物流系统规划与设计5运输系统规划与设计课件.ppt
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- 物流 系统 规划 设计 运输 课件
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1、5.1 物流运输系统概述物流运输系统概述n运输运输是指用设备和工具,将物品从某一地点向另一地点运送的物流活动。其中包括集货、分配、搬运、中转、装卸、分散等一系列操作。n物流运输系统的组成l运输基础设施运输基础设施,如货场、道路、桥梁、信号、隧道、公路、河道和码头等;l运输设备运输设备,如集装箱、汽车、牵引机车、拖车、飞机和船只等;l运输工作人员运输工作人员,如装卸人员、维修人员、操作人员及其他管理人员等。5.1.1 物流运输系统的功能物流运输系统的功能 l货物的空间移动 l货物的短期储存5.1.2 物流运输系统的特点物流运输系统的特点 l物流运输系统是一个连续性的过程系统 l物流运输系统生产的
2、多环节、多功能等特点 l物流运输系统生产具有网络特性 l物流运输系统是一个动态系统 5.1.3 物流运输系统的结构物流运输系统的结构 l并联结构并联结构 l串联结构串联结构 l串并联结合的网络型结构串并联结合的网络型结构 1)规划原则)规划原则 经济发展原则经济发展原则 协调发展原则协调发展原则 局部服从整体原则局部服从整体原则 近期与远期相结合原则近期与远期相结合原则 需要与可能相结合原则需要与可能相结合原则 理论与实践相结合原则理论与实践相结合原则5.1.4 物流运输系统规划物流运输系统规划 u运输业务模式的选择运输业务模式的选择 u运输方式的选择运输方式的选择u运输批量和运输时间的确定运
3、输批量和运输时间的确定u运输线路的规划与选择运输线路的规划与选择 u运输流量的分析运输流量的分析 u车输的配载与调度问题车输的配载与调度问题 2)物流运输系统规划的内容)物流运输系统规划的内容5.1.5 现代交通运输系统的发展现代交通运输系统的发展1 1、现代科学技术进步的支持作用、现代科学技术进步的支持作用n 运输设备和运载工具的发展,直接表现为运输运输设备和运载工具的发展,直接表现为运输供给供给能力能力的增长和的增长和运输服务水平运输服务水平的提高,依赖于现代科的提高,依赖于现代科学技术进步的支持。学技术进步的支持。n 现代科技进步,突出表现在现代科技进步,突出表现在高速、重载、安全、信高
4、速、重载、安全、信息息和和复杂系统规划管理最优化复杂系统规划管理最优化五个技术领域对交通五个技术领域对交通运输技术进步的支持。运输技术进步的支持。现代交通运输系统发展的根本原因,是经济现代交通运输系统发展的根本原因,是经济和社会发展,特别是市场经济发展对运输多样化和社会发展,特别是市场经济发展对运输多样化需求的带动,有力地促进运输需求特征的发展和需求的带动,有力地促进运输需求特征的发展和演变。而全球经济一体化的进程,进一步加速世演变。而全球经济一体化的进程,进一步加速世界经济的运输化。界经济的运输化。2、社会发展和市场经济的促进作用、社会发展和市场经济的促进作用n可持续发展是当代新的发展观,是
5、以新的人文理可持续发展是当代新的发展观,是以新的人文理念对传统的生产方式、消费方式和思维方式的审念对传统的生产方式、消费方式和思维方式的审视和扬弃,是从长远发展的角度对人类自身的生视和扬弃,是从长远发展的角度对人类自身的生存和发展与资源、环境和生态等自然关系的正反存和发展与资源、环境和生态等自然关系的正反历史经验的总结。历史经验的总结。n交通运输系统的规划、建设、运营和发展,理所交通运输系统的规划、建设、运营和发展,理所当然地必须顺应可持续发展的要求。当然地必须顺应可持续发展的要求。3、经济和社会可持续发展要求的开拓作用、经济和社会可持续发展要求的开拓作用 一体化交通运输(一体化交通运输(In
6、tegrated transportation)是指)是指交通运输与整个经济社会发展的进一步融合。包括:交通运输与整个经济社会发展的进一步融合。包括:1.运输方式内部及运输方式之间的一体化;运输方式内部及运输方式之间的一体化;2.运输与能源环境的一体化;运输与能源环境的一体化;3.运输与土地利用规划的一体化;运输与土地利用规划的一体化;4.运输与国家、社会安全的一体化;运输与国家、社会安全的一体化;5.运输与教育、健康和财富创造政策的一体化。运输与教育、健康和财富创造政策的一体化。一体化交通运输一体化交通运输q国际通达(国际通达(INTERNATIONNAL IN REACH);q多式联运(多
