羅小華

城市軌道交通物資總庫布點(diǎn)優(yōu)化平臺研究

羅小華

摘 要：根據(jù)城市軌道交通物資配送的特點(diǎn)，研究建立了城市軌道交通物資總庫布點(diǎn)優(yōu)化計(jì)算平臺系統(tǒng)，平臺通過對百度地圖API（應(yīng)用程序接口）二次開發(fā)進(jìn)行配送路徑的規(guī)劃，結(jié)合層次聚類算法能夠快速地進(jìn)行物資總庫布局的優(yōu)化計(jì)算，實(shí)踐證明該平臺具有良好的適應(yīng)性和應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；物資總庫；百度地圖API；聚類算法

羅小華：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，工程師，湖北武漢 430063

0　引言

物資總庫承擔(dān)著地鐵系統(tǒng)材料、配件、設(shè)備和機(jī)具及勞保用品等的采購、存放、發(fā)放任務(wù)和管理工作，一般物資總庫設(shè)置在車輛段內(nèi)。在全國各地城市軌道交通建設(shè)中，普遍采取的是1 條線路設(shè)置1 個(gè)物資總庫，這樣的布局一方面增加了占地面積和經(jīng)濟(jì)投入，另一方面，部分物資和備品重復(fù)存儲，造成資源閑置和經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。隨著城市軌道交通的高速發(fā)展，大城市的規(guī)劃線路都將達(dá)到7、8 條，物資總庫的優(yōu)化布局必將是城市軌道交通未來的發(fā)展趨勢。而目前國內(nèi)對于城市軌道交通物資總庫布局優(yōu)化的研究尚較少，為了滿足城市軌道交通物資配送的需求，同時(shí)節(jié)省成本，進(jìn)行了城市軌道交通物資總庫布點(diǎn)優(yōu)化計(jì)算平臺的研究開發(fā)。

1　平臺框架研究

1.1平臺需求分析

由于地鐵線路繁忙，為了滿足不同線路對于物資的需求，考慮采用汽車由物資總庫向各條線路的車輛段進(jìn)行物資的派送。為了能夠快速地配送到目的地，且能夠適應(yīng)不同城市的交通情況，平臺需滿足以下要求。

（1）平臺能根據(jù)給定的任意城市的軌道交通規(guī)劃圖自動(dòng)計(jì)算出各備選庫之間的距離，不受車輛段個(gè)數(shù)的限制。

（2）平臺能適應(yīng)任意城市、線路總數(shù)不確定的情況，能在較短的時(shí)間內(nèi)得到計(jì)算結(jié)果，真實(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)出設(shè)計(jì)方案。

（3）建立友好的人機(jī)交互界面，用戶通過簡單的輸入?yún)?shù)和點(diǎn)擊鼠標(biāo)，就能進(jìn)行物資總庫的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）在設(shè)計(jì)結(jié)果輸出方面，除了輸出最佳方案外，還輸出其他幾個(gè)備選方案，并有直觀的餅圖、柱狀圖和圖片等形式來顯示最佳方案。

（5）建立方案評價(jià)系統(tǒng)，將經(jīng)濟(jì)因素、技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境人文因素的影響結(jié)合起來進(jìn)行綜合評價(jià)，實(shí)現(xiàn)以人為本的設(shè)計(jì)思想，使優(yōu)化結(jié)果更貼近于實(shí)際工程需要。

1.2平臺框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)平臺的需求以及軟件模塊化的設(shè)計(jì)思想，將平臺的功能劃分為如下幾個(gè)模塊，如圖1 所示。

（1）地圖信息處理模塊。在此模塊中用戶可以選擇地鐵線網(wǎng)規(guī)劃圖、城市名稱和車輛段個(gè)數(shù)，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊進(jìn)行參考點(diǎn)和車輛段的選擇，并通過參考點(diǎn)的像素坐標(biāo)和地理坐標(biāo)對比，得到所有車輛段的地理坐標(biāo)，供路徑規(guī)劃模塊調(diào)用。

（2）路徑規(guī)劃模塊。讀取地圖信息處理模塊得到的所有車輛段的地理坐標(biāo)，通過調(diào)用百度地圖進(jìn)行距離測量，得到任意兩車輛段之間的距離，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，供其他模塊進(jìn)行調(diào)用。

