CN107967590A - 一种城市地下物流系统的最优化建构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种城市地下物流系统的最优化建构方法，其主要运用贪婪算法和集合覆盖模型进行选址和路径优化，可大大减少城市地面交通中货运车的数量，进一步的缓解城市交通拥堵的情况。

Description

一种城市地下物流系统的最优化建构方法

技术领域

本发明涉及地下空间开发与应用及交通运输工程领域，尤其涉及一种城市地下物流系统的最优化建构方法，包括地下物流系统的选址与路径优化两个方面。

背景技术

城市人口的增多和城市商业的发展带动了城市车辆数量的增长，由此造成世界范围内的大城市都遭到了交通拥堵情况，因此引发的交通事故发生次数增加、噪声和环境污染、能源浪费等问题，已经严重影响了居住在城市中的人民的生活品质和威胁了生活环境的安全，迫切需要有一种有效的措施来改善这一现状。然而，交通问题普遍带有复杂性和持续性，大部分大型城市未能突破“交通拥堵——改建/扩建新路——车辆增加——再度拥堵”的恶性循环，所以单纯靠改建、扩建道路，很难满足未来交通快速增长的需求，解决现在面临的交通拥堵难题。

导致城市交通拥堵的主要原因是交通需求激增所带来的地面道路上车辆、车次数量巨增，其中部分是货物物流的需求增长。虽然货运车辆的总体数量不多，但由于其本身体积较大、载重时行车缓慢，因此车流中有货运车时，会打打降低道路的通行能力。大量实践证明，仅通过增加地面交通设施来满足不断增长的交通需求，既不科学也不现实，地面道路不可能无限制地增加。因此“统筹规划地上地下空间开发”势在必行，“地下物流系统”正受到越来越多发达国家的重视。

地下物流系统(Underground Logistics System——ULS)是指城市内部及城市间通过类似地铁的地下管道或隧道运输货物的运输和供应系统。它不占用地面道路，减轻了地面道路的交通压力，从而缓解城市交通拥堵；它采用清洁动力，有效减轻城市污染；它不受外界条件干扰，运输更加可靠、高效。地下物流系统不占用地面道路，能缓解城市交通的同时减轻城市污染，在解决城市交通拥堵问题上具有巨大潜力。地下物流系统是城市地下空间资源利用的一种有效形式，也是未来建设地下城市实现的最终目标之一。并且，地下物流系统作为一种符合可持续发展要求的大型交通运输系统，在未来物流、交通运输和经济发展中将扮演重要角色。

发明内容

为了缓解城市交通拥堵现象，本发明提供了地下物流系统选址与路径优化的方法，从而可以减少城市地面货运车数量，保证城市地面交通的畅通，具体技术方案如下：

一种城市地下物流系统的最优化建构方法，该方法包括地下物流节点的选取a和路径的规划b；其中物流节点选取的步骤为：

(a1)获取物流园区的数量P和各个物流节点的数量Q'。

(a2)获取二级节点之间的货运量以及每个二级节点的服务半径r。

(a3)通过运用集合覆盖法确定二级节点的个数，用M表示二级节点的集合，各个二级节点为{M₁,M₂,...,M_i,...,M_m}。

(a4)从上述m个二级节点中选取n个作为一级节点，构成一级节点的集合为N，其中各一级节点为{N₁,N₂,...,N_j,...,N_n}。满足以下约束条件：

Q＝{1,2,...,q}表示所有节点的集合,TPI_k表示集合Q中的节点k的服务区域的交通拥堵指数；q_k表示节点k货运量。D_k表示货运上限量。(x_i,y_i)表示二级节点M_i的坐标，(x_j,y_j)表示一级节点N_j的坐标；

