【基于AMPL数学建模的S发电厂燃料收购运输线路优化设计方案11000字（论文）】

第第节省运输成本，使运输路径更加的合理化，节约了S发电厂在燃料运输上的时间成本。最后，结合对S发电厂燃料收购运输线路的优化，求解最优收购运输路径，并对燃料运输作业的流程、车辆安排等管理工作提出了一些建议，对同行业生物质电厂的燃料收购运输管理都具有一定的指导意义。1.2研究内容及方法1.2.1研究内容本文是围绕着S发电厂的燃料收购运输管理和其运输线路优化进行展开研究的，将根据运输线路的不足之处进行分析，再针对问题改善，实行优化。全文分为以下五个部分，其研究架构如图1-1所示。第一章：首先阐述了本文的研究背景、意义、研究的内容和方法，为本文的写作提供了清晰的思路。第二章：主要介绍燃料运输线路方面的理论知识和AMPL软件使用的领域，为下文奠定理论基础。第三章：简单介绍了S发电厂、燃料收购点及燃料收购运输线路的基本情况，并分析了运输线路存在的问题。第四章：根据运输路存在的问题，并结合实际情况进行优化，通过多次实验，进行优化前后数据对比，选择最优的方案。燃料收购路径研究，作为本文的重点部分，在前面几章的研究基础之上，提出了燃料收购路径的定义：是指在一定的燃料收购需求和运输条件下，针对多个收购点，以电厂车队20辆车中的1辆车为例，有计划地到收购点收购燃料所形成的对应的运输线路。本文对比多种解决方案后最终选择了AMPL进行运算，通过计算的求解再现了模型在实际问题的应用过程，侧面反映了模型在解决发电厂燃料收购运输路径问题上的可行性以及适用性。第五章：本章为研究成果和结论。对全文进行了概括性的总结，指出了本论文在研究中因笔者自身的局限性造成的不足以及改善后的燃料运输路径的优化情况，本篇论文的研究构架图如图1-1所示。绪论 绪论研究背景及意义 研究背景及意义相关理论相关理论最短路径介绍运输管理理论最短路径介绍运输管理理论AMPL模型AMPL模型S发电厂燃料运输线路现状S发电厂燃料运输线路现状燃料运输路径存在的问题燃料运输路径存在的问题数据收集数据收集AMPL建模与运行分析AMPL建模与运行分析模型优化与对比模型优化与对比总结致谢总结致谢图1-1研究构架图1.2.2研究方法本文研究的是关于S发电厂燃料收购运输的路径优化问题，结合同行业存在的运输路径的类似问题，通过分析S发电厂的运输线路现状，分析其所存在的主要问题；使用AMPL软件将收集到的数据进行运算分析，提出一个更优的运输线路。对原有的运输线路进行了相对应的调整，并对调整中所遇到的相关问题，提出了针对性的改善建议。2相关理论概述及AMPL简介2.1运输管理理论运输管理是指产品从生产手中到中间商手中再至消费者手中的运输过程的管理。它包括了运输方式的选择以及运输的时间和线路的设定还有运输费用的节约。其实质是对铁路、公路、水运、空运和管道等5种运输方式的运行、发展和变化，进行有目的、有意识的控制与协调，实现运输目标的过程。[4]运输系统的构成要素：运输系统、运输线路、运输工具、运输参与者。其中运输线路是运输系统中最重要的要素，是运输运算中不可缺少的重要数据。合理运输的途径：选择合理的运输模式和运输工具，再确定合理的运输路线，提高机械运输的装载效率、构建运输网络系统。合理运输意义的具体表现：减少流通环节、缩短在途时间、加快商品流通；有效利用运输工具，减少空驶浪费，节约社会劳动；防止商品损失，降低费用水平，提高经济效益。运输管理的重要性：①企业生产运行的保障；②构建良好的管理节约企业的财政支出；③良好的运输管理能为企业的健康持续发展提供一个契机。2.2最短路径问题介绍最短路径问题（short-pathproblem）是网络理论解决的典型问题之一，可用于解决道路铺设、线路规划、工厂布局和机械更新等实际问题。其基本内容是：如果网络中的每条边都有一个数值（长度、成本、时间等），那么求出总权值和两个节点之间的最小路径就是最短路径问题。[5]最短路径问题是图论研究中的一个经典算法问题，它的目标是寻找图中一个由节点和路径组成的两个节点之间的最短路径。算法具体的形式包括：