（3）參數(shù)設(shè)置模塊。在此模塊中，用戶可以對配送距離、配送費(fèi)用、建設(shè)費(fèi)用、系統(tǒng)負(fù)荷、人為指定方案進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后將所有計(jì)算參數(shù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，供計(jì)算模塊進(jìn)行調(diào)用。

（4）計(jì)算模塊。此模塊主要是對物資總庫選址的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，得到最優(yōu)方案和備選方案，并將計(jì)算結(jié)果以圖片格式存儲，供報(bào)告模塊調(diào)用。

（5）評價(jià)系統(tǒng)模塊。本模塊從經(jīng)濟(jì)因素、技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境人文因素3 個(gè)方面對最優(yōu)方案和備選方案進(jìn)行綜合評價(jià)，實(shí)現(xiàn)以人為本的設(shè)計(jì)思想，使優(yōu)化結(jié)果更貼近于實(shí)際工程需要。

（6）報(bào)告模塊。將軟件設(shè)計(jì)結(jié)果生成報(bào)告形式，方便用戶查看，并設(shè)計(jì)一鍵打印功能。

為了將各個(gè)模塊統(tǒng)一起來，平臺基于VB.NET 語言和MATLAB 環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，軟件技術(shù)路線圖如圖2 所示，程序主體分為VB.NET程序設(shè)計(jì)和MATLAB 程序設(shè)計(jì)兩部分，兩部分之間通過數(shù)據(jù)庫相互傳遞數(shù)據(jù)。

圖1　軟件功能模塊劃分

圖2　軟件技術(shù)路線圖

2　平臺實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

2.1基于百度地圖API 的地理信息處理及路徑規(guī)劃技術(shù)

百度地圖API 是為開發(fā)者免費(fèi)提供的1 套基于百度地圖服務(wù)的應(yīng)用接口，提供基本地圖展現(xiàn)、搜索、定位、地理編碼、路線規(guī)劃、基于位置服務(wù)（LBS）云存儲與檢索等功能，本平臺基于百度地圖API 二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)了物資總庫地理信息處理及路徑規(guī)劃功能。

（1） 在軟件界面中導(dǎo)入城市軌道交通規(guī)劃圖，采用人機(jī)交互的方式在規(guī)劃圖中確定各個(gè)物資總庫的可能位置及城市的參考點(diǎn)，并根據(jù)城市的參考點(diǎn)坐標(biāo)，將規(guī)劃圖上物資總庫的坐標(biāo)映射成百度地圖坐標(biāo)。

（2） 建立路徑規(guī)劃函數(shù)：new BMap.DrivingRoute（調(diào)用參數(shù)），其中，調(diào)用參數(shù)包括城市名稱、物資總庫的坐標(biāo)（三維）、路徑方式（時(shí)間最短或路程最短）等。

（3） 在VB.NET中建立Web-Browser 的對象，通過WebBrowser對象方法將物資總庫坐標(biāo)傳遞到上一步創(chuàng)建的函數(shù)中，獲取配送路徑以及配送距離。獲取結(jié)果如圖3 所示。2.2 基于聚類算法的布局研究

聚類分析就是研究如何在沒有訓(xùn)練數(shù)據(jù)的條件下把對象劃分成若有對象各自作為簇，最“靠近”的簇首先進(jìn)行分類，再將這個(gè)類和其他類中最“靠近”的簇合并，該過程遞歸進(jìn)行直到所有對象都聚集成1 個(gè)簇或者滿足1 個(gè)終止條件為止?；诰垲愃惴ǖ牟季盅芯咳缦?。

圖3　調(diào)用路徑規(guī)劃函數(shù)獲取規(guī)劃路徑

圖4　聚類循環(huán)流程圖

圖5　城市軌道交通規(guī)劃圖信息處理

圖6　調(diào)用自定義靜態(tài)網(wǎng)頁計(jì)算車輛段配送路徑

（1）設(shè)有2 個(gè)簇Ga與Gb，它們分別有m個(gè)和n個(gè)元素，其重心分別為xa與xb。又設(shè)元素gi? Ga，gj? Gb，這2 個(gè)元素間距離記為dij或D （a，b）。

