兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法与流程

本发明涉及铁路物流中心平面布局方法，具体涉及一种兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局方法。

背景技术：

铁路物流中心通常建在铁路枢纽和大型铁路货运场站附近，它是一种为客户提供高效、便捷物流服务的多功能场所。近年来，随着现代铁路物流业的迅猛发展，国家开始高度重视铁路物流中心的区域性作用，并积极推进铁路物流中心的布局与建设。

铁路物流中心的建设是一项繁重而困难的工作。考虑到人力、财力和物力等因素，一旦布局方案定型，其在建设过程中将难以更改。因此，需在开工建设前结合实际业务需求谨慎制定各种设计指标，并据此对铁路物流中心内各功能区进行科学布局。

目前，专家学者们主要研究两种铁路物流中心平面布局方法，第一种只考虑固定高宽比功能区，第二种只考虑可变高宽比功能区。然而，在实际设计过程中，出于对建设成本、美观性、风水学等方面的考虑，有的功能区的形状固定不变，而有的则可以适当调整。在此背景下，本发明首次提出了一种兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法。

兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题涉及一种目标函数与五种约束条件，且目标函数严格受限于所有约束条件，问题描述为：

1.目标函数

铁路物流中心平面布局以最小化物流中心功能区之间物料搬运成本为目标，成本函数可表示为：

n为物流中心功能区的数目，cij为功能区i和j之间的单位物料搬运成本，aij为功能区i和j之间的物流量，dij表示功能区i中心和功能区j中心之间的曼哈顿距离，即dij＝|xi-xj|+|yi-yj|。

2.约束条件：

兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题包括五种约束条件，分别是最小距离约束、功能区边界约束、铁路装卸线约束、物流中心出入口约束和功能区高宽比约束。

(1)最小距离约束

该约束要求不同功能区之间要保持一定距离：

|xi-xj|≥[li·pi+wi·(1-pi)+lj·pj+wj·(1-pj)]/2+qi,j(2)

或

|yi-yj|≥[wi·pi+li·(1-pi)+wj，pj+lj·(1-pj)]/2+qi,j(3)

i和j为两个不同功能区的索引，xi和yi分别为功能区i中心的横、纵坐标，且li和wi分别为它的长和宽，qi,j为功能区i和j间需保持的最小距离，pi为0-1整数变量，且pi＝1和pi＝0分别代表功能区i横放和竖放。

(2)功能区边界约束

该约束要求任意功能区都不能超出规划用地的边界。

[li·pi+wi·(1-pi)]/2≤xi≤l-[li·pi+wi·(1-pi)]/2(4)

[wi·pi+li·(1-pi)]/2≤yi≤b-[wi·pi+li·(1-pi)]/2(5)

l和b分别代表矩形规划用地的长和宽。

(3)铁路装卸线约束

该约束要求铁路装卸线在规划用地内的位置保持不变。设铁路装卸线的索引为iz(iz∈[1,n])，则其所在的矩形区域由(6)和(7)决定：

(4)物流中心出入口约束

该约束要求铁路物流中心的出入口只能布置在规划用地的边界上，但不能与铁路装卸线布置在同一边界上。

(5)功能区高宽比约束

对于可变高宽比功能区，其高宽比被限定在一定范围内：

为第q(q＝1,…,q)个可变高宽比功能区的高宽比，和分别为的下限和上限，q为可变高宽比功能区的总数目。

目前存在两种铁路物流中心平面布局方法，第一种仅处理含固定高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题，第二种仅处理含可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题。然而，考虑到建设成本、美观性、风水学等因素，铁路物流中心内可能会同时包含固定高宽比功能区和可变高宽比功能区。这种情况下，现有铁路物流中心平面布局方法因其设计思路的局限已无法完成对两种功能区的同时布局。

技术实现要素：

为了克服现有铁路物流中心平面布局方法的不足，本发明首次提出了一种兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法，构造含有所有功能区位置信息的解，并分别更新其问题变量，包括可变高宽比功能区的高宽比、所有功能区的用于旋转的0-1二值变量、所有功能区中心的横坐标和纵坐标。通过不断更新问题变量以获得能够满足所有约束条件且具有较低物料搬运成本的最优解，该解代表最优的兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局方案。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法，包括以下步骤：

