戰(zhàn)爭(zhēng)背景下的軍事多式聯(lián)運(yùn)

尹福文，蔣益?zhèn)ィ瑥垺》f

(軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

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● 軍事運(yùn)輸Military Transportation

戰(zhàn)爭(zhēng)背景下的軍事多式聯(lián)運(yùn)

尹福文，蔣益?zhèn)ィ瑥埛f

(軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

為較好地解決戰(zhàn)時(shí)軍事運(yùn)輸?shù)穆窂絻?yōu)化問題，以戰(zhàn)時(shí)軍事運(yùn)輸為研究對(duì)象，考慮運(yùn)輸時(shí)間、安全風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用代價(jià)3個(gè)指標(biāo)，建立帶時(shí)間窗軍事多式聯(lián)運(yùn)問題的雙層優(yōu)化模型，并進(jìn)行實(shí)例分析，可為戰(zhàn)時(shí)我軍開展軍交運(yùn)輸提供決策支持。

戰(zhàn)爭(zhēng)背景；多式聯(lián)運(yùn)；時(shí)間窗；蟻群算法

隨著我軍執(zhí)行多樣化軍事任務(wù)、參與重大國(guó)際軍事行動(dòng)日益增多，軍事物流的高時(shí)效和跨區(qū)域機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，對(duì)軍事運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行速度和安全性提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。而以集裝箱為基礎(chǔ)的軍事多式聯(lián)運(yùn)在綜合運(yùn)輸時(shí)間、安全、效益上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為我軍完成軍事運(yùn)輸、達(dá)成作戰(zhàn)目的提供了另一方案支持。因此，在戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，對(duì)帶時(shí)間窗的軍事多式聯(lián)運(yùn)優(yōu)化問題進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)和指導(dǎo)意義。

1　優(yōu)化模型

本文在帶時(shí)間窗條件下，合理考慮運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)輸費(fèi)用3個(gè)方面因素影響，建立帶時(shí)間窗的軍事多式聯(lián)運(yùn)優(yōu)化模型。

1.1問題描述[1]

在戰(zhàn)時(shí)敵火力對(duì)我打擊和道路封鎖情況下，根據(jù)軍事運(yùn)輸任務(wù)需求，需要建立從起點(diǎn)A到終點(diǎn)B的最優(yōu)運(yùn)輸路徑。假設(shè)起點(diǎn)A和終點(diǎn)B之間，存在若干個(gè)運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，且任意兩節(jié)點(diǎn)間都存在多種運(yùn)輸方式。由于運(yùn)輸方式和路徑選擇不同，所需的時(shí)間、費(fèi)用和安全風(fēng)險(xiǎn)也有所不同。與此同時(shí)，在任一起訖點(diǎn)，若運(yùn)輸方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一定的裝、卸載時(shí)間和費(fèi)用。因此，在保證滿足時(shí)間要求、考慮以上多種因素的影響情況下，建立上層求解帶時(shí)間窗約束模型，下層根據(jù)時(shí)間約束求解最優(yōu)綜合效益的多式聯(lián)運(yùn)問題的雙層優(yōu)化模型。

1.2模型建立

1.2.1基本假設(shè)

在運(yùn)輸過程中，物資只可按批運(yùn)輸；在各節(jié)點(diǎn)處，同批次物資的裝、卸載時(shí)間和費(fèi)用相同；運(yùn)輸費(fèi)用與距離及所選運(yùn)輸方式單位費(fèi)用成正比。

1.2.2符號(hào)約定及參數(shù)定義

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2.3上層帶時(shí)間窗約束模型[2]

按照時(shí)間約束不一樣，帶時(shí)間窗的多式聯(lián)運(yùn)問題可區(qū)分為硬時(shí)間窗和軟時(shí)間窗等兩大類問題。由于戰(zhàn)爭(zhēng)的速?zèng)Q性和突發(fā)性，作戰(zhàn)背景下的軍事多式聯(lián)運(yùn)則多屬于時(shí)間指令性強(qiáng)的硬時(shí)間窗的多式聯(lián)運(yùn)問題。

(1)

(2)

(3)

式中r=1,2,…，R；s=1,2,…，S；l=1,2,…，L；dl為不同服務(wù)時(shí)間對(duì)應(yīng)的距離限制。

約束(2)保證每一次迭代計(jì)算中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間起點(diǎn)與終點(diǎn)有且只有一條線路；約束(3)表示軍事多式聯(lián)運(yùn)的級(jí)時(shí)間服務(wù)層級(jí)，即在不同的運(yùn)輸距離上，要求對(duì)應(yīng)時(shí)間的限制，如運(yùn)輸命令要求“物資100 km以內(nèi)2 h送達(dá)，100～200 km以內(nèi)4.5 h送達(dá)”等具有多層級(jí)的時(shí)間約束。

