流量将对港口集疏运网
络构成巨大挑战，货主将更多地从港口的时空通达性方面,即广义运输成本来评估
和选择挂靠港。如没有足够的时空通达程度，港口将在竞争中失去现有市场。因
此港口经营管理者和研究者对港口发展的注意力逐渐从港口本身的吞吐能力和服
务水平转移到港口集疏运系统的时空通达性上来，如何优化港口集疏运系统已成
为世界港口面临的战略性问题。
港口集疏运系统优化问题实质是区域货运网络优化的一个特殊情况，传统的
区域货运网络优化方法或者是经验的估计分析，或者是城市交通规划方法的简单
推广，理论上仍然没有解决与城市道路网根本不同的包括公路、铁路和水路在内
的综合运输网络的不等质问题。为攻克这个难题，必须同时解决以下两个问题。
一是如何统一标识不同方式网络上的弧和点的阻抗，即如何构建普适的广义费用
函数模型；二是如何协调多货种、多方式的联运体系，即如何构建多方式多货种
的综合运输网络平衡优化模型。本文研究基于广义费用的港口集疏运系统优化问
题，实际上就是在港口集疏运系统这个平台上解决以上问题。
§1.2 研究目的与意义
港口集疏运系统优化是增加港口时空通达性的关键环节，它不仅关系到企业
的经济效益，还会对港口长远战略发展产生影响。因为港口与腹地间的空间联系
必须通过港口集疏运系统得以实现，港口与腹地交通联系线路越多、能力愈大，
港口吞吐规模愈大、地位愈高。因此本次研究目的就是以广义费用最小为目标，
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在港口与腹地之间找到最优的运输方案，合理规划港口运输方式和运输路径，科
学评价港口集疏运系统现状的适应性，为未来扩建或改造提供理论依据。
与港口集疏运系统优化研究有学术渊源的领域有两个，一个是交通网络优化
研究领域，一个是港口物流优化研究领域。交通网络优化的研究学者多把精力投
入在城市交通网络中，研究区域运输网络优化较少，且集中于公路网优化，而集
公、铁、水于一体的综合运输网络优化研究极少；港口物流优化研究学者以提供
物流延伸服务为切入点，注重港口运输功能与配送、集散、中转、仓储等其他功
能的结合，对港口运输功能本身的研究限于定性分析港口运输通道或网络形成和
发展的一般规律，或者利用评价指标方法定量确定港口的最优集疏运通道。
目前这些进行港口集疏运系统优化的方法还有一些不足，在费用函数方面，
一是缺乏综合指标来描述不同运输方式的出行特性，二是缺乏对铁路和水路费用
函数的研究，三是缺乏对枢纽节点费用函数的研究；在分配模型方面没能达到多
货种多方式的网络配流。
以上的不足可以通过建立一套广义费用模型来解决，通过建立包含金钱费用、
时间费用和外部费用在内的广义费用来得到能够描述不同方式出行特性的综合指
标，通过建立统一的公路、铁路和水路的广义费用函数来得到等质的综合运输网
络，通过建立枢纽的物理模型和广义费用函数来实现多种方式联合运输，通过建
立能够体现具有不同时间价值货物的广义费用函数来实现多货种的流量分配。因
此本文参考国内外相关成果，构建这样一套实用的广义费用模型，并依据港口集
疏运系统的特性，来研究基于广义费用的集疏运系统综合运输优化问题具有很大
的理论和现实意义。
§1.3 国内外研究现状
§1.3.1 关于集疏运的相关研究进展
发达国家的港口已处于成熟期，吞吐量增长趋于稳定，且后方集疏运系统已
很完善，因此国外单纯研究港口集疏运系统优化的文献较少，大多视为区域货运
系统的一个的子系统，应用货运网络优化模型，与公路网和铁路网一起分析研究[1]。
可以说货运网络优化模型是集疏运网络优化的基础，国内外相关研究进展如下。
区域货运网络优化在 20 世纪 70 年代之前的应用局限在相当简单的网络上，
运用运筹学中的一些经典方法进行物资运输问题的优化，主要方法有表上作业法、
最短路线法、最小费用最大流法等。这种以经典运输问题为代表的货运网络优化
方法，实际是货运网络的极端简化，很难将运输过程中所发生的费用都考虑进去，
不能反映实际运输问题的复杂性，如对运输中转分拨和多种方式联合运输等问题
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都没有考虑。
Friesz et al.［2］［3］于1985 年提出运输网络平衡模型（FNEM），FNEM 引入了两
