CN117132184A - 考虑低碳成本的航运网络优化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了考虑低碳成本的航运网络优化系统及方法,系统包括:网络构建模块、模型构建模块、航线计算模块和可视化模块;网络构建模块用于构建水运航线栅格地图,并基于水运航线栅格地图构建航线的有向拓扑网络;模型构建模块用于构建低碳成本测算模型;航线计算模块用于基于低碳成本测算模型和有向拓扑网络分析计算低碳成本航线;可视化模块用于将低碳成本航线反馈至有向拓扑网络中进行可视化处理,得到最优航线网络。本申请运用低碳成本测算模型通过线性规划程序进行求解,从而对该航段水运航线网络布局进行优化,同时对于水运航线网络布局优化以及降低水运环境污染具有重要的理论价值,可为散货水运运输路径选择和航线配船提供参考。
Description
技术领域
本申请属于航运优化技术领域,具体涉及考虑低碳成本的航运网络优化系统及方法。
背景技术
目前航运业每年约燃烧20亿桶原油,排放CO2多于12亿吨,约占全球CO2排放总量的7%。此外,相关资料显示,在我国,船舶硫氧化物年排放量约占全国硫氧化物总排放量的8%,水路运输如何有效降低碳、硫排放正引起广泛关注。
现有研究以海运班轮运输和集装箱运输为主,优化目标函数主要为运营成本最小,关于低碳环境下内河散货运输的相关文献较少。内河散货运输与海运班轮运输及集装箱运输在成本构成、组织过程、航速,以及船型等有很多不同之处,内河散货运输问题不能直接运用现有的海运班轮运输和集装箱运输的研究方法和模型。针对现有研究在内河散货运输方面的不足,结合内河散货运输的特点,构建了考虑低碳成本的内河散货运输航线网络优化模型,在考虑了低碳成本和减载运输,使得综合运输成本最低。
发明内容
本申请旨在解决现有技术的不足,提出考虑低碳成本的航运网络优化系统及方法,运用低碳成本测算模型通过线性规划程序进行求解,从而对该航段水运航线网络布局进行优化,同时实现绿色运输,降低碳、硫排放。
为实现上述目的,本申请提供了如下方案:
考虑低碳成本的航运网络优化系统,包括:网络构建模块、模型构建模块、航线计算模块和可视化模块;
所述网络构建模块用于构建水运航线栅格地图,并基于所述水运航线栅格地图构建航线的有向拓扑网络;
所述模型构建模块用于构建低碳成本测算模型;
所述航线计算模块用于基于所述低碳成本测算模型和所述有向拓扑网络分析计算低碳成本航线;
所述可视化模块用于将所述低碳成本航线反馈至所述有向拓扑网络中进行可视化处理,得到最优航线网络。
优选的,所述网络构建模块包括:第一信息收集单元、栅格化单元和匹配单元;
所述第一信息收集单元用于获取始发港至目的港区域范围内电子江图的内河水域的通航环境信息;
所述栅格化单元用于基于所述通航环境信息对电子江图栅格化得到用于确定可通航水域的栅格图;
所述匹配单元用于以所述始发港、转运港和所述目的港作为航线起止的节点,将航线划分成若干航段,并将航段信息与若干所述航段相互匹配,得到所述有向拓扑网络。
优选的,所述模型构建模块包括:第二信息收集单元、函数构建单元和函数约束单元;
所述第二信息收集单元用于设定始发港集合、转运港集合和目的港集合,获取船舶运营成本指标;
所述函数构建单元用于基于所述始发港集合、所述转运港集合、所述目的港集合和所述船舶运营成本指标,构建目标函数;
所述函数约束单元用于设定所述目标函数的约束条件,得到所述低碳成本测算模型。
优选的,所述航线计算模块包括:第三信息收集单元和计算单元;
所述第三信息收集单元用于获取实际港口数据和实际船舶运营成本数据;
所述计算单元用于将所述实际港口数据和所述实际船舶运营成本数据输入至所述低碳成本测算模型中,利用线性规划程序对所述低碳成本测算模型进行求解,得到所述低碳成本航线。
本申请还公开了考虑低碳成本的航运网络优化方法,包括以下步骤:
构建水运航线栅格地图,基于所述水运航线栅格地图构建航线的有向拓扑网络;
构建低碳成本测算模型;
基于所述低碳成本测算模型和所述有向拓扑网络分析计算低碳成本航线;