（1）确认起点的最短路径问题，根据已知起始结点，求最短路径的问题。

（2）确认终点的最短路径问题，该问题是已知终点的结点，求最短路径的问题。在没有规定路径方向的问题中，其结果与确定起点最短路径问题结果相同，在规定了方向的路径上面，则与其结果不同。

（3）确认起点终点的最短路径问题，根据已知的起点和终点，求两结点之间的最短路径。2.3AMPL建模软件AMPL（AMathematicalProgrammingLanguage）属于计算机语言的分支，是一种建模语言。对于数学规划和大规模优化问题，例如分配、生产和调度等类型的问题，可以借助此工具对其进行描述和求解。据NEOS统计，AMPL是当前应用最为广泛的数学建模语言，可用于求解常见的线性问题、非线性问题、整数规划问题等。对于求解生产模型的最大利润问题，交通问题，最短路径问题等，利用AMPL提供简单而直接的代码模型，将其代入数据模型即可进行求解。AMPL熟悉的代数表示法和交互式命令环境被设计用来帮助建立模型，与各式各样的求解程序进行通信，并检查解决方案，目前，AMPL已经为商业、教育和研究等多个领域提供了多种模型。[6]AMPL的求解的大致思路可以简单概括为：分析问题、数据整理、建立模型、运行模型。具体步骤如下：分析问题。对于本次模型，首先要从S发电厂的实际运行出发，了解其燃料运输的模式和公司设定的收购点的地址，以及运输管理现在存在的问题；包括运输线路的选取、每个收购点之间的距离、运输量和供给量；最后对整个整体进行分析。数据整理。通过找到本次要求的问题对象，有针对性地收集AMPL所需要的数据，并归纳整理好数据，以便于建立模型的数据代码部分（data部分），数据是运行模型的核心，有着至关重要的作用。建立模型。AMPL模型分为代码（mod）模型和数据(data)模型，集合数量根据实际问题来确定，模型中用set执行；确定参数，找出题干中所有的参数，模型中用param表示；找出决策变量，变量用var表示；确定目标函数，目标函数根据问题的词干确定，一般为求解最大值和最小值问题，分别用maxmize和minimize表示；列出约束条件，即参数或变量的取值范围等，用subjectto表示；最后确定数据模型，数据模型的建立步骤和代码模型相同。运行模型。模型的运行即模型求解，求解主要用到的语言有reset开始运行，solve运行，display演示求解的其他变量的值，还有调用求解器optionsolvercplex等。3S发电厂燃料收购运输线路现状及问题分析3.1S发电厂及燃料收购点概况3.1.1S发电厂概况S生物质发电厂位于广西梧州市藤县中和陶瓷产业园中和集中区A区东北端，是藤县中和陶瓷产业园集中区各大陶瓷厂的重要供电支撑点，发电厂成立于2011年，经营范围包括生物质发电与供热。S生物质发电厂项目建设的是1×30MW抽汽凝汽式汽轮发电机组，配备了1×130t/h生物质燃料锅炉，主要燃料为桉树皮、木材加工剩余物。S发电厂的燃料锅炉每天需要燃烧约500吨的燃料，S发电厂年耗燃料量约25.0万吨，S发电厂燃料收储点可容纳约7天的燃料量；在正式发电前，S发电厂已储存1000吨燃料作为库存备用。图3-1为S生物质发电厂现场图。图3-1S生物质发电厂现场图3.1.2燃料收购点概况S发电厂与广西梧州市各个乡镇的40个燃料收购点达成长期合作，40个收购点分别划分为5个区域，其中由于藤县区域的8个收购点的分布情况和复杂的运输线路较为符合本次的研究要求，所以选取藤县区域的燃料收购点作为本文的研究对象，现对藤县区域的燃料收购点概况进行详细说明，藤县区域8个收购点分别分布在广西藤县的塘步镇、藤州镇、濛江镇、金鸡镇、象棋镇、太平镇、古龙镇、东荣镇，图3-2为藤县区域收购点分布图。为了满足S发电厂每天24小时正常运作的发电要求，各收购点应具备收购、加工、储存、装运等功能，储存量要满足非收购季节电厂对燃料的需求。图3-3为塘步镇收购点破碎机图。表3-1中的“燃料供给量”为各收购点每日可提供给S发电厂最大上限的燃料量。