西部地区应急物流交通层次化网络构建

内容提要：本文为响应西部地区应急物流需求，解决物流系统中的公路交通网络的复杂性问题，提出了使用层次化网络的思想，将公路交通网络划分为骨干网络和次级网络，并在骨干网络的基础上使用虚拟网络层完成中转站之间信息交换、路况更新等功能。层次化交通网设计能够提高选路速度，比平面网络有实时路况监视、物流信息及时交流，从而提高物流效率等优越性。

关键词：西部地区；应急物流；骨干网络；次级网络；虚拟网络；中转站

中图分类号：F5424 文献标识码：A 文章编号：1003-4161(2010)06-0147-03

一、引言

近两年我国西部地区接二连三地发生特大地质灾害，从汶川、玉树地震，到近期甘肃舟曲及四川、陕西等地发生的一系列泥石流地质灾害。2008年汶川地震使应急物流多年来首次经受了一系列难题的考验：如何选择最佳的运输路线、最经济的运输方式及最短的运输时间。地震之后，灾区的各类需求不断增加，而当地交通陷入瘫痪，尤其是偏远地区。 2010年玉树地震发生后，灾区干线公路875公里路面多处裂缝，路基沉陷，防护设施严重损毁，几乎所有桥涵不同程度损坏，由于交通不畅和通讯阻隔等原因，救灾物资无法送达或暂时无法送达。由于西部地区自然灾难所呈现出频发和链状特征，对社会和人民的生命财产安全带来越来越严重的影响。

西部大开发以来，西部地区公路通车里程快速增加，由1999年的53.3万公里增加到2008年的142.1万公里；路网覆盖范围明显扩大，公路网密度由每百平方公里7.7公里增加到20.6公里；路网等级不断提高，高速公路里程由2 529公里增加到16 456公里，二级以上公路里程由35 131公里增加到99 478公里。目前，西部地区横连东西、纵贯南北、通江达海、联结周边的骨架公路通道已初步形成。公路基础设施的快速建设，为响应应急物流的需求，推动抢急救灾应急物流体系建设，提供了机遇也提出了挑战。因此，在实施西部大开发，推行各项经济社会发展举措的同时，完善和发展应急物流管理体系并加快应急物流运输的建设迫在眉睫。

二、应急物流运输研究综述

近年来，应急物流理论的研究已经步入团队协作、系统开发的良性轨道。应急物流是以提供突发性自然灾害、突发性公共卫生事件等所需应急物资为目的，以追求时间效益最大化和灾害损失最小化为目标，借助现代信息技术，整合应急物资的运输、包装、装卸、搬运、仓储、流通加工、配送以及相关信息处理等方面功能形成的特种物流活动。目前各国都很重视应急物流的发展，许多发达国家成立了专门的政府机构负责应急物流的管理，并建立相对完善的应急物流管理制度，以建立高水准的国家应急物流保障系统。

在物流活动中，物资的运输和存储是物流系统的两大支柱，是物流活动的核心，是物资实体得以流转的重要手段。简言之，物流运输提供了两大主要功能，一是产品转移，即运输的主要功能是产品在价值链中的来回移动。二是产品储存，即在运输过程中将运输车辆作为储存设施来利用。从物流运输的功能和它在整个系统中所占的费用比例来看，物流运输是非常重要的，因此研究物流运输系统的合理优化有极其重要的现实意义。

目前国内外对应急物流运输方法的研究呈上升态势。对于应急状态下的物流选址问题，Taniguchi（1999）采用双层规划求解了高速公路交叉口附近运输网络中公共物流转运站点的选址，上层规划目标是运输车辆数量、选址费用最小，下层规划考虑路网状况，遵循用户平衡条件对车辆进行平衡配送［1］。在减灾救援方面，Fiedich (2000）等提出一个动态的组合最优模型及用于强烈地震后救援物资分发最优化的启发式算法，其主要目标是求得在整个救援期内启用最少的设施［2］。Zdamar（2004）等指出应急物流能通过分别来解决动态时间依赖交通问题而得解，应急物流计划涉及在考虑时间计划情况下货物的分拣和货车运送计划以及在这些路线上最优分拣和运送的数量［3］。Linet，Ediz & Beste（2004）建立了一个针对自然灾害的应急物流决策支持系统，陈述了一个有时间间隔的动态交通问题：由于自然灾害造成路线的破坏，货车的分发变得更加缓慢，更加耗费时间；在不同于传统的车辆路径网络流问题和车辆路径问题的环境中，模型被分为两个多物品网络流问题［4］。Equietal（1996）研究了在供应链中的组合运输和车辆调度的问题，目标是在给定数量供应中心的情况下确定最优的旅行次数和完成各旅行路线要分配的车辆数［5］。G.F.List和 M.A. urnquist（1998）建立了放射性物品运输多目标数学模型，该模型涉及运输目的地的确定及运输线路的选择，考虑了出现事故时的应急反映问题［6］。Shame-ur.Rahman（2000）在突发事件的处理过程中，围绕最优运输路线和运输方式选择以及抗灾物资分配等问题来调度资源，使在有限的时间内从救助站到事故发生点调集的资源最多，而消耗的成本最小［7］。Fiedrich等（2000）在时间、资源数量有限的情况下以死亡人数最小作为目标，研究了地震后向多个受灾地点分配和运输资源的优化模型［8］。