将所述低碳成本航线反馈至所述有向拓扑网络中进行可视化处理,得到最优航线网络。
优选的,所述有向拓扑网络的构建方法包括:
获取始发港至目的港区域范围内电子江图的内河水域的通航环境信息;
基于所述通航环境信息对电子江图栅格化得到用于确定可通航水域的栅格图;
以所述始发港、转运港和所述目的港作为航线起止的节点,将航线划分成若干航段,并将航段信息与若干所述航段相互匹配,得到所述有向拓扑网络。
优选的,所述低碳成本测算模型的构建方法包括:
设定始发港集合、转运港集合和目的港集合,获取船舶运营成本指标;
基于所述始发港集合、所述转运港集合、所述目的港集合和所述船舶运营成本指标,构建目标函数;
设定所述目标函数的约束条件,得到所述低碳成本测算模型。
优选的,所述低碳成本航线的分析方法包括:
获取实际港口数据和实际船舶运营成本数据;
将所述实际港口数据和所述实际船舶运营成本数据输入至所述低碳成本测算模型中,利用线性规划程序对所述低碳成本测算模型进行求解,得到所述低碳成本航线。
与现有技术相比,本申请的有益效果为:
本申请运用低碳成本测算模型通过线性规划程序进行求解,从而对该航段水运航线网络布局进行优化,同时实现绿色运输,降低碳、硫排放。同时对于水运航线网络布局优化以及降低水运环境污染具有重要的理论价值,可为散货水运运输路径选择和航线配船提供参考。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案,下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的系统结构示意图;
图2为本申请实施例的方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
在本实施例中,如图1所示,考虑低碳成本的内河散货运输航线网络优化系统,包括:网络构建模块、模型构建模块、航线计算模块和可视化模块;
网络构建模块用于构建水运航线栅格地图,并基于水运航线栅格地图构建航线的有向拓扑网络。
网络构建模块包括:第一信息收集单元、栅格化单元和匹配单元;第一信息收集单元用于获取始发港至目的港区域范围内电子江图的内河水域的通航环境信息,内河水域通航环境信息从电子江图的属性数据库中获得,根据索引文件在图形文件中找到相应的图形信息;栅格化单元用于基于通航环境信息对电子江图栅格化得到用于确定可通航水域的栅格图,采用栅格法处理电子江图是将电子江图转化为网格环境地图,利用环境地图中各点的标记值存储路径规划所需要的通航环境信息,通过识别每一个网格中的数字信息来判断该网格是否为可通航行网格;匹配单元用于以始发港、转运港和目的港作为航线起止的节点,将航线划分成若干航段,并将航段信息与若干航段相互匹配,得到有向拓扑网络,其中,航段信息包括该航段的航道等级、水深及桥梁分布位置和净空高度。
模型构建模块用于构建低碳成本测算模型。
模型构建模块包括:第二信息收集单元、函数构建单元和函数约束单元;第二信息收集单元用于设定始发港集合、转运港集合和目的港集合,获取船舶运营成本指标;函数构建单元用于基于始发港集合、转运港集合、目的港集合和船舶运营成本指标,构建目标函数;函数约束单元用于设定目标函数的约束条件,得到低碳成本测算模型。
在本实施例中,第二信息收集单元用于设定A为水运网络起运港集合A={A1,A2,…,Aa};B为终点港集合B={B1,B2,…,Bb};r为水运网络级别数;Hu为第u级转运港口集合Hu={Hu1,Hu2,…,Huk};Iu为第1级到第u级转运港口集合;M为船型集合M={M1,M2,…,Mm}。