个决策主体——托运人和承运人（Shippers and Carriers）共同决定货物在运输系统
中的运行状态。为了克服解决连续决策问题的困难，提出托运人和承运人在各自
不同的网络中进行决策，其等价数学模型包含非线性目标函数和约束条件，费用
函数是路径的边际成本。Friesz et al.［4］在以上研究基础上又提出新的改进模型，
把非线性约束条件改为线性的约束条件，同时增加了运输市场是完全竞争的条件，
把运价视为等于边际成本，因此费用函数为表示运价的常数。这种以 FNEM 为代
表的货运网络优化方法，证明应用在决定系统行为的托运人和承运人数量非常少
的物流网络研究中是比较成功的，但到目前为止未能开发出实用的规划工具，主
要是因为所有路径需要人工列出，应用在实际网络中的优化时模型会变得异常复
杂。
Guelat,J., Florian,M., et al. ［5］在1990 年首次提出多方式多货种网络的优化模
型，且应用于加拿大货物运输的战略规划，模型是在用于区域货运系统规划图形
交互式软件 STAN（Strategic Transportation ANalysis）中实现的。STAN 避免了托
运人和承运人决策问题，承运人在一个多式联运网络中进行路径选择，但以系统
最优为平衡条件，托运人的决策由需求预测模型替代，表现形式为 OD 需求矩阵。
Russel et al.［6］和Souleyrette et al.［7］分别在 1992 年与 1996 年把多方式多货种网络
模型运用到 Iowa 的运输网络规划中。前者研究了运输不同货种的运载工具如何根
据型号和大小换算成一个当量的问题，后者提出一个用于 Iowa 货运需求预测的双
层规划模型。之后 STAN 成功运用在多个国家的货运网络优化和规划的实际项目
中。以 STAN 为代表的货运网络优化方法，具有多方式多货种的网络配流模型及
算法，能够反映货物中转及多式联运问题，且能够应用在大规模货运网络中，实
用性非常强。
随着世界经济中心向亚太地区转移，世界航运的重心也从大西洋转移到太平
洋，特别是东北亚地区。而我国港口正是这一趋势的主要推动者，一方面港口吞
吐量飞速增长，一方面大型港口建设工程不断上马，但港口集疏运系统的建设滞
后于港口本身的建设，国内学者对港口集疏运系统方面有不少基于我国国情的研
究，主要集中在以下三个方面：
1) 港口集疏运系统总体研究进展
港口集疏运系统总体研究主要分析国内港口集疏运系统的构成、现状、存在
问题、形成机理和改善建议等，为进一步定量研究港口集疏运系统打下了基础。
石良清等［8］阐明了港口集疏运系统的构成，分析了我国集疏运系统的目前的运营
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状况。韩增林和安筱鹏［9］论述了集疏运网络形成和发展的一般规律,并分析了东北
集装箱运输网络的发展现状、存在问题及发展规划。朱晓宁［10］探讨集装箱运输通
道的形成原因、一般运作机理和发展趋势。
2)国际集装箱运输通道优化研究进展
国际集装箱运输是目前多式联运的主要形式，国内学者多利用各种计算评价
指标方法选择最优的集装箱运输通道。孔庆瑜、施其洲等［11］给出集装箱运输通道
的定义，应用多目标决策模型对集装箱运输通道进行综合优化评价。韩增林等［12］
用模糊数学的方法，选择典型地区对集装箱运输通道进行不同约束条件下的评价。
王春芝等［13］
利用灰色系统理论建立以当量运距最短和运输日数最少为目标的港口
运输通道选择决策模型。
3)港口集疏运网络优化研究进展
对于港口集疏运网络优化问题，国内研究主要是利用各种交通运输网络配流
方法对港口集疏运网络进行优化配流。利用网络配流方法优化港口集疏运路径，
提高了对集疏运系统定量分析的技术水平。
目前大多数研究和实践均利采用多路径概率分配模型来进行路径配流，主要
原因是该方法运用简单，网络和阻抗模型比较容易确定，且不需依赖计算机进行
运算。宋炳良［14］及方然［15］在描述港口群腹地集装箱运输系统网络的基础上，应
用多路径概率分配模型，对典型地区的集装箱运输系统网络进行优化配流。上海
海事大学利用多路径概率分配模型对上海港集装箱集疏运系统进行研究［16］
。多路
