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铁路集装箱班列开行方案与动态定价协同物流工程优化

时间:2018-08-07 19:20来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇物流工程论文,物流工程学科主要是以工学学科作为其理论基础的,它既是技术学科,也有经济学科和管理学科的渗透。
本文是一篇物流工程论文,物流工程学科主要是以工学学科作为其理论基础的,它既是技术学科,也有经济学科和管理学科的渗透。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇物流工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
铁路货运作为一种安全可靠的运输方式,具有运距长、运价低、运量大、全天候的特点,是大宗物资的理想运输方式。铁路集装箱运输是铁路运输中具有较强市场竞争力的运输方式,目前在我国铁路货运中占比逐年上升。但是我国铁路集装箱货运总量在铁路货运总量的占比仍然处于较低的水平,低于集装箱运输发展较为成熟的一些国家。表 1-1 为铁路货运总量及铁路集装箱运量占比情况,以上数据表明,铁路货运总量在逐年减少,出现了负增长。但是铁路集装箱货运量和铁路集装箱货运占比在逐年增长。集装箱货运量的增长和货运占比的增长说明了集装箱班列运输在铁路货物运输中占有越来越重要的地位。目前我国铁路货运定价现状是,大部分地方铁路局和铁路运营公司基本仍然采取固定价格,多数仍然采用基于原铁道部颁布的货物运价号的方法来执行定价。实际证明这种固定运价的价格机制不能适应目前市场化的竞争环境,也不利于铁路运输企业的收益。而当铁路运输决策者希望调整运价,对运价制定又缺乏科学合理的依据。国家发改委将高铁定价权以及货运定价权下放,铁路运价的改革是大势所趋,铁路货运价格必须建立以市场需求为导向的灵活的定价机制。除此之外,铁路集装箱班列开行和停靠决策仍然缺乏科学合理的制定机制,没有依据不同区间货主实际的货运需求量,决策的制定带有很大的主观性,影响铁路运营收益。因此,为铁路运输企业决策者寻求最优运价和开行方案的制定方法是当前形势下亟待解决的问题。
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1.2 研究现状
对于铁路客货运列车开行方案和动态定价的研究,研究重点集中在铁路客运服务上。对于,CapraraA 等基于动态需求的基础上,考虑轨道能力限制和操作限制,对单程铁路线路运行时刻表进行了优化,采用启发式算法进行求解[1]。U. BR NNLUND采用采用拉格朗日松弛算法对考虑线路能力约束的运营利润优化,得出动态更新的双重更新方案[2]。Isaai M T 在列车时刻表和交互的基础上,设计了混合铁路调度算法和禁忌搜索算法,在很短的时间跨度内找到更高质量的解决方案[3]。以上文献的研究对象都是列车的时刻表,没有对列车的停站进行优化,而且仅仅考虑单线运输。对于铁路客运列车开行方案的优化,邓连波、史峰团队的研究较多。邓连波、史峰等在对于铁路客运列车网的开行方案优化,采用了基于路径搜索的 GP 算法和模拟退火算法,算例表明,该模型和算法的优化效果良好[4]。江南、史峰等采用Floyd-Warshall 算法对旅客换乘次数、乘车时间、列车径路等进行了优化,避免了追求单一目标带来的问题,但是合理确定平衡参数及非线性矫正函数较难,对结果影响较大[5]。WANG, Li-min 等建立了双层规划模型来最小化总运输成本、最大化满足乘客需求、最小化乘客总乘车时间,减少了计算复杂度,得出一组最佳的停站时间表[6]。邓鹏等从时间域角度优化开行方案,设计了基于固定需求的蚁群算法[7]。漆昕等对列车开行方案的变量设置提供了新的开放思路[8]。以上文献大多是在单线基础上对的开行方案和停站决策进行优化。
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第 2 章 相关理论与方法
 