第二信息收集单元还用于获取船舶运营成本指标,其中指标包括:为航段(x,y)上船型M最大载货量;/>为船型M在航线(A,f、)上航行且需途经i港减载由A港出发时的最大载货量;/>为船型M在航线(A,f)上航行且需途经i港减载后的最大载货量;/>为M型船舶经i港减载后所用二程船最大载货量;/>为在x港更换船型后新船型M在航段(x,y)的最大载货量;/>为航段(x,y)上船型M经济航速;/>为航段(x,y)上船型M航行时间;/>为航段(x,y)上港口j的靠泊时间,包括装卸时间和其他停泊时间;Fxy为y港装卸费率;Wi为转运港i最大年货物接卸能力;/>为航段(A,i)上M型船舶通航能力;/>同理;Db为从起运港到终到港b需运输散货量;/>为航段(x,y)距离;Cd为转运中心d的港口转运费;Co为港口使用费;/>为航段(x,y)在y港M型船舶装卸费用;fl、fh分别为轻、重油单价;/>分别为M型船舶轻、重油消耗比例;PM为M型船舶主机功率;QM为M型船舶平均油耗标准;RC为碳税税率,元/吨;α1、αh为轻、重油碳排放因子;Rs为硫税税率,元/吨;εl、εh为轻、重油硫排放因子;DM为M型船舶日固定成本;μ为年营运天数。
决策变量:为航线(x,y)上M型船舶航次数,包括/> 为航线(x,y)上M型船舶数,包括/>Yd为0-1变量,表示转运港d是否被选中。
函数构建单元用于构建目标函数:
式(1)为综合运输成本最低,等式中各项成本分别为船舶固定费用(船员工资、船舶折旧费等)、港口装卸费用、港口使费、船舶航行可变费用(燃油费、润料费、维修费等)和船舶低碳成本。
函数约束单元用于设置约束条件:
式(2)为运量满足需求,不等式左边表示运往目的港的运量,包括直达、中转、减载等三种方式的运量,右边表示目的港货物需求量。
式(3)、式(4)为进出港船舶满足港口接卸能力,不等式左边表示进出港船舶总运量,右边表示港口年设计通过能力。
式(5)、式(6)为进出转运港货量相等,等式左边表示运进i、j港的货量,右边表示运出i、j港的货量。
式(7)、式(8)为转运中心d港未被选中,则d港货物通过量为0。
式(9)为在i港减载,等式右边为运进i港的货量,左边为二程船货量和减载船舶货量之和,两者货量相等。
式(10)等式左边为二程船货量,右边为i港减载货量,两者相等。
Yd=0,1 (11)
年往返航次计算方式如下:
以上完成低碳成本测算模型的构建。
航线计算模块用于基于低碳成本测算模型和有向拓扑网络分析计算低碳成本航线。
航线计算模块包括:第三信息收集单元和计算单元;第三信息收集单元用于获取实际港口数据和实际船舶运营成本数据;计算单元用于将实际港口数据和实际船舶运营成本数据输入至低碳成本测算模型中,利用线性规划程序对低碳成本测算模型进行求解,得到低碳成本航线。
可视化模块用于将低碳成本航线反馈至有向拓扑网络中进行可视化处理,得到最优航线网络。
实施例二
在本实施例中,如图2所示,考虑低碳成本的内河散货运输航线网络优化方法,包括以下步骤:
S1.构建水运航线栅格地图,基于水运航线栅格地图构建航线的有向拓扑网络。
有向拓扑网络的构建方法包括:获取始发港至目的港区域范围内电子江图的内河水域的通航环境信息;基于通航环境信息对电子江图栅格化得到用于确定可通航水域的栅格图;以始发港、转运港和目的港作为航线起止的节点,将航线划分成若干航段,并将航段信息与若干航段相互匹配,得到有向拓扑网络。
S2.构建低碳成本测算模型。
低碳成本测算模型的构建方法包括:设定始发港集合、转运港集合和目的港集合,获取船舶运营成本指标;基于始发港集合、转运港集合、目的港集合和船舶运营成本指标,构建目标函数;设定目标函数的约束条件,得到低碳成本测算模型。
S3.基于低碳成本测算模型和有向拓扑网络分析计算低碳成本航线。
低碳成本航线的分析方法包括:获取实际港口数据和实际船舶运营成本数据;将实际港口数据和实际船舶运营成本数据输入至低碳成本测算模型中,利用线性规划程序对低碳成本测算模型进行求解,得到低碳成本航线。
S4.将低碳成本航线反馈至有向拓扑网络中进行可视化处理,得到最优航线网络。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述,并非对本申请的范围进行限定,在不脱离本申请设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.考虑低碳成本的航运网络优化系统,其特征在于,包括:网络构建模块、模型构建模块、航线计算模块和可视化模块;