图3-2收购点分布图图3-3塘步镇收购点破碎机图表3-1燃料收购点信息表收购点名称至S发电厂距离（km）燃料供给量（吨）燃料种类塘步镇收购点（1）6km每日供给约2吨干湿混合藤州镇收购点（2）12.5km每日供给约2吨干湿混合东荣镇收购点（3）72km每日供给约6吨干湿混合太平镇收购点（4）55km每日供给约5吨干湿混合濛江镇收购点（5）35km每日供给约3吨干湿混合象棋镇收购点（6）47km每日供给约3吨干湿混合金鸡镇收购点（7）29km每日供给约3吨干湿混合古龙镇收购点（8）84km每日供给约6吨干湿混合燃料供给量合计（吨）30吨3.2S发电厂燃料收购运输线路管理现状由于藤县区域的8个收购点供应量较少，所以燃料收储点只派出2辆核载30吨的货车对该区域的燃料进行收购运输，结合运输路程遥远、驾驶员需确保正常休息和保证正常的燃料运输供应量等因素，这2辆货车的收购员是上一天班休息一天的上班模式。燃料收储点剩余的18辆货车，则是根据电厂每日燃料需求和收购员排班情况来安排车辆到其余32个收购点收购燃料。为确保电厂能正常发电，锅炉需要24小时燃烧运作，所以收储点必须每天派出车辆去收购点收购燃料，以此来保证燃料仓储点的燃料充足。S发电厂燃料收购有两级运输体系，即从树林到收购点的一级运输和收购点到发电厂的二级运输。一级燃料运输，是指农民收集桉树皮原料后运输至收购点，或木料厂处将木头加工后剩余的桉树皮原料运输至收购点；二级燃料运输，则是燃料收购点把干、湿树皮原料进行分类、切碎加工后再堆垛储藏，由电厂燃料收储点上门收购。二级燃料运输影响到收购点和电厂的整体利益，是燃料运输进入发电厂的最后一个流程，燃料是否可以顺利进入发电厂是对燃料二级运输的一种挑战。[7]这一过程主要包括装燃料、运输燃料和卸燃料等三个环节，运输燃料在这一流程中显得非常的重要，设计合理的运输线路，规划完善的运输流程，是保障发电厂正常运作的必要条件，也是降低企业物流成本、提高企业竞争力的重要方法。[8]运输体系流程图如图3-3所示。收购点电厂运输运输收集树林、收购点电厂运输运输收集树林图3-3运输体系流程图3.3S发电厂燃料收购运输线路存在的问题分析3.3.1收购点燃料供应不稳定国内的生物质电厂大部分都是选择农作物秸秆作为燃料，但由于秸秆燃料存在供应上的区域局限性和季节性，致使秸秆资源收集困难，树皮、木屑等资源便成为了替代品。虽然S发电厂是处于盛产桉树的华南地区，但是发电厂所在县的各个乡镇燃料收购点的桉树皮燃料还是受到了市场供需不平衡的影响。由于桉树皮燃料易燃、松散的特殊性，只可以存储一部分的燃料，仓储点最多也只能容纳存储7天的燃料量。[9]为了达到发电厂全年持续生产的要求，燃料经过收购点的加工处理，存储在收购点，S发电厂燃料收储点每天派出收购员前往收购点收购。然而桉树皮燃料收购被其季节性所影响，各收购点在燃料收购旺季和淡季运输的燃料量有很大差异。如藤县区域的古龙镇收购点1到12月份的燃料运输量从0到4500吨不等，发电厂其他收购点每个月份的燃料供给量也存在一定的差异，在淡季和自然气候的影响，部分燃料收购点的供给量会出现大幅度的减少，燃料供给不足这就会给S发电厂的日常收购和发电效率造成极大的影响。因此，燃料供应量不稳定这一问题时刻威胁着S发电厂的运作效率。3.3.2运输距离远，路线多分布在藤县区域的收购点有8个，主要通过公路将燃料从收购点运输至S发电厂。每个收购点到发电厂的运输路线基本都有多条可以选择，包括不同级别的公路，运输距离不一样，公路状况不一样，所产生的运输路程、时间和费用不同。[10]有些路线的运输线路很近，但是由于乡村道路比较崎岖，导致运输时间长；有些路线路况比较好，但是运输线路距离远；部分收购点周边还有收费站，增加了运输成本，但是选择没有收费站的路线，运输距离就往往会增加很多。因此，S发电厂需要综合考虑燃料运输距离、车辆行驶时间和运输成本等多种因素后的最佳运输路线。综上所述，所以收购员在接到指派任务后都是凭主观意识去选择前往某一收购点装载燃料，以下线路是收购员经常行驶运输的线路：塘步镇→藤州镇→古龙镇→象棋镇→东荣镇→太平镇→蒙江镇→金鸡镇→塘步镇，这一线路的总路程为413km。