基于cvar的危险品公铁联运路径选择研究-曹欢.pdf
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1、第26卷 第6期2017年6月运 筹 与 管 理OPERATIONS RESEARCH AND MANAGEMENT SCIENCEV0126,No6Jun2017基于CVaR的危险品公铁联运路径选择研究曹欢, 范体军, 刘丽萍(华东理工大学商学院,上海200237)摘要:公铁联运在危险品的多式联运中扮演着重要角色,为了降低危险品公铁联运风险,提高危险品公铁联运的安全性,危险品公铁联运的路径选择至关重要。本文运用条件风险价值(CVaR)理论,在对危险品公铁联运网络进行变形的基础上构建了考虑决策者风险规避程度的危险品公铁联运路径选择模型,设计了求解该模型的算法,并进行了算例分析。研究结果表明:通
2、过该模型及其算法,可根据决策者对所需运输的危险品的运输风险规避程度,在危险品公铁联运网络中快速地选出使危险品公铁联运风险最小的运输路径和运输方式;决策者的风险规避程度会对危险品公铁联运过程中的运输路径和运输方式的选择产生重要影响。关键词:危险品;公铁联运;路径选择;条件风险价值(CVaR)中图分类号:F252:U1162文章标识码:A文章编号:10073221(2017)06-004108 doi:1012005orms20170135Routing the Road and Railway I ntermodal TransponatiOnOf Hazmat Based on CVaRCAO
3、 Huan,FAN Tijun,LIU Liping(School of Business,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)Abstract:Road and railway intermodal transportation has been playing an important role in muhimodal transpor-tation of hazmatIn order to reduce the transportation risk and ensure the t
4、ransportation safety,routing the roadand railway intermodal transportation of hazmat is utmost importantIn this paper,the theory of conditional valueat risk(CVaR)is taken,and a route selection model considering the decision makerS risk-averse level is pro-posed based on the road and railway intermod
5、al transportation network transformationFurthermore,an algorithmused to solve the proposed model is developed and an illustrative example is givenThe results show that the proposed model and algorithm can give the transportation route and transportation mode with minimum road and railway intermodal
6、transportation risk of hazmat in the transportation network quickly according to the decision mak-ers risk-averse level of the hazmat transportation riskThe decision makers riskaverse level has significantimpact on the selection of transportation route and transportation mode in the process of road
7、and railway inter-modal transportation of hazmatKey words:hazmat;road and railway intermodal transportation;route selection;conditional value at risk(CVaR)0 引言多式联运是指由两种及两种以上的交通工具相互衔接、转运而共同完成的运输过程。在危险品的长距离、跨地域的运输过程中,多式联运扮演着越来越重要的角色,其中公铁联运已得到广泛应用。在美国,仅2007年就有多达111亿吨的危险品通过多式联运系统进行运输,其中通过公铁联运系统进行运输的危险品量