（2）最短距離法中2 個(gè)簇間距離定義為兩簇中元素之間距離最小者，即為Ds（a，b）＝min{dij|gi? Ga，gj? Gb}。

（3）建立方案有效性評估函數(shù)。以方案的總費(fèi)用作為該方案的評估函數(shù)，方案的總費(fèi)用模型如下：

式（1）中：C為方案總費(fèi)用；Cjs為建設(shè)費(fèi)用，為物資總庫建設(shè)的房建費(fèi)用C1、設(shè)備費(fèi)用C2、鋪軌費(fèi)C3等的總和；Cyy為運(yùn)營費(fèi)用，主要是由于物資配送過程中產(chǎn)生的費(fèi)用，與配送時(shí)間、配送路徑相關(guān)；Cwh為物資總庫的維護(hù)費(fèi)用。

（4）采用建立聚類循環(huán)，尋求最佳方案。聚類循環(huán)算法見圖4。

表1　根據(jù)車輛段數(shù)量建立的距離矩陣

圖7　參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算

圖8　計(jì)算結(jié)果輸出

3　平臺應(yīng)用實(shí)例

以武漢城市軌道交通物資總庫布局為例，進(jìn)行實(shí)例演示。

武漢城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃了8 個(gè)車輛段，打開軟件后進(jìn)入地理信息處理界面，導(dǎo)入城市軌道交通的規(guī)劃圖以及車輛段位置及數(shù)量，如圖5 所示。

調(diào)用路徑規(guī)劃函數(shù)，計(jì)算物資總庫的間距Dij，如圖6 所示。

將物資總庫間距Dij寫入距離矩陣中，按最短距離法進(jìn)行聚類重組如下。

（1）根據(jù)車輛段的數(shù)量建立1 個(gè)8×8 的距離矩陣，因2 個(gè)車輛段距離是一定的，故距離矩陣是1 個(gè)對稱矩陣，進(jìn)行分析時(shí)取其下三角部分進(jìn)行分析即可，見表1。

（2）采用最短距離法進(jìn)行物資總庫的聚類重組。經(jīng)過4 次重組后，形成了物資總庫候選簇群{1，7，2，3}、4、{5，8}、6。

（3）每個(gè)簇內(nèi)物資總庫的選取方法采用的是最短距離法，計(jì)算如下：

分別計(jì)算簇內(nèi)i點(diǎn)與其他各點(diǎn)j的距離和Σdij，找出最小的距離和minΣdij，則第i點(diǎn)即為中心點(diǎn)。以簇{1，7，2，3}的物資總庫選取為例：故選取第2 點(diǎn)為中心點(diǎn)。即簇{1，7，2，3}的物資總庫為2。

通過預(yù)先設(shè)定的配送費(fèi)用參數(shù)，計(jì)算相應(yīng)方案的配送成本（圖7），最后進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的輸出及評價(jià)（圖8、圖9）。

由軟件計(jì)算結(jié)果得到，根據(jù)武漢市城市軌道交通的規(guī)劃，建立5個(gè)物資總庫進(jìn)行地鐵系統(tǒng)配件的配送是比較合理的。

整個(gè)平臺計(jì)算速度快，從物資總庫規(guī)劃點(diǎn)輸入至最終方案的輸出，整個(gè)過程花時(shí)約5 min。

4　結(jié)束語

研究建立的城市軌道交通物資總庫布點(diǎn)優(yōu)化平臺系統(tǒng)，通過對百度地圖API 的二次開發(fā)，使得平臺能夠真實(shí)地計(jì)算出各個(gè)物資總庫的配送路徑，并且能夠適應(yīng)不同的城市，平臺適應(yīng)性強(qiáng)；平臺采用聚類算法進(jìn)行布點(diǎn)的優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算速度快。工程實(shí)例證明，該研究開發(fā)的平臺具有一定的實(shí)用性，能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ǖ脑O(shè)計(jì)提供一定的參考。

圖9　計(jì)算結(jié)果評價(jià)

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 冒一平

Study on Platform for Material Warehouses Layout Optimization in Transit

Luo Xiaohua

Abstract:According to the characteristics of urban rail transit materials supply and distribution, the paper studies and sets up the layout optimization and calculation platform system for urban rail transit materials warehouses. The platform makes further secondary development of Baidu map API (Application Programming Interface) for the distribution path planning, and the hierarchical clustering algorithm can quickly compute total material warehouses layout optimization. The practice proves that the platform has good adaptability and application value.

Keywords:urban rail transit, material warehouse, Baidu map API, clustering algorithm

收稿日期2015-01-28

中圖分類號：U116.2