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中图分类号:C913.32 文献标识码:A 文章编号:
前沿:近些年随着国家中部崛起战略的深入贯彻与落实,跨省、跨市的合作以及经济特区的打造已经成为引导中部地区经济快速发展的重要战略举措,一系列的区域发展战略在这一时期得以提出。结合黄梅县综合交通运输规划的研究成果,对县域综合交通运输规划中的规划目地、目标、原则进行了说明,并对布局方案做了详细阐述。
1、综合交通运输规划的目的及范围
1.1 规划目的
落实黄梅县重要战略举措,引领小池镇跨越式开放开发;打造黄梅作为鄂、赣、皖三省交界现代物流强县,支撑黄梅县构建“二区一轴”城镇体系;促进黄梅旅游业发展、构建“一线四区八城镇”旅游空间格局;衔接各种运输方式,打造一体化综合运输体系。
1.2 规划范围及期限
规划区域范围为黄冈市黄梅县,主要对区域范围内公路、铁路、水路等运输方式形成的综合交通运输网络及相关衔接进行规划;规划的重点区域为小池滨江新区。
规划期限以2012年为规划基年,规划目标年拟定为2030年,大致分为三个阶段:
近期:2013~2017年;
中期:2018~2022年;
远期:2023~2030年。
1.3 规划依据
(1)《公路网规划编制办法》、《汽车客运站级别划分和建设要求》(JT 200-2004 )、《汽车货运站(场)级别划分和建设要求》、《港口总体规划编制内容及文本格式》等行业规范;
(2)相关的交通规划
《湖北省省道网规划》
《湖北省公路水路交通运输发展“十二五”规划》
《黄冈市交通“十二五”发展规划》
《黄梅县交通“十二五”发展规划》
(3)相关的社会经济发展规划
《黄冈市国民经济与社会发展第十二个五年规划纲要》
《黄梅县国民经济与社会发展第十二个五年规划纲要》
《九江市城市总体规划》
《黄梅县城镇总体规划》
《黄梅滨江新城发展战略规划》
《湖北小池滨江新区总体规划》
《黄梅县旅游发展总体规划》
《黄梅县五祖镇总体规划》
《黄梅新县河西区控制性详细规划》
《大别山实验区规划》
2、综合交通运输规划的原则及目标
2.1 规划原则
适度超前,先行引导;无缝对接,零距离换乘与转运;因地制宜,保护环境;注重服务,以人为本。
2.2 规划目标
布局规划的目标从两方面着手,一是概念目标,一是具体目标。
概念目标即以国省道干线、主要港区、旅游公路、物流园区建设为重点,形成“以高速公路、一级公路、铁路,长江航运为主骨架,以普通国省道和旅游公路为基础,以县乡公路为补充,以重要客货运场站为节点的布局合理、容量充足、衔接顺畅、服务高效以及安全经济的综合交通运输体系。黄梅县综合交通运输体系应适应黄梅县的跨越式发展需要,总体发展阶段由目前的“难以适应”,到近期的“基本适应”,再到远期“全面适应,适度超前”阶段。
根据黄梅县综合交通运输状况,具体目标分为两个内容,一是各种运输方式的发展,涵盖公路、铁路、水运、航空四种运输方式;一是重点发展区域的发展,结合黄梅县重要战略举措,重点打造北部禅宗旅游区和小池滨江新区。
3、综合交通运输布局方案
通过梳理黄梅县现有交通基础设施,以支持重点发展区域为导向,以县域主要节点间的客货流量流向为架构,在黄梅县规划布局“两纵五横两环两枢纽”的综合交通运输体系。
3.1 运输通道布局
整合已有交通规划,升级现有道路,打通南北旅游通道,适当考虑跨越式发展的要求,进行“两纵五横”的运输通道布局:纵一线-英山至九江综合运输通道、纵二线-柳林至小池旅游运输通道、横一线-大河至停前旅游运输通道、横二线-蕲春至宿松综合运输通道、横三线-太白湖至大源湖综合运输通道、横四线-武穴至龙感湖综合运输通道、横五线-沿江综合运输通道。
3.2 圈层布局
在“两纵五横”综合运输通道的基础上,构建北部禅宗旅游环形圈和南部沿湖旅游环形圈。强化对旅游景区的支撑,尤其是加强各景区的联动,增加景区的可达性。
北部禅宗旅游环形圈规划项目布局图 南部沿湖旅游环形圈规划项目布局图
3.3 其他
除去上述两个方面的布局,也要对交通枢纽、农村公路、运输系统、信息系统进行合理布局。
4、重点区域综合交通运输布局方案
4.1 城区对外交通布局
梳理现有对外通道,以“扩大容量、过境外绕、内外分离”的总方针为指导,结合黄梅城区总体规划以及主要对外客货场站等节点的布局,规划“两横两纵一环十放射”的对外交通布局方案。
黄梅县城区对外交通布局方案图
4.2 小池滨江新区综合交通运输布局
根据小池镇交通发展现状,结合《湖北小池滨江新区总体规划》,针对其产业发展格局,强化对工业园区、物流园区、港口码头、景区、公铁站场的连接,对小池滨江新区布局“四横六纵六联络线”的综合交通运输网络。在已有客货运场站的基础上,规划布局一个小池一级客运站、三个大型货车停车场、三个物流园区、一个多用途码头和一个通用机场。
小池滨江新区综合交通运输布局图
5、综合评价
5.1 技术评价
本次规划方案实施后,黄梅县域的公路总里程将达到约5450公里,在现状里程的基础上翻了一番多。
2030年黄梅县公路网规模
目前,全国各地正在掀起各种综合交通运输枢纽的规划和建设。综合交通运输枢纽规划是建设高质量枢纽的前提,但由于我国尚未建立综合交通运输枢纽规划编制标准,已编制的或正在编制的综合交通运输枢纽规划,从范围到内容或从目标到原则都不一样,篇章结构更是千差万别。因此,对已完成的规划进行归纳、总结是十分必要的,以期利于综合交通运输枢纽规划编制体系的构建和提高规划编制质量。
2区域性综合交通运输枢纽规划编制存在的主要问题
由于我国尚未出台区域性综合交通运输枢纽规划编制办法,已完成的规划各不相同是必然的。虽然规划报告的形式和组织结构可以不同,但其核心内容应是相似的。通过对区域性综合交通运输枢纽规划的深入研究,发现存在以下八个方面的主要问题。
2.1无规划成果
目前,有些区域性综合交通运输枢纽规划仅仅从交通运输的角度,对城市总体规划、城市交通规划、高速公路网规划、铁路网规划、航空发展规划、港口总体规划、公路枢纽布局规划和物流发展规划等已有的规划进行汇总,未能从综合的角度发现问题,并提出相应的解决方案。本文认为,城市总体规划、城市交通规划等规划仅是编制综合交通运输枢纽规划的基础,并不是依据,如果所编制的规划与各专项规划都吻合,那么就没有编制综合交通运输枢纽规划的必要了。各专项规划的编制都有其各自的立场,如果完全按照这些规划实施,将很难达到将各种交通方式有机整合并高效运转的目的。
2.2概念不清
由于概念不清,导致对规划目标、原则把握不准确,甚至规划层次和范围都存在诸多问题。首先,工作深度不应超出“规划”阶段,应把重点放在规划阶段需要解决的重要问题上。其次,研究对象是“枢纽”,即客货运量达到较大规模的站场,换言之,公交上落站点规划、人行天桥建设规划等不属于这个范围。再次,“综合”这个概念是指两种以上交通方式在一定范围内的结合,需要对各种交通方式进行适度整合,当然也包括同一种交通方式的适度整合和多种交通方式的适度整合两个层次。最后,“区域性”明确了规划工作范围,并非仅仅是各种交通方式汇集到城市某个点,而是把某个指定范围(如一个城市)作为一个区域性枢纽进行规划。
2.3现状分析不透切
虽然现行的区域性综合交通运输枢纽规划一般都有现状分析,但其只停留在对现状基础设施的分析上,较少涉及已有交通运输相关规划的分析研究。因此,需要增加对现状有关规划的研究和分析。
2.4缺乏远景交通需求预测成果
现行的规划期限大多确定为20年,也有30年、10年和5年。区域性综合交通枢纽规划作为指导各项相关规划的长远规划,其规划期限应比城市总体规划的期限长,至少与城市总体规划的期限相等,建议以30年~50年为宜。对于城市终极发展条件较明显的城市,其规划期限还应延长。现有的规划往往缺乏对城市间交通量的预测,缺乏各站场和通道的交通流量、流向分析,这直接影响到规划成果的合理性和长远指导性。
2.5规划工作深度把握不准
建议依据以下原则把握规划工作深度:规划报告的内容和深度应与规划目标或任务相一致,以能实现既定规划目标或任务为度;规划阶段无需对规划项目进行规模、标准及方案等方面的分析研究;规划工作深度和范围应与规划范围相吻合,即规划范围越大,就越具战略性和长远性。
2.6多种交通方式的整合程度不当
一是各交通方式的整合程度低,不敢超越现有的专项规划,仅仅把已规划的枢纽站场罗列统计到一起。二是过度整合,有些规划为了整合而整合,不分析交通条件,把各种交通方式强行组合在一起。有些规划为迎合领导要求,把整个区域或城市的多种交通方式整合到一个枢纽中,建设所谓的“形象工程”“标志性工程”,造成城市局部交通拥堵等问题。三是整合后规模过大。对于特大城市和大城市而言,规划多个综合交通枢纽是必然的。确定各枢纽建设规模的上限是关键问题,比如一个综合铁路站场枢纽的发送旅客量应控制在什么规模为宜,同理,空港、公路客运站和物流站场也存在这类问题。在目前的规划中,常缺少对规模的研究或优化组合。控制枢纽规模的首要因素是枢纽周边市政基础设施现状及规划情况。根据本文的初步分析,对应于我国城市规划现状水平和交通状况,一个单式公路客运枢纽的日发送旅客量宜控制在5万人次以内,一个综合铁路客运枢纽的年发送旅客量宜控制在5000万人次以内,一个空港的年旅客吞吐量宜控制在5000万人次以内。目前,北京、上海和广州等特大城市普遍存在严重的交通拥堵甚至瘫痪的情况,且这一情况在未来相当长的时间内难以得到改善,因此为确保枢纽周边交通的通畅和高效,宜适当控制单个综合枢纽的规模。
