油料保障資源調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化模式分析和模型實(shí)現(xiàn)

文/劉奇韜 何 奇 穆 鑫

一、研究背景

油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化是實(shí)施油料保障的重要環(huán)節(jié)，是油料主管部門(mén)根據(jù)油源、儲(chǔ)備油料品種與數(shù)質(zhì)量情況、部隊(duì)消耗、油庫(kù)位置能儲(chǔ)油能力，對(duì)油料的有序流動(dòng)作出的計(jì)劃安排，它是軍隊(duì)油料供應(yīng)的源頭，是完成各項(xiàng)油料保障任務(wù)的重要手段，主要包括煉油廠或國(guó)家儲(chǔ)備油庫(kù)調(diào)往軍隊(duì)后方油料、后方油庫(kù)之間調(diào)運(yùn)、后方油庫(kù)給部隊(duì)調(diào)運(yùn)等三種方式。本文主要研究的是油料調(diào)撥運(yùn)輸?shù)牡谌N方式。

各種復(fù)雜的油料調(diào)撥運(yùn)輸問(wèn)題主要是由若干單個(gè)油料需求點(diǎn)與單個(gè)油料供應(yīng)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱“單對(duì)單”）、多個(gè)油料需求點(diǎn)與單個(gè)油料供應(yīng)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱“多對(duì)單”）和多個(gè)油料需求點(diǎn)與多個(gè)油料供應(yīng)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱“多對(duì)多”）組成，也就是說(shuō)根據(jù)保障關(guān)系可將油料調(diào)撥運(yùn)輸問(wèn)題劃分為一個(gè)個(gè)“單對(duì)單”、“多對(duì)單”或“多對(duì)多”問(wèn)題，或者由這三種模式綜合而成。這樣就將復(fù)雜的油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化問(wèn)題分解為相對(duì)簡(jiǎn)單的三種模式，既便于研究也容易系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

模型研究借助了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、軍事運(yùn)籌、模糊數(shù)學(xué)和地理信息等技術(shù)方法，在實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)油料調(diào)撥運(yùn)輸過(guò)程中不同含權(quán)方式多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的基礎(chǔ)上，針對(duì)戰(zhàn)時(shí)油料調(diào)撥過(guò)程中“單對(duì)單”、“多對(duì)單”和“多對(duì)多”等模式分別建模并對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

二、“單對(duì)單”運(yùn)輸優(yōu)化模式

“單對(duì)單”模式，是最簡(jiǎn)單的保障模式，只有一個(gè)油料保障點(diǎn)、一個(gè)油料需求點(diǎn)，是屬于典型的兩個(gè)固定點(diǎn)之間尋求最優(yōu)路徑的問(wèn)題。假設(shè)油料保障點(diǎn)是A、油料需求點(diǎn)是B，A到B經(jīng)過(guò)n個(gè)節(jié)點(diǎn)的路網(wǎng)，則其目標(biāo)函數(shù)為：

在“單對(duì)單”模式下，運(yùn)用不同含權(quán)方式油料輸送路徑優(yōu)化模型，選擇不同優(yōu)化方式，實(shí)現(xiàn)油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化。關(guān)于兩個(gè)固定點(diǎn)之間尋求最優(yōu)路徑的問(wèn)題和不同含權(quán)方式油料輸送路徑優(yōu)化模型，這里不進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

這里主要給出實(shí)現(xiàn)的思路和流程：首先確定部隊(duì)油料需求點(diǎn)，包括所需油料的品種、數(shù)量，需求點(diǎn)空間位置的確定根據(jù)實(shí)際需要通?？梢蕴峁﹥煞N方式：一是根據(jù)經(jīng)緯度方式確定，這種方式適合后勤保障命令、指示中提供了經(jīng)緯度信息；二是在地圖上直接確定，這種方式操作簡(jiǎn)便，便于指揮員綜合考慮交通道路、水源情況、隱蔽性、與作戰(zhàn)對(duì)象之間距離等因素，靈活確定需求點(diǎn)的空間位置。其次，是否有特殊要求，即是否有不能通行的道路，或者必須通行的道路，一般前者相對(duì)普遍。最后運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化模型的有效路徑優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化。其流程如圖1所示。