步骤a：设置问题变量的定义域，并在定义域内随机初始化m个解。每个解都代表一种潜在的铁路物流中心平面布局方案，且表示为其中p1,…,pn为n个0-1变量，i为1到n之间的任意整数，当pi＝1时将第i个功能区旋转90°，否则不旋转，x1,…,xn表示n个功能区的横坐标，y1,…,yn表示n个功能区的纵坐标，表示q个可变高宽比功能区的高宽比，k1,…,kq为它们的索引，且其中，和分别为第q个可变高宽比功能区的高和宽。解v中问题变量的总数为n＝3n+q。

步骤b：从m个解中产生一个新解，具体包括：

步骤b-1：根据确定算法参数pbest，它决定任意解向全局最优解运动的概率，其中g和gmax分别为当前迭代次数和最大迭代次数。另外，更新步长比例系数ρ，当1≤g≤gmax/3、gmax/3＜g≤2·gmax/3和2·gmax/3＜g≤gmax时分别取ρ＝ρ1、ρ＝ρ2和ρ＝ρ3，它决定解的每个分量运动的调整步长大小。

步骤b-2：设q为可变高宽比功能区的数目，对于1≤q≤q，从所有解的第3n+q个分量中随机选择一个为设为全局最优解中第q个可变高宽比功能区的高宽比，和分别为的下限和上限，r为在[0,1]中服从均匀分布的随机数。根据确定的调整步长。若则以概率pbest执行以概率1-pbest执行否则，以概率pbest执行以概率1-pbest执行若超出其定义域则将其设置为所超出的界限值。另外，以概率pm＝1/n执行其中n为解向量v中问题变量的总数，即n＝3n+nq。确定后，分别根据和确定第q个可变高宽比功能区的高和宽。

步骤b-3：对于1≤i≤n，从所有解的第i个分量中随机选择一个为pi，设为全局最优解中第i个功能区的二值变量，和分别为pi的下限和上限。若则以概率pbest执行pi←pi-bwi·r，以概率1-pbest执行pi←pi+bwi·r。否则，以概率pbest执行pi←pi+bwi·r，以概率1-pbest执行pi←pi-bwi·r。若pi超出其定义域则将其设置为所超出的界限值。另外，以概率pm＝1/n执行并对其进行四舍五入。

步骤b-4：根据二值变量pi的值确定第i个功能区中心横坐标xi的上限和下限并根据pi的值确定其对应的中心纵坐标yi的上限和下限其中wi和li分别为功能区i的高和宽，b和l分别为矩形规划用地的高和宽；若或则令pi＝|1-pi|，并重新计算和

若pi＝1，则其横坐标和纵坐标对应的调整步长分别为和否则设置和

步骤b-5：对于1≤i≤n，从所有解的第n+i个分量中随机选择一个为xi，设为全局最优解中第i个功能区中心的横坐标，和分别为xi的下限和上限。若则以概率pbest执行以概率1-pbest执行若xi超出其定义域则将其设置为所超出的界限值。否则，以概率pbest执行以概率1-pbest执行另外，以概率pm＝1/n执行对于1≤i≤n，从所有解的第2n+i个分量中随机选择一个为yi，且新解中纵坐标的更新步骤与横坐标的相同。

步骤c：计算功能区i与j的横向、纵向最小距离约束违背量和则总的最小距离约束违背量为其中si和sj分别为功能区i和j的面积；

计算新解的物料搬运成本，再将其与最小距离约束违背量构成为罚函数；若新解的罚函数值小于全局最差解的罚函数值，则用新解替换最差解，否则忽略新解；

步骤d：将当前迭代次数g自动加1，若它大于预设最大值gmax，则从m个解中选择罚函数值最小的解为最优铁路物流中心平面布局方案；若当前更新次数g未达到预设最大值gmax，则重复上述步骤b～c。