C_ij表示二级节点M_i被一级节点N_j的覆盖率；

(a5)在基于以上条件下，建立第一规划目标min(n)和第二规划目标式中表示第j个一级节点转运率。从而确定一级节点的位置。

路径的规划的步骤为：

(b1)根据建立的一级节点按照最近距离进行聚类，确定一级节点N_j覆盖的二级节点M_jr,r∈(1,2,...,R)，R为一级节点N_j覆盖的二级节点的个数。

(b2)计算各个二级节点M_jr到一级节点N_j之间的路径长度l_jr；

(b3)计算各个二级节点M_jr到一级节点N_j之间的运输货物总量w_jr；

(b4)每吨货每公里的平均运输成本始终为a元/吨·公里，则根据上述条件得货物的运输成本为：其中TC表示货物运输成本。

(b5)计算物流园区U_p到最近的一级节点之间的路径长度y_p，其中p＝(1,2,...,P)。

(b6)一级节点N_j覆盖的二级节点之间的距离

(b7)计算一级节点之间的路径长度

(b8)计算出轨道的铺设成本为：其中GC表示铺设轨道成本，b为轨道的单位长度的铺设成本。

(b9)根据一级节点数量n、二级节点数量m、单个一级节点建设成本c和单个二级节点建设成本d，计算节点建设费用为JC＝cn+dm，折旧费用为：ZC＝e×(GC+JC),其中e为折旧率。

(b10)根据上述左右条件，建立总成本最小化模型minSC。

最终建立的规划模型为：

对上述目标模型进行求解，即可得出相对合理的城市地下物流系统路径规划。

本发明所涉及的城市地下物流系统建设的有益效果在于：1.缓解交通拥堵。将城市中的货物通过地下物流系统转运，可大大减少城市地面交通中货运车的数量，进一步的缓解城市交通拥堵的情况，使人民出行更加的方便；2.降低交通事故率。城市地下物流系统使货物从地下转运，城市地面交通中的货运车辆减少，将在一定程度上减少交通事故；3.保护城市环境。随着城市地面交通车辆减少，排放的有害气体也会随之减少，对城市的环境大有裨益。

附图说明

图1物流园区与货运点的位置分布图；

图2地下物流系统一级节点与二级节点位置分布图；

图3地下物流系统的路径图。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式对本发明的地下物流系统选址与路径优化方法进行进一步的阐述。

本发明涉及一种城市地下物流系统的最优化建构方法，包括了一级物流节点的选取，和物流系统路径优化。下面以南京市仙林地区物流为例，对本发明作具体说明如下：

地下物流网络由一级、二级节点和节点间地下通道构成。各级节点均与地面衔接并实现多式联运。一级节点与物流园区相连并可跨区域调运货物，从地面收发货物总量上限为4000吨，一级节点之间联通。二级节点从地面收发货物总量上限为3000吨，且与非本区域一级节点仅通过本区域一级节点联通。根据图1所示的物流园区与货运点的位置进行地下物流系统选址时的步骤如下：

1)获取物流园区的数量P为4个，和各个物流节点的数量110个，先把各个物流节点当作地下物流系统的二级节点，则M表示二级节点的集合，各个二级节点为{M₁,M₂,...,M_i,...,M_m}。

2)获取二级节点之间的货运量以及每个二级节点的服务半径r，半径在3公里以内。

3)从上述m个二级节点中选取n个作为一级节点，构成一级节点的集合为N，其中各一级节点为{N₁,N₂,...,N_j,...,N_n}。满足以下约束条件：

Q＝{1,2,...,q}表示所有节点的集合；TPI_k表示集合Q中的节点k的服务区域的交通拥堵指数；q_k表示节点k货运量；D_k表示货运上限量；(x_i,y_i)表示二级节点M_i的坐标；(x_j,y_j)表示一级节点N_j的坐标；表示第n个一级节点转运率，即从物流园区经由最近的一级节点转运至其他所有一级节点的货物量占该物流园区总出货量的百分比；C_ij表示二级节点M_i被一级节点N_j的覆盖率。

7)在基于以上条件下，建立第一规划目标min(n)。

8)在使节点尽可能少的同时，为减少工作量，要求一级节点转运率尽可能低，则建立第二规划目标式中表示第j个一级节点转运率。

9)根据建立的一级节点按照最近距离进行聚类，确定一级节点N_j覆盖的二级节点M_jr,r∈(1,2,...,R)，R为一级节点N_j覆盖的二级节点的个数。

最终建立的多目标规划模型为：

通过建立上述的目标规划模型，求解出一共有31个二级节点，然后通过k-means聚类从31个二级节点中选出4个一级节点，则最终拟建立4个一级节点和27个二级节点，并将一级节点与其附近的二级节点相连，从而确定出图2所示的地下物流系统节点位置分布图。

