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1参赛密码（由组委会填写）““华华为为杯杯””第第十十四四届届中中国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛学校武汉大学参赛队号10486024队员姓名1.张黎明2.徐业琰3.杨铮2参赛密码（由组委会填写）““华华为为杯杯””第第十十四四届届中中国国研研究究生生数数学学建建模模竞竞赛赛题目2017年中国研究生数学建模竞赛F题构建地下物流系统网络摘要：地下物流系统（UndergroundLogisticsSystem，ULS）通过地下管道或隧道运输货物，对缓解城市地面交通压力有重大意义，本题要求为南京市仙林地区设计ULS系统，达到缓解交通拥堵和降低物流成本2个目标。本文采用分步设计方法，在第一问中分别以降低ULS节点建设成本和运输成本为目标，采用双层ULS物流节点选址规划方法，先后确定二级节点、一级节点选址；在第二问将总成本最低的优化问题转化为区域外、区域间和区域外纯路径优化问题，采用混合整数规划、整数规划等方法设计ULS网络构成；在第三问中对第二问涉及的网络架构进行优化，区域间在环网基础上增加中继以缩短货物运输里程并增加备用路径，区域内建设环形辐射状网络增加备用路径以提高抗风险能力；在第四问中，通过建立ULS线网建设时序的指标体系，绘制了考虑每年5%货物增长率情况下的仙林地区未来8年ULS线网建设时序演化图。对于问题1，本文采用双层ULS物流节点选址规划方法，底层为二级节点选址规划，以二级节点数量最少为目标，将110个区域中心点作为备选二级节点，采用集合覆盖方法安排尽量少的二级节点满足系统缓解交通拥堵和货物运输需求。上层为一级节点选址规划，采用CFLP法，以28个二级节点作为备选一级节点，从中安排固定数量的一级节点，使各二级节点到对应隶属一级节点以及各3一级节点到物流园区的距离之和最小，以降低ULS管道距离。底层和上层优化分别为混合整数规划和整数规划，决策变量和约束条件数量庞大，本文借助LINGO软件编程求解，大幅度降低了仿真难度。对于问题2，本文首先根据区域划分关系，将网络架构设计问题划分为区域外、区域间、区域外路径优化问题。区域外为优化物流园区与一级节点间通道建设方案，使进出物流园区的货物尽可能放入地下运输；区域间采用混合整数规划法，搭建各一级节点间货物运输模型，并采用LINGO软件求解最优路径及实际流量，使区域间运输成本和通道建设成本最小；区域内通过分析运输成本和通道折旧成本对通道距离的灵敏度，发现路径是影响总成本的关键因素，从而将总成本最低问题转换为最短路径优化的最小生成树问题，并搭建了整数规划模型，并借助LINGO软件求解得到区域内最小生成树型网络拓扑。对于问题3，基于对所设计的区域间环网和区域内最小生成树型网络拓扑的脆弱性分析，选择在区域间增加一级中继节点在一级节点间建立中继网络实现环网不相邻节点的直线转运，缩短货物运输总里程，且中继网络还可在最极端环境下（环网各段均故障）延缓区域间ULS物流系统瘫痪时间；选择在区域内最小生成树的最下游节点和一级节点间建立通路，保证各节点与一级节点间至少有一条备用路径，提高区域内网络抗风险能力。对于问题4，本文建立了影响ULS线网建设时序的五个效益性指标体系，通过分析计算各项指标值，构建线网建设时序的决策矩阵。通过主观（AHP法）与客观（熵权法）相结合的方法，确立各项指标的混合权重系数；运用极差变换对各项指标进行归一化处理，最后利用TOPSIS法确立了ULS线网规划建设的理论时序，并绘制了考虑每年5%货物增长率情况下，南京市仙林地区未来8年的ULS线网建设时序演化图。4一、问题重述地下物流系统（UndergroundLogisticsSystem，ULS）利用城市内部及城市之间的地下管道或隧道运输货物，不仅可以有效缓解地面道路的交通压力，通过优化节点选址和地下通道网络，还能提高物流运输效率，对解决城市交通拥堵、能源节约、噪音污染、环境问题等有着重大意义，陆续有越来越多的学者开始关注这一研究方向。