径概率分配模型亦存在不少局限性，主要问题有：网络模型不能如实反映集疏运
网络、网络弧的费用函数基本假设为常数、不能解决多种方式联合运输的问题、
只能研究单货种的情况。
集疏运网络优化的方法还有基于 STAN 的网络平衡配流模型［17］
，该方法原理
更为复杂，只能通过计算机来完成流量分配，但能够克服多路径概率分配模型的
缺陷，如能够反映港口集疏运的真实网络，可应用在大规模网络中；能够解决货
物中转及多式联运问题，能够体现出不同种类货物的流量分布特性，因此应用该
方法能更深入地研究港口集疏运网络。目前国内应用该方法对集疏运系统进行研
究的只有上海理工大学区域交通运输规划研究所，该所早在上世纪八十年代就开
展了货运优化的研究，并研制了具有自主知识产权的专业软件 NETSYT－Ⅱ，2004
年又首先在国内把基于 STAN 的多方式多货种的网络平衡配流方法应用于温州港
集疏运网络的研究中［18］
，2005 年应用于烟台港战略发展规划中［19］
，2006 年又对
浙江省沿海主要港口的集疏运系统进行优化［20］
。
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§1.3.2 关于广义费用理论的相关研究进展
费用函数是交通分配的关键，狭义的费用函数把车辆出行所花费的行程时间直
接看成费用阻抗；广义的费用函数则综合考虑了行驶费用、旅行时间价值、运输
可靠性程度等各种与网络服务水平相关的因素。
1）狭义的费用函数研究
狭义的费用函数核心思想就是建立路段行程时间和道路上机动车交通量之间
的函数关系。比较有代表性的有美国联邦公路局 BPR 模型、
Davidson 建议的路阻
函数和英国道路和交通实验室的 TRRL 模型以及我国学者提出的一些经验模型
［21］
：
BPR 模型
])/(1[
0
cvtt
（1-1）
式中，t0——零流时间，min
V——路段机动车交通量，veh/h
c——路段实际通行能力，veh/h
、
——参数。
Davidson 模型
)]
xc
x
(J1[tt
aa
a
0
（1-2）
式中，xa——路段上的交通流量，veh/h
ca——路段的通行能力，veh/h
J——模型参数，可认为是拥挤系数
道路和交通实验室的 TRRL 模型
t＝L/v （1-3a）
v＝49.9-0.163(q+430)/(w-r) (16 km/h≤v≤38km/h) （1-3b）
v＝67.6-0.123(q+1000)/(w-r) (32 km/h≤v≤56km/h) （1-3c）
式中，q——流量，veh/h
w——车道宽度，m
r——缩减量，m
L——路段长度，km
我国的回归路阻模型
4
3k
2
2
2
k
1
1
10 )
c
v
(k)
c
v
(k1tt
（1-4）
式中，v1、v2——机动车、非机动车路段交通量，veh/h
c1、c2——机动车、非机动车路段实用通行能力，veh/h
k1、k2、k3、k4——标定参数
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2）广义的费用函数研究
广义费用来源于经济领域，最早的含义是“企业因生产经营活动和其他活动
而发生的全部经济利益的总流出”。广义费用应用到交通运输领域，多见于城市道
路和公路网络规划中，是基于网络规划对于道路服务水平的一切属性的综合评价
的需要。
广义费用函数从效用函数演变而来，为模拟货主心理活动，确定每种运输方
式或运输路径一个效用值，反映货主选择得到好处的大小，货主总希望选择效用
值最大的方式或路径。效用函数包括运输的时间性指标 X1、经济性指标 X2、安全
性指标 X3和方便性指标 X4，不同货物对上述四项指标的要求是不一样的,所以还
须考虑指标的权重 W，效用函数可以表示为：
V＝－W1X1－W2X2＋W3X3＋W4X4（1-5）
广义费用函数实际是效用函数的负函数 C＝－V＋a。
在城市道路交通网络中，时间常常被作为唯一计量单位，这有以下三点原因：
其一，经验研究表明，走行时间是影响道路流量的主要阻力；其二，几乎所有其
他道路阻抗均与时间密切相关；其三，时间要比其他阻抗更易于测定。但在城市
公交网络中，亦常用到广义费用的概念，以反映不同人群对于公交路径选择的行
为特征［22］