2.7未研究各个枢纽的周边交通问题
通过对我国年发送旅客量1000万人次的枢纽的实际运行情况进行分析可知,这类站场常常引起周边道路的交通拥堵和瘫痪,因此在规划中必需研究枢纽周边城市道路的规划问题,提出对已有规划进行局部修改的方案,确保对外、对内交通的高效、快捷和顺畅。
2.8规划内容不齐全,缺乏规划项目表
虽然目前尚没有相关的规程和规范明确区域性综合交通运输枢纽规划应包括哪些内容,但应根据规划目标和任务,把涉及实现规划目标任务的内容作为规划内容。就工程建设领域而言,缺乏项目表的规划是不完整的,甚至可以视同无规划成果。项目表是对规划方案量化和直观的表达,是指导项目建设的重要依据。根据规划的内容、深度和实施年限,确定项目名称、建设规模和宏观标准等;对拟近期实施的项目,还应包括投资匡算甚至初拟资金筹措方案等。
3区域性综合交通运输枢纽规划编制体系探讨
通过对国内多个区域性综合交通运输枢纽规划报告的深入研究,结合枢纽规划自身的特点,对枢纽规划报告编制的相关内容进行归纳和提炼,构建由以下内容组成的基本编制体系。
(1)概述。这部分内容是对规划报告的综合性概括和论述,其作用是让阅读者快速、全面地了解规划的主要成果。根据这个目标,规划背景、指导思想、编制依据、主要参考资料以及主要规划方案等均应包括在内。
(2)交通基础设施现状及现有的相关规划成果分析。现状分析是任何规划的基础工作。现状分析包括两个层次:一是交通基础设施现状分析;二是现有相关规划成果分析。现状交通基础设施分析应包括公路、铁路、水运、管道和航空五种交通方式的现状分析,以及各枢纽的现状和对外、对内通道的现状分析。通过对已完成的相关规划的分析和整合,从中发现与“条条分割、条块分割”管理相冲突、重复布置、交通不畅等问题。
(3)规划的必要性和实施可能性分析。通过对规划区域的社会经济、发展机遇和区位优势等的分析,提出规划的必要性。通过对各项实施基本条件的分析,研究规划实施的可能性,增强规划实施的信心。
(4)交通需求预测。交通需求预测是制定规划方案的主要依据,应包括以下四个方面:①各枢纽站场中各交通方式的客运总量、货运总量预测。②各枢纽站场集中和发生交通量预测(包括流量和流向两类成果)。对于大型综合客运枢纽还应分车型(公交车、出租车、长途客车等)进行流量、流向预测。③各方向进出规划区域的交通量预测。④区域内部快速通道交通量预测。在四个方面的交通需求预测中,第③和第④方面的预测难度较大,原因是现状的交通量预测模型是针对独立项目交通量预测而设定的,不适用于区域间多个交通项目的整体需求预测,因此需要创新预测方法。
(5)规划目标及原则。规划目标相当于任务书,是规划方案的方向,在规划目标的指导下通过制订工作大纲,可确定各部分的工作深度和工作范围。规划原则是为实现规划目标而设定的工作原则,是在充分调查研究的基础上制定的,能够指导各项规划工作的正常开展。
(6)对外主通道规划。对外主通道的建设将直接影响城市内部的交通状况,应将其作为规划的重点。对于一个城市而言,出进城的通道有多种,如高速公路、一级公路、二级公路、铁路、空港和水路等;对于区域性综合交通运输枢纽规划而言,考虑到规划自身的战略性和长远性,可把高速公路、快速路、铁路、空港、水运干线和管道干线作为对外主通道规划的对象。由于规划期限长于其他交通规划,因此在“主通道规划”这部分,应研究本区域和邻近区域的经济发展走势,对经济发展要有足够的前瞻性和预见性。建议根据走廊经济发展的新趋势和现状经济走廊的发展速度,从新增交通走廊或改造现状走廊等方面突破现有规划,提出更长远的主通道方案。
(7)区域内快速通道规划。为使各种交通流快速进出城市,城市区域内的快速进出城通道应与对外主通道一一对应,且要让每条外向主通道直射(直达)城市核心区域。目前许多城市的对外通道只连接到城市外环高速公路,这必将引起部分进出城交通的过度绕行,加重城市内部相关道路的负担,降低进出城交通的效率。为此,建议进出城主通道按全部控制出入的快速路标准进行建设,有条件的地方应考虑高速公路直接进城。那种盲目阻止高速公路进城的观点是错误的,甚至把本已进城的高速公路改为部分控制出入的快速路,类似的决策应慎之。区域内快速通道规划还应重点研究区域内各分区之间的快速通道方案问题。在区域内的快速通道规划中,保证规划的枢纽站场全部与快速通道连接是首要原则,其次在有条件的情况下尽可能研究各枢纽间快速路相连接的问题,如果各枢纽之间均有快速路相连接,将利于各城区之间快速通道的构建。
(8)客货枢纽站场综合规划。这部分的工作主要包括:确定交通方式整合度、布点、对大型综合枢纽周边道路进行规划。对于单式枢纽,不存在交通方式的整合问题。为提高运输效率,新规划的客货站场一般都会考虑各种交通方式的整合,但整合度要恰当,切不可盲目追求整合度而使单个综合枢纽规模过大。关于布点,主要结合城市总体规划和各枢纽的功能以及交通流量、流向确定,原则上要满足各种交通流快速进出城的要求,一般都把枢纽布置于高速公路或快速路附近。单式枢纽可能只干扰紧邻道路的车辆通行,但大型综合枢纽将影响一个区域,需要对其周边市政道路进行重新规划或调整规划。年发送或吞吐旅客量在5000万人次的特大型枢纽,应规划二条或二条以上的高速公路或快速路直接为其服务,最佳为四条。对于大型空港枢纽而言,商务旅客较多,对进出空港的快捷性和安全可靠性要求更高,因此至少需要一条高速公路专线,且不能与其他高速公路共线。对于只有一条高速公路为其服务的空港,至少还应增加一条城市快速路或一级公路作为备用通道。
(9)信息系统规划。该部分内容包括规划目标、规划内容、系统功能需求分析、系统结构、各子系统功能划分、技术支持手段等。通过充分利用现代计算机技术、信息处理技术、智能卡技术和通信技术等,建立综合交通枢纽信息系统,以实现各运输方式间的协调发展,提高交通枢纽的客货组织及运输效率,为枢纽提供有力的技术支持保障。同时,满足社会公众对运输信息的不同需求,实现各运输主管部门之间、各种运输方式之间、运输企业和社会公众之间信息的有机互动与共享。在枢纽信息系统规划过程中,应利用和发挥已有的电子政务网络平台、数据资源中心、政务地理信息共享平台、信息共享交换平台等基础公共性信息资源,加强对系统基础信息数据库的整合、共享和开发建设,加快交通信息资源整合,促进交通一卡通的实施,加强政务信息化建设,加速客运货运企业实现生产、管理的信息化。
(10)环境保护规划。这部分内容包括:研究规划方案的环境制约因素;分析规划项目对环境的影响程度和环境承载能力,以避免规划方案被环保部门“一票否决”,同时确实保护环境,促进交通事业的健康有序和可持续发展。
(11)规划实施的保障措施。这部分内容要从政策、资金、人力和物力等方面提出一定的保障措施,同时也应针对规划实施过程中可能出现的问题,提出一些具有针对性的保障措施或建议。
(12)建设项目规划。在规划方案确定后,应从规划方案中把项目合理地提炼出来。需要注意以下问题:①要避免把所有建设内容都整合到一个项目中;②要把同类项目整合在一起,尽量避免不同种类项目的相互交叉;③考虑审批部门不同的因素;④考虑便于筹措资金的因素;⑤考虑便于组织实施的因素,如便于委托设计、便于施工管理等;⑥尽量避免经营性项目与非经营性项目的整合;⑦把可申请上级资金补助的项目单独整理出来;⑧考虑“条条分割、条块分割”的现实因素;⑨尽量避免近期建设项目与远期建设项目的整合。总之,这部分工作应作为重点来抓,建议以项目表的形式附于规划文本之后,配以文字说明。规划项目表的信息种类可根据项目实施计划分别确定。
关键词:Quest;车间物流;物流规划;仿真
中图分类号:F273 文献标识码:A
随着制造业自动化、智能化水平的不断提高,企业通过在加工阶段提高效率来降低成本的潜力越来越小,目前企业竞争的关键在于能否充分运用与制造业密切相关的物流技术,帮助企业缩短占产品生产周期90%~95%的物流时间,提高效率降低成本。同时有资料表明,已运行的复杂制造系统约有80%没有完全达到设计要求,其存在的问题中60%可以归结为初期规划不合理或失误,其中尤其需要解决生产能力不匹配和现场物流规划以及布局不合理等问题[1-2]。
随着计算机仿真技术的不断发展与成熟,在产品越来越复杂、生产设备和制造系统日趋复杂和昂贵的今天,引入数字化工厂技术,并通过定量的手段来分析和优化各环节,进行工厂建设的成本分析和生产过程变更分析,能保证在可制造的前提下,实现快速、低成本和高质量的制造[3]。尤其在生产线物流的规划过程中,利用计算机虚拟仿真技术对未来生产现场进行模拟,建立三维物流仿真模型,物流规划工程师可以直观地进行物流线路的分析,分析物流的瓶颈点,并提供柱状图或饼状图的分析工具以便捷地进行物流线路的调整以及物流负荷的调整。因此,它被广泛地应用于产业园以及厂房的规划设计中[4-6]。
本文将以某重型机械上市集团公司新规划的管道生产车间为例进行基于Quest的车间物流规划与仿真优化问题研究,从车间物流运作模式、运输工具数量、各类暂存区规划,以及通道拥塞程度分析等角度进行车间物流规划与仿真验证优化,最终得到一个可行并较优的物流方案。