圖1 “單對(duì)單”保障流程

三、“多對(duì)單”運(yùn)輸優(yōu)化模式

“多對(duì)單”模式，是一種較復(fù)雜的油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化模式。在油料需求點(diǎn)確定的情況下，需要對(duì)當(dāng)前保障對(duì)象的保障能力、空間分布及道路交通等信息進(jìn)行分析，根據(jù)選定的油料輸送優(yōu)化方式，從眾多保障對(duì)象中選出最優(yōu)的保障對(duì)象及保障品種、數(shù)量，明確其輸送路線。

1.模型建立

假設(shè)在某一作戰(zhàn)方向上，有1個(gè)油料需求點(diǎn)a，對(duì)油料的需求量分別為（k=1，2，…，s），s 為油品數(shù)量；選定的m個(gè)油料庫(kù)站承擔(dān)其油料供給任務(wù)，分別是（j=1，2，…，m），其儲(chǔ)量分別為（j=1，2，…，m，k=1，2，…，s）。

然后對(duì)距離關(guān)系矩陣D進(jìn)行排序，根據(jù)就近保障原則，依次找到最小距離的油料庫(kù)站進(jìn)行保障，使得總距離最短。

2.模型實(shí)現(xiàn)

“多對(duì)單”模式油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化是根據(jù)道路交通條件進(jìn)行的，模型實(shí)現(xiàn)有兩種主要方法。

(1)第一種方法是以部隊(duì)油料需求點(diǎn)所在地為運(yùn)算起點(diǎn)。運(yùn)用路徑優(yōu)化算法，從該點(diǎn)出發(fā)沿著與其相連的道路（公路、鐵路、管線）進(jìn)行發(fā)散型搜索，對(duì)在搜索過(guò)程中遇到的保障實(shí)體及其保障能力進(jìn)行判斷，如果保障實(shí)體無(wú)保障能力或者不屬于保障范圍，則程序繼續(xù)搜索，如果保障實(shí)體有能力進(jìn)行保障則將實(shí)體的相關(guān)信息（地理位置、連接道路、油料儲(chǔ)備、保障油料數(shù)量）記錄下來(lái)，如果保障任務(wù)的需求量已得到滿足則停止搜索，否則繼續(xù)搜索。其流程如圖2所示。

在監(jiān)督機(jī)制建設(shè)中要重點(diǎn)強(qiáng)化企業(yè)的成本監(jiān)督和相關(guān)管理工作，要以成本作為監(jiān)督的目標(biāo)，理順企業(yè)生產(chǎn)、管理的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，從成本控制的角度構(gòu)建起有針對(duì)性、可執(zhí)行的監(jiān)督平臺(tái)和監(jiān)督制度，真正將監(jiān)督工作的重點(diǎn)放在對(duì)企業(yè)各項(xiàng)成本的控制工作上，提升企業(yè)成本管理、運(yùn)營(yíng)管理的效率，打造企業(yè)在生產(chǎn)、管理和經(jīng)營(yíng)上的經(jīng)濟(jì)、組織與成本優(yōu)勢(shì)。

圖2 “多對(duì)單”保障流程

(2)第二種方法是以油料保障點(diǎn)所在地為運(yùn)算起點(diǎn)。運(yùn)用路徑優(yōu)化算法，獲取所有參與保障的油料庫(kù)站與油料需求點(diǎn)之間的距離關(guān)系矩陣，然后按照就近保障原則，優(yōu)先選擇距離最短的油料庫(kù)站，計(jì)算其油料品種、數(shù)量，如果不能滿足保障任務(wù)，則繼續(xù)選擇距離次短的油料庫(kù)站，直至滿足油料需求為止。