7、式联运(INTERMODAL IN FORM););q智能运输(智能运输(INTELLIGENT IN CHARACTER););q全面服务(全面服务(INCLUSIVE IN SERVICE););q创新视野(创新视野(INNOVATIVE IN SCOPE).面向面向21世纪的一体化交通运输建设目标世纪的一体化交通运输建设目标5.2 运输系统经济理论与模型运输系统经济理论与模型 运输需求是一种由其他经济或社会活动派生出运输需求是一种由其他经济或社会活动派生出来的需求,运输需求函数(或曲线)在理论上可以来的需求,运输需求函数(或曲线)在理论上可以通过商品产地的供给函数和销售地的需求函数(或通
8、过商品产地的供给函数和销售地的需求函数(或曲线)推导出来。但现实中,在多个商品产地和销曲线)推导出来。但现实中,在多个商品产地和销地并存而且有多种可替代运输方式的情况下,运输地并存而且有多种可替代运输方式的情况下,运输需求以及运输市场上的供求均衡都会呈现十分复杂需求以及运输市场上的供求均衡都会呈现十分复杂的状态。的状态。固定费用固定费用与运输业绩无关与运输业绩无关 各种基本设施的支出、装备、管理投资利息等。各种基本设施的支出、装备、管理投资利息等。可变费用可变费用随交通量的变化而变化随交通量的变化而变化 设备维修、运营等费用。设备维修、运营等费用。课课 节节 回回 顾顾运输系统结构运输系统结构
9、现代运输系统特征现代运输系统特征运输营业运输营业成本包括载运工具燃料消耗和行车司乘人员工资等。成本包括载运工具燃料消耗和行车司乘人员工资等。Ctot=Ccap+CopCtot运输总成本运输总成本 Ccap 资产费用资产费用Cop运营费用运营费用5.2.1 运输费用模型运输费用模型Ccap=Cfac+CequipCfac 基础设施费用基础设施费用Cequip载运工具费用载运工具费用Cop=CFM+CEM+Ctrans+Ctraf+CgenCFM 固定设施维修费用固定设施维修费用CEM载运工具维修费用载运工具维修费用Ctrans 运输费用运输费用Ctraf 交通费用交通费用Cgen 其他费用其他费
10、用5.2.2 运价率运价率基于重量的运价率基于重量的运价率基于距离的运价率基于距离的运价率基于运输需求的运价率基于运输需求的运价率合同运价率合同运价率干线运输运价率干线运输运价率其他特殊的运价率其他特殊的运价率课课 节节 回回 顾顾运输系统结构运输系统结构物流运输系统规划和设计的内容物流运输系统规划和设计的内容u运输业务模式的选择运输业务模式的选择 u运输方式的选择运输方式的选择u运输批量和运输时间的确定运输批量和运输时间的确定u运输线路的规划与选择运输线路的规划与选择 u运输流量的分析运输流量的分析 u车输的配载与调度问题车输的配载与调度问题 启发式算法特点启发式算法特点 禁忌搜索算法原理及
11、步骤禁忌搜索算法原理及步骤 模拟退火算法原理及步骤模拟退火算法原理及步骤 遗传算法原理及步骤遗传算法原理及步骤5.3 现代优化算法现代优化算法本节重点:本节重点:5.3.1 现代优化算法概述现代优化算法概述传统的优化方法(?)传统的优化方法(?)以以数量分析数量分析为基础,以寻找系统为基础,以寻找系统最大限度地满足最大限度地满足特定活动目特定活动目标要求的方案为目的,帮助决策者或决策计算机构对其所控制的标要求的方案为目的,帮助决策者或决策计算机构对其所控制的活动活动实现优化决策实现优化决策的应用性理论。的应用性理论。(牛顿法、运筹学方法)(牛顿法、运筹学方法)现代优化方法现代优化方法(启发式算
12、法)(启发式算法)1)组合最优化问题)组合最优化问题 通过对数学方法研究寻找离散事件的最优编排、通过对数学方法研究寻找离散事件的最优编排、分组、次序或筛选等(分组、次序或筛选等(从有限个状态选取最好的,其从有限个状态选取最好的,其最优解是某一种方案最优解是某一种方案)。)。Min f(x)g(x)0 x DX*为最优解为最优解2)启发式算法)启发式算法 基于直观或经验构造的算法,在可以接受的花费下给出待解决组合优化问题实例的可行解,该可行解和最优解的偏离程度不一定事先可以预计。不考虑所求可行解与最优解的偏离程度,只要不考虑所求可行解与最优解的偏离程度,只要达到预期目标即可。达到预期目标即可。(