1 车间物流规划
车间物流规划即是将车间内的所有生产设备、运输工具、附属设施(休息室、卫生间等)和各种作业流程(转运、仓储等),依照生产流程,作适当的安排与布置,使工厂的生产活动能够顺利和流畅[6]。
本文以某重型机械上市集团公司新规划的管道生产车间为例,对其车间物流进行研究。首先利用过程分析与数学计算相结合的方法对物流配送模式、运输工具数量、暂存区面积进行初步规划,然后通过Quest仿真软件进行物流方案的仿真验证,得到一系列参考指标并进行分析优化,找到较优的物流方案。实现的过程如图1.1所示。
1.1 车间生产流程
该车间主要包括单层淬火管(六代管)、双层淬火管(五代管)、拖泵管、法兰、和弯管等产品生产线。由卷管线生产出的各管件经过各自的生产线加工成型再依次经过热处理、涂装以及产出成品运至立体仓库。车间物流简图如图1.2所示。
卷管线的原材料由门S2经过通道由货车运输到卷管线线前端,吊装上线,然后依次经过纵剪分条,开卷对校平焊,活套等工序,产生管件原材料。该生产线共生产5种类型的管件,分别为单层淬火管、双层淬火管(由于是复合管,需要两种类型的管件原料)、拖泵管、弯管生产线的管件原材料,前4种经地下运输线(图1.2中蓝色线路)分类暂存于法兰生产线右端的焊管缓存区,弯管原材料则直接由卷管线左端配送至弯管线边(传送带)。
单层和双层淬火管的原材料由焊管缓存区通过积放链(图1.2红色线路所示)运至线边缓存区,部分由行车直接吊装进行切割下料并除锈焊接,焊接所需的法兰由法兰输送系统自动配送到达,焊接完成的产品由地下运输线输送至U形热处理线,热处理线采用单件悬挂方式流动生产,然后再经悬挂链送至涂装线缓存区,管件在缓存区进行分类装框,再经抛丸,涂装形成成品,最后在涂装区的左侧区域进行贴标、打包、小货车运送入库。与单层和双层淬火管不同的是,拖泵管焊接线的成品直接通过轨道电动车运送至涂装线进行加工而不进行热处理,但其后的加工过程与上述类似。
弯管原材料由焊管线通过传送带运至线边缓存,此线类似复合管,每一个成型的弯管毛坯需要同厂外配送的内管一对一进行组合,加工地点与法兰组装地点相邻,成型的弯管再经过涂装抛丸成品打包运至车间内的立体仓库。
眼切产品则是原材料由厂外运至加工地点,完成之后由小货车运至立体仓库入库。
根据车间设计规划的需求,本文主要对物流运作模式、各缓存区以及线边库存量、运输设备数量进行设计规划,然后进行Quest仿真建模,对运输工具的利用率以及门径吞吐进行验证,由此反应出该车间的物流状况。
1.2 物流配送模式规划
拉式物流配送是按JIT准时化生产的思想,“在需要的时候,按需要的量配送所需的产品”,通过生产的计划控制及库存的管理,追求所谓的“零库存”或库存的最小化。其优点为按需配送,避免线边物料堆积;应变能力强,后方系统支持线边物料需求的变动;对物料需求的回馈及时性好,配送组盘过程能够在物料需求指令发出后,全力满足此指令的需求。缺点为系统分析较复杂,应变的情况较多,随机性大;存在配送到货延时的风险。
推式(非JIT)物流配送中物流控制的基本原理是根据最终需求结构计算出各阶段的物料需求量,考虑各阶段的提前期之后,向各阶段物料分拣或配送指令。此种配送方式的特点是流程控制集中依赖于发货顺序表,可对之进行独立的优化,人员和设备利用率高,但机动性不够强,每个节点的物料配送主要根据主生产计划进行安排,按照一定时间间隔配送,线边库存水平相对较高,同时也不利于生产过程中各个环节的紧密联系。
本文所涉管道成型车间的配送流程主要包括:直缝焊接线板材、内管(弯管)、眼切原材料、法兰的配送。特点为:品种少、批量大、配送频次低。对此,我们选择采用一种改进的批量拉式配送模式,其流程如图1.3所示。
各个需求点的物料低于最低库存时,便向暂存区发送要料请求,物料暂存区接受指令并向配送人员传达发货指令进行组盘和配送。
此种配送方案继承了拉式配送的优点:按需配送,避免线边物料堆积;应变能力强,支持线边物料需求的变动;对物料需求的回馈及时性好,配送过程能够在物料需求指令发出后,全力满足此指令的需求,同时由于该车间配送品种少批量大的特点,也避免了JIT模式下系统复杂、反应能力要求过高的缺点。
1.3 配送工具数量规划
根据物流配送路径、配送方式以及工艺部门提供的流程规划和配送工具信息对各个通道内部的车辆数目进行初步分析,具体过程如下。
获取各种运输工具的基础数据:其中叉车的空载速度为1.5m/s,负载速度为1m/s;并获取各个配送流程的装载时间和卸载时间等。
1.4 暂存区规划
该车间暂存区规划主要为满足延续性生产的各加工单元线边最低库存的规划。加工单元线边为满足生产连续性而设置的临时库存,一般直接摆放在加工机器附件的区域以便及时满足加工需求。线边最低库存不仅与生产有着直接联系,更是JIT生产(或者看板生产等拉式生产模式)的源头,该管道车间的拉式生产模式如图1.3所示,最低库存作为原动力拉动整个配送体系正常运转。
2 基于Quest的仿真与优化
Quest是达索(Dassault)公司旗下产品Delmia的一部分,是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字化工厂环境。它提供强有力的交互式仿真建模功能,是用于实现系统过程可视化和确认生产流程决策是否满足产品生产要求的强大的仿真开发和分析工具。
2.1 Quest建模
利用Quest进行生产线仿真首先要在设计厂房的CAD布局图以及工艺流程的基础上建立几何模型,然后确定几何模型之间的关联关系和其对应的仿真参数仿真以及使用SCL仿真语言对仿真模型内在的逻辑进行设定。
该管道车间的部分系统参数与运输工具参数如表2.1和表2.2所示。
根据厂房规划的CAD图纸用Quest建立几何模型,根据车间工艺流程、规划的物流配送模式(1.2小节)以及初步评估出的运输工具数量(1.3小节)等进行逻辑建模,最终模型如图2.1所示。
然后通过SCL语言控制仿真结果的输出,包括计数器数值输出、利用率报表的输出等。具体过程为:Quest通过编写的SCL语言将仿真结果输出到DAT文件中,Excel再通过VBA读取DAT文件中的数值,最终在Excel中将数据转化为表达更加直观的图表。该实验中,我们用SCL语言编写了对各个运输工具的利用情况和主要门径(N1、S1、S2)的吞吐状况的统计分析程序语句,随着仿真的进行,目标事件触发程序计数器,将结果输出到指定路径的DAT文件中,最后在预先用VBA语句编制好的EXCEL文档中读出DAT文件并转化成直方图和表格数据。
2.2 仿真结果分析及优化
每天的加工时间为20h,由于该车间的换线周期为3天,即可将此实验的仿真时钟设为60h,进行仿真实验,得到各运输工具的利用情况如图2.2所示。
由此可见,该物流方案下,所有配送点均满足配送及时性,但成品运送(图中的成品小货车1和2)的平均利用率偏高,达到了82%。根据经验值,利用率超过75%,视为不安全,即超过安全阈值(实际生产中总会有类似设备故障等各种异常事件发生,仿真分析中配送工具的利用率如果超过75%,则在实际生产过程中极可能遇到因异常事件发生而无法满足正常配送的风险),需改善。
将成品入库的配送车辆数目增加一辆,其他物理模型以及逻辑模型不变,再次进行仿真试验和数据统计分析,得到的运输工具利用情况如图2.3所示。
此时成品小货车利用率降为了58.2%,所有的配送工具利用率都在安全阈值范围内,判定方案合理。
在车间物流的研究中,除了运输工具的工作负荷和利用率至关重要以外,门径吞吐量也直接反应了相关通道的拥塞程度,从而可以一定程度上衡量该车间的物流状况是否良好。为了验证该物流方案是否较优,对改进后的方案再次进行仿真试验,得到门径吞吐统计输出结果如图2.4所示。
横坐标统计时间间隔为30min,纵坐标为每30min经过该门径的车辆数目。图中显示,在3个周期的生产中,门径吞吐最高峰出现在S2门,此时每30min通过测试点的车辆数目最多为12,即最高峰时期,每两辆车之间经过测试点的平均时间间隔为2.5min,负载速度(实则为车间里最慢的行驶速度)为1m/s,则物流最高峰时两辆车之间的距离最近为150m,叉车间的安全行驶距离为90m,这个距离远远超出安全阈值,即通道畅通,物流状况良好。
由此,对于该车间从物流运作模式、暂存区的规划到运输工具的规划这一整体的物流方案,可作为工厂产线规划和持续改善过程中的有效参考。
3 结 论
本文以某管道车间为案例,对其各项物流要素进行规划,并利用Quest数字工厂平台进行仿真优化,最终得到一个可行并较优的物流方案。研究表明,利用仿真软件对生产运作进行仿真,可弥补传统设计规划方法所考虑不到的因素,并且快捷方便,效果明显。此种研究方法可提高企业规划的准确性,有效地降低规划成本,不失为工厂物流设计的一个有效方法。
参考文献:
[1] 高举红,陈思宇,刘晓宇. 基于精益设计的生产能力分析与现场物流改善[J]. 工业工程,2010,13(1):90-96.
[2] 冯定忠,吴能,范佳静,等. 基于SLP和SHA的车间设施布局与仿真分析[J]. 工业工程与管理,2012(4):12-25.