3.應(yīng)用舉例

在某次搶險(xiǎn)救災(zāi)中，某工程團(tuán)作為先頭部隊(duì)提前到達(dá)指定地域。假設(shè)第二批部隊(duì)到達(dá)之前，該工程團(tuán)需要汽油、柴油分別為2000立方米、400立方米；選定的4個(gè)油料庫(kù)站承擔(dān)其油料供給任務(wù)，其儲(chǔ)量分別為（j=1，2，,3，4，k=1，2），如表3.1所示。由路徑優(yōu)化算法求出各個(gè)需求點(diǎn)與各個(gè)供應(yīng)點(diǎn)之間最短距離關(guān)系矩陣D，單位百公里。運(yùn)用調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化模型確定油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化結(jié)果。

表3.1 各個(gè)油料庫(kù)站的儲(chǔ)油品種數(shù)量(立方米)

根據(jù)距離關(guān)系矩陣，優(yōu)先確定油料庫(kù)站D，根據(jù)其汽油、柴油容量和油料需求量，仍然缺乏400立方米汽油，再次確定油料庫(kù)站B，則滿足油料需求。因此油料調(diào)撥的結(jié)果是：油料庫(kù)站D保障汽油、柴油分別是1600立方米、400立方米，油料庫(kù)站B保障汽油400立方米。運(yùn)輸優(yōu)化就是按照相關(guān)油料庫(kù)站（D、B）與油料需求點(diǎn)之間的最短路徑進(jìn)行輸送。

四、“多對(duì)多”運(yùn)輸優(yōu)化模式

“多對(duì)多”模式，是最復(fù)雜的保障模式，也是戰(zhàn)時(shí)最經(jīng)常遇到的保障問(wèn)題，是該部分研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。要解決多個(gè)油料保障點(diǎn)與多個(gè)油料保障對(duì)象的之間優(yōu)化保障問(wèn)題，須如下步驟。

1.模型建立

然后對(duì)距離關(guān)系矩陣D進(jìn)行總排序，根據(jù)就近保障原則，依次找到最小距離的油料庫(kù)站進(jìn)行保障，使得總距離最短。

2.模型實(shí)現(xiàn)

“多對(duì)多”模式的模型基于GIS實(shí)現(xiàn)主要有兩種情況，三種方法。

(1)油料需求任務(wù)有優(yōu)先級(jí)區(qū)分。在此情況下，依據(jù)油料需求點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)別依次進(jìn)行調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化，也就是說(shuō)將“多對(duì)多”優(yōu)化模式轉(zhuǎn)換成“多對(duì)單”優(yōu)化模式，然后按照“多對(duì)單”模式的模型進(jìn)行優(yōu)化。

(2)油料需求任務(wù)沒(méi)有優(yōu)先級(jí)區(qū)分。此種情況下有兩種方法：一是先用A*算法或Dijkstra算法，求出所有需求點(diǎn)與保障點(diǎn)之間的距離關(guān)系矩陣，然后比較所有矩陣元素，按照就近保障的原則，也就是從小到大的順序依次確定保障點(diǎn)，直至需求任務(wù)完成；二是把油料需求點(diǎn)所在地作為運(yùn)算起點(diǎn)，從該點(diǎn)出發(fā)沿著與其相連的道路進(jìn)行搜索，對(duì)在搜索過(guò)程中遇到的油料庫(kù)站進(jìn)行判斷，如果不屬于保障范圍或無(wú)保障能力則繼續(xù)搜索，否則將保障實(shí)體的保障油品數(shù)量記錄下來(lái)，如果保障任務(wù)已得到滿足則停止搜索，否則繼續(xù)搜索。其流程如圖3所示。

圖3 “多對(duì)多”保障流程

探索完成后匯總，明確各油料需求點(diǎn)由哪些油料庫(kù)站進(jìn)行保障，各單位保障的油料品種及數(shù)量以及這些油料庫(kù)站在進(jìn)行保障時(shí)途經(jīng)的最佳路徑。

對(duì)于部分油料需求任務(wù)有優(yōu)先級(jí)區(qū)分，部分沒(méi)有的情況，或者優(yōu)先級(jí)別出現(xiàn)相同的情況，則對(duì)所有油料需求任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別排序，能夠區(qū)別則按第一種情況處理，如果沒(méi)有優(yōu)先級(jí)別或者優(yōu)先級(jí)別相同，則按照第二種情況處理。