目前关于地下物流系统的研究多数集中在物流节点选址问题，对于综合考虑总成本、交通拥堵程度的地下物流系统的整体设计还不多见，国内尚未有成功案例。题目要求在满足地下物流系统的基本特征和约束的前提下，根据南京市仙林地区的交通货运特征，完成该区域地下物流系统的物流节点选址和线路规划，以满足缓解该区域交通拥堵现状和降低物流成本2个直接目标。具体任务如下：1）根据仙林地区的交通货运实际情况，建立ULS节点选择模型，完成ULS初步物流节点选址，确定各级物流节点的数量、位置、服务范围、各节点实际货运量和各一级节点的转运率。2）在1）的基础上，以总成本为ULS网络优化目标，在转运率相差不大的情况下，合理选择地下隧道形式并适当调整各节点位置，获得最优ULS线网架构、各节点实际货运量、各级通道的位置和实际流量。3）从全局出发，通过增减物流节点、调整节点位置或级别，增减或调整路径的方法缩短货物运输总里程，降低运输成本。在此基础上，考虑ULS的抗风险能力，进一步完善ULS网络。4）考虑满足该市未来考虑满足该市近30年内的交通需求（可以认为需求量每年呈5%增长）并根据建设进度分八年完成ULS的建设（每年可建设道路长度大致相等），确定该市ULS网络各线路的建设时序及演进过程，并与3）所得ULS网络进行优劣比较。5二、问题分析根据本题主要任务可见，本题是按照分步设计的思路，首先完成地下物流系统的物流节点选址以基本满足该区域的物流需求，在此基础上以总成本最低为目标合理规划地下物流线网，然后从全局出发调整物流节点选址和物流线网，进一步降低运输成本并增强抗风险能力。最后根据未来交通需求推演地下物流系统的建设路径。这一思路及流程与北京城建设计研究院提出的“面点线多模块网络层次分析法”[1]的核心思想十分相似。所谓“面”是指拟定地下物流系统的基本构架；“点”是指物流节点的数量及位置规划；“线”是指地下物流线网设计。本文基于此思路对各问题做深入分析。2.1问题一的分析基于“面点线多模块网络层次分析法”，该问是对ULS的“面—点”联合规划，目的在于确定满足该地区物流需求和ULS物流节点约束的地下物流系统基本构架，该构架包括各级节点数量和位置、各节点的服务范围等信息。本文采用由下至上的双层节点选址规划方法，首先采用集合覆盖法确定二级节点的位置及相应的二级服务范围，即底层规划；将所有二级节点作为备选一级节点，采用CFLP法确定固定数量的一级节点选址信息，即上层优化。各层优化均包含大量的决策变量和约束条件，采用LINGO编程求解可大幅度降低求解难度。2.2问题二的分析该问是在“面—点”联合规划的基础上，在一级服务范围和物流节点数量不变的前提下，设计ULS网络构成。ULS网络由区域外（物流园区与一级节点）、区域间（一级节点间）、区域内（一级区域内部）三部分构成。区域外网络架构与物流园区货运总量相关，根据物流园区货运总量确定其与相应一级节点间管道建设方案和管道流量，以保证进出4个物流园区的货物尽最大可能放入地下运输。区域间网络架构与一级节点的货物分流情况息息相关，在建立环形网架结构的基础上，将节点收发货物分为左向路径和右向路径货运，建立包含左向货运量矩阵、右向货运量矩阵，及各管道建设方案0-1决策变量的混合整数规划模型，以运输成本和通道折旧成本之和最小为目标，并借助LINGO软件编程求解，确定区域间网络构成和各管道实际流量。区域内部网架总成本虽然包含运输成本、通道折旧成本和节点折旧成本。但考虑到节点数量不变，则节点折旧成本为固定成本。通道折旧成本和运输成本均是与通道距离密切相关量，可通过计算两成本对通道距离变化的灵敏度判断相应成本对总成本的影响力。从而将复杂的经济优化问题转化为纯最短路径优化问题，当连通路径最短时，区域通道折旧成本最低，相应的总成本就最小。本文采用0-1整数规划模型求解这一典型最小生成树问题，并借助LINGO软件求解，确定各区域内网络构成和各管道实际流量。