在进行地下物流系统路径优化时，需要考虑整个系统的总成本，其包括货物运输成本、轨道铺设成本以及隧道和节点建设成本与折旧，因此优化方法模型步骤为：

1)计算各个二级节点M_jr到一级节点N_j之间的铺设隧道的长度l_jr。

2)计算各个二级节点M_jr到一级节点N_j之间的运输货物总量w_jr

3)每吨货每公里的平均运输成本始终为1元/吨·公里，则根据上述条件得货物的运输成本为：其中TC表示货物运输成本。

4)计算物流园区U_p到最近的一级节点之间的轨道长度y_p，其中p＝(1,2,...,P)。

5)一级节点N_j覆盖的二级节点之间的距离

6)计算一级节点之间的铺设轨道的长度

7)根据铺设轨道成本，并结合上述条件，计算出轨道的铺设成本为：其中GC表示铺设轨道成本，b为轨道的单位长度的铺设成本，即4亿元/公里。

8)根据一级节点数量n＝4、二级节点数量m＝27、单个一级节点建设成本c＝1.5亿元/个和单个二级节点建设成本d＝1亿元/个，计算节点建设费用为JC＝cn+dm＝33亿元，折旧费用为：ZC＝e*(GC+JC),其中e为折旧率，为1％。

9)根据上述左右条件，建立总成本最小化模型min SC。

最终建立的规划模型为：

对上述目标模型进行求解，得出的地下物流系统路径如图3所示。

Claims (1)

1.一种城市地下物流系统的最优化建构方法，其特征在于，该方法包括地下物流节点的选取a和路径的规划b；其中物流节点选取的步骤为：

(a1)获取物流园区的数量P和各个物流节点的数量Q'。

(a2)获取二级节点之间的货运量以及每个二级节点的服务半径r。

(a3)通过运用集合覆盖法确定二级节点的个数，用M表示二级节点的集合，各个二级节点为{M₁,M₂,...,M_i,...,M_m}。

(a4)从上述m个二级节点中选取n个作为一级节点，构成一级节点的集合为N，其中各一级节点为{N₁,N₂,...,N_j,...,N_n}。满足以下约束条件：

Q＝{1,2,...,q}表示所有节点的集合,TPI_k表示集合Q中的节点k的服务区域的交通拥堵指数；q_k表示节点k货运量。D_k表示货运上限量。(x_i,y_i)表示二级节点M_i的坐标，(x_j,y_j)表示一级节点N_j的坐标；

C_ij表示二级节点M_i被一级节点N_j的覆盖率；

(a5)在基于以上条件下，建立第一规划目标min(n)和第二规划目标式中表示第j个一级节点转运率。从而确定一级节点的位置。

路径的规划的步骤为：

(b1)根据建立的一级节点按照最近距离进行聚类，确定一级节点N_j覆盖的二级节点M_jr,r∈(1,2,...,R)，R为一级节点N_j覆盖的二级节点的个数。

(b2)计算各个二级节点M_jr到一级节点N_j之间的路径长度l_jr；

(b3)计算各个二级节点M_jr到一级节点N_j之间的运输货物总量w_jr；

(b4)每吨货每公里的平均运输成本始终为a元/吨·公里，则根据上述条件得货物的运输成本为：其中TC表示货物运输成本。

(b5)计算物流园区U_p到最近的一级节点之间的路径长度y_p，其中p＝(1,2,...,P)。

(b6)一级节点N_j覆盖的二级节点之间的距离

(b7)计算一级节点之间的路径长度

(b8)计算出轨道的铺设成本为：其中GC表示铺设轨道成本，b为轨道的单位长度的铺设成本。

(b9)根据一级节点数量n、二级节点数量m、单个一级节点建设成本c和单个二级节点建设成本d，计算节点建设费用为JC＝cn+dm，折旧费用为：ZC＝e×(GC+JC),其中e为折旧率。

(b10)根据上述左右条件，建立总成本最小化模型minSC。

最终建立的规划模型为：

min SC

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对上述目标模型进行求解，即可得出相对合理的城市地下物流系统路径规划。