2.1 铁路集装箱班列相关理论
2.1.1 铁路集装箱班列运输组织
根据我国全路网集装箱流具体情况,依据铁路集装箱班列开行方案的差异和应遵循的具体原则,综合考虑班列编组形式、车底使用方式和途中作业方式,得到目前我国铁路集装箱班列的运输组织形式主要有以下四种[61]:1.定期直达集装箱班列。根据铁路运输集装箱的需求情况、货源分布和集装箱班列运输的运能运距情况,一般选取运输需求稳定、运量充足的集装箱中心站之间开通定期直达铁路集装箱班列。定期直达班列在既有运行图和线路上定期开行,采取固定起讫点、固定发车时期、固定线路、固定列车运行图且固定编组的“五定”形式,且可以根据客户的需求预约舱位,车底循环使用。2.集装箱专运班列。由于我国城市建设和需求分布比较复杂,不同地区之间大部分没有稳定且充足的货运需求,这就造成了集装箱站点之间的需求不平衡,其箱流量也难以寻求规律,因此不定期开行的集装箱专运班列因此而诞生。相比定期直达集装箱班列,集装箱专运班列同样是在固定运行图上的、固定线路、固订起讫点以及固定编组,车底循环使用,不同的是专运班列是不定期运行的。3.普通集装箱班列。在运输需求不足时,不足以开行直达集装箱班列,可以开行普通集装箱班列。普通集装箱班列在定点、定线、定期、固定编组且车底可循环使用,在运输途中会在途径站点进行集装箱装卸。4.小运转集装箱班列。对于零星、小批量的货运需求,可以开行小运转集装箱班列。不同于普通集装箱班列,其开行没有固定期限,在运行图上也没有专门的运行线路,不固定开行、停靠站点和编组,车底也不固定。
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2.2 Lyapunov 优化方法
Lyapunov 优化技术之所以引起很多学者的研究兴趣以及得到实际的应用主要是因为:1.它可以控制参数的大小使优化结果和最优值无限接近。2.它可以将时变网络的全局优化转化为单一时隙的优化问题。3.在对原目标函数最优化的同时保证网络的稳定性。 本文正是利用 Lyapunov 优化技术的这三个优点来对我国铁路集装箱班列运输网络的开行方案和动态定价综合优化的,并且将网络中货物积压降至满意水平。下面对 Lyapunov 函数及应用做简单介绍。在常微分方程理论中,Lyapunov 函数是一个标量函数,可以用来证明常微分方程平衡的稳定性。由俄罗斯数学家 Aleksandr Mikhailovich Lyapunov 命名,Lyapunov 函数(又称为稳定的李雅普诺夫第二方法)是重要的动力系统稳定性理论与控制理论。在一般状态空间马尔可夫链理论中也出现了类似的概念,通常叫 Foster–Lyapunov 函数。对于某些类常微分方程,李雅普诺夫函数的存在是稳定性的一个充分必要条件。虽然没有构造李雅普诺夫函数的一般技巧,但在许多特殊情况下,李雅普诺夫函数的构造是已知的。例如,对于只有一个状态的系统,二次函数就足够了;一个特殊的线性矩阵不等式的解为线性系统提供李雅普诺夫函数;而守恒定律通常可以用来构造物理系统的李雅普诺夫函数。在冷战期间,当所谓的“第二种李雅普诺夫方法”被应用于航空制导系统的稳定性时,人们对它的兴趣突然上升,这种制导系统通常具有强非线性,而其他方法无法处理。最近,李雅普诺夫指数(李雅普诺夫的一种讨论稳定性的方法)有关的概念在混沌理论中引起了广泛的兴趣。李雅普诺夫稳定性方法也被应用于求解交通分配问题中的平衡解。
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第 3 章 单线铁路集装箱班列固定运价下开行方案优化......... 17
3.1 模型描述 .......... 17
3.2 模型假设 .......... 18
3.3 模型建立和求解 ......... 18
3.4 算例分析 .......... 20
3.5 本章小结 .......... 24
第 4 章 单线条件下铁路集装箱班列动态定价与开行方案协同优化........... 26
4.1 模型描述 .......... 26
4.2 模型假设 .......... 27
4.3 模型建立 .......... 27
4.4 求解算法 .......... 29
4.5 算例分析 .......... 35
4.6 本章小结 .......... 40
第 5 章 成网条件下铁路集装箱班列动态定价与开行方案协同优化........... 41
5.1 模型描述 .......... 41
5.2 模型假设 .......... 42
5.3 模型建立 .......... 43
5.4 模型求解 .......... 44
5.5 算例分析 .......... 47
5.6 本章小结 .......... 53
 