62.3问题三的分析问题三是修正问题二所建网络拓扑，以缩短货物运输总里程、提高ULS抗风险能力。分析问题二所建三层网络拓扑（区域外、区域间、区域内），区域外网络拓扑结构简单，其唯一功能需求就是尽可能提高物流园区进入ULS的货运量，若调整一级节点位置势必影响另外两层网络拓扑，改建工作量巨大且对缩短货运总里程没有显著成效。区域间网络拓扑在不改变已有一级节点的前提下修改路径或增加一级节点数量，都不会影响另外两层网络拓扑，具有较高的灵活性。分析区域间网络拓扑可见环形网架在运输总里程、鲁棒性方面都表现较差，通过增加中继一级节点的方式便可实现环网中不相邻节点的直接转运，且大大提高了物流系统的鲁棒性。区域内网络拓扑由最小生成树法确定，区域间未形成闭合回路，主要呈辐射状网架，抗干扰能力差、货运流量激增裕度低，建立环形辐射状网络可增加路径备选方案，提高区域内网络的抗风险能力。2.4问题四的分析考虑到地下基建设施的高投资、改建困难特点，本问题需要考虑该区域货运量近30年每年增长的情况下对ULS系统进行顶层规划设计，分阶段完成建造。该问题需要从空间尺度、时间尺度等多维角度来考虑ULS系统的演化过程和系统建设时序。对比前三个问题可以发现，上述问题均是基于货运量给定的前提下进行线网规划的，系统正常运行时只需要满足现有的货运量即可。而考虑到线网货运量逐年激增的情况，则需要对管道类型、容量、造价等方面进行全面的考虑和分析，需要建立详实的量化关系，从而对ULS的演化过程进行研判。另一方面，问题四还需要对比分析所提方法与问题三规划方法的优势，并给出问题三网络在时间尺度上与逐年增长货运量的临界点，并给出相应的对策。7三、符号定义与说明符号说明ijp各区域中心点间的距离（/km）downijx区域i是否被二级节点j覆盖，取1为覆盖，取0不覆盖downjs二级节点j从地面收发货物总量上限（/t）downjr二级节点判断变量，取1表征区域中心点j为二级节点，反之不是ijq区域i对二级节点j的地下货运需求量id区域i一日货运总量ik区域i的交通拥堵指数iS二级节点货运量（/t）upijp各二级节点间的距离（/km）upijx二级节点i是否由一级节点j服务，取1为服务，取0不服务jkw园区k与二级节点j是否相连，取1相连，取0不相连kV园区k的货运量（/t）jkD园区k与二级节点j间的距离（/km）c货物平均运输成本（/tkm元）upjr一级节点判断变量，取1表征二级节点j被选定为二级节点，反之不是j一级节点j的转运率年综合折旧率，取1%y设计年限，取100ijQ由i发送至j的管道流量21F物流园区至各一级节点通道总成本（/元）L一级节点货运量左向分流矩阵R一级节点货运量右向分流矩阵LD一级节点左向运输距离矩阵RD一级节点右向运输距离矩阵A一级节点建设方案决策向量22F一级节点间通道总成本（/元）ijX一级节点i对目的节点j的送货量（/吨）iB经由该通道顺时针运输的货物流量iC经由该通道逆时针运输的货物流量8四、模型假设根据实际物流情况和文中所给条件，本文对地下物流系统做如下假设：1）假设进出4个物流园区的货物全部投入地下运输，经地下通道传送至各一级节点。2）假设地下物流系统的各节点间的转运均通过地下通道运输。3）由假设2）可知，二级节点从地面收发货物总量上限是指二级节点和地面之间采用人力或小型车辆在节点服务区域内进行运输的最大收发货物总量。各节点之间的地下通道的货物转运总量不受地面收发货物总量的约束。4）假设服务半径是指节点的地面服务半径，在该服务区域内，货物从节点至地面采用的运输方式不影响交通。5）由假设4）可知，地下物流系统中节点间货物经地下通道转运，因此节点间的距离不受服务半径限制；一级节点经地面交通运输至货运服务区域时，由于影响交通，也不受服务半径限制。6）假设每个区域仅能被一个二级节点覆盖，采用多式联运的方式满足货运需求，分别为ULS运输和地面交通运输。9五、模型的建立与求解5.1问题一的求解根据题意可知，本问要求设计满足仙林地区地面交通通畅需求和货运需求的ULS的物流节点群，包括一、二级节点