1.2.4下層基于運(yùn)輸綜合效益的優(yōu)化模型

運(yùn)輸起點(diǎn)與終點(diǎn)可認(rèn)為是特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，相關(guān)產(chǎn)生的裝載代價(jià)Cs和卸載代價(jià)Ce表達(dá)式分別為

Cs=ω3×rm×qrs+ω2×es×λ2×qrs+ω1×λ1×

qrs×[(1+λ3)tm-1]

Ce=ω3×rm×qrs+ω2×ee×λ2×qrs+ω1×

λ1×qrs×[(1+λ3)tm-1]

因此，戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，軍事多式聯(lián)運(yùn)所需的廣義代價(jià)可定義為

結(jié)合時(shí)間約束和線路運(yùn)力供給約束等因素，通過優(yōu)化廣義代價(jià)，建立作戰(zhàn)背景下軍事多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸綜合效益優(yōu)化模型。

在模型中，式(4)為時(shí)間窗條件約束，表示軍事運(yùn)輸嚴(yán)格的時(shí)間條件約束；式(5)表示某一線路上運(yùn)力限制；式(6)表示在任一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只能采取一種中轉(zhuǎn)方式；式(7)表示為在相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，方式運(yùn)輸只有使用一種；式(8)為歸一性權(quán)重約束。通過求解以上模型，就可以得到運(yùn)輸綜合效益較優(yōu)的軍事多式聯(lián)運(yùn)的路徑。

2　模型求解

2.1求解思路分析

上層時(shí)間窗約束模型和下層運(yùn)輸綜合效益優(yōu)化模型，都普遍采用蟻群算法進(jìn)行問題的求解[3]。本文以求解下層運(yùn)輸綜合效益優(yōu)化模型為例，其基本思路為：假定有螞蟻集合為Ant={1，2，…，V}，每只螞蟻選取同一批的物資起點(diǎn)為起始點(diǎn)對(duì)解空間進(jìn)行搜索，并根據(jù)信息素和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，對(duì)滿足約束條件的路徑尋優(yōu)，每次搜索完畢后，及時(shí)更新和迭代信息素。在完成所有螞蟻搜索后，就可以得到路徑最優(yōu)的可行解[4]。

2.2路徑選擇和信息素更新

(9)

式中：tabus(t)為禁忌表，為螞蟻第a只個(gè)體在時(shí)間t經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；τij(t)為t時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i和j間路徑的信息素；α為信息素指數(shù)；β為啟發(fā)信息指數(shù)；ηij為螞蟻個(gè)體在節(jié)點(diǎn)i和j間路徑的啟發(fā)信息。

由于信息素的揮發(fā)性，因此在每一組螞蟻搜索結(jié)束后，對(duì)節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間弧的信息素τij(t)進(jìn)行更新。

(10)

2.3求解步驟

(2)信息素矩陣初始化。節(jié)點(diǎn)如果不相連，則信息素設(shè)為0；節(jié)點(diǎn)相連，信息素則相同，且設(shè)τij=1。

(3 )初始化每只螞蟻的禁忌表tabus(t)=0。將M-1只螞蟻隨機(jī)分至網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)，對(duì)約束條件滿足、并至終點(diǎn)的路線進(jìn)行搜索。

(6)當(dāng)螞蟻對(duì)下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搜索時(shí)，若全部節(jié)點(diǎn)都在禁忌表內(nèi)，返回，轉(zhuǎn)步驟(4)。

(7 ) 當(dāng)搜索至網(wǎng)絡(luò)終點(diǎn)時(shí)，記錄所有螞蟻個(gè)體信息和各經(jīng)過路線信息索情況。

(8) 路徑尋優(yōu)，如優(yōu)，則保留該路徑；否則，可行路徑解不變。

(9) 如果迭代次數(shù)NC=NC+1，而NC不超過NC_max，更新信息素矩陣，轉(zhuǎn)步驟(2)，否則轉(zhuǎn)步驟(10)。

(10)輸出最優(yōu)路徑解。

3　算例應(yīng)用

某戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，敵采取火力打擊、滲透襲擾破壞交通設(shè)施，阻我向我方戰(zhàn)場(chǎng)前沿運(yùn)送作戰(zhàn)物資。根據(jù)后指保障命令，如圖2所示，需從1號(hào)后方倉(cāng)庫(kù)分別向7號(hào)陣地運(yùn)送物資q17為800 t、8號(hào)陣地運(yùn)送物資q18為1 000 t。有公路、鐵路和航空等3種不同運(yùn)輸方式。命令要求確保“400 km以內(nèi)12 h送達(dá)，400～800 km 在24 h送達(dá)、800～1200 km在 36 h送達(dá)”，考慮到戰(zhàn)爭(zhēng)背景下運(yùn)輸時(shí)間和安全的重要性，經(jīng)過專家評(píng)估，確定為ω1=0．5，ω2=0．4，ω3=0．1。已知每次運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換的裝、卸載時(shí)間都為3 h，且所產(chǎn)生的費(fèi)用為7 200元。

