申慧芝　經(jīng)素萍　黃睿伶

【摘 要】集裝箱多式聯(lián)運作為一種新型多式聯(lián)運方式，將多式聯(lián)運和集裝箱有效地結合在一起，與傳統(tǒng)的運輸方式相比更安全、更靈活、更有效，正是這些特點使得近幾十年來集裝箱多式聯(lián)運快速發(fā)展，然而如何優(yōu)化集裝箱多式聯(lián)運，有效地協(xié)調各種運輸方式，降低運輸成本，提高運輸效率，成為集裝箱多式聯(lián)運的有效研究課題。

【關鍵詞】遺傳算法；集裝箱；多式聯(lián)運；運輸優(yōu)化

0 引言

隨著全球經(jīng)濟一體化進程的加快，產(chǎn)業(yè)供應鏈變得越來越復雜，運輸網(wǎng)絡變得越來越廣泛，貨物運輸需求也發(fā)生了變化——以顧客需求為中心的方便、快捷、高效、低價的貨物運輸已成為必然趨勢，單一的集裝箱運輸模式已經(jīng)不能滿足當今全球供應鏈管理的發(fā)展要求，因此，以貨物運輸為主的集裝箱多式聯(lián)運在全球范圍內得到了廣泛的認可與使用，創(chuàng)建高效的集裝箱多式聯(lián)運模式也已成為各國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素之一。

集裝箱多式聯(lián)運的發(fā)展是建立在完善的綜合運輸體系之上的。然而，長期以來廣西的交通運輸已成為其經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，由于基礎設施不完善，沒有一個統(tǒng)一的綜合運輸統(tǒng)籌部門，各種運輸方式?jīng)]有真正發(fā)揮組合優(yōu)化的作用，通暢的、安全的、便捷的集裝箱多式聯(lián)運網(wǎng)絡尚未建立。因此，本文希望通過分析廣西集裝箱多式聯(lián)運存在的問題，以廣西集裝箱多式聯(lián)運系統(tǒng)內各運輸方式與運輸路徑實現(xiàn)最優(yōu)化組合為目標，為廣西集裝箱多式聯(lián)運的發(fā)展提供參考和理論指導。

1 遺傳算法的原理及優(yōu)化模型的建立和實現(xiàn)

1.1 遺傳算法的原理

遺傳算法簡稱GA（Genetic Algorithm），在本質上是一種不依賴具體問題的直接搜索方法。遺傳算法的基本思想是基于Darwin進化論和Mendel的遺傳學說，Darwin進化論最重要的是適者生存原理：它認為每一物種在發(fā)展中會越來越適應環(huán)境，物種每個個體的基本特征由后代所繼承，但后代又會產(chǎn)生一些異于父代的新變化。在環(huán)境變化時，只有那些能適應環(huán)境的個體才能保留下來。Mendel遺傳學說最重要的是基因遺傳原理。它認為遺傳以密碼方式存在于細胞中，并以基因形式包含在染色體內。每個基因有特殊的位置并控制某種特殊性質，所以，每個基因產(chǎn)生的個體對環(huán)境具有某種適應性?；蛲蛔兒突螂s交可產(chǎn)生更適應環(huán)境的后代。經(jīng)過存優(yōu)去劣的自然淘汰，適應性高的基因結構得以保存下來。

下圖是遺傳算法的運算過程圖：

基于上述思路，在應用上設計多式聯(lián)運最優(yōu)路徑求解的步驟。將數(shù)據(jù)隨機置于起始點，對每條路線按照多個起始點計算其運輸費用。

1.2 優(yōu)化模型的建立和實現(xiàn)

（1）根據(jù)集裝箱多式聯(lián)運運輸資源配置的分析可知，該問題屬于非線性約束組合問題，即使問題規(guī)模較小時也難以解決，隨著規(guī)模的增大，解決問題的復雜度也增大。近幾年來隨著仿真優(yōu)化方法研究的逐漸完善，Tabu算法越來越多應用到仿真模型優(yōu)化中，該算法具有大量隨機參數(shù)的組合優(yōu)化問題等特點。

（2）運用仿真優(yōu)化方法，結合仿真模型算法的特點對系統(tǒng)資源配置協(xié)調優(yōu)化問題進行求解，通過運行仿真模型得到相應的評價指標，在滿足約束條件的基礎上，對仿真方案進行不斷的矯正，最后得出較優(yōu)的運輸方案。

（3）優(yōu)化模塊。主要通過遺傳算法算出問題的最優(yōu)解，根據(jù)具體的目標，采用科學算法，搜索仿真模型的最優(yōu)解，并對其進行優(yōu)化組合。

2 基于遺傳算法的廣西集裝箱多式聯(lián)運運輸優(yōu)化實例分析

2.1 問題假設

假設某多式聯(lián)運經(jīng)營人準備建立和開發(fā)一條由廣西柳州（O）至廣西欽州（D）的集裝箱多式聯(lián)運路線，中途可選擇若干個（n個）城市作為中間節(jié)點，任意相鄰的兩個城市之間都有若干種（g種）運輸方式可供選擇，在相鄰的兩個城市之間各種運輸方式的運輸時間、運費、運輸能力不同，當從一種運輸方式轉換到另一種運輸方式時，需要一定的中轉時間和中轉費用，而且在整個運輸過程中的總時間不能超過運輸期限（T），在考慮上述各種因素的前提下確定最佳的運輸路線和組合方式，使得總運費和總運輸時間為最少。