关键词:风电场;道路走廊;优化设计
1 概述
风电项目地处河北省蔚县南部,位于太行山}与燕山山脉的交接地带。风电场区域范围内地形复杂、地势陡峭、山峦绵亘、沟壑纵横。按地理分布,风场区域可分为东、西两片区域,规划面积约为150km2。区域范围内风能资源总体较丰富,本风电场选择单机容量2MW的机型101台。风场区域近邻京、津,交通便利,周边有109、112、207国道、省道和县际道路与北京、宣化、阳原,以及保定市涞源县相连。风电大件设备可通过京张高速或张石高速到达蔚县,再转入“村村通”水泥路到达本风场范围。
由于本风场规划范围广、工程地质条件复杂,为了降低风电场内道路建设工程造价及后期维护运营成本,在对工程现场进行详细踏勘的基础上,结合大型设备的运输要求,对风电场建设及运维道路路线进行了统筹规划,并对局部路径进行了多方案对比优化。
2 工程地质条件
本工程区域范围内地形较为复杂,为探明区域范围内地质岩性及物理力学性质,对工程范围内地形地貌及地质岩性进行了现场踏勘及钻探采集。
2.1 地形地貌
风电场场址区多崇山峻岭,山势较陡,岭高沟深,高程在1400~2150m 之间,属中低山。顶部山丘多呈浑圆状,坡度略缓,一般在5~25°之间;局部呈陡崖发育。山上草植被发育,树木多分布在山体背阴面。基岩少,主要分布在边缘,覆盖层相对较薄,一般小于3.0m,局部沟谷地段相对较厚。
2.2 地质岩性及物理力学性质
风电场范围内山体巨厚,少部分地段基岩,地层岩性主要为灰岩、白云岩。大部分山体上部存在覆盖层,主要为粉土混碎石;山脚及沟谷地段覆盖层较厚,多为黄土状粉土,根据工程钻探结果,典型路段的工程地质条件有:粉土混碎石、碎石、强风化灰岩、中等风化灰岩、强风化白云岩、中等风化白云岩等。
3 道路规划及设计
3.1 道路技术标准
本工程场内道路在建设期主要作为风机设备运输的临时道路,主要的通过车型有大型凹形板拖车、多轴线液压板式拖车等;在后续运营时作为检修道路,主要以常规越野车为主;根据以上服务功能并结合本工程的实际情况,道路路基设计宽度为6m,道路行车道宽度为5米,两侧设土路肩0.5米;根据需要设置排水沟;道路最大纵坡为14%,在局部困难地段可以达到16%,但通过牵引车辆提供助力;道路转弯半径不小于35m。路段采用装载机或推土机拓宽平整,并用压路机碾压密实后加200mm厚山皮石面层。
3.2 道路路线规划及优化
3.2.1 总体路线规划
根据风机机位的分布情况,本风场范围道路可分为东西两个区域来规划设计,结合现场踏勘的情况,对道路方案进行了分区域专项规划,在经济、实用、安全、环保的前提下,对各区域道路进行了多方案综合论证,最终形成具有针对性道路路径规划方案,具体如下。
(1)西区(#1~#49)
西区共有49台风机,紧邻河北-山西省界分布,山西境内为已建成投产的风场,故该区域可有两种道路规划方案,方案一:河北侧方案,该方案总体规划为设备可通过京张高速或张石高速到达蔚县,再转入“村村通”水泥路,再以蔚县马铺村东的沟口为起点,向上攀升至#15机位,与场内道路相连接并到达各风机机位;方案二:山西侧方案。本风场紧邻山西侧已建成的风电场,可利用已建风电道路运输风机设备。经现场踏勘,山西侧风电场道路可与苟庄村西侧的省道S201相接,并一直延伸至省界附近到达本风场,总长度约20km,本段道路为相邻风场的进场运输道路,基本具备运输风机设备的条件;该方案上山道路均位于山西境内,道路运输条件较为成熟,但位于省外,需与路产部门或地方沟通协商。
通过对上述两个方案进行综合分析:得出方案一道路均需新建,施工工期相对较长,但该路径方案位于蔚县境内,地方协调及后续运维简便,可免去众多后顾之忧,后续施工检修方便;方案二虽可部分利用山西境内已有道路,但存在较多的不确定因素,且后续运营维护道路需绕道山西,路径较长将增大运维成本,经综合考虑,推荐方案一河北侧方案。
(2)东区(#50~#101)
本区域共涉及52台风机,根据现场勘查情况,风场道路共有两个规划方案:
方案一:运输道路从邻近已建成的甄家湾风电场接入,直接将道路主线连接到#87风机平台,与场内道路相连接并到达各风机机位;方案二:从甄家湾村南侧的112国道为接口开始攀升,到达#97风机机位,与场内道路相连接并到达各风机机位。
通过对上述两个道路规划方案的技术指标对比可知:方案一利用已建成的风场道路,可大幅减低道路的投资,从路线长度、用地面积、工程造价等方面考虑均优于方案二,且方案一路线范围内工程地质情况较好,工程风险小易于实施,故推荐方案一。
按照以上原则,对风电场道路进行了统筹规划,根据沿线地形、地貌、地质特征,灵活运用技术指标,在充分考虑平、纵、横指标优化组合的基础上,尽量实现路基土石方填挖平衡和工程量最少,并对道路的排水设施及边坡防护进行了综合考虑。
本工程经优化设计后的道路工程量约为:路线长度78.1km;土石方开挖937200m3;土石方回填843480m3;山皮石路面78100m3;管涵180道;M7.5浆砌片石边沟3000m3;M7.5浆砌片石挡土墙3000 m3。
3.2.2 局部方案对比优化
本风电场升压站位于村落南侧的台阶高地上,被一道河谷与村落分割开来,根据现场踏勘,进站道路有两个方案可供选择。
方案一:以升压站西侧已有水泥混凝土道路为起点,沿河谷的南侧(不跨越河谷)延伸,在升压站北侧回转后,向南到达升压站位置。
方案二:进站道路经由升压站北侧的村落,向南跨越河谷后一路攀爬到达升压站位置。
经综合分析,方案一进站道路沿着河谷的南侧直至升压站,长度约2380m,全为新建道路,路径范围以内地势较为平缓,道路施工方便,可降低道路的开挖及回填量;方案二经村落跨越沟谷后可达升压站,长度约2880m,该方案虽可利用村落部分已有道路,但需跨越北侧河谷,跨越及防护工程复杂,工程造价高,施工工期较长,经综合比选,最终推荐方案一。
4 结束语
近年来,随着风力发电项目的大规模开发,陆上风电场正向丘陵、山区等风资源丰富但工程建设投资巨大的区域推进,风机设备具有超长、超宽、超高、超重的特征,加之山地风电场地形复杂,风电机组运输对道路设计提出更高的要求,风电场道路的规划和设计作为风电场项目的“龙头”,在山区风电场建设中的作用愈来愈重要。
文章以实体工程为依托,通过对工程现场地形地貌及工程地质条件进行勘察分析,对风电场内道路路线进行了统筹规划,并在经济、实用、安全、环保的前提下,对道路局部路径进行了多方案对比优化,减少了土石方开挖及回填等工程量,缩短了工期,减少了投资,对类似风电场的规划和设计具有重要的借鉴意义。
参考文献
[1]JTG B01-2015.公路工程技术标准[S].
关键词:循迹式视觉识别、AGV、方案规划
自动导引车(Automated GuidedVehicle,AGV)是一种可以沿规定路线自动行驶.实现自动搬运的运输车辆。作为智能物流系统中的核心设备之一,AGV通过与其他信息化、智能化装备的联动,可以实现柔性和智能化物料搬运。目前应用中常见的AGV导航技术,主要有磁/电磁、激光、视觉、光电、惯性等。
目前存AGV应用中以循迹式应用为主,其原理是在地面上或地下铺设色带或电磁带(如磁/电磁、视觉、光电等导航方法),AGV循着色带或电磁带的路径行走。激光式导引则采用激光定位和设定虚拟路径的方式导航。视觉识别系统通过数字摄像头采集地面上色带的图像,经过识别后可以进行循迹式定位和导航,此外该系统也可以通过其他导航图形标记的识别(如二维码或者特定导航图形)实现自动导引。
相对于埋设电磁导线、磁条,或者地面埋设导航磁钉等导引方法而言,视觉识别方法不但增强了系统的灵活性,并且降低了硬件投入和维护成本;同时也可以避免出现如惯性导航等无路标导航方法存在的误差积累问题。相对于激光导航方法,视觉识别导航的优势在于其低廉的系统硬件成本以及智能扩展特定,只要软件和模式识别功能足够智能,机器人就可以实现多种导航和定位功能。
本文对循迹式视觉识别导航机理与系统组成进行分析,总结其在总图规划时的特点,并针对实际案例进行规划研究,对相关AGV的应用有一定借鉴意义。
一、导航系统组成及
控制流程
视觉识别导引AGV主要由车身、伺服驱动电机、视觉识别系统、安全传感器、无线通信模块、主控系统、手动操作系统等组成,其与常规AGV的主要区别在于机内设置了数字图像采集CCD、视频处理卡和主控计算机。由于实时处理图像的数据量较大,普通的嵌入式MCU或PLC均不能达到实时处理效能,故采用车载计算机完成图形识别和导航功能。视觉导航系统主要由数字摄像头、图像采集卡、AGV主控制器、行走驱动系统和执行电机等组成,如图1所示。
视觉导航系统工作流程如下:首先由数字摄像头采集地面路标图像,再将彩色空间数字图像信号送入图像采集卡进行预处理,形成二值图像,之后由主控系统进行路径识别,由此确定AGV当前位置等地理信息。经过与AGV的目标位置的比较,AGV系统生成运动控制指令,经过驱动器解析后生成驱动信号并驱动行走电机,实现AGV的导航控制,系统工作过程如图2所示。
图3为摄像头采集的原始图像信号和经过计算机识别后的数字图像信号。视觉导航系统能够精确识别出路径标识及其轮廓,从而能够用于车辆的精准控制。
二、系统组成与调度原理
AGV柔性搬运系统除了AGV本体以外,还包括中央调度系统、自动充电系统、无线网络AP及中继器、工位无线呼叫设备、上线下自动控制系统与机构、呼叫数据采集器、机柜、交通指示灯、物流转运车、路径指示胶带等。AGV系统网络组织结构,如图4所示。
当生产线上有物料运输需求时,相应工位上的操作员可以通过无线呼叫器,向中央控制台发送物流需求。中央调度系统确认调度任务需求后,首先搜索系统中AGV的工作状态,选择处于空闲状态且距离目标位置最近的AGV执行搬运任务。此外,工厂的MES系统也可以直接通过无线或总线通信方式向AGV调度系统发出物流运输指令,由后者调度系统内的AGV进行搬运。系统调度控制过程,如图5所示。
三、视觉识别AGV总图
规划特点分析
由多台AGV组成的柔性搬运系统中,需要对总运输路线进行合理规划,以最大化发挥AGV系统的运输能力。工厂生产是一个动态系统,影响其物流的因素众多,因此在总图规划中需要了解工厂内部的物流状态,熟悉AGV所涉及的物流路线的大致情况,并针对性地进行系统设计。