8、占较高比例旧o。在我国,实际的危险品运输过程中使用公铁联运的情况也十分普遍,如中石化液化石油气的公铁联运、中石油油品的公铁联运等。与单一运输方式下的危险品运输相比,危险品公铁联运的运输过程更为复收稿日期:2016-01-04基金项目:国家自然科学基金资助项目(71431004,71302043)作者简介:曹欢(1991),男,江苏常州人,博士研究生,研究方向:应急管理,供应链管理;范体军(1967),男,湖北洪湖人,教授,博士生导师,研究方向:运营管理等;刘丽萍(1973),女,江西l瞄川人,副教授,研究方向:物流管理。万方数据42 运 筹 与 管 理 2017年第26卷杂,包含了公路运输、铁
9、路运输以及两种运输方式之间的转运,危险品公铁联运过程中的危险品运输风险不仅与危险品公路和铁路运输风险有关,还会受到危险品转运风险的影响,危险品转运风险的存在无疑会加大危险品公铁联运风险的管控难度。为了降低危险品公铁联运风险,保障危险品公铁联运的安全,危险品公铁联运过程中运输路径和运输方式的选择尤为重要。我国政府高度关注危险品的运输安全问题,一般情况下,企业的危险品运输计划(包括危险品的运输路径、运输方式等)需经政府有关部门批准后方可执行。在危险品公铁联运路径选择过程中,一方面,政府有关部门的决策者希望尽可能降低危险品运输风险以保障危险品运输安全以及公共安全;另一方面,考虑到不同类别的危险品的危
10、害性存在显著差异,政府有关部门的决策者对于不同类别的危险品的运输风险规避程度往往不同。因此,如何根据决策者对所需运输的危险品的运输风险规避程度,在危险品公铁联运网络中选出使危险品运输风险最小的运输路径和运输方式是一个具有重要理论意义和现实意义的问题。1 文献综述Erkut等1在对危险品运输方面的研究成果进行全面分析和总结后指出,已有的危险品运输路径优化方面的研究多侧重于单一的运输方式,危险品的多式联运路径优化问题仍有待进一步探究。近年来,危险品公铁联运路径优化问题已受到国内外学者的高度关注。Verma等H1针对危险品公铁联运路径选择问题,以危险品运输成本和运输风险最小为目标,构建了双目标混合整
11、数线性规划模型,并设计了基于禁忌搜索的模型求解算法。Verma和Verter”。进一步研究了存在运输时间限制的危险品公铁联运路径选择问题,建立了以运输成本和运输风险最小为目标的混合整数线性规划模型,并运用迭代分解算法进行求解。Assadipour等1综合考虑道路拥堵和运输能力限制的影响,以运输成本和运输风险最小为目标,构建了危险品公铁联运路径优化模型,并设计了一种遗传算法对模型进行求解。Xie等H。针对危险品公铁联运过程中转运节点选址和运输路径选择问题,建立了以运输成本和运输风险的线性加权之和最小为目标的危险品公铁联运LRP(10cation-routing problem)模型,并用CPLE
12、X软件进行求解。魏航等1综合考虑有害品多式联运过程中的运输成本和运输风险,构建了时变条件下有害品多式联运路径选择模型,并设计了求解最优运输路径和运输方式的算法。从危险品公铁联运路径选择问题的研究现状来看,现有的危险品公铁联运路径选择模型均假设决策者为风险中性,并未考虑决策者的危险品运输风险规避程度的影响,也无法根据决策者对所需运输的危险品的运输风险规避程度,在危险品公铁联运网络中选出与决策者的危险品运输风险规避程度相对应的最优危险品运输路径和运输方式。对于不同类别的危险品的运输风险,决策者的风险规避程度往往存在较大差异,故有必要进一步研究决策者的危险品运输风险规避程度对危险品公铁联运路径选择的
13、影响。Kang等E 9引入风险价值(Value at Risk,VaR)理论,提出了基于VaR的危险品公路运输路径优化模型,设计了启发式算法进行求解,并分析了决策者不同的危险品运输风险偏好对危险品公路运输路径选择结果的影响。然而,VaR模型仅关注风险不超过VaR值的部分,忽略了超过VaR值的尾部风险,此外,VaR模型也不具有次可加性,不是一致性风险度量模型。为了克服VaR模型的不足,Toumazis和Kwon叫引入条件风险价值(Conditional Value at Risk,CVaR)理论,构建了时变网络条件下基于CVaR的危险品公路运输路径优化模型,可依据决策者的风险规避程度选出最优的危
14、险品公路运输路径。CVaR模型重点关注超过VaR值的尾部风险,通过控制尾部风险来避免极端事件(如严重的危险品事故)的发生,而且CVaR模型是一致性风险度量模型,具有良好的数学性质。但是上述考虑决策者风险偏好程度的危险品运输路径优化研究仍局限于单一的公路运输方式,而在危险品公铁联运过程中,存在公路和铁路两种危险品运输方式,不同危险品运输方式的运输风险有所不同,不同运输方式之间的转换需通过转运方能实现,在危险品的转运过程中也存在危险品转运风险。因此,危险品公铁联运的路径选择问题与单一公路运输方式下的危险品运输路径选择问题存在显著差异,如何根据决策者对所需运输的危险品的运输风险规避程度,在危险品公铁
