基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配方法与流程

本发明属于铁路空车调配技术领域，具体涉及一种基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配方法。

背景技术：

我国全路各货物装卸站的装卸车数以及货车车种不尽相同，因此空车需要从卸大于装的车站向装大于卸的车站进行调配。近年来我国甚至是全球突发性的自然灾害及紧急事件均频繁发生，威胁到人民的生命安全，造成一定的财产损失。灾害发生后，急需进行抢险救援、安置灾民、卫生防治、灾后重建等一系列救助安定工作，如何将应急救灾物资及时、高效、安全地运送到灾区是急需解决的问题。而在我国，铁路运输作为运送应急救灾物资的主力，进而涉及到铁路空车调配问题，因此为了保证铁路空车合理调配以达到及时运送应急救灾物资以及减少生命财产损失等目的，考虑时间满意度、应急救灾物资优先权以及车种代用的铁路空车调配研究具有十分重要的意义。

目前，针对铁路空车调配问题，国内外学者从不同方面及角度进行了大量的研究，也取得了丰硕的成果，但大都集中在基本的理论模型、路径优化、重空车流的协同优化、调配方案的动态优化等方面。并且其目标大都是空车走行公里最少、空车调配费用最省等。对于提高时效性、时间满意度、客户满意度等方面的研究还不足，并且从应急救灾物资的铁路空车调配这一角度入手的研究较少。随着社会的发展，客户对于货物送达时效性的要求越渐明显，在灾害频发期，如何快速高效将应急救灾物资送到事故发生地也是亟待研究的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配方法解决了现有的铁路空车调配方法时效性不足的问题。为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配方法，包括以下步骤：

s1、确定运输应急救灾物资时的参考数据；

s2、根据参考数据，确定空车调配时对应的目标函数；

s3、基于确定的目标函数，构建铁路空车调配模型；

s4、确定空车调配模型对应的约束条件；

s5、基于空车调配模型的约束条件，对空车调配模型进行求解，得到铁路空车调配结果。

进一步地，所述步骤s1中，运输应急救灾物资时的参考数据包括空车到达时间满意度、空车走行费用、车种代用数据和应急救灾物资优先权。

进一步地，所述空车到达时间满意度对应的空车到达时间满意度函数为：

式中，u(tdij)为空车从空车供应站i到空车需求站j的到达时间满意度；

tdij为空车从空车供应站i到空车需求站站j的到达时间；

e0为空车在空车需求站j货主所能承受的最早时间；

ej为空车在空车需求站j货主满意的较早时间；

lj为空车在空车需求站j货主满意的较晚时间；

l0为空车在空车需求站j货主所能承受的最晚时间。

进一步地，所述应急救灾物资优先权通过层次分析法进行确定，确定方法具体为：

a1、根据应急救灾物资的种类分类体系中各要素之间的关系建立应急救灾物资的递进层次结构；

a2、在递进层次结构中，对同一层次中各要素关于上一层次中直接相关的应急救灾物资种类的重要性进行两两对比，构造判断矩阵；

a3、通过判断矩阵，采用方根法计算被比较要素对于对应准则的相对权重；

a4、基于各要素的相对权重，计算递进层次结构中各要素相对于顶部要素的总权重，由此确定递进层次结构中各应急救灾物资的优先权。

进一步地，所述空车到达时间满意度对应的目标函数为：

式中，maxz1为空车到达时间满意度最大目标函数；

i＝1,2,3,...,m，i为空车供应站的编号，m为空车供应站的总数；

j＝1,2,3,...,n，j为空车需求站的编号，n为空车需求站的总数；

所述空车走行费用对应的目标函数为：

式中，minz2为走行费用最少目标函数；

cij为空车需求站j第u种空车代装第v种应急救灾物资产生的车种代用费用；

为空车供应站i配送的空车需求站j装运的第v种应急救灾物资的第u种空车的数量的决策变量；

u＝1,2,3,...p，u为空车种类编号，p为空车种类的总数；

v＝1,2,3,...q，q为应急救灾物资种类编号，q为应急救灾物资种类的总数；

所述车种代用数据对应的目标函数为：

式中，minz3为车种代用成本最低目标函数；

为空车需求站j第u种空车代装第v种应急救灾物资产生的代用费用；

所述应急救灾物资优先权对应的目标函数为：

式中，maxz4为应急救灾物资对应的应急救灾物资运输效益最大目标函数；

r^v为第v种应急救灾物资的优先权；

q^uv为第u种空车装运第v种应急救灾物资的平均载重。

进一步地，所述步骤s3中构建的铁路空车调配模型为：

式中，minz为铁路空车调配结果；

ω1为空车走行最少目标函数和车种代用成本最低目标函数的权重；

ω2为应急救灾物资运输效益最大目标函数的权重；

ε为转化系数，且ε＝0.5。

进一步地，所述步骤s4中，空车铁路调配模型的约束条件包括各铁路空车供应站产生的空车全部用于空车调配约束、当前铁路空车供不应求约束、满足任务所要求的装车物资的需求约束、铁路空车到达空车需求站的时间约束和决策变量性质约束；