从以上的文献可看出国外的学者主要是在假设某个或某几个约束条件如：成本最小、有限时间、运输路线、多目标、服务质量等基础上建立了相应的优化模型。

三、层次化交通网络设计

本研究采用层次化网络的方法，力求降低路径计算的复杂度。应急物流系统中，在运输货物时除了必须选择由来源到目的地之间的路径之外，还必须决定使用哪项没有被占用的资源，例如司机、车辆等等。因此，当物流需求到达时，选择最优路径（花费最少、耗时最少）以及分配资源的复杂度会随着公路网的规模不断扩大、物流公司的资源逐步扩张而逐渐增加［9］。

西部地区公路交通发达、拓扑非常复杂，导致计算路径时复杂度极高。使用层次化公路网络，将原来的平坦式网络按照行政归属划分为多个不同的区域，每个区域中在其地级市设立中转站，每个区域中的县级市作为服务站，这样中转站之间组成骨干网络，每个区域中的服务站之间构成次级网络。当运输业务到达时，首先将货物在所属的中转站上实现物流汇聚，然后在骨干网络上选择路径；当货物从一个中转站到达目的中转站时，该中转站根据本地区域内的次级网络，实现货物分发。货物物流过程中，在经过中间中转站时，还可以实现货物的疏导。由于第一次选路时只考虑骨干网络，第二次选路时只考虑本区域内次级网络，而不必要计算所有的实际拓扑，因此计算时间和复杂度能够下降［10］［11］［12］。

虽然使用区域网络分层的方法能够减少计算量，但实际操作过程中各中转站之间的交通路况不断变化，也会随着经济的发展不断扩张，因此本文提出在骨干网络基础上，设计虚拟节点，每个虚拟节点根据度数等规则融合多个中转站，这样就形成了一个三层交通网络：一个虚拟网络，是整个公路交通的抽象；一个骨干网络，是中转站之间的交通实体网络。多个次级网络，为县级市服务站之间的交通拓扑。通过该网络层次设计，在平面拓扑不断增大、拓扑状态不断变更的情况下能够维持线路计算的可扩展性，降低建路时间和复杂度。

（一）交通网络设计原理

随着经济的发展，地区间的物资交流日益增长，公路建设日新月异，导致交通拓扑不断发生变化，交通网络规模不断扩大，使得拓扑网络动态变化十分复杂。为保证路径计算服务器的可扩展性，需要有一个交通网络机构，该机构作用是在不同虚拟节点之间交换路况，并将路况实时更新到所辖的中转站。

整个交通网络架构示意图见图1。最底层的是各个区域中的服务站网络，它是整个网络的平面拓扑，也是网络实体。每个地区中的服务站设置在县级市中，每个地区服务站组成一个区域。每个区域由一个中转站管理。中转站之间的拓扑网络组成中间层网络，它是整个交通系统中的骨干网络，承担着区域之间的物流运输。最上层是虚拟网络拓扑，每个虚拟节点有一个或多个中转站组成，它是骨干网络的最高抽象，不仅用于物流线路的计算，而且负责全网路况的通报工作。该虚拟网络作为数据库存在于每个中转站中。

图1 层次化交通网络规划示意图

骨干网络和虚拟网络中的物流线路由路径计算服务器完成。每个计算服务器计算的基础是本层网络拓扑［13］。根据业务需求，路径计算单元计算出物流路径。路径选择方法一般分两类，一种是静态的，即路径计算是根据已知的公路交通网事先算出不同来源和目的地之间路径，当业务到达时，直接从数据库中选取对应最优路径。这种方法的优点是选路快，但无法根据实际路况做调整，可能在突发事件（例如阻塞、桥梁断裂、道路塌陷等）导致时间紧迫性物流的损失。另外一种方法是动态的，路况随时更新，当业务到达时随时计算路径，这样一来可以顺利有效地实现物流运输，但这种方法需要随时关注路况信息，需要在不同的路径段设置路况监视点，增加人力资源的开支。