15、联运网络中选出使危险品运输风险最小的运输路径和运输方式仍需深入研究。基于上述分析,本文引入条件风险价值(CVaR)理论,在对危险品公铁联运网络进行变形的基础上,构建考虑决策者危险品运输风险规避程度的危险品公铁联运路径选择模型,并设计模型求万方数据第6期 曹欢,等:基于CVaR的危险品公铁联运路径选择研究 43解算法,根据决策者对所需运输的危险品的运输风险规避程度,选出使危险品运输风险最小的运输路径和运输方式,并分析决策者的危险品运输风险规避程度对危险品公铁联运过程中运输路径和运输方式选择的影响。2模型建立21符号说明集合:G(N,A)表示危险品公铁联运网络;N表示G(N,A)中的节点集合,N=
16、,:,其中表示只有公路经过的公路节点,N,表示只有铁路经过的铁路节点,h表示同时有公路和铁路经过但不具备危险品转运条件的节点,职,则表示有公路和铁路经过且具备危险品转运条件的危险品转运节点;4表示G(N,A)中的有向边集合。G(7,A)表示由网络变形得到的新的危险品公铁联运网络;N表示G(N,A 7)中的节点集合;A表示G 7(,A 7)中的有向边集合;P表示G(7,A)中连接危险品运输起点和运输终点的危险品运输路径集合;Aj表示G(,A 7)中危险品运输路径Z上的有向边集合。参数:P:、C:、R:分别表示通过公路将危险品从节点i运输到节点J过程中的危险品事故发生概率、危险品事故后果以及危险品
17、运输风险;p。r c:i、R:分别表示通过铁路将危险品从节点i运输到节点,过程中的危险品事故发生概率、危险品事故后果以及危险品运输风险;ph。、c?7、R?分别表示转运节点i处的危险品事故发生概率、危险品事故后果以及危险品转运风险;P:、尸;、p。h7、C:、c;、ChR:、R:和尺?7均为非负实数,i,J E N,(i,J)A。P。CR。i分别表示从节点i到节点之间的危险品事故发生概率、危险品事故后果以及危险品运输风险,P”CI,、R。均为非负实数,i,JN,(i,J)A。f表示G(,A)中连接危险品运输起点和危险品运输终点的某一条危险品运输路径,zP。0表示置信水平,用于度量决策者对所需运
18、输的危险品的运输风险规避程度。变量:Rj表示危险品运输路径f上的危险品运输风险;VaR?表示当决策者的危险品运输风险规避程度为0时,危险品运输路径z上的风险价值;CVaR?表示当决策者的危险品运输风险规避程度为0时,危险品运输路径Z上的条件风险价值;X。为决策变量,X。0,1,若运输车辆将危险品从节点i运输到节点,则X。=1,否则X。=0,其中i,N,(i,7)A。22 问题描述考虑决策者危险品运输风险规避程度的危险品公铁联运路径选择问题可以描述为:在某一危险品公铁联运网络G(,A)中,有一对危险品运输起讫点(0一D),0为危险品运输起点,D为危险品运输终点,需要将某一种危险品从0运输到D,决
19、策者对所需运输的危险品的运输风险规避程度为,0依据决策者的危险品运输风险规避程度,选出危险品运输起讫点之间危险品运输风险最小的危险品运输路径和运输方式。文中的基本假设为:(1)在G(N,A)中,危险品运输起点0和运输终点D之间存在多条危险品运输路径;(2)在G(N,A)中,相邻两个节点之间只能选择一种危险品运输方式:公路或铁路;(3)在各个危险品转运节点处,最多进行一次转运。23 网络变形在危险品公铁联运网络G(N,A)中,同时存在公路和铁路两种危险品运输方式,节点。,和:处均同时有公路和铁路经过,节点M,和J7、r:,既可以视为危险品公路运输或铁路运输的到达点,也可以视为危险品公路运输或铁路
20、运输的出发点,节点:,处存在危险品转运风险。为了使危险品公铁联运网络变得更为简单和清晰,本文首先将对危险品公铁联运网络进行变形。在危险品公铁联运网络G(N,A)变形过程中,G(N,A)中的公路节点之间通过表示公路的有向边进行连接,铁路节点,之间通过表示铁路的有向边进行连接,在同时有公路和铁路经过但不具备危险品转运条件的节点。以及危险品转运节点J7、r:处,将公路或铁路两种运输方式的到达点和出发点分离,并用新的节点表示公路运输或铁路运输的到达点和出发点,通过表示公路的有向边连接新的公路运输到达点和公路运输出发点,通过表示铁路的有向边连接铁路运输到达点和铁路运输出发点,由于转运节点:,处具备危险品
21、转运条件,还需通过表示转运的有向边连接公路(铁路)运输到达点和铁路(公路)运输出发点。此外,由于节点h处不具备危险品转运条件,因而节点,处的新节点之间的危险品运输风险为0。在危险品转运节点处,若未发生危险品的转运,则新节点之间的危险品运输风险为0;若发生危险品的转运,则公路(铁路)运输到达点和铁路(公路)运输出发点之问的危险品运输风险需要根据转运过程中危险品事故发生概率和危险品事故后果来确定。需要特别说明的是:在危险品公铁联运网络G(N,A)中,同时有公路和铁路经过但不具备危险品转运条件的节点M,可能存在三种形态:,、:,、万方数据运 筹 与 管 理 2017年第26卷;,在c(N,A)的变形
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