交通限行条件下基于车辆协作的城市物流换乘联运问题研究

       1 引言

       近年来随着汽车保有量急速增加，由交通需求增长与道路资源紧张造成的交通拥堵问题已经成为各大城市普遍面临的难题。为缓解交通拥堵，对货车分时段、分路段、分车型的交通限行政策已经由北上广等一线城市开始施行并向其他城市推广开来，给城市物流配送带来新的挑战。

       城市配送与交通网络的状况密切相关，时变网络的车辆路径问题(Time Depend Vehicle Routing Problem,TDVRP)考虑了交通拥堵环境下的城市配送问题。如，李妍峰等[1]对时变网络车辆调度问题提出一种满足先入先出准则的时变处理方法；马华伟等[2]对时变车辆路径问题的求解策略进行了研究；李妍峰与高自友[3]将车辆路径问题的研究与动态城市交通路网相结合；Franceschetti等[4]考虑了交通拥堵对车速和碳排放的影响；马祖军与胡萍[5]设计了实时/时变交通信息的结合策略，并提出了满足先进先出原则的路段行驶时间计算方法；Bhusiri等[6]研究了带软时间窗的时变车辆路径问题；Verbeeck等[7]设计了快速求解的启发式算法研究事变网络的车辆路径问题；Tas等[8]研究了事变网络与随机行驶时间的车辆路径问题；陈玉光与陈志祥[9]设计考虑时间的竞争战略与可持续发展战略的快速响应策略；唐金环等[10]以时变网络下旅行速度的变化为关键变量，建立实时动态配送模型；Gendreau等[11]从建模方法与求解算法两个方面对时变车辆路径问题的研究现状进行了综述分析；Soysal等[12]以行驶速度为变量建立碳排放的车辆路径模型；Sun等[13]研究了车辆路径问题在大规模的城市交通网络与随机旅行时间中的应用；王旭平等[14]以最小化订单履行时间为目标，构建非线性动态配送联合调度模型；四兵锋等[15]基于系统最优思想的公交专用道网络设计方法；Cao等[16]利用分枝定界算法研究了时变网络环境下路径优化问题；Ehmke等[17]以车辆速度为变量建立时变网络的车辆路径优化模型；Qian Jiani与Eglese[18]研究了在时变网络中不同速度对配送车辆碳排放的影响。交通拥堵对物流配送是软约束，配送车辆可以通行，只是速度降低，而交通限行是硬约束，配送车辆只能在规定的时段、路段通行，否则是违法的，二者有本质的差别。简单地以交通拥堵的方法研究交通限行条件下城市配送问题，显然不符合实际需求，也难以对城市配送进行有效指导。

       为此，针对分时段、分路段、分车型的交通限行政策，从车型与道路匹配算法及换乘联运规则研究入手，提出面向交通限行的车辆协作与序贯式换乘联运策略，通过货物路径的拆分与组合、换乘点设置及车辆协作建立城市交通限行区域与通行区域的联系，构建基于车辆协作的换乘联运模型并设计云遗传算法进行求解。最后，结合修正后的两级配送标准算例验证本文模型及算法。

       2 问题分析

       针对分时段、分路段、分车型的交通限行政策，在此提出基于车辆协作与换乘联运的城市配送策略，通过受限车辆与不受限车辆的协作及货物的换乘联运策略完成城市配送，如图1所示。

      

       图1 城市路网简单结构示意图

       图1中线条表示城市道路，圆边表示绕城高速道路，五角星表示换乘协作点。黄色区域为主城区域，由于城市交通限行政策规定只有符合规定的车型才可以行驶(如，核载质量2吨及以下的厢式货车)，绿色区域为交通不限行的外环区域，所有货车均可以通行，黑线条为城市主干道。

       如图1所示城市配送网络被限行政策分割成不同条块，给城市配送带来了严重困扰，配送过程不再具有连贯性。为此，针对城市配送的实际情况提出基于车辆协作与货物换乘联运的城市配送机制。首先，在综合考虑配送需求类别、服务范围、服务便利性、地理结构、行政区界、交通网络状况、城市布局等因素的基础上，设计以城市主干道为界限的固定分区策略。同时，充分考虑城市配送需求的动态性与分散性，从跨区域资源协作的视角，设计零散需求的动态分区策略。由于交通限行对车型的约束及不同车型的规模效应，综合考虑交通限行状况、配送成本、换乘成本、服务质量等影响因素，设计城市限行区域与通行区域的协作点选择规则，不同类型车辆通过协作点实现配送任务的序贯式换乘联运。具体如图2所示。

      

       图2 车辆协作与换乘联运机制

       如图2所示，由于交通限行造成的客户需求不能由大型车从仓库直接配送，只能通过协作点换乘规定的小型车完成配送。为了便于表述，在此对配送网络进行分级，由协作点及协作点与仓库间路径构成的网络称为第一级配送网络，该网络没有交通限行，所有车辆均可以通行，服务于该网络的车辆称为第一级车辆。由客户及客户与协作点间路径构成的网络称为第二级网络，该网络受到交通限行政策的影响，只能由规定的车辆才能通行，服务于该网络的车辆称为第二级车辆。