运筹学在生活中的应用 [运筹学在交通运输业中的应用]

运筹学在交通运输业中的应用

学 院：公路学院

专 业：交通工程

姓 名：

学 号：

指导教师：

导 师：

完成时间：

二〇一〇年十二月

运筹学在英国称为Operational Research，在美国叫做Operation Research，我国台湾译作作业研究，大陆1957年参照《史记一汉高祖本纪》中的词句译为运筹学(以下简称OR)。它作为20世纪新兴的一门学科，至今已走过了五十多年的历程。

关于运筹学是什么，学术界曾分别由P.M. Morse与G．E．Kimball、R．L．Ackoff与E.L. Amoff、S．Beer提出过三个典型的定义。

P．M．Morse与G．E．Kimball认为运筹学就是“一种科学方法，提供执行者有关他们管辖下的作业的一些计量性的决策基础”[1]。

R．L．Ackoff与E．L．Amoff则认为：运筹学是“将科学的方法、技术与工具应用于系统的作业上使管辖下的作业问题获得最佳的解决”[2]。

最为全面的定义由S．Beer给出，他以为运筹学是“一种近代科学的研究，研究人、机器、材料与资金在其周围环境中所发生的有关管理与控制的概率性承担意外风险问题。其独特的技术是根据情况利用科学模式，经由量测、比较以及对可能行为的预测而提出一个管制策略。”[3]

根据这三个定义可以归纳出运筹学学科的基本内涵：

1）研究对象是有组织的系统，解决的是其中的管理问题。

2）应用的工具是科学的方法、技术与工具。其中以模型方法与数学定量方法运用最多。“其应用范围仅限于科学方法可以完满应用的范围。”[4]服务的对象是决策者与执行者，提供一个有效、实用的决策方案，作为其决策判断的依据。

3）最终目的是使有组织系统中的人、财、物和信息得到最有效的利用，使系统的产出最大化。

运筹学范畴的基本内涵决定了它借以区别于其他科学学科的主要特征：第一，系统导向性，重视改善系统部分与整体间的关系。其次，多学科性。其中包括所涉及的问题领域的多学科性、应用方法的多学科性、团队的多学科性。第三，重视效益与费用的比较，在降低成本费用的基础上追求系统效益和产出的最优化。

该学科研究的程序为：1．明确问题(可采用观察、类比、运作分析、运作实验、虚拟事实等方法)；2．构造模型(通常分为确定性、随机性、决策性三种模

型，有直接分析、类比、数据分析、试验分析、构想五种构造方法)；3．提出解决方案；4．检验模型与方案；5．应用与控制方案。

常见的几种重要的OR问题类型主要有：1．分配；2．库存；3．更新与维护；

4．排序与协调；5．排队；6．网络路线；7．竞争性问题；8．搜索问题，等等。 1 运筹学发展历史

运筹学经历了一个从无到有、逐渐成熟的发展过程。按其在不同时期所表现出的特点，可将其发展划分为如下四个阶段：

1） 萌芽阶段（一战时期）

现代OR思想则出现于一战期间。1916年英国工程师F．W．Lanehester在《战斗中的飞机》一文中，首先提出用常微分方程组描述敌对双方消灭过程，定性地说明了集中兵力的原理。Edang在20世纪初期发展了排队论，提出了一些著名的公式，并将之应用于哥本哈根电话交换机的效率研究。天文学家

HoraceC．Levinson在20年代开始运用运筹思想研究零售问题，分析了商业广告和顾客心理。英国生理学家希尔为首的英国国防部防空试验小组在一战期间开展了高射炮利用研究。英国人莫尔斯(Morse)建立的分析海军护航舰队损失的数学模型，也是最早进行的oR工作。这一时期做出的努力、积累的经验和探索的结果为OR日后的发展奠定了基础。

2） 兴起阶段（二战时期）

“我们应该认定作为一个有条理的专业领域的OR起源，是从第二次世界大战中分析家的工作开始的一段连续历史计算。”l71935～1938年被视作OR基本概念酝酿期。

3） 蓬勃发展时期（二战后）

战后，OR的重心开始转移，逐步民用化。在英国，大量OR工作者由军队转至政府及产业部门。50年代后期，因美国发展的刺激，英国的工业OR发展大大提速。OR被广泛应用于政府机构、国有部门、企业界。“至1963年，应用运筹学的行业已有飞机和导弹制造、玻璃、金属、矿业、包装、造纸、炼油、照相器材、印刷和出版、造鞋、纺织、烟草业、运输、木材加工、餐业和民意调查等。很多大企业都设有自己的专业运筹队伍和小组，如ICI、NCB、UnitedSteel、

EshElectric，BISRA、Unilever等。至1970年，运筹已渗入到几乎所有的政府部门和机构。”[5]