1.规划原则
在实际规划时,首先根据工厂总图确定物料搬运的各工位点、各区段之间的运输量、其他人员车辆的交通状况、地面情况以及各班工人的丁作时间制度等因素,在总图上初步规划出AGV运输路线,并确定相关的参数。接着合理的设置缓冲区、取货卸货台、自动充电站、呼叫盒、无线中继器等的位置,构成完整系统。在规划时,需要遵循以下原则:
(1)减少路线交叉。这不仅会节省由于交通管制带来的额外硬件投入,也能减少AGV由于在路口管制导致的等待时间:
(2)减少双向行驶路径。在符合工艺流程要求的前提下,路线应该以单向行驶为主,AGV能够确保在单向行驶时抵达所有工位点。采用双向路径设置时,需要进行区域锁定控制,以避免AGV相向行驶导致碰撞或者线路死锁。
(3)保持线路间运输量平衡:在单向环形路线中常常会出现公用线路的AGV数量过多而导致系统总体的运输效率下降。此时在通道空间容许的条件下应该设置复线运输,或者通过涮度系统的合理控制,使公共线路上AGV能够合理调度。
2.视觉识别AGV系统的规划特点
视觉识别导航AGV通过识别铺设于地面的色带进行导航行驶,识别路标可以采用与地面背景色形成反差的纯色带。例如在常见的绿色油漆地面上,采用纯白色带,或者在浅色地面上采用纯黑色带均可以实现视觉识别导航。系统有如下特点:
(1)多分支路径识别可靠性高。由于视觉识别路径精度可达到1mm以内,当两条路径之间的夹角较小的时候仍然可以清晰地识别两条路径,因此对于Y字形路径的识别率和可靠性优于磁条导航和埋线式导航。
(2)线路铺设灵活简便。色带材质柔软,可以铺设成各类曲线形状,施工快速。
(3)施工费用低。由于色带可以采用各类材料实现,如纯色防水胶布、油漆等,铺设成本更低,后期维护也更加方便。
(4)抗碾压性好。色带和油漆对于重载车辆的耐受性更好。路径标志受损后修复工艺简便。
(5)适应钢板地面。重工业工厂车间物流通道中为了保护地面,常常会在地面铺设钢板。由于钢板对于磁传感器的干扰而导致脱轨,这类地面上难以使用磁导航类AGV。另外在冶金行业中有铁质粉尘的情况下,也会对磁传感器设备形成干扰。而视觉导航系统不受此限制,可以在各类钢板等金属路面及有铁质粉尘存在的环境中铺设路径通行。
四、规划实例
1.在电商物流行业的应用规划
随着我国电商行业的迅猛发展,电商企业对于物流自动化的需求与日俱增,在物流环节采用更加柔性、更加智能的解决方案成为一种趋势。电商仓储物流中心有大量的物流运输需求。而且时效性要求高。目前对于运输量以及路径相对固定的物流,多采用传统的输送线方式进行。电商物流中还存在大量的辅助物流,例如退货暂存等环节,其工艺特点是有一个物流源应对多个并行处理工位。这些环节采用固定式输送线不仅在设备投入上不经济,而且灵活性差,不能应对突发状况以及后期可能的流程改造需求。另外固定式输送难以实现多工位间的负荷自动平衡。此类工艺条件下采用AGV是较好的解决方法。AGV可以实现工位间的柔性连接,灵活应对可能的工艺流程变化;用户的订单处理系统可以根据各工位的情况实时合理分配工位之间的订单处理量,使系统达到效率最佳状态。
如图7所示为某电商物流中心退供暂存区的布局。由AGV为退供处理区各工位搬运物料,将满料箱从上料点运送到各工位,再将空料箱从工位运输到下料点。现场有28个包装流水线配送点,由于工位位置对称,因此设置2个AGV上料点、2个AGV下箱点、2个自动充电点,同时在AGV下箱点边设置空载周转箱放置区。AGV小车在AGV上料点与包装流水线之间来回运转,将满载/空载周转箱运送至相应的位置。在流水线每个工位上都设置了动力辊道,AGV可与包装流水线辊筒线自动对接并交互,将满载周装箱移至辊筒线上并收回空载周装箱AGV小车为自动移载式,设置有两个独立的辊简移载装置,对应两个不同高度的辊道线,一次可以同时搬运两个料箱,成倍提升效率。
系统的工作流程,如图8。
AGV作业流程说明如下:(1)AGV小车在等待区待命,等待调度系统发出运输指令;(2)当AGV接收到运输任务后,立即自动巡线运动,按照规划路线行驶至上料点固定位置并自动与输送线对位,向系统发出到位信号;(3)系统发出指令,上料点辊道将满载周转箱自动输送至AGV车载辊简上;(4)料箱到位后AGV车载读卡器读取周转箱相应信息,自动判定该料箱的运送目的位置;(5)AGV启动自动巡线行走,沿路线行驶到达指定流水线工位点;(6)到位停稳后,AGV启动辊筒电机,将满载周转箱移载至包装流水线的辊筒线上;(7)包装流水线启动另一条辊筒线,将空载周转箱移载至AGV小车上空载料箱位;(8)AGV车载传感器监测到料箱到位后,启动自动巡线行走,按照规划路线返回AGV下箱点;(9)卸载空料箱后,AGV返回待命区。
从图7中路线布局可以看出,本方案采用多点转弯折回路线。即当AGV从靠近物料上货点的工位上接收到料箱后,可以就近选择一条最短路径回到AGV上料点,而不必绕一个大圈再回到AGV上料点,在运输任务量大的情况下,这样的调度方式可以能够节省大量的运输时间。由于包装处理区的线路是多个环状线路的套接,到最远端丁位取货的AGV会碾压其行进线路上的横向导航带。视觉识别导航由于采用色带或者地面油漆,厚度小,韧性好,因此路标的抗碾压性好,AGV行驶通过时车身的颠簸较小,在这类多环模式运输中更加有优势。另外,由于丁位之间比较密集,线路交叉点多,岔道之间的夹角不大,给岔道识别带米难度。由于视觉识别分辨率高,对于Y字形岔路的识别可靠性稳定,可保证导航系统的正常运行。
在线路规划中,有两种设计方案,一种是上下两个区域分别使用一个AGV上料点,另外一种是两个区域合并使用一个上料点,两种情况的取舍需要对总体效率进行规划后得出。
在A方案中,上下分别设置一个上料点。分路线AGV完成单个整体流程所运行的路线平均长度约为73m;AGV平均稳定行驶速度为35m/min,因此分路线AGV完成单个流程耗时约73÷35=2.1min。现场节拍为4箱/min,在不考虑辊简运输与人工上下料时间情况下,现场需求15s间隔进行一次运输作业,则分路线所需ACV小车数量为2.1x60÷15=9辆。因此整体所需AGV小车数量为18辆。
在B方案中,上下区域合并使用一个上料点,整体路线AGV完成单个整体流程所运行的路线平均长度约为167米,考虑到区域内可能有人行走,因此AGV平均稳定行驶速度为35m/min,则AGV完成单个流程耗时为167÷35=4.8min,则此方案所需AGV小车数量为4.8x60÷15=20辆。
对比就可以发现,A方案所需AGV数量为18辆,较后一种方案减少了2辆AGV,同时A方案整体运行系统与B方案相比较为简单,交通管制相对降低,可一定程度上减少AGV在运行路线上的交通等待时间与单程空跑的占比。因此选用A方案是较好选择。实际生产中,存在着人工上下料与辊简运输耗时,同时也存在着交通等待耗时等情况,因此每条路线需配备1台备用AGV;故选用A方案,所需ACV小车整体数量为18+2=20辆。
系统还设置了周转箱的自动识别系统,实现完全自动化的周转箱识别和柔性搬运。在每个动力辊床上配置读卡器,在AGV上配置一个读卡器,同时在周装箱的规定位置配置一个识别卡。人工将满载周转箱放置在动力辊床上后,辊床读卡器读取识别卡,人工根据系统提供的工位点信息通过识别卡在线配置界面修改识别卡相应信息;满载周转箱通过动力辊筒加载到车载辊筒上,车载读卡器读取识别卡,根据卡内相应信息与既定规则自动判定AGV运送位置。
2.在冶金环境中的应用规划
钢铁冶金生产中,对于工序间物流自动化的需求正在逐年上升。高炉是钢铁生产中的重要设备,在高炉铁口放完铁水后,泥炮机通过液压缸将炮泥注入铁口中,将铁口堵住。在冶炼期间,需要定时为高炉泥炮机补充炮泥。在传统作业方式下常采用人工驾驶叉车进行炮泥运输。但是高炉周围有高温、噪音、含铁粉尘等不利条件,人员劳动环境恶劣,采用AGV自动补充炮泥则可以有效解决上述问题。图9为某钢铁生产企业高炉炮泥的运输线路布置图。
炮泥运输需求如F:(1)炮泥框架周转区至炮泥框架存放区之间的满料托盘移载;(2)炮泥框架存放区至炮泥上线点的物料搬运上线及空托盘回收,实现炮泥的移载、上线、空托盘回收等环节的自动化物流。
炮泥托盘周转区、满托盘存放区、空框架存放区等区域设置托盘的光电检测装置。为了代替人工叉车运输,AGV也采用叉车式,负载形式为叉举式,最大负载规格为1200kg,最大举升高度1700mm。
AGV采用的导航技术需要符合现场工况的特殊要求:
(1)现场存在大量的含铁粉尘,不仅对设备正常运行造成影响,也对各类磁传感器形成干扰。
(2)叉车自重加上炮泥重量超过2吨,会对沿线铺设的导航线路造成碾压,易损坏线路。
(3)南于现场条件限制,地面不能开挖作业,因此不能采用预埋式导航技术。
(4)由于未来应用数量大,宜采用经济型导航技术。
由于上述条件限制,采用视觉识别导航AGV是较为合适的方案:首先是地面无需开挖,施工周期快;另外视觉系统不受含铁粉尘十扰,满足环境使用要求;叉车式AGV由于其自身结构特点,在叉取及摆放托盘环节会产生很多交叉分支路径,且岔路口的两条线路交汇处夹角较小,普通导航方式容易脱轨。而视觉导引则可满足Y型分岔路精确识别需求。
系统工作流程如图10所示:(1)当接收到上料点的任务信号后,AGV运行到炮泥托盘存放区,叉取一个满托盘并运输至线边上料点,精准摆放在规定位置上,等待线边机器人取料。满托盘的物料被取空后,AGV把空托盘运输至空托盘存放区,并根据上料机器人反馈的信号,决定是否进行下一个满托盘的上线输送。(2)当完成一次炮泥填装后,调度系统根据炮泥框架存放区两个暂存点的物料数量变化,指令AGV行驶至炮泥框架周转区,依据检测系统的反馈结果依次把四列周转区的满托盘输送至存放区,根据存放区的检测反馈结果,分别补足2个摆放货架的满托盘物料。(3)如果一个满托盘的炮泥在一次装填过程中没有被取尽,AGV会根据上料机器人反馈结果将其运回满料存放区。(4)物料上线及补料移载完毕后,小车回到充电站按照预设的充电时间进行充电,等待AGV小车上料点的下一次呼叫命令。