第 5 章 成网条件下铁路集装箱班列动态定价与开行方案协同优化
 
前文第 4 章研究的是单线条件下铁路集装箱班列动态定价与开行方案,起讫点固定,同一个 OD 只有同一趟列车经过。然而在实际情况中,集装箱班列往往是在铁路运输网络中运行的,网络中 OD 的运输需求可能是由很多列车共同满足的,因此研究成网条件下的集装箱班列运输也会更加贴合实际情况。本章在成网条件下,保证运输网络稳定性的基础上,将运价、开行方案与运量协同优化,并且引入扰动变量,使优化后的网络积压控制在特定水平,具有一定的参考价值和借鉴意义。在成网条件下的模型建立和求解将更加复杂,要在考虑各车次列车运行径路、停靠站点的基础上综合优化各班列开行、停靠、运量决策,而且加入了运输网络的运能限制。本章在成网条件下建立了铁路集装箱班列优化模型,并通过 BCPO 算法将整个运营周期内的时变网络全局优化转化为单一时隙的优化问题,并运用和声搜索算法对转化后的问题进行求解,通过算例分析验证了模型和算法的正确性和有效性。
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总结
 
本文针对铁路集装箱班列运输网络,在考虑网络稳定性的前提下,对铁路集装箱班列开行方案和动态定价以及最优运量综合优化。分别在单线固定起讫点条件下以及成网条件下,对铁路集装箱班列运输网络进行了建模和求解。建立了混合整数规划模型,提出了基于 Lyapunov 优化技术的 BCPO 算法,将时变网络的全局优化问题贪婪地转化为单一时隙的优化问题,并在理论上对该转化进行了证明。对于转化后的问题,采用和声搜索算法对转化后的问题进行求解,并对得到的最优决策进行分析,通过实际的算例分析对所建模型和求解算法的正确性及适用性进行了验证,以及不同参数变化对最优结果的影响。通过以上一系列的研究和分析,主要得出以下成果和结论:
(1)在考虑开行和停靠固定成本、每多运一个集装箱的边际成本,以及集装箱班列容量和网络路段的限制之后,建立了综合优化开行方案和动态定价的混合整数规划模型。通过本文算法求解之后,所得最优决策与现有运价决策相比,在目标函数、运输利润和网络货物积压等各方面相比都具有一定的优越性。
(2)本文设计的 BCPO 算法能够解决时变网络中每一时刻结果互相影响难以求解的问题,转化后的模型最优值与原问题时间平均下的全局最优值可以无限接近,通过控制权重值的大小可以在网络稳定性和目标利润之间起到一个平衡作用。这样,既考虑了运输网络的稳定性,又综合优化了定价和开行方案,使铁路集装箱运输企业综合收益最大化。
(3)V 和  提高算法优化性能和控制网络积压的重要工具。V 可以在保证运输网络稳定性的同时权衡目标函数,达到折中的性能。V 越大所得最优化结果就越接近不考虑网络稳定性的时间平均收益,V 越小表示运输企业越看重网络的稳定性。  为网络积压的一个逼近,  的大小不仅影响运营收益,而且应与集装箱站点堆场的容量相适应。如果优化后积压水平过大时可能会使网络处于拥塞状态,客户满意度下降;当优化后积压过少时则会造成集装箱站点堆场设施的闲置和浪费。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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