所述各铁路空车供应站产生的空车全部用于空车调配约束为：

式中，为空车供应站i提供的第u种空车的数量；

所述当前铁路空车供不应求约束为：

式中，为空车需求站j需要装车的第v种应急救灾物资的数量；

所述满足任务所要求的装车物资的需求约束为：

式中，为任务要求空车需求站j必须完成装运的第v种应急救灾物资的数量；

所述铁路空车到达空车需求站的时间约束为：

tfi+tij＝tdij

式中，tfi为空车供应站i的空车的出发时间；

tij为空车供应站i到空车需求站j的运输时间；

所述决策变量性质约束为：

式中，为整数。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配方法，基于时效性这一目标，考虑满意优化理论，使用时间满意度函数，结合车种代用以及目前路网上铁路空车总体上供不应求的实际情况，考虑突发性自然灾害发生后应急救灾物资的优先权以此建立一个铁路空车调配综合模型，并使用lingo求解，得到的铁路空车调配方案提高了现有铁路空车调配方法的时效性和针对应急救灾物资运输的准确性。

附图说明

图1为基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配方法流程图。

图2为本发明提供的空车到达时间满意度函数图像。

图3为本发明提供的实施例中应急救灾物资低阶层次结构图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配方法，包括以下步骤：

s1、确定运输应急救灾物资时的参考数据；

s2、根据参考数据，确定空车调配时对应的目标函数；

s3、基于确定的目标函数，构建铁路空车调配模型；

s4、确定空车调配模型对应的约束条件；

s5、基于空车调配模型的约束条件，对空车调配模型进行求解，得到铁路空车调配结果。

上述步骤s1中，运输应急救灾物资时的参考数据包括空车到达时间满意度、空车走行费用、车种代用数据和应急救灾物资优先权；具体地：

(1)空车到达时间满意度：

空车到达时间满意度是基于铁路空车调配的时效性提出的，目前，在铁路空车调配过程中，空车走行公里最少不再是制约调配结果的一个方面，货主对于货物送达时间的要求越发重要，若是不能按时送达，货主则可能选择其他运输方式，进而给铁路运输企业带来经济损失，因此时效性成为了铁路空车调配的一个重要考量因素。铁路空车过早或者过晚到达空车需求站，均会与车站其他作业产生冲突，造成不必要的损失，因此空车就会有一个合适的到达时刻的范围，不同时刻到达会产生不同的影响，这可以用空车到达时间满意度函数u(tdij)来刻画，其对应的图形如图2所示。

具体地，u(tdij)为：

式中，u(tdij)为空车从空车供应站i到空车需求站j的到达时间满意度；

tdij为空车从空车供应站i到空车需求站站j的到达时间；

e0为空车在空车需求站j货主所能承受的最早时间；

ej为空车在空车需求站j货主满意的较早时间；

lj为空车在空车需求站j货主满意的较晚时间；

l0为空车在空车需求站j货主所能承受的最晚时间。

结合图2内容可知，空车在[ej,lj]此时间段到达完全不会对车站其他作业造成影响，为时间满意度最大的时段；空车在e0之前到达以及在l0之后到达均会严重影响车站其他作业，此时时间满意度为0，应避免这类情况的出现；空车在[e0,ej)以及(lj,l0]时段到达会稍微影响车站其他作业，但还可以接受，且到达时刻越接近[ej,lj]，其满意度越高。因此，在进行空车调配时，应尽量使到达空车需求站的时刻在时间满意度最高的时段内。实际调配中，用满意百分比f来评估调配结果，当满意百分比f大于50％时，则认为此调配结果达到了时效性的要求。定义满意百分比的计算公式为：

(2)车种代用数据：

铁路运输中使用的空车种类繁多，而不同的货种需由不同车种装运，由此在空车调配时运能紧张的情况时有出现，此时就需要考虑车种代用。车种代用，一方面，可以避免某些需求地因对某车种的需求而进行的不必要的长距离输送，另一方面，也可以避免空车源紧张而引起的货源及运输收入的损失。因此，考虑车种代用情况的铁路空车调配更符合生产实际，对于增大铁路运输企业的经济效益以及缓解空车运能紧张的局面有极大的意义。