，其广义费用函数可表示为：
C＝
KaFatatata 54332211
（1-6）
式中，
1
t
、
2
t
、
——选用某方式的在途时间、步行时间和等待时间
F——旅行直接付出的费用
K——安全性、舒适性和方便性等服务属性
a——各费用元素的权重
在公路网络中，公路服务水平的属性一般有距离、旅行时间、流量-速度关系
以及其他费用（如燃料费、道路收费）等等。目前世界各国在公路网规划中，一
般在理论上把广义费用定义为与道路服务水平最有关的旅行时间和道路长度这两
个属性的结合，表示为旅行时间和道路长度的线性组合［23］
：
aaa dtC
（1-7）
式中，
——道路a上旅行时间
a
d
——道路a的长度
、
——权重系数
在我国，文献［24］认为以上公式只考虑时间和道路长度的影响，实际规划
中还有行驶费用及道路收费等也应包含在广义费用中，而且公式中的系数α、β
没有实际物理意义，对广义费用概念扩展带来诸多困难，因此利用吉林省公路网
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络调查数据定义广义费用函数为：
aaaa tollCtCpC
（1-8）
式中，
a
Cp
——道路a的行驶费用
a
Ct
——道路a上旅行时间费用
a
toll
——道路a收费
在区域综合运输网络层面上，货主选择运输方式和运输路径的标准最为复
杂，除了费用和时间外，还包含运输的安全性、方便性、环保型等方面，光有一
两个指标已不能精确反映综合运输网络的服务水平。譬如公、铁、水三种方式比
较，单位费用方面，水路最省，公路最贵；速度方面，铁路最快，水路最慢；方
便性方面，公路最优、水路最差；货损率方面，公路最优，铁路最差；事故安全
性方面，铁路最优，公路最差；环保型方面，水路最优，公路最差。由此可见，
不同方式具有不向的出行特性，都有自身的优势与劣势，因此如果不考虑广义费
用，综合运输网络流量分配必将产生较大的偏差，而使用广义费用时，由于综合
考虑了关于服务水平的诸多属性，所以在实际应用上能够减少由于特殊情况而对
分配本身带来的误差。
综上所述，可以得到目前国内外关于费用函数的研究仍存在的一些问题。
1、国内外交通费用函数研究集中于城市道路网络，以客运为主要研究对象，
而对区域货运网络的费用函数的研究较少，且主要局限于区域公路网，铁路和水
路的运输费用一般用常数表示，缺乏综合运输网络的费用函数的研究；
2、传统使用的费用函数往往是狭义的，主要以旅行时间替代费用值，这种替
代方法在城市道路网络规划中不会产生大的误差，但在区域货运网络层面上，按
照走行时间最小的原则进行分配，这对于出行特性各不相同的交通方式进行综合
分配时显然是不合理的，需要建立包括金钱成本、时间成本和外部成本在内的广
义费用函数；
3、在城市交通网络中，重要节点如交叉口的阻抗函数已有不少研究，但区域
货运网络的重要节点如转运枢纽的费用函数的研究接近空白，且不能套用交叉口
阻抗函数的形式，所以不同情况下的转运枢纽费用函数如何建立值得研究。
§1.4 主要研究内容
本文的研究内容是运用综合交通运输社会经济效益最大化理念，考虑物流和
不同货种和运输方式的特点，在相关研究理论分析的基础上，采用广义费用理论，
对运输系统的综合成本进行定量描述，并在此基础上建立港口集疏运系统优化模
型，最后进行实证分析。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1研究背景回顾世界交通运输业的发展，大体经历了水运阶段，铁路运输阶段，公路、航空和管道运输阶段以及综合运输阶段。五种运输方式各具独自的技术经济特征，在满足运输需求方面各有优势和不足，只有合理分工、相互协作、协调发展，形成综合运输体系，才能实现最佳的运输社会经济效益。港口作为综合运输的枢纽和进出口货物的主要集散地，在区域物流网络中起着举足轻重的地位。港口与腹地间的联系必须通过集疏运系统得以实现，港口集疏运系统是港口发展的主要因素和基础条件，它是港口经济成长扩张的动脉，是港口城市集聚、扩散能量的渠道，是联结一个核心（港口）两个扇面（海向腹地，陆向腹地）的网线，对发挥港口...

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