作为优选的技术方案，所述步骤a中定义了代表兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局方案的解。

作为优选的技术方案，所述步骤b中按顺序更新解的问题变量，分别为可变高宽比功能区的高宽比、所有功能区的用于旋转的0-1二值变量、所有功能区中心的横坐标和纵坐标。

作为优选的技术方案，所述步骤c中将罚函数值作为评估解质量优劣的标准，并根据该标准更新全局最差解。

作为优选的技术方案，所述步骤a-d中不需要调整铁路装卸线的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

相较于现有的铁路物流中心平面布局方法，本发明的兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法具有更高的灵活性，当可变高宽比功能区的数目q等于0时能处理仅含固定高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题，当可变高宽比功能区的数目q等于除铁路装卸线外的功能区总数n-1时能处理仅含可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题，当0＜q＜n-1时，能处理兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题。

附图说明

图1为本发明实施例中的兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法的流程图；

图2为本发明实施例中的基于本发明的物料搬运成本的进化曲线；

图3为本发明实施例中的l＝850米，b＝400米时的兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局图，其中，矩形中心的数字1～12分别代表理货区、流通加工区、仓储区、卡车停车场、交易展示区、办公服务区、后勤保障区、生活服务区、绿化区、铁路装卸线、物流中心出口和物流中心入口，虚线框矩形为可变高宽比功能区，实线框矩形为固定高宽比功能区；

图4为本发明实施例中的l＝850×(1-8％)米，b＝400×(1-8％)米时的兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局图；

图5为本发明实施例中的l＝850米，b＝400米时的仅考虑固定高宽比功能区的铁路物流中心平面布局图；

图6为本发明实施例中的l＝850米，b＝400米时的仅考虑可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局图。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，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改变，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明的兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法，包括以下步骤：

步骤a：设置问题变量的定义域，并在定义域内随机初始化m个解。每个解都代表一种潜在的铁路物流中心平面布局方案，且表示为其中p1,…,pn为n个0-1变量，i为1到n之间的任意整数，当pi＝1时将第i个功能区旋转90°，否则不旋转，x1,…,xn表示n个功能区的横坐标，y1,…,yn表示n个功能区的纵坐标，表示q个可变高宽比功能区的高宽比，k1,…,kq为它们的索引，且其中，和分别为第q个可变高宽比功能区的高和宽。解v中问题变量的总数为n＝3n+q。

步骤b：从m个解中产生一个新解，具体包括：

步骤b-1：根据确定算法参数pbest，它决定任意解向全局最优解运动的概率，其中g和gmax分别为当前迭代次数和最大迭代次数。另外，更新步长比例系数ρ，当1≤g≤gmax/3、gmax/3＜g≤2·gmax/3和2·gmax/3＜g≤gmax时分别取ρ＝ρ1、ρ＝ρ2和ρ＝ρ3，它决定解的每个分量运动的调整步长大小。

步骤b-2：设q为可变高宽比功能区的数目，对于1≤q≤q，从所有解的第3n+q个分量中随机选择一个为设为全局最优解中第q个可变高宽比功能区的高宽比，和分别为的下限和上限，r为在[0,1]中服从均匀分布的随机数。根据确定的调整步长。若则以概率pbest执行以概率1-pbest执行否则，以概率pbest执行以概率1-pbest执行若超出其定义域则将其设置为所超出的界限值。另外，以概率pm＝1/n执行其中n为解向量v中问题变量的总数，即n＝3n+nq。确定后，分别根据和确定第q个可变高宽比功能区的高和宽。

步骤b-3：对于1≤i≤n，从所有解的第i个分量中随机选择一个为pi，设为全局最优解中第i个功能区的二值变量，和分别为pi的下限和上限。若则以概率pbest执行pi←pi-bwi·r，以概率1-pbest执行pi←pi+bwi·r。否则，以概率pbest执行pi←pi+bwi·r，以概率1-pbest执行pi←pi-bwi·r。若pi超出其定义域则将其设置为所超出的界限值。另外，以概率pm＝1/n执行并对其进行四舍五入。