(3)应急救灾物资优先权：

对于目前突发性事件及自然灾害频发的情况，应急救灾物资应及时高效地被送达事故地点，铁路运输是运送应急救灾物资的主力，在运输中会涉及到空车调配问题，而铁路运输无法保障所有物资在第一时间均能运送至灾区，灾区对于应急救灾物资的需求程度也有轻重之分，应优先保障需求程度高的物资，这就需要确定应急救灾物资的优先权，以此对物资的运送顺序做出客观的判断，减少人民的生命及财产损失；因此，需要对应急救灾物资优先权进行分析，应急救灾物资优先权的确定有多种方法，模糊综合评判法、熵权法、层次分析法等。本发明中的应急救灾物资优先权通过层次分析法进行确定，确定方法具体为：

a1、根据应急救灾物资的种类分类体系中各要素之间的关系建立应急救灾物资的递进层次结构；

其中，种类分类体系中的要素为不同类别的应急救灾物资，具体地，每个具体的应急救灾物资均有一个对应的所属类别，例如各种食品均属于生活保障类物资，各种药物均属于医药救助物资等；递进层次结构是根据应急救灾物资的分类中递进的隶属度关系建立的。

a2、在递进层次结构中，对同一层次中各要素关于上一层次中直接相关的应急救灾物资种类的重要性进行两两对比，构造判断矩阵；

构造判断矩阵的方法具体为：

(1)定义判断矩阵的标度，如表1所示：

表1判断矩阵标度示意

(2)依次以递进层次结构中前一层要素对后一层要素的判断矩阵标度建立判断矩阵；

a3、通过判断矩阵，采用方根法计算被比较要素对于对应准则的相对权重；

具体地，若判断矩阵为n×n矩阵，首先计算判断矩阵中各行元素乘积的n次根，然后将所有计算结果正交化，即先将上述各计算结果相加，再除以每个数，得到各个要素的优先级向量(相对权重)；

a4、基于各要素的相对权重，计算递进层次结构中各要素相对于顶部要素的总权重，由此确定递进层次结构中各应急救灾物资的优先权；

具体地，将各要素的相对权重填入到关联矩阵表中，利用加权求和法对底层要素的应急救灾物资进行加权求和，得到各底层应急救灾物资的优先级(优先权)。

需要注意的是，在救灾的不同阶段对于救灾物资的需求重要程度不尽相同。

上述步骤s2中，为了保证铁路空车调配的失效性，提高货主的满意度，确定空车到达时间满意度对应的目标函数为：

式中，maxz1为空车到达时间满意度最大目标函数；

i＝1,2,3,...,m，i为空车供应站的编号，m为空车供应站的总数；

j＝1,2,3,...,n，j为空车需求站的编号，n为空车需求站的总数；

为提高铁路运输企业的效益，应使空车走行成本最小化，确定空车走行费用对应的目标函数为：

式中，minz2为走行费用最少目标函数；

cij为空车需求站j第u种空车代装第v种应急救灾物资产生的车种代用费用；

为空车供应站i配送的空车需求站j装运的第v种应急救灾物资的第u种空车的数量的决策变量；

u＝1,2,3,...p，u为空车种类编号，p为空车种类的总数；

v＝1,2,3,...q，q为应急救灾物资种类编号，q为应急救灾物资种类的总数；

由于本发明考虑了车种代用，而车种代用会增加一定的代用成本，即因代用而需额外支出的加盖篷布费、加固费、装车费等，例如当车站的敞车不足时，货物由平车代装时就会产生额外的加固费，并且不同的货种其代用费用一般不同。此外在车种代用时应考虑到安全问题即车种的适货性，不是任何货物都能由任何车种装运。因此，确定车种代用数据对应的目标函数为：

式中，minz3为车种代用成本最低目标函数；

为空车需求站j第u种空车代装第v种应急救灾物资产生的代用费用；

应急救灾物资的调配涉及到轻重缓急之分，故引出了优先权这一概念，因此为保证灾区的人员及财产损失降到最低，应优先装运优先权高的救灾物资，因此，确定应急救灾物资优先权对应的目标函数为：

式中，maxz4为应急救灾物资对应的应急救灾物资运输效益最大目标函数；

r^v为第v种应急救灾物资的优先权；

q^uv为第u种空车装运第v种应急救灾物资的平均载重。

在上述步骤s3构建铁路空车调用模型前，作出如下假设：

(1)不考虑路段运输能力的限制；

(2)不考虑节点间的路径，当做路径已知；

(3)不考虑物资不能装车产生的滞留费用。

基于上述几个多目标函数的问题，应考虑各目标的重要程度，通过分配各目标的权重ω来转化为单目标问题进行求解，为保证各目标函数变化的灵敏度，使各目标函数值处于同一个数量级上，对目标函数maxz1作出如下处理，在到达时间满意度函数u(tdij)前乘以一个因子λ，令λ＝ε·cij，以此转化为相应的费用，