4） 衰落时期（70年代）

经历了战后“黄金时期”的飞速发展之后，OR从70年代起进入了一个衰落阶段：①从70年代起，它对企业经营管理的影响已大不如前。到了80、90年代，全社会各行业、部门内的OR小组关闭数目不断增多，呈逐年上升之势，艰难生存下来的、为数不多的小组也基本集中在政府、公共部门、制造业及运输业；大量的OR专业人员或转行、或被裁减。②OR的教育状况亦不容乐观。大学中的OR科系数目锐减，即使勉强支撑下来的也纷纷易名为商学院或管理学院。几乎没有直接叫OR的专业了，大多数改称管理科学。讲授的科目远远不及往日完善。师资流失严重，且无后续补充，兼具理-i．~z与实践经验的教师更是寥寥无几。OR学界陷入了极为严峻的生存危机之中。

2 交通运输工程学

交通运输的目的是实现人和物的流动，这是人类社会不可或缺的基本需求，随着人类社会的不断发展和进步，特别是资本主义的产生和发展，逐步形成一个独立的产业部门——专门担当客货运输任务的公用交通运输业。交通运输业是现代文明社会的基础结构，是社会经济发展的重要支撑。

目前我国交通运输业主要分为以下几类：

铁道运输：运输能力大、运价低、安全、快速、节能、对环境污染小，是许多国家陆路交通的主要工具；

公路运输：主要优点是灵活方便，短途运输快捷，道路建设投资相对较低，但其运输成本高、能耗高、对环境污染较大、事故率较高；

水路运输：运输能力大、运价低、能耗小、环境污染小、基本建设投资少，内河运输受自然条件限制，远洋航运则是洲际货运的主要方式；

航空运输：运输能力小，运输成本非常高。最大优点是速度快，安全系数高。缺点是受天气影响较大。

管道运输：适用于特殊货种，早起只限于输送气体和液体货物，现已发展到输送矿石和煤等固定货物。运输能力大，效率高，成本低，能耗小，对环境污染极小。

3 运筹学在交通运输领域的应用

人类社会对交通运输业的嘴基本的要求是安全、快速、经济、环境污染小、方便舒适、运输能力布局合理等。为满足这些要求，在技术、规划、控制、管理等层面上提出一系列运筹学问题，形成交通运筹学。

(一) 铁道运输

车流组织优化问题：铁路将货流改变为车流再编挂成列车完成其运送。所谓车流组织就是研究车流的运行路径和技术站编组列车的种类、列车去向、列车编挂办法等。这是一个非常困难的组合优化问题，最简单的情形是技术站排在一条直线上的情形，此时车流路径是唯一的，只需考虑列车编组方案问题。而就全路网威严，车流组织优化问题可叙述为已知路网结构、各区段距离及通过能力、各站间的车流、各站的集结耗费及中转改编的额外耗费，确定各车流的运行路径和各技术站列车编组方案，使运行车公里总数和编组车小时总消耗综合指标达到最小。

列车运行图：列车运行图是全路组织列车运行的基础，它规定各次列车占用区间的程序，列车在每个车站到达和出发（或通过）时刻、列车在区间的运行时间、列车在车站的停靠时间以及机车交路等。列车运行要利用很多技术设备，要求铁路各个部门、各工种和各项作业之间相互协调配合，才能保证列车安全正点运行，所以列车运行图也是铁路车、机、工、电、各部门、各工种、各工序的综合计划。列车运行图问题就是对给定的行车量在严格遵守列车运行图的各项要素的时间标准的条件下，给出一个列车运行图，使列车旅行速度高、列车在技术站接续时间短、用最少的机车来担当牵引列车的任务，并要求列车运行图有一定的容错能力和良好的均衡性。因此，列车运行图问题是一个非线性的多目标优化问题。

旅客中转换乘问题：所谓旅客中转换乘问题就是如何为无直达车可乘的长途旅客选择最优的乘车路径、换乘地点和换乘车次。其中项联慧在《客运中转换乘

的优化模型与算法》中给出了“客运中转换乘的多目标模型”、“客运中转路径的换成模型与算法”及“旅客换乘方案优化模型与算法”，设计了有效、快速求解最短路径法，并已达到可应用水平。

零担中转问题：铁路货运分为整车、集装箱、零担等三种方式。所谓零担中转就是将到达零担中转站的中转整零车卸车后重新组织新的整零车，以继续零担的运输过程。零担中转追求下列目标整体最优：确保车站、中转作业和运输过程的安全；提高整零车的直达率；提高铁路货车运载能力的利用率；减少多站整零的恐非；加速货物中转；节省装卸作业的人力和燃料消耗；减轻装卸作业的教材干扰。由此可知，零担中转是一个约束条件众多、多目标优化问题。

(二) 城市交通系统

城市交通问题是困扰世界各国地方政府的一大难题。师姐许多大都市的城市交通问题都十分严重，这是一个涉及到社会、经济、环境、科学技术、政策、管理等各个方面的非常复杂的问题，形成了一个独特的交通运筹领域。

参考文献

[1][2][3][4] 幼狮数学大辞典[M]. 幼师文化事业公司，1983.2619-2620

[5] 朱志昌.英国OR五十年：成就、困境与出路[J].运筹与管理，2001，（6）

[6]樊飞，刘启华.运筹学发展的历史回顾[J].南京工业大学学报（社会科学版），2002

[7]李志中.中国交通运输业与运筹学[J].中国运输学会第六届学术交流会论文集，2000.10，第33-42页