圖2　運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)

假設(shè)通過專家評(píng)估，把風(fēng)險(xiǎn)性系數(shù)劃分為6個(gè)等級(jí)[1]，并給出了不同的危險(xiǎn)性系數(shù)所對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的單位物資損失(見表1)。

表1　安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和單位物資損失數(shù)值

采用運(yùn)輸方式不同，單位物資的每千米運(yùn)輸費(fèi)用、運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生中轉(zhuǎn)時(shí)間和所需費(fèi)用、各節(jié)點(diǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值以及各節(jié)點(diǎn)間的距離、最大容量約束和安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)等數(shù)據(jù)見表2～表5。

表2　采用不同運(yùn)輸方式每千米運(yùn)輸費(fèi)用　元

表3　中轉(zhuǎn)時(shí)間/中轉(zhuǎn)費(fèi)用　(h/元)

表4　各節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)性系數(shù)

利用時(shí)間窗約束模型求得，即在不考慮敵襲擾破壞和火力打擊等安全性因素以及最優(yōu)綜合效益的情況下，1號(hào)后方倉(cāng)庫(kù)至7號(hào)陣地、8號(hào)陣地最短路徑距離分別為800 km和1 070 km。根據(jù)命令要求，時(shí)間約束分別是24 h和36 h。設(shè)置參數(shù)值：NC_max=500，信息素重要參數(shù)α=1，啟發(fā)因子重要程度參數(shù)β=5，揮發(fā)系數(shù)σ=0.8，信息素強(qiáng)度Q=120。利用綜合效益優(yōu)化模型進(jìn)行求解，可得到運(yùn)輸費(fèi)用345 800元，運(yùn)輸路徑優(yōu)化方案：1號(hào)后方倉(cāng)庫(kù)至7號(hào)陣地最優(yōu)代價(jià)路徑為1→3→4→7，即從后方倉(cāng)庫(kù)裝載后，由公路運(yùn)輸途經(jīng)節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4至7號(hào)陣地，運(yùn)輸距離910 km；1號(hào)后方倉(cāng)庫(kù)至8號(hào)陣地最優(yōu)代價(jià)路徑為1→2→4→6→8，即從后方倉(cāng)庫(kù)裝載后，由公路運(yùn)輸至節(jié)點(diǎn)2，在節(jié)點(diǎn)2改由鐵路運(yùn)輸，途經(jīng)節(jié)點(diǎn)4，到達(dá)節(jié)點(diǎn)6，在節(jié)點(diǎn)6改由公路運(yùn)輸，最后到達(dá)8號(hào)陣地，運(yùn)輸距離1 100 km 。從上述實(shí)證可知，由于時(shí)間、道路容量、安全風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)輸代價(jià)等多重約束，物資的最優(yōu)效益的路徑并不是網(wǎng)絡(luò)最短路線[5]。

表5 各節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)輸距離、運(yùn)輸方式、容積條件、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和運(yùn)輸時(shí)間

注：路線容積約束列單元格為空表示容量不受限制。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文以戰(zhàn)爭(zhēng)為背景，建立了軍事多式聯(lián)運(yùn)優(yōu)化模型和算法，能較好地解決戰(zhàn)時(shí)軍事運(yùn)輸?shù)穆窂絻?yōu)化問題，但影響戰(zhàn)時(shí)運(yùn)輸?shù)囊蛩剌^復(fù)雜，需考慮的因素還較多，如“運(yùn)輸必經(jīng)節(jié)點(diǎn)、必經(jīng)線路和保障節(jié)點(diǎn)先后順序”等問題，還有待下一步研究。

[1]楊英杰，張柳，繩慧.戰(zhàn)時(shí)交通路徑優(yōu)化研究[J].指揮控制與仿真，2011,33(5)：51-53.

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(編輯：閆曉楓)

Study on Military Multimodal Transportation Against War Background

YIN Fuwen, JIANG Yiwei, ZHANG Ying

(Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

The optimization of the transportation routes is of great importance for our army in wartime. With wartime military transportation as the study subject and time, security and cost as indicators, this paper establishes a bi-level model of multimode transportation with time window, the application of which is analyzed. This study is of reference to the decision-making of our wartime military transportation.

war background; multi-modal transportation; time window; ant colony algorithm

2015-11-23；

2015-12-23．

尹福文(1982—)，男，碩士研究生.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.06.005

E712

A

1674-2192(2016)06- 0019- 05