因此，步骤s3中构建的铁路空车调配模型为：

式中，minz为铁路空车调配结果；

ω1为空车走行最少目标函数和车种代用成本最低目标函数的权重；

ω2为应急救灾物资运输效益最大目标函数的权重；

ε为转化系数，且ε＝0.5。

上述空车铁路调配模型的约束条件包括各铁路空车供应站产生的空车全部用于空车调配约束、当前铁路空车供不应求约束、满足任务所要求的装车物资的需求约束、铁路空车到达空车需求站的时间约束和决策变量性质约束；

其中，所述各铁路空车供应站产生的空车全部用于空车调配约束为：

式中，为空车供应站i提供的第u种空车的数量；

所述当前铁路空车供不应求约束为：

式中，为空车需求站j需要装车的第v种应急救灾物资的数量；

所述满足任务所要求的装车物资的需求约束为：

式中，为任务要求空车需求站j必须完成装运的第v种应急救灾物资的数量；

所述铁路空车到达空车需求站的时间约束为：

tfi+tij＝tdij

式中，tfi为空车供应站i的空车的出发时间；

tij为空车供应站i到空车需求站j的运输时间；

所述决策变量性质约束为：

式中，为整数。

上述步骤s5中通过lingo算法对空车调配模型进行求解时，首先定义集合并利用集合的概念定义空车调配模型的常量及变量，具体包括tfi、e0、ej、lj、l0、r^v、cij、tij、tdij、q^uv、然后结合需要进行空车调配时的具体应急救灾物资相关数据、空车调配模型的目标函数及约束条件，对目标函数进行求解得到空车调配方案。

在本发明的一个实施例中，提供了具体的算例来说明本发明方法中的铁路空车调用模型的有效性：

假定现目前处于救灾的初中期，在空车配送路网中，有8个货运站，其中o1、o2、o3、o4为铁路空车供应站，d1、d2、d3、d4为铁路空车需求站。设空车供应站能够提供的空车种类有1敞车、2棚车、3平车这3种车型。需要装运的应急救灾物资有1医药物品、2消毒防护用品、3食品、4帐篷、5救灾用品这5种。其中敞车可以装帐篷，代装食品；棚车可以装医药物品、消毒防护药品、食品，代装帐篷；平车只能装救灾用品。设不管敞车以及棚车是否代用，其平均静载重均分别为62t和60t，平车平均静载重为60t。各站每种车型的车种代用费相同，敞车代装食品50元/车，棚车代装帐篷60元/车。单位空车运输费用及运输时间见表2，空车供应站的空车出发时间见表3，空车需求站空车到达货主满意及所能承受的时间见表4，空车供应站的空车供给量见表5，空车需求站待装物资数量及必装物资数量见表6。

表2单位空车运输费用及运输时间

注：分子代表单位空车运输费用，单位：元/车；分母代表单位空车运输时间，单位：h。

表3空车供应站的空车出发时间

表4空车需求站对空车到达时间的要求

表5空车供给量表单位：车

表6空车需求站待装物资数量及必装物资数量

算例求解结果及分析：

首先，根据算例中的条件，应用前面提及的层次分析法计算出各应急救灾物资的优先权。建立的应急救灾物资递阶层次结构图如图3所示。

根据上述递阶层次结构图进行接下来权重的计算，计算过程不再赘述，最后算得医药物品、消毒防护药品、食品、帐篷、救灾用品的优先权分别为：0.4653、0.0931、0.2131、0.1065、0.1220。

使用优化软件lingo18.0对上述算例问题进行建模求解，求解过程中ω1取0.2，ω2取0.4，ω3取0.4，ε取0.5。得到最优空车调配方案见表7，求得目标函数值最优解为2846.13。

表7空车调配方案

通过计算分析算例求解结果，可得实际时间满意度值为11.83，理想时间满意度值为20，所以计算得满意百分比为59.2％>50％，则认为此空车调配结果达到了时效性的要求。根据调配结果里的以及结合空车需求站待装物资数量表可看出从o2空车供应站调配到d3空车需求站的空车首先满足了优先权大的医药物品，完成了装车需求，其次才考虑优先权小的消毒防护药品的装车需求，故该算例的空车调配结果优先保障了优先权大的应急救灾物资的空车调配。并且调配结果里的这一项表明了考虑车种代用的必要性及实用性。因此，可以认为本文所建立的基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配多品类综合模型是合理有效的，这对于提高铁路货车的运用效率，提升服务效果，满足客户的时效性要求，考虑空车调配时的特殊情况等方面都具有实际意义。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于时效性和应急救灾物资优先权的铁路空车调配方法基于时效性这一目标，考虑满意优化理论，使用时间满意度函数，结合车种代用以及目前路网上铁路空车总体上供不应求的实际情况，考虑突发性自然灾害发生后应急救灾物资的优先权以此建立一个铁路空车调配综合模型，并使用lingo求解，得到的铁路空车调配方案提高了现有铁路空车调配方法的时效性和针对应急救灾物资运输的准确性。