经过调查数据发现，S发电厂距离最近的塘步镇收购点的路程为6km，而距离最远的古龙镇收购点的路程长达84km。据东北电力设计院总工程师刘钢对电厂燃料收购线路的研究和长春地区生物质发电厂的数据分析可知，电厂燃料收购线路会对生物质发电厂的经济收益产生较大影响：燃料运输成本会随收购线路的增加而增加，从而带来燃料成本的增加和随之而来企业利润减少。[11]由于专业技术人才缺乏，缺乏对路线合理规划，造成收购员多次绕路，运输路程的增加同时致使了运输时间和车辆燃油费的增加。3.3.3燃料收购点分散随着藤县中和陶瓷园的迅猛发展，其对S发电厂的供电需求越来越高，因此，S发电厂对燃料的需求也不断增加。由于周边相邻几个乡镇供给不足，S发电厂只能扩大收购范围，为确保每日的燃料量，距离S发电厂最近的藤县区域的燃料收购点显得尤为重要。藤县面积达3945平方公里，从规划线路的角度去看藤县区域的8个收购点就显得分布零散，拿东荣镇和象棋镇这两个收购点来说，一个在北一个在南。即使每个点都可以以最短距离连接起来，但其形成的运输成本也是难以控制到最小化的。4S发电厂燃料收购运输线路优化设计方案4.1AMPL建模的基础S发电厂燃料收购运输车辆为20辆，本次模型选取其中的1辆货车作为研究对象，对其每日的运输路线和时间进行研究。S发电厂燃料运输问题的数学模型可以简化为：从发电厂定为起点然后至8个燃料收购点，每个收购点之间的距离以及和到发电厂的距离都是已知，由于农村的道路不是笔直的，测量出来距离用两点间的直线假设代替，在知道这些数据条件下，要在这些线路中进行合理的挑选，按照不同的权重进行综合分析最后使得总运输线路最短最合理。4.2数据收集及模型建立运行分析4.2.1数据收集根据前面的关于S发电厂的燃料运输线路存在的路径问题分析，需要整理出各个站点的距离建立里程表格：表4-1收购点编号表收购点数据代码中设定代号（阿拉伯数字）塘步镇收购点1藤州镇收购点2东荣镇收购点3太平镇收购点4濛江镇收购点5象棋镇收购点6金鸡镇收购点7古龙镇收购点8表4-2收购点距离表各收购点之间的距离（km）收购点123456781017766039533480217060432340256837660016419985414604316024836825539234124062474965340998362026108734258568472609488068412549108940表4-2收购点距离表，表示S发电厂设定的各个收购点相互之间的距离，为了方便记录和代码实现，后续在AMPL代码数据中用1到8的阿拉伯数字代替站点的名称。4.2.2模型的描述及约束条件S发电厂燃料收购线路问题的数学模型可以描述为：从一个起始点开始设定为唯一入口，然后依次经过各个收购点，最后到S发电厂燃料仓储点为一个完整的收购回路。现将每一收购点看作成一个点，且点与点之间的距离全部已知，求一个路径经过这些点且全部经过的总路程最短。模设定的条件有：对于每个收购点有且仅有一个出口一个入口；没有任何别的回路；构成一个闭回路。（1）参数：v是装货点构成的集合；i和j表示装货点；dij表示两个装货点i和j之间的距离。（2）变量对于集合中的任意点有i≠j,如果Xij=1则直接由i点走到j点，否则Xij=0。4.3数学模型则可以构建数学模型如下数学模型的目标函数是装货的运输距离最短；公式表示于每个装货点而言，仅一条路径进和一条路出(单线入单线出)；保证没有其他的子回路产生，Xij=1或0,Xij=1时表示由i到j,否则为0。4.4模型计算4.4.1收购点的线路AMPL的mod模型建立根据前面表格收集到的数据，现在一直点相互间的距离。设定集合A{1...group}表示收购点的集合，B{1...spot}代表点与点之间的运输路径；已知要将所有点构成一个闭回路，且每个点有且仅有一个入口一个出口，所以该模型要规避其他的运输路径；设定点与点之间的距离为mileage；收购点集合group并依次记为1到8；决策变量记为after表示本次模型中经过哪些收购点，相对应的最短距离目标函数minimizedistance:sum{iinA,jinA:i!