关键词:城际铁路;西安枢纽;规划;方案研究
西韩城际铁路作为关中城市群城际铁路网向东北方向的重要分支,经西延高铁引入西安枢纽,与国家高速铁路网连通,同时具备从韩城向东延伸至侯马与大西高铁联通的条件,首尾与国家高速铁路网连通之后将形成西北东部与西南地区至华北、东北又一便捷通道。
1西安至韩城线城际铁路概况
根据2014年6月国家发改委《关于关中城市群城际铁路规划(2014-2020年)的批复》(发改基础[2014]1449号)及正在修编关中城市群城际铁路规划,西安至韩城城际铁路是关中城市群城际铁路网重要骨架线之一,主要承担西安至韩城间城际客流,并兼顾沿线地方客流和旅游客流。本项目南端的西安枢纽与西成高铁、郑西高铁、西宝高铁,及宁西线、西康线衔接,沿线客流通过本项目既与西安市便捷交流,也可直达西南、中南等地区。线路从西安市引出向东经西安市国际港务区、高陵县、阎良区、渭南市富平县、蒲城县、澄城县、合阳县至本项目终点韩城市,线路全长209.73km。其中西安北至富平阎良段利用西延高铁,富平阎良至韩城段新建线路长度161.50km。
2西安枢纽规划概况
2.1西安枢纽概况
西安铁路枢纽线现为衔接郑西、西宝、大西3条高铁、以及陇海及货运北环线、包西、侯西、西康、宁西、咸铜、西平和西户支线等11条铁路12个方向的大型环形铁路枢纽。随着西成、银西、包西、西武、西渝高铁,西韩、阎机、西法等关中城际铁路等引入西安枢纽,将形成衔接8条普速线路、8条高铁、6条城际铁路的特大型环形铁路枢纽,详见图1。
2.2枢纽在建及拟建工程概况
在建项目有:西成高铁、银西高铁、西安站改扩建工程及新筑铁路综合物流中心。拟建及规划项目有:西安至延安高铁、西安至十堰高铁、西安至重庆高铁、西平线增建二线及西安枢纽货运第二双线、枢纽南环线及相关联络线,及关中城际铁路。
2.3城市总体规划及相关交通规划
西安枢纽范围涉及西安、咸阳、渭南三市,与枢纽方案研究有关的主要为西安市以及大西安都市圈总体规划。西安市城市总体规划:根据西安市第四次《城市总体规划(2008-2020)》,西安市将建成为新欧亚大陆桥中国段中心城市之一,交通枢纽城市及中国西部经济中心和陕西省政治经济文化中心,“一线两带”的核心城市。大西安都市圈总体规划布局:“大西安”规划范围包括西安市整个行政辖区、渭南富平县城、咸阳市秦都、渭城、泾阳、三原“两区两县”,用地12009km2,至规划期末形成建设用地1329km2、总人口1250万人的规模。主城区用地1280km2,总人口850万人。轨道交通线网调整规划:根据2016年最新大西安城市轨道交通线网规划,线网由市区线和市域线两大部分组成,共23条线路,其主体网络形态呈棋盘+放射型结构,线网总规模986km。
2.4枢纽客运量预测
2.4.1运量预测思路和方法采用“四阶段法”基本思路,根据全国铁路客运量预测和区域客运量发展趋势,对区域客运总量进行生成和分布预测;结合城际网中各线功能和影响因素进行运量分配,在此基础之上对本项目客运量进行预测和分析。2.4.2枢纽客运量预测预测近、远期枢纽客车总对数分别为682对/d、851对/d,其中动车615对/d、781对/d,普速85对/d、72对/d。枢纽客流特点是以始发终到客流为主,近、远期始发终到客车为488对/d、623对/日,约占枢纽总对数72%,其中动车441对/d、582对/d,普速47对/d、41对/d。本线近、远期列车对数为51对/d、64对/d。
2.5枢纽总图规划修编意见
2.5.1总图格局在原总图规划基础上,研究年度规划包西高铁、西武高铁、西渝高铁、枢纽第二货运北环线和城际铁路引入枢纽,以及西平线增建二线等,枢纽将构成以陇海铁路、郑西西宝、包西西渝高铁为主轴,两条货运北环线和枢纽南环线组成的大型环形铁路枢纽。包西高铁与西渝高铁在枢纽内南北向贯通组成包海客运通道,西武高铁接入包海通道纺织城站。客运系统:规划西安站、西安北站、西安东站(纺织城)、新西安南站为主要客站,阿房宫站为辅助客站,形成“四主一辅”客运站布局。西安站、西安北站为枢纽东西向陇海通道上主要客站,纺织城站为枢纽南北向包海通道上主要客站,新西安南站为枢纽西北与东南向快速客运通道上主要客站,同时承担城际铁路主要作业。解编系统:新丰镇编组站为枢纽内唯一编组站,为路网性编组站,双向三级七场站型;规划预留临阎辅助编组站。货运系统:规划新筑铁路综合物流中心为全国性物流中心,规划建设新丰镇、引镇、户县、空港、临阎铁路物流中心为区域性物流中心,形成“一主五辅”货运(物流)格局,既有西安西、西安东、咸阳等站的货场逐步外迁。2.5.2客运站分工西安北站办理郑西、西宝、大西、西成、银西、包西高铁长途动车组始发终到作业和东西向动车组通过作业以及成都与郑州、运城、延安方向,银川与重庆及武汉方向动车组通过作业。西安站办理普速列车为主,兼办部分短途始发终到动车组及银川与成都方向动车组通过作业和西韩城际铁路动车组作业。西安东站(纺织城)办理武汉、重庆方向动车组始发终到作业,延安、银川与武汉、重庆方向动车组通过作业,以及西康线普速列车通过作业。新西安南站办理银川与武汉、重庆方向动车组通过作业,以及部分城际列车始发终到及通过作业。阿房宫站主要办理成都方向动车组及部分城际列车通过作业。
3引入西安枢纽方案研究
3.1研究思路
本次研究结合《西安铁路枢纽总图规划》,以总图规划和高铁网架构为基础,以城际路网引入为切入点,综合考虑城市总体规划、工程设置、经济点分布等因素,在枢纽客运系统布局及线网构成的基础上,研究了本线引入枢纽的走向和接轨方案,达到枢纽客运系统布局合理,运输组织顺畅、服务质量优质、预留条件充分的目的,以适应枢纽客运量的增长需求。
3.2引入西安枢纽通道研究
3.2.1方案概述根据西安铁路枢纽总图格局及客运系统布局,结合关中城市群城际铁路网规划,研究了利用西延高铁通道经富平阎良地区引入枢纽方案(方案I)和沿既有包西铁路新建双线经临潼东站引入枢纽方案(方案Ⅱ)两大类方案。方案I:利用西延高铁通道经富平阎良地区引入枢纽方案方案自比较起点蒲城南站引出后向西沿S106省道布线,经到贤镇后线路折向西南绕避富平规划区后引入西延高铁富平阎良站,后利用西延高铁引入西安枢纽西安北、西安等站。新建线路长度55.65km,桥隧比67.95%,工程总投资81.25亿元。方案Ⅱ:沿既有包西铁路新建双线经临潼东站引入枢纽方案方案自蒲城南站引出,出站后折向西南布线,跨既有侯西铁路,于既有线南侧、卤阳湖现代产业综合开发区规划区北侧设卤阳湖站,后跨至侯西铁路北侧傍行既有包西线西侧走行,于阎良区东侧设站,出站继沿包西线西侧,跨越渭河后经临潼东站引入西安北和西安站。新建线路长度69.15km,桥隧比69.26%,工程总投资100.96亿元。详见图2。3.2.2方案优缺点分析及推荐意见综合分析,方案Ⅱ线路建设长度较长且临潼东站大西高铁区间无砟轨道改扩建非常困难,需中断行车施工,对既有线运营影响大,施工难度大,本线需经郑西或大西高铁临潼东至西安北段运行至西安北站,致使该区段能力紧张,且与大同至宝鸡方向动车组列车及包西线普速客车干扰较大,运营管理不便,该方案予以舍弃。方案I具有符合城市总体发展规划,方便城市旅客出行,有利于吸引客流,工程易于实施,工程投资省,运输组织顺畅等优点,推荐采用方案I,即利用西延高铁通道经富平阎良地区引入枢纽方案。
3.3富平阎良地区引入方案比选
3.3.1城市规划概况阎良区距离西安市中心50km,总人口28万人。富平县位于西安市北部,总人口82万,城市空间结构为:“一心、三带、三片区”,城市居住区主要分布在既有咸铜线两侧,规划向东、向南扩展,逐步形成富阎一体化布局。3.3.2本线引入富平阎良地区线路走向及接轨方案研究根据西延高铁、西韩城际铁路及阎良至机场城际铁路客流特点,研究年度内延安、韩城与西安北和机场方向均有一定数量的列车开行,故需考虑4个方向的互联互通。考虑到既有阎良站线路轨道和配套基础设施标准较低,且车站周边建筑密集,引入条件较差,不利于城际线路的接入,需择址新建城际站。结合西延高铁推荐的富平阎良地区站位以及本线及阎良至机场城际铁路线路走向,富平阎良地区接轨方案主要研究了富平阎良站接轨、新设阎良北城际站接轨及阎良西站接轨3个方案。3.3.2.1方案概述方案Ⅰ-1:西延高铁富平阎良站接轨方案富平与阎良两城市相距10~15km,根据城市发展规划及线路走向情况,西延高铁在经过该地区时线路从高陵引出,沿西禹高速通道布线,在荆山塬上合设富平阎良站,跨越石川河折向西北方向。本线自北端由西延高铁两侧疏解引入富平阎良站,与阎良至机场城际铁路贯通,经富平阎良站实现各方向的连通。比较段落本线与阎良至机场城际铁路线路长度合计87.63km。详见图3。在阎良区北侧新设阎良北站,本线与阎良至机场城际铁路贯通,同时设置韩城至西安北方向的联络线接入西延高铁预留的阎良线路所,以实现四个方向的联通。比较段落本线与阎良机场城际铁路线路长度合计74.24km,各方向联络线合计长度为30.50km。方案Ⅰ-3:西延高铁新建阎良西站接轨方案西延高铁于阎良区以西西禹高速西侧具备设阎良西站的条件,本线自北端西延高铁两侧疏解引入新设的阎良西站,与阎良至机场城际铁路贯通,经阎良西站实现各方向的联通。比较段落本线线路长度合计79.31km。3.3.2.2方案优缺点分析富平阎良地区接轨方案比较,详见表1。3.3.2.3方案推荐意见综上所述,方案Ⅰ-1符合高铁大通道布线要求,车站设置均衡,城际与高铁衔接紧密,旅客换乘方便;综合比较投资较省;同时符合省政府和地方政府意见,有利于实现富平、阎良两地“一体化”进程,带动两地共同发展。本次推荐方案Ⅰ-1:西延高铁富平阎良站接轨方案。3.3.3接轨站建设方案研究富平阎良站共衔接延安、韩城、西安和机场四个方向,根据车站布置形式对线路疏解方式、行车组织的影响,结合车站周围地形地貌和城市规划,研究了合场布置和并场布置2个方案。3.3.3.1方案概述方案Ⅰ-1-1:合场布置方案西延高速铁路、西韩城际铁路及阎良至咸阳机场城际铁路车场合并设置。西延高铁正线中穿贯通,本线在车站北端分上下行疏解引入,阎良至咸阳机场城际铁路在车站南段分上下行疏解接轨。