路径计算后通知该物流线路中的中转站进行物流信息交换，信息交换是指不同的中转站之间随时交换业务信息，包括每个中转站中的货物汇聚、疏导、下货信息，然后综合路况等信息，决定使用司机、车辆等资源配置。决策后，再通过信息交换系统通知沿途中转站货物的上下货情况，利于整个物流系统的资源合理优化使用。为节约运输成本和资源调度，在某条线路上实现货物疏导和汇聚，实现物流车辆的最大载荷运输［14］。

根据上述层次化交通网划分，具体的物流过程可总结如下。首先业务到达到每一个服务站，服务站交至中转站进行汇聚；中转站根据业务需求，在虚拟网络层快速计算路径；虚拟网络层中的路径计算服务器计算进、出中转站点之间的最优路径［9］［15］，然后汇总给源中转站；源中转站向沿途中转节点发送信息交换请求，要求交换物流信息；沿途中转站将物流信息反馈给源中转站；源中转站根据业务量决定使用资源。

通过上述物流过程，可见第一步中的虚拟网络非常重要，它不仅要进行路径的快速计算，而且还要负责路况、交通网络拓扑的更新，因此，如何设计虚拟网络层，影响着整个物流系统的效率和应急能力。

（二）虚拟交通网设计

1虚拟网络拓扑需求

考察西部地区交通图得知，主要影响一个区域的参数为内部服务站的个数以及该区域对外的度数。度数低的节点，通常位于拓扑图的边缘，而度数高的节点，通常位于交通拓扑图的中间区域，如重庆市以及四川、贵州、云南、广西、陕西、甘肃、青海、宁夏、、新疆、内蒙古十一个省省会城市。因此考虑设置虚拟节点时，在西部地区物流实际运行过程中，物流线路经过边缘中转站的概率较低。如果能够将数个度数较低的中转站结合起来形成一个区域，由一个虚拟节点管理，而且形成的虚拟节点籍着这些集合起来的中转站有较高的度数，那么可以因此进一步在建路时减少网络规模，快速获得路径；而位于中间的中转站，由于本身就有较高的度数，所以不用结合太多的中转站，就能够达到区域里高度数的要求。

因此在建立虚拟拓扑网络时，首先对位于边缘度数较低的中转站，希望能够把它们整合进入一个具有高度数的虚拟节点；其次，所形成的节点对应区域有着数量接近的中转站以及接近程度的度数；再次，对于中间中转站，能够维持本身的高度数，以应付本身以及通过的算路要求；最后，能够维持每个虚拟节点对应区域的多条路径。

2虚拟网络构建算法

为达到上述目的，首先定义下面两个参数作为区域基本参数：

（1) Degree(GA)，虚拟节点的度数，也就是该虚拟节点对外的出口链接数量；

（2) Threshold_Nodes(AV)，临界节点数，一个虚拟区域中所允许的最大节点（中转站）数目。

为了能够把边缘中转站集合成一个具有较高度数的虚拟节点，因此需要从度数最低的中转站开始，寻找临近度数也是最低的中转站加入，直到该虚拟区域所对应的虚拟节点的度数达到我们所定义的标准，如果达不到度数要求，为了避免虚拟区域内中转站数量无限制增长，当到达所设定的临界节点数值时，停止融合。当搜索完成后，则形成一个虚拟区域，作为虚拟网络层的一个域，对应于一个虚拟节点。对应使用过的中转站，则从表中将其删除，然后再由度数最低的点开始搜索，直到最后融合完毕，或剩下孤立中转站。若剩下孤立中转站，则将其加入临近未达到临界节点个数或度数的区域。

算法流程图如图2。

图2 虚拟网络构建算法流程图

四、小 结

文章为解决我国西部地区物流运输网络的复杂度而提出了层次化网络模型，并将公路交通平面网络划分为骨干网络和次级网络。骨干网络由地级市中转站之间的高速公路网络构成，次级网络有县级服务站之间的普通(也可以为高速)公路交通网络组成，另外为了实时更新交换公路路况、各节点业务等信息，在骨干网络的基础上提出了虚拟网络设计方法，为西部地区应急物流运输的发展提供了理论方法。

基金项目：国家自然科学基金项目(71073079)“国民经济动员物流系统应变能力研究”；山东省自然科学基金资助项目（ZR2010GQ005）；山东省高等学校人文社会科学研究项目（J10WG06）。参考文献：

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［7］ Shame-ur. Rahman, David. K.Smith. Use of Location-allocation Models in Health Service Development Planning in Developing Nations［J］. European Journal of Operational Research 2000,123(03):437―452.

［8］ Fiedich, F., Gehbauer, F., Rickers, U., Optimized resource allocation for emergency response after earthquake disasters ［J］. Safety Science. 2000，（35）: 41―57.

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［作者简介］李晓晖（1976―），女，烟台大学讲师、博士。主要研究方向：区域经济、应急物流。

［收稿日期］2010-10-21