13、1)与导数无关性与导数无关性 在搜索使一个给定目标函数最小或者最大化的一组参数在搜索使一个给定目标函数最小或者最大化的一组参数时,这些方法不需要函数的导数信息。相反,它们只依赖于时,这些方法不需要函数的导数信息。相反,它们只依赖于对目标函数的重复求值运算,而且在每一次求值后的搜索方对目标函数的重复求值运算,而且在每一次求值后的搜索方向遵循某种向遵循某种启发式的启发式的思路。思路。(2 2)直观的思路)直观的思路 这些搜索过程所遵循的思路通常建立这些搜索过程所遵循的思路通常建立在简单而直观在简单而直观的概的概念基础上。其中的一些概念是由所谓的自然界的智慧所促使,念基础上。其中的一些概念是由所谓的
14、自然界的智慧所促使,比如热力学和进化。比如热力学和进化。3)启发式算法的特点)启发式算法的特点(3 3)速度慢)速度慢 对于连续优化问题,这些方法由于不应用导数,对于连续优化问题,这些方法由于不应用导数,一般一般比基于导数的优化方法速度慢。比基于导数的优化方法速度慢。(4 4)灵活性)灵活性 不用导数意味着对目标函数的可微和可导性质没有要不用导数意味着对目标函数的可微和可导性质没有要求,因此可以求,因此可以使用复杂的目标函数使用复杂的目标函数。(5 5)随机性)随机性 所有的启发式优化算法都是随机的。理论上讲,启发式所有的启发式优化算法都是随机的。理论上讲,启发式优化算法的随机性保证了在给定计
15、算时间内优化算法的随机性保证了在给定计算时间内得到最优解的概得到最优解的概率非零率非零。然而实际上,为了得到给定问题的最优解,往往花。然而实际上,为了得到给定问题的最优解,往往花费非常可观的计算时间。费非常可观的计算时间。(6 6)难以解析)难以解析 难于对启发式优化算法进行解析研究,主要是因为其随难于对启发式优化算法进行解析研究,主要是因为其随机性。机性。(7)迭代性质迭代性质 所有的启发式优化算法在本质上都是迭代方法,因此需所有的启发式优化算法在本质上都是迭代方法,因此需要某种停止判据来决定何时终止优化过程。要某种停止判据来决定何时终止优化过程。常用的停止判据包常用的停止判据包括括 计算时
16、间:计算时间:达到了制定的计算时间、函数求值次数或者迭达到了制定的计算时间、函数求值次数或者迭代次数。代次数。优化目标:优化目标:目标函数值达到某个预定的目标值。目标函数值达到某个预定的目标值。最小改进量:最小改进量:相邻两次迭代目标函数差小于某个预定值。相邻两次迭代目标函数差小于某个预定值。相对最小改进量:相对最小改进量:相邻两次迭代目标函数之差的某一数学相邻两次迭代目标函数之差的某一数学变形小于某个预定值。变形小于某个预定值。例:现有一个连通图例:现有一个连通图 A =6,各点之间距离矩阵如表所示,各点之间距离矩阵如表所示,相对位置如图相对位置如图1所示,假设两点之间的距离是对称的,求单回
17、所示,假设两点之间的距离是对称的,求单回路运输问题。路运输问题。1v2v3v4v5v6v1v2v3v4v5v6v元素元素v1v2v3v4v5v6v19 98 86 67 71212v26 6151518181616v314148 87 7v44 41010v56 6v6123456图1123456图图2 2(最近邻点法)(最近邻点法)D=6+4+6+7+6+9=38 用禁忌表记录下已经达到过的局部最优点,禁止用禁忌表记录下已经达到过的局部最优点,禁止重复工作。重复工作。局部搜索算法局部搜索算法1)Xbest=X0,P=N(Xbest)2)若若P=,停止计算。否则继续搜索。,停止计算。否则继续搜
18、索。5.3.2 禁忌搜索算法禁忌搜索算法邻域邻域原理原理 邻域概念邻域概念 对于组合优化问题(对于组合优化问题(D,F,f),D上的一个映射:上的一个映射:N:S DD N N(S S)2 2D D 2 2D D于表示于表示D的所有子集组成的集合,则的所有子集组成的集合,则N N(S S)称为)称为S S的邻的邻域。域。S NN(S S)称为)称为S S的一个邻居。的一个邻居。局部最小(最大)解:局部最小(最大)解:f(s f(s*)()f(s),s D()f(s),s D N N(S S*)全局最小(最大)解:全局最小(最大)解:f(s f(s*)()f(s),s D ()f(s),s D
19、1)禁忌对象、长度和侯选集合)禁忌对象、长度和侯选集合 解解的简单变化:的简单变化:x yy 向量分量向量分量的变化:(的变化:(x x1 1,x xi ix xn n)(x x1 1,y yi ix xn n)目标值目标值的变化:的变化:x H(a)H(a)y H(b)H(b)(1)禁忌对象)禁忌对象禁忌表中被禁的变化元素。禁忌表中被禁的变化元素。(2 2)禁忌长度)禁忌长度被禁对象不允许超过的迭代次数。被禁对象不允许超过的迭代次数。tabu(x)=ttabu(x)=t;每迭代一步,每迭代一步,tabu(x)=t-1tabu(x)=t-1,直到,直到tabu(x)=0tabu(x)=0。t