车站按4台10线规模设置,西延高铁2台6线工程,本线2台4线工程,阎良至咸阳机场城际铁路在本站设置立折线,以满足立折车的折返需要。车站西安端站同左位置设综合维修工区1处。详见图4。方案Ⅰ-1-2:并场布置方案车站采用一站两场布置形式,由东向西依次为高速场和城际场,高速场南端设置与阎良至咸阳机场城际铁路的上下行联络线,满足咸阳机场与延安方向车流的运输需求;城际场南端设置与西延高铁的上下行联络线,满足西安北与韩城方向车流的运输需求。高速场按2台6线规模设置;城际场按2台5线规模设置,本线实施2台4线,阎良至咸阳机场城际铁路实施到发线1条。阎良至咸阳机场城际车采用站前折返方式。其他客运配套设施同合场布置方案。详见图5。3.3.3.2方案优缺点比较及推荐意见合场布置方案优点:车站与各方向衔接顺畅,线路疏解简单,无需设置联络线,行车组织较方便;缺点:车站站坪太长,用地较大,近期一次性建设工程量大,投资较大。并场布置方案优点:站坪长度短,用地较少,车场工程可按照近远期需求分步实施,近期工程量较小,投资少;缺点:各方向衔接需设置联络线,线路疏解复杂。综上分析,由于合场布置线路疏解简单,无需单独设置联络线,车流组织方便,故本次推荐方案Ⅰ-1-1:合场布置方案。3.4本线引入枢纽客运站及区间能力分析本线引入枢纽运输径路顺畅,经检算,研究年度车站及相关线路能力均能满足本线引入运输需单独设置联络线,车流组织方便,故本次推荐方案Ⅰ-1-1:合场布置方案。
4结语
关键词:物流运输;组合优化;路径优化;线性规划;启发式算法
中图分类号:TP391
整车物流指的是按照客户订单对整车快速配送的全过程。随着我国汽车规模的扩大发展,乘用车的整车物流成为了当前面临的主要问题之一。
1 通用模型
1.1 两阶段线性规划模型
1.1.1 模型定义
本文中假设所有轿运车都是双层;轿运车到达目的地后不得返回;轿运车在运输过程中可中途卸载部分乘用车;卸车成本忽略不计,总成本仅与派遣的轿运车数量和行程有关。
在满足假设前提的情况下,定义轿运车集合П=与待运乘用车集合=,有任意轿运车类型Пi=和待运乘用车类型=。其中,πi为轿运车的数量,WiD,LiD,HiD,WiU,LiU,HiU分别为轿运车上下两层的宽、长和高;θi为待运乘用车的数量,wi,li,hi分别为待运乘用车的宽、长和高。则乘用车物流运输计划问题可描述为:在满足Constraint(1)的情况下,对于轿运车和待运乘用车集合П和,求出Xmin,使得Cost(Xmin)=mini(Cost(Xi))。
在假设前提下,对于任意轿运车Пi,可将其视为ПiD=(下层)与ПiU=(上层)。
(1)
1.1.2 两阶段线性规划
定义1 切分模式:给定宽为W,长为L的长方形X=,以及一系列的小的长方形Y=,Yi=,1≤i≤n。需要将X切分为宽为且长为L的条(长方形)。一种切分模式λiX可定义如公式(2):
λiX=T,Σjbj*wj≤W (2)
其中,是在切分模式λiX下,能切分出的宽为长为L的长方形个数。记可能切分模式的总数为γX。
定义2 两阶段线性规划:给定Пp∈П和,两阶段线性规划问题分为两个阶段。
(1)将规格为Wi*Li的长方形切分为wj*Li,θj∈的“条”,Σwj≤Wi。
(2)给定规格wj*Li的条,将其切分为最终规格为wk*lk的块,wk≤wj且Σlk≤Li。
0 0 2 1 2 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0
W0=3.5 L0=24.3 λ10λ20λ30λ40 λ11 λ12λ22λ32λ42λ52 λ13λ23λ33λ43λ53λ63λ73λ83λ93λ103λ113λ123λ133λ143λ153
(wi,li)=(1.605,3.615)
(1.7,4.61)
(1.785,4.63) 2 1 1
1 2
1 -1
-1 -1 -1 -1 -1
-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 =0
=0
=0
(wi,li)=(1.605,3.615)
(1.7,4.61)
(1.785,4.63) 6 5 4 2 1
1 2 3 4 5 5 4 2 1 4 2 2 1 1 1
4 3 2 1 1 2 1 3 2 1
1 2 3 4 1 2 3 4 1 1 2 1 2 3 5 ≥20
≥8
≥6
图1 示例-两阶段划分
假设只有一种规格的轿运车П0=,三种待运乘用车1=,2=和3=,则 。两阶段可描述为:第一步:将条形3.5?24.3编号为0。该条形能够以γ0=4种方式,切分成包含宽分别为,长为24.3的条。如图1,在切分模式λ30中,可得到,长为24.3的条各块。第二步:给定规格为1.785?24.3的条,给定切分模式λ83,可切分出规格为,,的块各块。
1.1.3 通用模型
通用模型FS首先,建立通用模型FS。记Пi∈П的规格W*L,=中有 种不同的宽,分别为 。则在规划过程中,总共有 种规格的条形,它们的规格分别为W*L, 。按顺序将这些规格编号为 。
定义3 Ai定义Ai=[λ1i…λγii]。λji是针对规格编号i的形状,能进行的第j种切分方式。记Ai的行数和列数分别为ri,ci,则有:当 或i≠0,ri=m时,ci=γi。
定义4 ,其中 表示的是对应第j种切分方法需重复的次数。
定义5 Ni=[n1i…nmi]T,其中nji表示对应切分方法j能产生史小块的数量。
根据上述定义,给定规格编号为i的长方形,其能分割出的长方形数量可通过公式 求出。实际上,第一阶段问题是是针对W*L的线性规划问题,第二阶段是针对第一阶段wi*L的线性规划问题,将两者结合,可得到以下条件: ; 。其中 是指,第一阶段的产出需要等于第二阶段的消耗。
至此,可以得适用于单一规格的单层轿运车的通用形式FS,通用模型FM可对适用单一规格的通用形式进行修改,以形成适用于多规格的单层轿运车构造通用形式。考虑到有q种不同的单层轿运车,对于每一种轿运车1≤i≤q,都有对应的Ai,则适用于多规格的单层轿运车的线性方程应满足以下基本形式:AX≥N′;A=diag[A1,…,Aq];N′=[0 n11 n21 … nm1 … 0 n1p … nmp]T。
在建立好通用形式FS或FM之后,则可对其进行求解,得出最优解X*以及相应能够运送的各型乘用车数量N*。对于求得的N*, 。
1.2 基于蚁群算法的路径优化模型
将一般运输路径问题简化为图2所示。在满足假设前提的条件下,乘用车路径规划问题可描述为:对于给定轿运车集合П和待轿运车集合Σ=,需要在指定的约束条件Constraint的情况下,使得轿运车集合Σ运送到目的地。
图2 一般路径规划问题的路径图
因此,定义满足Constraint的解决方案为元组S=,其中Sk=(si为需要使用Пi型轿运车的数量)为运送到k地的指派方案。同时,该解决方案对应成本Cost(S)=(式中Counts为该指派方案需要的轿运车的总数,Lengths为该方案行驶的总里程);成本之间的比较关系由式(3)定义:
(3)
则乘用车路径规划问题可描述为:对于给定轿运车集合П和待轿运车集合Σ,在满足Constraint的基础上,求出Smin,使得Cost(Smin)=min(Cost(S))。
1.2.1 基本模型及建模
根据图2,为使运输的轿运车数量以及型号最优(数量最少,轿运车使用成本最低),可采取由远到近的分配策略,从而缩减较近节点的轿运车需求。利用此策略,对原有路径图的简化为图3。如图4,利用上文所提到的两阶段线性规划模型,可计算在E、A两地的需求合并后,轿运车的最优指派方案,以及每辆轿运车的装配方案。
图3 简化后路径图
图4 E、A两地的运输规划问题
根据图4,可把B地作为始发站。对E、A两地的运输规划问题可转化为标签问题。可定义标签A为0,E为1,解定义为Spath=。路径优化的问题优化模型约束为: ; ; 。
1.2.2 蚁群算法流程
初始状态:上述问题模型可转化为分层选择模型。初始状态,将m只蚂蚁随机放入第一层的0节点或1节点,随机从下层中选择一个标签来前进;t时刻在节点i和下层节点j之间的残留信息量用τij(t)表示;在初始时残留信息量相同,设τij(0)=c。
转移概率:蚂蚁k(k=1,…,m)在运动过程中,由各条路径上残留的信息量决定其运动方向。蚂蚁k在t时刻从节点i运动到下一层的节点j的概率用pkij(t)来表示,如式(4):
(4)
其中,α为残留信息量的信息素启发因子;β为期望值的启发因子;ηij为启发值。
信息素更新:经过n个时间段,所有蚂蚁都完成对每个标签的选择,将最新的蚂蚁访问过的路径留下的新信息加入到τij(t)中。信息素根据以下公式进行更新:
τij(t+1)=(1-p)τij(t)+Δτij; (5)
; (6)
其中,1*代表第k只蚂蚁通过Pathij;2*代表第k个解决方案满足约束。式中,p表示信息素挥发因子,取[0.5,0.9];Δτkij表示第k只蚂蚁在此次循环中在ij路径上的信息素增量,若该蚂蚁访问了该路径,则增量为正数,否则为0;在计算增量上,Q为正常数,Fk为第k只蚂蚁的路径所产生的解的适应度;在计算适应度时,若第k只蚂蚁的标签方案符合所有的约束,则适应度为正值,否则为0;fmax,fmin分别为当前蚁群中产生的最优解和最差解的适应度函数值。
2 模型总结
针对多规格轿运车装配问题和多地点路径规划问题,本文分别提出了对应的数学模型:两阶段线性规划模型与基于蚁群算法的路径优化模型,并给出了相应算法流程。模型最后可输出对多规格轿运车的最优装配方案,以满足单一目标地的乘用车需求。
对于路径优化问题,本文给出基于蚁群算法的优化模型,利用启发式算法正反馈的机制,以较少时间实现对复杂解空间最优解的逼近。
参考文献:
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[6]欧邦才.基于线性规划的物流运输方案探讨[J].黑龙江水利科技,2009(06).
