计重收费策略下的复杂车辆路径问题研究

Toll-by-weight is a unique scheme for collecting tolls on Chinese expressways, whereby expressway tolls are collected based on the weight and traveling distance of the vehicle. Most vehicle routing models assume that the cost of traversing each edge is equivalent to the edge length or is proportional to some constant; as a result,such models cannot be practically applied to the Chinese expressway transportation system. The toll-by-weight scheme is not adopted by other contries and has been implemented in China only for a short time period, thus the vechile routing problems involving the toll-by-weight scheme received little attention.This project studies how to optimally design the routes of vehicles under the toll-by-weight scheme, focusing on two typical and practical but complex problems: (1) The vehicle routing problem with toll-by-weight, split delivery and time windows; and (2) The three-dimensional loading vehicle routing problem with toll-by-weight scheme. Based on the characteristics of the problems and the toll-by-weight schemes, we will design advanced exact algorithms, novel heuristics, meta-heuristics and hybrid meta-heuristics to solve the problems. This project will promote the study of various vehicle routing problems under the toll-by-weight scheme and provide operable and effective solution procedures for Chinese expressway transportation service providers.

计重收费是我国独有的高速公路收费政策，即车辆的通行费与车重和行驶距离相关。文献中大多数车辆路径模型都假设车辆成本仅与行驶距离相关，而不考虑车重的因素，因此这些模型无法用来优化我国高速公路系统中车辆的路径。计重收费政策尚未被其他国家采用，并且此政策在我国实施的时间不长，因此计重收费相关的车辆路径问题受到的关注非常少。本项目研究在计重收费策略下如何优化车辆的路径，重点研究两个有代表性的、贴近实际的、并且非常复杂的车辆路径问题:(1)计重收费策略、带时间窗和允许货物拆分下的车辆路径问题；和(2)计重收费策略和三维装箱下的车辆路径问题。这两个问题都是新问题，我们将先对问题和计重收费函数的特点进行分析，然后设计精确算法，新颖的启发式算法，超启发式算法和混合启发式算法等方法对其进行求解。本项目有利于将计重收费策略下的车辆路径问题推向国际学术前沿，同时可以为我国的运输企业提供切实可行的、有效的解决方案。

现存文献中绝大多数车辆路径问题都是以最小化所有车辆的行驶距离作为目标函数。但是在实际操作中，运输成本同时与车辆的行驶距离和车重这两个因素密切相关。简单来说，某辆车行驶单位距离的成本是其重量的一个单调递增函数。考虑计重收费的车辆路径问题在我国高速公路运输中有着广泛的应用，因为目前我国有超过27个省市自治区采用了计重收费模式。此外，当油耗或者碳排放带来的成本是运输商需要考虑的重要因素时，计重收费车辆路径问题模型也同样适用，因为单位距离的油耗或碳排放量也是车重的一个单调递增函数。本项目主要研究了几类考虑车重的车辆路径问题及其它几类车辆路径问题，结合数学规划、计算机智能算法等相关技术手段，通过采用数学模型、计算实验、模型校正和结果分析等相结合的方法，提出了不同应用环境下的车辆路径规划解决方案。本项目的研究成果可以给我国运输业者，快递公司，第三方物流公司等相关企业提供有价值的参考和借鉴，从而帮助相关企业降低运输成本，提高竞争力。在项目实施过程中，发表（含接收）SCI/SSCI检索论文12篇，其中2篇被交通优化类顶级期刊《Transportation Science》接收，5篇发表在国际著名期刊《European Journal of Operational Research》上，1篇发表在交通类著名期刊《Transportation Research Part E》上；赴香港城市大学进行学术交流6个月；参加了6次国内学术会议；培养管理科学与工程方向的博士研究生2名，硕士研究生7名；项目主持人获得省内人才称号一项。