=j}juli[i,j]*use[i,j]，于是得到了本次AMPL的mod代码部分命名为S.mod：paramgroup>0,integer;#interger保存整数setA:=1..group;#为盘点站点集合parammileage{A,A}>=0;#路径距离paramspot>=0,integer,default0;setB{1..spot};#小回路varafter{A,A}binary;minimizedistance:sum{iinA,jinA:i!=j}mileage[i,j]*after[i,j];subjecttosuccessore{iinA}:sum{jinA:i!=j}after[i,j]=1;subjecttopredecessor{jinA}:sum{iinA:i!=j}after[i,j]=1;subjecttospot_elim{kin1..spot}:sum{iinB[k],jinAdiffB[k]}after[i,j]>=1;4.4.2收购点的线路AMPL的dat模型建立根据前面的数据，已知点与点之间的相互距离，根据mod部分可以设定出运行dat部分，命名为S.dat：paramgroup:=8;parammileage:12345678:=10177660395334802006043234025683000164199854140000248368255000006247496000000261087000000094800000000;4.4.3收购点线路的AMPL代码运行与分析在建立好的模型基础上，对模型进行了运算求解，得到以下运行结果：ampl:reset;ampl:modelS.mod;ampl:dataS.dat;ampl:optionsolvercplex;ampl:solve;CPLEX12.6.0.0:optimalintegersolution;objective587MIPsimplexiterations0branch-and-boundnodesampl:displayafter;after[*,*]:12345678:=101000000210000000300010000400000001500100000600001000700000100800000010图4-1AMPL运行结果图由运行结果可以看出出现的路径有：1→2；8→7→6→5→3→4；因此在运行结果中出现了2个小回路，按照题设要求，本次优化方案只有一条闭回路，因此还需要规避这个问题，需要再添加限制条件。要忽略掉这些小的回路，文中需要在模型操作窗添加一个限制条件对B{1,2}进行分割，执行语法命令为：letspot:=1;letB[1]:={1,2}；限制条件将该回路视为一个点再次求解。添加完限制条件后，再次对模型进行迭代求解，得到以下运行结果：图4-2优化后AMPL运行结果图最后通过运行结果可以看出运行结果表示的为一条闭回路：1→2→3→8→4→5→6→7→1即为：塘步镇收购点；藤州镇收购点；东荣镇收购点；古龙镇收购点；太平镇收购点；濛江镇收购点；象棋镇收购点；金鸡镇收购点；藤州镇收购点的顺序进行收购的线路选取。4.5AMPL模型的结果4.5.1运行结果的线路对比电厂燃料班提供的日常偏好的运输路径为1→2→8→6→3→4→5→7→1，优化前运输路径图如图4-3所示。优化前的路径距离长，路线重复率较高，运输周期较长。根据前面图4-2的运行结果可以得出最优运输线路为1→2→3→8→4→5→6→7→1，优化后运输路径图如图4-4所示。按照实际情况最后的一步为到达S发电厂燃料仓储点，优化后的路径路程短，路线重复率低，运输的周期短。图4-3优化前运输路径图图4-4优化后运输路径图图4-3是没有优化前的运输线路，线路为1→2→8→6→3→4→5→7→1；总路程为17+68+108+99+16+24+47+34=413（km）；基于AMPL优化后线路为图4-4，其优化后的路径为1→2→3→8→4→5→6→7→1，优化后的总路程为17+60+41+25+24+62+26+34=289（km）。