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[8]吴雪琴.线性规划在物流运输中数学模型的建立及应用[J].江西电力职业技术学院学报,2007(01).
关键词:线性规划;单纯形解法
中图分类号:G712 文献标识码:B 文章编号:1002-7661(2015)03-037-02
随着社会的发展,网购及物资流通等越来越频繁,物流配送越来越跟我们的生活息息相关,物流公司也如雨后春笋般越来越多。
在所有的经济活动中,我们始终追求的是在国家政策法规和产品质量标准的范围内达到利润的最大化,物流公司也不例外。利润的最大化可以通过降低成本或增加净利润值达到。
在物流配送中,运输成本占到了总成本的三分之一到三分之二还多,所以,如何充分利用运输设备和人员,最大限度的提高运输运作效率是运输管理中最需要关注的问题。
运输管理中最常见的决策问题是选择出运输工具在公路网、铁路网、水运航线或航空线路运行中的最佳路线,以便尽可能缩短运输时间或距离,达到降低成本和改善服务的目的。
优化运输线路的常用方法有图上作业法与表上作业法,实质就是用矩阵的方式写出供需平衡问题,利用线性规划找出初始方案,检查是否为最优方案,逐渐调整,得出最优方案。下面我们给出一个实例来说明规划在物流线路规划中的应用问题:
例如:JC啤酒厂目前在C地区内有A1、A2两个配送点分别存有啤酒21箱,29箱。需要送往3个连锁超市B1、B2、B3。三个连锁超市的需求量分别为20箱,18箱,12箱。而且已知各配送点和超市的地理位置及它们之间的道路通阻情况,请以线路最短为准对该次运输任务进行优化。
下面先给出该次运输的运距运量交通示意图:
考虑运距最短,这样需要的运输成本低。从图中我们希望找到A1、A2分别到B1、B2、B3的最短运距。可以看出最短运距如下表:
设A1运往B1、B2、B3的啤酒量分别为 箱、 箱、 箱,A2运往B1、B2、B3的啤酒量分别为 箱, 箱, 箱。考虑到配送点运出啤酒的数量与各自的储量平衡,有
考虑到超市运进啤酒的数量与各自的需量平衡,有
上面得到的五个线性方程式中有一个线性方程是多余的,不妨去掉第一个线性方程式。当然对决策变量皆有非负约束,有
总运费为 (元)
于是得到这个线性规划问题的数学模型为
应用单纯形解法求解时,该数学模型必须是标准形式。引进新的目标函数:
所得线性规划问题化为标准形式
所求最小值
得到单纯形矩阵
我们发现该单纯形矩阵没有现成的初始可行基,因此要找初始可行基,具体变化如下:
于是得到有四个基变量 , , , 构成的初始可行基。
由于所有检验数皆非负,且非基变量 , 对应的检验数皆为正,所以基本可行解为唯一最优解。令非基变量 , ,得到基变量 , , , ,于是得到这个线性规划问题的唯一最优解:
最优值等于检验行常数项的相反数,即
所以应从A1调出9箱啤酒运往B2,12箱啤酒运往B3,从A2调出20箱啤酒运往B1、9箱啤酒运往B2,才能使得总运费最省,最省运费值是381元。
如果运距运量图更复杂,或者其他条件发生变化,我们还可以用数学软件来处理。在线性规划中,我们经常用到的软件是LINGO,在LINGO中输入程序如下:
执行得:
从上图中可以看出结论跟我们上面计算的结果是一样的。
以上的这种方法我们称为线性规划问题的单纯形解法,如果较简单,可以手动计算,如果稍微复杂,可以用数学软件来求解。
在线性规划中,比较常用的软件是LINGO。这种方法可以用于物资调运方案的制定,运输线路的开发等。
参考文献:
[1] 黄红选 运筹学:数学规划.北京:清华大学出版社,2011.
【关键词】配电网规划;优化方法;分析
配电网规划的数学规划方法包括确定性方法和不确定性方法。其中,确定性方法又包括线性规划法、非线性规划法、动态规划法、网流规划法,而不确定方法有模糊规划法、场景分析法、风险度估计法等。配电网规划的启发式方法包括传统启发式方法、启发式专家系统和现代启发式方法。
1.配电网数学规划优化方法
(1)线性规划法。在众多的数学规划方法中,线性规划法是研究最早,也是最为成熟的一种数学优化方法,它在配电网规划中的应用几乎涵盖了配电网规划早、中期的所有研究。线性规划法又分为运输模型、线性规划、整数规划、混合整数规划等。运输模型是最为简单的一种线性规划法。由于模型简单,其求解算法也最为有力。然而,运输模型的一个严重缺陷是运输费用必须严格表达为线性化费用,而用严格线性化费用模型来代替实际的非线性化费用模型是不准确的。运输模型另一个严重缺陷是它不满足电网运行的许多约束条件。不带整数变量的线性规划是传统的、狭义的线性规划法。它的模型虽然较运输模型复杂,但其求解算法也比较成熟。
无论是采用线性规划的运输模型还是不带整数受量的纯线性规划模型,都无法考虑到配电网规划的离散性,而整数规划则弥补了这方面的缺陷。在求解整数规划问题时,由于整数规划的离散特征,解的数目是有限的,并且随整数约束变量数目的增加而呈组合性的增加,因此,通过显式的方法枚举所有解的方案通常是不现实的。整数规划的常用方法是分文定界法,它是一种把隐式枚举和显式枚举有效结合起来的整数规划方法,它的有效性依赖于它的枚举逻辑的有效性。
(2)不确定性规划。目前,在配电网规划中考虑不确定性主要有三种方法。第一种方法是采用模糊数学理论。对配电网规划问题建立了相应的模糊线性规划模型,并相应发展了直流模糊潮流和交流模糊潮流。建立了以模糊供电总成本最小为优化目标,通过计算电网故障状态下的模糊电量不足期望值计算模糊缺电成本,最后利用遗传算法产生动态优化解。采用盲数模型在合理的考虑多种不确定信息基础上进行了电网规划,达到了理想效果。第二种方法是场景分析法。场景分析法并不直接对配电网规划中的不确定性因素进行建模,而是将未来规划年的环境预想为多种可能的确定性场景,然后在不同的场景下进行确定性的常规配电网规划,考虑对各种场景都具有较高适应性的配电网规划方案为最优的柔性方案;第三种方法是风险评估法。这种方法是通过对可能出现的不确定性情形进行评估和考虑,确定各个方案的风险率,然后进行确定性的电网规划,从而得到最优的柔性扩展方案。
2.配电网启发式规划优化方法
以上分析了数学规划方法在配电网规划中的应用,可以发现,非线性规划方法的局限性使得建立在非线性费用函数和非线性约束条件上的配电网规划模型往往得不到有效的解,而混合整数线性规划模型既弥补了运输模型和不带整数变量的纯线性规划模型过于简化的特点,又避免了非线性规划的“非鲁棒性”,因而成为求解配电网规划问题较理想的数学规划方法。但是,即使是这种最为理想的数学规划方法,当进行实际的配电网规划时,由于变量的数目和约束条件很多,也会变得非常因难,更不用说再在配电网规划中加入其他方面的考虑,如不确定性因素等。针对以上数学规划方法的不足,启发式算法的特点就更为突出,它综合考虑了规划效率和规划效果两个指标。在实践过程中,许多启发式方法,特别是现代启发式方法常常能给出令人满意的、高质量的解。启发式方法的优点是直观、灵活、计算速度快,便于规划人员在规划过程中参与具体的决策,通过规划人员过去的经验和常用的配电网规划启发式规则,并借助于数学规划方法,得出符合工程实际的规划方案。
(1)传统的启发式方法。传统的启发式方法通常基于系统某一性能指标对可行性路径上线路参数的灵敏度,根据一定的原则,逐步选代直到得到满足要求的方案为止。这种方法在配电网规划中的应用主要是结合“支路交换”技术进行的。所谓支路交换是指:对辐射状配电网,通过添加—条支路来形成一个环,然后断开另一条支路以恢复其辐射状网络结构。重复该过程,直到任意支路交换均不能使目标函数减小为止。
(2)专家式启发方法。启发式专家系统可以看作是传统启发式方法的发展,它与传统启发式方法的区别是在规划过程中引入了规划专家的经验,并便于规划人员参与到具体的规划决策中去。值得指出的是,专家系统不是用来代替规划人员的,而是利用存放在知识库中的知识和数据库中的基础数据,并通过推理机的推理,给规划人员提供相对较优的规划方案,而最终的规划方案的选择是由规划人员作出的。
(3)现代启发式方法。现代启发式方法是一种通用的优化算法。它的另外一个重要特点是所有这些方法均能实现并行计算。由于现代启发式方法在求解组合最优问题时表现出的卓越性能,在过去的20年中,它受到前所未有的关注。然而,现代启发式方法也有其不足之处,它在处理具体问题的约束条件时,虽然采用惩罚函数的方法把约束条件加到目标函数中去,但是在如何选择合适的惩罚函数方面,它往往缺少有效的手段。另外一个不容忽视的缺点是,当配电网节点比较多时,不可避免的会出现“维数灾”问题。
3.结论
综上所述,在配电网架优化规划的各种方法中,总的来讲可以分为数学规划和启发式算法两大类。但是,即使对于最理想的数学规划方法,由于配电网规划中变量的数目和约束条件很多,使用该类方法变得非常因难,更不用说再在配电网规划中加入其他方面的考虑,如不确定性因素等。而启发式算法又分为传统启发式方法、专家式启发方法和现代启发式方法的算法。传统的启发式方法具有较高的计算效率,但是容易陷入局部最优解;专家式启发方法目前还不成熟,有待进一步研究。 一方面,从表面上看,对于规划问题计算效率似乎并不重要,但是配电网规划中负荷点众多,若使用输电网规划方法或遗传算法等方法,不可避免地会遇到“维数灾”问题。更重要的是,实际上任何一种优化规划方法都是在规划工程师根据经验确定了设计思路和限制因素的情况下开展的,规划工程师需要根据所得结果不断调整设计思路和限制条件。因此电网规划实际上是一种人机交互式的设计过程,人的艺术性和经验性在其中起到了很大的作用,优化规划方法仅仅是针对设计师各种思路的辅助工具。因此要求优化规划算法具有较高的计算效率,以便能够对设计师众多的设计思路和调整方案产生较快的响应。另一方面,实践经验表明:对于配电网架规划问题,尽管存在大量局部最优解,但是大部分局部最优解与全局最优解的指标相差不大,作为工程近似最优解完全可行。
参考文献