為了對問題進行有效的求解，參考Spiess和Florian提出的多式聯(lián)運的優(yōu)化算法，本文將每一個城市到另一個城市的每一種運輸方式都單獨作為一條運輸路線加入到運輸網(wǎng)絡中。即如圖2城市1到城市2是連通的，我們用一條有向箭頭表示城市1到城市2之間連通，但實際城市1到城市2共有三種運輸方式可行，所以將圖2進行改進后成為了圖3，兩種從城市1到達城市2的運輸方式成為了三條可選的運輸路線。這樣就可以將這個多式聯(lián)運運輸優(yōu)化問題轉化成一個最短路問題。

2.2 優(yōu)化模型的建立

針對最短路問題的特點先對模型作以下假設：

（1）運量在某兩個城市之間不能分割，即在某兩個特定的城市之間，只能選擇一種運輸方式；

（2）運輸成本與距離成線性關系。

為了建立模型用有向圖G（N，A）來代表多式聯(lián)運的運輸網(wǎng)絡圖，其中N表示結點集合，A表示邊集合，N表示G圖的結點總個數(shù)。C=[Cijk]表示圖G的鄰接權矩陣——即運輸費用矩陣，k={1，2，3}代表三種可行的運輸方式，其中T=[tijk]表示第二鄰接權矩陣——即運輸時間矩陣，當城市i、j沒有任何方式相鄰的時候：Cijk=tijk=N（N為一非常大的正整數(shù)）。始點與終點分別以O和D來表示。Ii表示節(jié)點i是否被選擇到運輸路線中。Ii=1代表節(jié)點被選取到運輸路線中，0代表沒有被選取。Wijk等于I（i）與I（j）相與，即I（i）與I（j）是否以第k種運輸方式被選入到運輸路線中，當I（i）&I（j）=1時，Wijk=1；當I（i）&I（i）=0時，Wijk=N，即節(jié)點i， j之間沒有被選擇作為運輸路線。

2.3 優(yōu)化模型的求解算法

基于上面的問題模型可以看出這個問題是一個NP難題，很難得到全局最優(yōu)解或滿意解，如用改進的遺傳算法對其進行求解，能取得較好的效果[i]。在用遺傳算法對該模型進行求解時主要要進行下面幾項工作。endprint

（1）確定個體的編碼方式：對于遺傳算法來說，它的可行解由個體來表示，主要在個體之間中進行交叉、變異的操作生成新的個體，直到得到合乎條件的個體為止。所以如何決定個體的編碼方式，對問題的求解速度、誤碼率、最優(yōu)解的范圍都有很大影響。拿一個8城市3種運輸方式的運輸網(wǎng)絡來說，染色體長度就是8x（8+1）=72，其中城市選取用0-1來代表節(jié)點是否被選中，而運輸方式的選取用1-3的自然數(shù)編碼來表示。

（2）確定初始群體：若干個染色體或個體組成的一組向量稱為一個群體，遺傳算法計算的第一步首先要確定一個初始群體，在此基礎上才可以進行之后的遺傳進化過程。初始群體的選擇應該具有較為廣泛的代表性，并且要有足夠多的染色體（個體），否則有可能陷人局部最優(yōu)解而出現(xiàn)早熟現(xiàn)象。論文的染色體生產(chǎn)的方式是隨機生成大部分染色體，再在群體中加入一部分可行解染色體，作為初始群體。

（3）確定適應度函數(shù)：在遺傳算法中用適應度函數(shù)來表明個體和解的優(yōu)劣性，用來確定個體遺傳到下一帶的概率，適應度越高的個體遺傳到下代的概率就越高，這樣就保證了個體向最優(yōu)解的方向發(fā)展。本文直接用目標函數(shù)作為適應度函數(shù)，即f（x）=z（x）。同時為了防止在計算早期出現(xiàn)個別特殊個體，用以下方式對適應度函數(shù)其中f是原適應度函數(shù)，f'是標定后的適應度函數(shù)，fmax、fmin分別是按照實際問題的一個估計值，δ為一個0到1之間的正實數(shù)。

（4）確定交叉和變異規(guī)則：交叉是指種群中確定的染色體做為父代，通過一定規(guī)則產(chǎn)生子代染色體的過程，這一過程所遵循的規(guī)則稱為交叉規(guī)則。這里我們采用兩點交叉法，在這種方法中，在親代中選擇好兩個染色體，隨機產(chǎn)生兩個點，作為交叉點，然后將兩個染色體中兩個交叉點之間的對應信息碼相交換得到兩個子代的染色體。然而，經(jīng)過該操作后，新產(chǎn)生的后代不一定符合約束條件，所以還要對產(chǎn)生的新個體進行檢驗，如果不符合約束條件，還要重新進行交叉，直到滿足約束條件為止。

3 總結

由以上的分析可以看出，集裝箱多式聯(lián)運運輸方式組合優(yōu)化模型在成本最小的前提下，通過遺傳算法和計算機編程的運用，可以較方便地求出最優(yōu)解。在多式聯(lián)運運輸下，以運輸系統(tǒng)收益最大為目標，設計與遺傳算法相結合的組合算法對模型進行求解。在集裝箱多式聯(lián)運運輸總成本最小化的基礎上，通過對各種費用和時間的分析，為多式聯(lián)運企業(yè)選擇最優(yōu)運輸路徑，也為廣西集裝箱多式聯(lián)運運輸方式合理安排提供了一定的依據(jù)。

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