20、t的选取有以下几种情况:的选取有以下几种情况:t t为常数为常数t(t(tminmin,t,tmaxmax),t),t可变化,其变化依据被禁对象的目标可变化,其变化依据被禁对象的目标值和邻域结构。值和邻域结构。t(t(tminmin,t,tmaxmax),t),tminmin,t,tmaxmax动态选取。动态选取。t t过短会造成循环出现,过长会造成计算时间增长。过短会造成循环出现,过长会造成计算时间增长。(3 3)候选集合的确定)候选集合的确定 全部邻域中的邻居。全部邻域中的邻居。部分邻域中的邻居。部分邻域中的邻居。随机选取部分邻居。随机选取部分邻居。2)评价函数)评价函数 候选集合的元素通
21、过评价函数值来选取。候选集合的元素通过评价函数值来选取。(1 1)基于目标函数的评价函数)基于目标函数的评价函数 p(x)=f(x)p(x)=f(x)p(x)=f(x)-f(x p(x)=f(x)-f(xnownow)p(x)=f(x)-f(x p(x)=f(x)-f(xbestbest)(2 2)其他函数)其他函数 替代函数为了减少计算的复杂性。替代函数为了减少计算的复杂性。3)特赦规则)特赦规则(1 1)基于评价值的规则)基于评价值的规则:c(xc(xnownow)c(x)random(0,1),)random(0,1),则则x xi i=x=xj j;重复)。重复)。)t tk+1k+1
22、=d(t=d(tk k););k=k+1;k=k+1;若满足终止条件,终止计算,否若满足终止条件,终止计算,否则回到)。则回到)。1)算法步骤)算法步骤2 2)主要问题)主要问题(1 1)温度温度T T的初始值设置问题的初始值设置问题温度温度T T的初始值设置是影响模拟退火算法全局搜索性能的的初始值设置是影响模拟退火算法全局搜索性能的重要因素之一。初始温度高,则搜索到全局最优解的可能性重要因素之一。初始温度高,则搜索到全局最优解的可能性大,但因此要花费大量的计算时间;反之,则可节约计算时大,但因此要花费大量的计算时间;反之,则可节约计算时间,但全局搜索性能可能受到影响。间,但全局搜索性能可能受
23、到影响。实际应用过程中,初始实际应用过程中,初始温度一般需要依据实验结果进行若干次调整。温度一般需要依据实验结果进行若干次调整。(2 2)退火速度问题)退火速度问题模拟退火算法的全局搜索性能也与退火速度密切相关。一模拟退火算法的全局搜索性能也与退火速度密切相关。一般来说,般来说,同一温度下的同一温度下的“充分充分”搜索搜索(退火退火)是相当必要的,但是相当必要的,但这需要计算时间。实际应用中,要针对具体问题的性质和特征这需要计算时间。实际应用中,要针对具体问题的性质和特征设置合理的退火平衡条件。设置合理的退火平衡条件。(3 3)温度管理问题)温度管理问题温度管理问题也是模拟退火算法难以处理的问
24、题之一。实温度管理问题也是模拟退火算法难以处理的问题之一。实际应用中,由于必须考虑计算复杂度的切实可行性等问题,常际应用中,由于必须考虑计算复杂度的切实可行性等问题,常采用如下所示的降温方式:采用如下所示的降温方式:T(t+1)T(t+1)k kT(t),T(t),式中式中k k为正的略小于为正的略小于1.001.00的常数,的常数,t t为降温的次数。为降温的次数。课课 节节 回回 顾顾 启发式算法启发式算法 禁忌算法禁忌算法 模拟退火算法模拟退火算法 5.3.4 遗传算法遗传算法1)遗传算法的生物学基础)遗传算法的生物学基础 借用生物学优胜劣汰、适者生存的规律。借用生物学优胜劣汰、适者生存
25、的规律。进化发生在编码上。进化发生在编码上。自然选择那些染色体产生超过平均数的后代。自然选择那些染色体产生超过平均数的后代。子女保持父母的特征子女保持父母的特征变异会造成子代和父代的不同。变异会造成子代和父代的不同。生成生成+检测的迭代搜索算法。检测的迭代搜索算法。编码编码初始群体生成初始群体生成适应度评估适应度评估选择选择交叉交叉变异变异2)遗传算法的基本要素)遗传算法的基本要素3 3)算法步骤)算法步骤 (1 1)选择问题的一个编码,给出一个有)选择问题的一个编码,给出一个有N N个染色体的初始群个染色体的初始群体体pop(t):t=1pop(t):t=1;(2 2)对群体中的每个染色体计
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