步骤b-4：根据二值变量pi的值确定第i个功能区中心横坐标xi的上限和下限并根据pi的值确定其对应的中心纵坐标yi的上限和下限其中wi和li分别为功能区i的高和宽，b和l分别为矩形规划用地的高和宽；若或则令pi＝|1-pi|，并重新计算和

若pi＝1，则其横坐标和纵坐标对应的调整步长分别为和否则设置和

步骤b-5：对于1≤i≤n，从所有解的第n+i个分量中随机选择一个为xi，设为全局最优解中第i个功能区中心的横坐标，和分别为xi的下限和上限。若则以概率pbest执行以概率1-pbest执行若xi超出其定义域则将其设置为所超出的界限值。否则，以概率pbest执行以概率1-pbest执行另外，以概率pm＝1/n执行对于1≤i≤n，从所有解的第2n+i个分量中随机选择一个为yi，且新解中纵坐标的更新步骤与横坐标的相同。

步骤c：计算功能区i与j的横向、纵向最小距离约束违背量和则总的最小距离约束违背量为其中si和sj分别为功能区i和j的面积；

计算新解的物料搬运成本，再将其与最小距离约束违背量构成为罚函数；若新解的罚函数值小于全局最差解的罚函数值，则用新解替换最差解，否则忽略新解；

步骤d：将当前迭代次数g自动加1，若它大于预设最大值gmax，则从m个解中选择罚函数值最小的解为最优铁路物流中心平面布局方案；若当前更新次数g未达到预设最大值gmax，则重复上述步骤b～c。

在所述步骤a中定义了代表兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局方案的解。

在所述步骤b中，动态调整了方法参数pbest、ρ、pm、和并实时更新了问题变量pi、xi和yi。

在所述步骤c中，将罚函数值作为评估解质量优劣的标准，并根据该标准更新全局最差解。

在所述步骤d中，最大迭代次数设置为gmax＝10⁵，目的是通过多次调整问题变量将物料搬运成本降低到一个很低的水平。

图2为基于本发明的物料搬运成本的进化曲线，在进化初期，曲线快速下降，到了进化后期，曲线缓慢下降，最终从一个较高的水平收敛到一个较低的水平698.45万元/天，因此，本发明兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法能显著降低功能区之间的物料搬运成本；

图3为l＝850米，b＝400米时的兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局图，代号为2、3、6和8的功能区为可变高宽比功能区，其他功能区为固定高宽比功能区，所有功能区都满足最小距离约束、功能区边界约束、铁路装卸线约束、物流中心出入口约束和功能区高宽比约束；

图4为l＝850×(1-8％)米，b＝400×(1-8％)米时的兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局图，在规划场地的长和宽同时减少8％的情况下问题难度加大，而基于本发明的兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法仍能获得满足所有约束条件的布局方案，有利于进一步节约土地资源；

图5为l＝850米，b＝400米时的仅考虑固定高宽比功能区的铁路物流中心平面布局图，此时q＝0，铁路装卸线因其固有属性而保持位置不变；

图6为l＝850米，b＝400米时的仅考虑可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局图，此时q＝n-1，铁路装卸线因其固有属性而保持位置不变；

本发明的兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法通过构建解、更新解、评估解与选择最优解这四个步骤获得最优的布局方案，该方案将固定高宽比功能区和可变高宽比功能区成功分配到规划用地内，并使功能区之间保持一定距离，在满足所有约束条件的基础上显著降低功能区之间的物料搬运成本；

相较于现有的铁路物流中心平面布局方法，本发明的兼顾固定及可变高宽比功能区铁路物流中心平面布局方法具有通用性强、使用更方便等优点，能解决三种铁路物流中心平面布局问题，分别为兼顾固定及可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题、仅考虑固定高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题和仅考虑可变高宽比功能区的铁路物流中心平面布局问题。本发明为铁路物流中心平面布局提供更灵活的手段，有助于促进铁路和物流的有机结合，提升铁路物流的综合服务能力，增强铁路物流的市场竞争力。

需要说明的是，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。