最終，通過(guò)決策優(yōu)化，明確各油料保障任務(wù)由哪些保障單位進(jìn)行。

3.應(yīng)用舉例

在聯(lián)合作戰(zhàn)中，假設(shè)有四個(gè)單位承擔(dān)作戰(zhàn)任務(wù)，各單位對(duì)油料的需求量分別為（i=1，2，3，4，k=1，2），k代表汽油、柴油兩種油品，如表4.1所示；選定的8個(gè)油料庫(kù)站承擔(dān)其油料供給任務(wù)，其儲(chǔ)量分別為（j=1，2，…，8，k=1，2），如表4.2所示。由路徑優(yōu)化算法求出各個(gè)需求點(diǎn)與各個(gè)供應(yīng)點(diǎn)之間最短距離關(guān)系矩陣D，單位百公里。運(yùn)用調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化模型確定油料調(diào)撥運(yùn)輸結(jié)果。

假設(shè)油料需求點(diǎn)沒(méi)有優(yōu)先級(jí)別，則按照第二種方法求解，其求解步驟如下：

表4.1 各個(gè)需求點(diǎn)需要的油品數(shù)量(立方米)

表4.2 各個(gè)油料庫(kù)站的儲(chǔ)油品種數(shù)量(立方米)

表4.3 汽油調(diào)撥優(yōu)化結(jié)果

表4.4 柴油調(diào)撥優(yōu)化結(jié)果

（1）從各需求點(diǎn)與各保障點(diǎn)之間的距離關(guān)系矩陣，找出最小距離為1.1，對(duì)應(yīng)需求點(diǎn)1與油料庫(kù)站D，油料庫(kù)站D全部保障后，需求點(diǎn)1還差汽油、柴油分別是2800立方米、320立方米。把油料庫(kù)站D相關(guān)的距離設(shè)為∞，即距離關(guān)系矩陣變?yōu)椋?/p>

繼續(xù)進(jìn)行第二步。

（2）最小距離為1.2，對(duì)應(yīng)需求點(diǎn)2與油料庫(kù)站A，油料庫(kù)站A全部保障后，需求點(diǎn)2還差汽油、柴油分別是6000立方米、300立方米。把油料庫(kù)站A相關(guān)的距離設(shè)為∞，繼續(xù)進(jìn)行探索。

（3）最小距離為1.3，對(duì)應(yīng)需求點(diǎn)4與油料庫(kù)站B，油料庫(kù)站B全部保障后，需求點(diǎn)4還差柴油420立方米，但是油料庫(kù)站B的汽油還余1000立方米。此時(shí)既不能把與需求點(diǎn)4相關(guān)的路徑設(shè)置為∞，也不能把與油料庫(kù)站B相關(guān)的路徑設(shè)置為∞，只能把它們之間的路徑d42設(shè)置為∞。此時(shí)距離關(guān)系矩陣變?yōu)椋?/p>

省略中間計(jì)算過(guò)程，直接給出調(diào)撥優(yōu)化結(jié)果：各油料庫(kù)站對(duì)應(yīng)各需求點(diǎn)保障的汽油、柴油分別見(jiàn)表4.3、表4.4。

運(yùn)輸優(yōu)化則由相關(guān)油料庫(kù)站按照其保障的油料需求點(diǎn)之間的最短路進(jìn)行。

五、小結(jié)

本文重點(diǎn)解決了不同模式的油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化問(wèn)題，將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題歸結(jié)到單目標(biāo)的路徑優(yōu)化問(wèn)題，并結(jié)合例子分析其應(yīng)用；將復(fù)雜油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化問(wèn)題分解為若干“單對(duì)單”、“多對(duì)單”和“多對(duì)多”問(wèn)題，然后針對(duì)“單對(duì)單”、“多對(duì)單”和“多對(duì)多”三種模式下的油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化，建立模型并基于地理信息分析了模型實(shí)現(xiàn)，最后給出應(yīng)用舉例進(jìn)行驗(yàn)證，為油料調(diào)撥運(yùn)輸優(yōu)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)提供了相應(yīng)模型及實(shí)現(xiàn)思路。