所述网络构建模块用于构建水运航线栅格地图,并基于所述水运航线栅格地图构建航线的有向拓扑网络;
所述模型构建模块用于构建低碳成本测算模型;
所述航线计算模块用于基于所述低碳成本测算模型和所述有向拓扑网络分析计算低碳成本航线;
所述可视化模块用于将所述低碳成本航线反馈至所述有向拓扑网络中进行可视化处理,得到最优航线网络。
2.根据权利要求1所述考虑低碳成本的航运网络优化系统,其特征在于,所述网络构建模块包括:第一信息收集单元、栅格化单元和匹配单元;
所述第一信息收集单元用于获取始发港至目的港区域范围内电子江图的内河水域的通航环境信息;
所述栅格化单元用于基于所述通航环境信息对电子江图栅格化得到用于确定可通航水域的栅格图;
所述匹配单元用于以所述始发港、转运港和所述目的港作为航线起止的节点,将航线划分成若干航段,并将航段信息与若干所述航段相互匹配,得到所述有向拓扑网络。
3.根据权利要求1所述考虑低碳成本的航运网络优化系统,其特征在于,所述模型构建模块包括:第二信息收集单元、函数构建单元和函数约束单元;
所述第二信息收集单元用于设定始发港集合、转运港集合和目的港集合,获取船舶运营成本指标;
所述函数构建单元用于基于所述始发港集合、所述转运港集合、所述目的港集合和所述船舶运营成本指标,构建目标函数;
所述函数约束单元用于设定所述目标函数的约束条件,得到所述低碳成本测算模型。
4.根据权利要求1所述考虑低碳成本的航运网络优化系统,其特征在于,所述航线计算模块包括:第三信息收集单元和计算单元;
所述第三信息收集单元用于获取实际港口数据和实际船舶运营成本数据;
所述计算单元用于将所述实际港口数据和所述实际船舶运营成本数据输入至所述低碳成本测算模型中,利用线性规划程序对所述低碳成本测算模型进行求解,得到所述低碳成本航线。
5.考虑低碳成本的航运网络优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
构建水运航线栅格地图,基于所述水运航线栅格地图构建航线的有向拓扑网络;
构建低碳成本测算模型;
基于所述低碳成本测算模型和所述有向拓扑网络分析计算低碳成本航线;
将所述低碳成本航线反馈至所述有向拓扑网络中进行可视化处理,得到最优航线网络。
6.根据权利要求5所述考虑低碳成本的航运网络优化方法,其特征在于,所述有向拓扑网络的构建方法包括:
获取始发港至目的港区域范围内电子江图的内河水域的通航环境信息;
基于所述通航环境信息对电子江图栅格化得到用于确定可通航水域的栅格图;
以所述始发港、转运港和所述目的港作为航线起止的节点,将航线划分成若干航段,并将航段信息与若干所述航段相互匹配,得到所述有向拓扑网络。
7.根据权利要求5所述考虑低碳成本的航运网络优化方法,其特征在于,所述低碳成本测算模型的构建方法包括:
设定始发港集合、转运港集合和目的港集合,获取船舶运营成本指标;
基于所述始发港集合、所述转运港集合、所述目的港集合和所述船舶运营成本指标,构建目标函数;
设定所述目标函数的约束条件,得到所述低碳成本测算模型。
8.根据权利要求5所述考虑低碳成本的航运网络优化方法,其特征在于,所述低碳成本航线的分析方法包括:
获取实际港口数据和实际船舶运营成本数据;
将所述实际港口数据和所述实际船舶运营成本数据输入至所述低碳成本测算模型中,利用线性规划程序对所述低碳成本测算模型进行求解,得到所述低碳成本航线。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117528551A (zh) * | 2024-01-08 | 2024-02-06 | 交通运输部水运科学研究所 | 一种港口运营网络的构建与数据感知方法及系统 |
CN117528551B (zh) * | 2024-01-08 | 2024-03-12 | 交通运输部水运科学研究所 | 一种港口运营网络的构建与数据感知方法及系统 |
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