则优化前后相差413-289=124（km），因此优化后的线路将要比之前的线路近124km。如果按照日常货车的运行速度在城市道路以平均60km/h速度，则设使用时间为T，单位为h（小时），得出优化前后的路程时间对比表如下：表4-3优化前后对比表优化前后路程路径时间（T）总路程（km）优化前1→2→8→6→3→4→5→7→16.9h413优化后1→2→3→8→4→5→6→7→14.8h2894.5.2AMPL运输线路优化效果由表格和优化前后对比可以看出S发电厂的燃料运输线路得到了明显的优化，每日投入时间减少近两小时，路程减少了124km，提高了S发电厂的运作效率同时减少了成本投入，在应对日益增长的企业燃料需求上提供了更好的应对方法，运输时间和路程的减少，运输周期缩短，每日的收购量增加。优化的效果可以归纳为以下几点：运输的路程减短在优化前货车收购员都是根据自己的主观意识进行路径的选取的，同时乡村道路部分条件较差，时常会遇到恶劣的天气情况，收购员会选择绕路收购，优化前的路径每日路程很长，每日运输来回需要12小时。优化过后，虽然限定了线路运输，但是每日可以节省124km，接近2小时的路程，这大大降低了成本投入和提高了工作效率，缩短运输路程，提高了运输周期，也为S发电厂每日的运输节省了很大成本。运输的效率提高随着S发电厂的发展每日的发电量也不会一成不变的，随着社会的需求发电量逐年增加，那么多燃料的需求也会慢慢增加需求，现在一车能解决的可能以后每日就需要多辆车，经过AMPL优化后每日单趟节约将近三分之一的路程，这对以后的运输具有指导意义，提高了运输的效率。运输模式的规范化在优化之前S发电厂燃料收储点的运输线路较为混乱，收购员每天运输线路十分复杂，工作量大。优化过后每日会根据S发电厂的需求结合各地收购点的供给量，经过科学的规划线路把每日的行程下发到各个收购员手中，收购员按照订单的详细信息和计划路线进行收购运输，节省了时间成本，使得运输与收购成为了规范化的模式，将复杂的问题按照标准进行简单的处理完善。4.6S发电厂燃料收购运输问题改善建议4.6.1拓宽收购渠道，加强市场意识培养S发电厂应该及时拓宽自身燃料收购渠道，积极开拓同行业业务合作。在应对燃料收购淡季或受自然灾害时，S发电厂可以及时地通过其他渠道迅速调配所需的发电燃料，应对燃料短缺所造成的影响。如增加邻市或邻省的燃料收购点，或者燃料短缺时向同行业进行调配。同时，S发电厂应该与生物质燃料供应商培育良好的合作关系，保证燃料质量的稳定。这样一来无论是燃料是否在淡旺季，都能够及时的保证发电厂的燃料供给，并且都能够随着市场的规律，都可以找到稳定的合作伙伴。[12]4.6.2规范运输线路由于之前的运输线路都是按照收购员主观意识决定的，大大地增加了运输路程和时间，所以每日由发电厂的专职人员对下一日的燃料收购线路进行优化设计，并且及时分发到相对应的收购员手中，这样既可以规范工作流程，也可以节约时间成本和缩短路程，同时合理的燃料收购路线也节省了油耗，降低了公司的成本投入。同时，S发电厂应该提前计算出近3天发电厂燃料的需求量，根据需求再结合每日各个收购点反馈回来的数据进行收购预算，并及时地将燃料收购订单的内容信息完善，其中是要标明燃料需求量是多少吨，各个站点的需求量是多少，同时订单的线路应该在后面标注出来，有利于收购员的运输线路选取。4.6.3重新划分收购点区域，合理进行车辆调配在研究S发电厂藤县区域收购点车辆运输收购路径时，发现部分收购点分散度较大，导致运输的路程加大，不利于发电厂的收购线路规划，增加了成本投入；如东荣镇和象棋镇一北一南，在进行收购运输时路程距离跨度过大。所以S发电厂应该合理的进行区域收购点的规划划分，应该按照供给量和各个收购点之间的距离综合考虑，将一些距离相对近且供给量总和能够满足公司需求的收购点，划分在一个区域进行收购运输，而不是单独按照县区域进行划分，这样的局限性较大。同时在进行车辆调配时，应