林业运输中断实时管理

第1章 引言

自20世纪60年代以来，林业工业已经采用优化模型和运行研究（OR）方法^[1]。最近关于如何使用这些模型和方法来解决林业规划问题的评论可以在^[2][3]中找到。这些规划问题涉及范围广泛的活动，如园艺，收割，道路建设，生产和运输，到目前为止，OR实践者面临着诸多挑战^[4][5]，因为林业工业试图提高竞争力，减少对环境造成的影响。特别是改善林业交通规划一直是近期研究的一个重要课题，具有很高的实用性，因为运输成本估计超过木材采购成本的三分之一^[5]。因此，降低运输成本是提高林业公司竞争力的关键因素。

最近，已经开发了一些OR模型和方法来解决运材卡车调度问题（LTSP）^{[6][7][8][9][10]}，其中包括推导出卡车在林业和木工厂之间运输不同木制品的时间表。此外，还开发了几个决策支持系统，其目的都是为了减轻交通规划，如智利的ASICAM项目^[10]和芬兰的EPO项目^[11]。 文献^[12]对林业工业的交通规划体系和OR发展的贡献进行了回顾。注意到林业公司几乎没有决策支持系统（与其他工业部门相比^[13]），因为许多林业公司仍然依靠经验丰富的调度员手动获得其运输计划。

运输计划是否通过优化方法或手动获得，其实践中的实施容易受到未知事件的影响。例如，在加拿大，春季解冻土壤和夏季降雨使林业道路状况恶化，防止卡车在规划的时间内完成运输。这些卡车的迟到也可能造成装卸作业的排队事件。

在这种情况下，整个供应链可能会产出许多后果，许多运输都可能变得不可行。那么有必要尽早重新优化运输计划，以尽量减少这种中断的影响。随着智能交通系统的出现，尽管随着其他工业部门的类似问题的文献不断增加，文书的实时重新安排也没有受到重视。据我们所知，CADIS（用于计算机辅助调度）是用于林业实时调度的唯一记录的决策支持系统^[15]。作者报告的这个系统的细节很少，因为与使用它的新西兰公司的不公开协议。该制度产生令人鼓舞的成果^[16]，尽管仅在短期内使用，因为公司因财务问题而停止其活动。其他商业决策支持系统[12]可能包括实时调度模块，但它们通常是手动管理的。最近的工作^[5]将实时运输管理定义为OR实践者在林业行业的33个开放问题之一。

其他的一些工业部门运输规划问题的最常见的不确定因素是新要求（例如新客户或需求变化）的提出^[17][18]。在林业交通规划问题中，必须处理不同性质的不可预见的事件，例如交通网络拓扑的变化（如道路封闭）。在本文中，我们提出一种数学规划模型，对于林业运输运营期间可能发生的每一个不可预见的事件，无论其性质如何，都是有效的。该模型基于林业供应链的时空网络代表，其中表示了意外事件的影响。

本文的其余部分安排如下。第2节描述了这个问题，从LTSP的一般描述开始。第3节介绍了为应对不可预见的事件实时重新优化运输计划的方法。测试集的描述和我们的方法的结果在第4节中给出。第5节总结了这项工作。

第2章 问题描述

我们从LTSP的一般描述开始本节内容，该解决方案产生的运输计划除了装载和卸载操作之外还包括一系列空载和负载跳闸。请注意，我们的方法仍然有效，无论这样的计划是手动导出还是通过使用优化方法，但LTSP为后续开发我们的模型实时重新安排日志卡车提供了一个概念框架。

我们假设一个齐齐的卡车队。每辆卡车与一个基地（通常是一家木工厂）相连，在那里它必须开始和结束它的转移。计划员必须在一周的计划范围内为每辆卡车分配一条路线。除了等待，加载和卸载操作之外，路线还包括一组行程。我们将R，V，M和F定义为路线，卡车，工厂的集合，林业。Rv是与卡车visin;V链接的路线的子集。

每个路径risin;R都有一个cost cr。这笔费用包括生产（加载运输，装卸）和非生产活动（空行程和等待）。 LTSP旨在最大限度地降低总成本，同时满足每个厂房misin;M的需求Dm，给出每个林业地点fisin;F的一定量的可用木材产品Sf。问题可以如下^[3]：

如果选择了路径变量r，则变量yr为1，否则为0。参数afr（bmr）表示如果选择了路线r，在林业地点f（在轧机m处运送）中拾起的产品的总量。目标函数（1）使总成本最小化。限制（2）和（3）确保需求满足而不是超过供应。约束（4）确保在每辆卡车被分配一条路线。

请注意，运输成本包括使用卡车的固定成本和与取决于卡车空载或负载的距离成正比的可变成本。这些卡车必须从工厂空运到林业场地。因此，仅在同一厂和同一林业地点之间运行的卡车只能运输一半的运输能力。相反，一旦在工厂，人们必须尝试将最接近的林业地点的木制品从相反的方向分配给工厂。这在文献中被称为回程，并且我们将感兴趣的读者引用到^[19]以获得关于在林业工业中使用回程的决策支持系统的更多细节。

装载和卸载作业由装载机在林业和工厂进行。这些装载机通常只在一天的特定时间内运行。此外，在工厂或林业地点可用的装载机数量可能在白天有所不同。为了避免在装载机上产生队列，从而降低非生产性活动的成本，调度员必须满足的另一个目标是让卡车与装载机同步，给出关于可用装载机的准确信息。这些限制出现在LTSP最近的作品^[6][9]中，在我们的工作中被考虑。

在实时重新安排运材卡车的情况下，我们假设卡车司机一次收到一次运输信号，调度员等待每个卡车司机完成其当前行程，然后再显示其下一个目的地。这种运输计划管理模式给予更多的灵活性来重新优化路线，因为它避免了驾驶员阻碍变化。在发生不可预见的事件之后重新优化运输计划，调度员必须避免将货车从目的地转移，除非不可预见的事件阻止了当前行程的完成。这提高了所提出的时间表的一致性，并促进了它们的现实实施。此外，在实时情况下，调度员获得替代运输计划的可用时间是有限的。

林业工业中出现的意外事件的性质，从文献中可以发现在其他工业部门发现的类似问题。我们已经列出了最常见的事件。该清单包括可能在林业地点出现的意外事件，涉及卡车和道路网络的事件以及工厂发生的事件。在面对这种事件时，要制定有效的追索策略，必须着重于对交通网络的影响，而不是事件本身。下一节将介绍实施这些追索策略的拟议方法。

第3章 建议的方法

我们的实时重新安排运材卡车的方法建立在时空网络表示上，用于定义我们的数学规划模型。时空网络代表了林业供应链随时间的演变。这种表现根据随时间推移的不可预见事件的性质而变化。网络的空间和时间尺寸允许实时跟踪卡车并且捕获不可预见的事件对运输网络的影响（例如，通过去除不可接近的弧线）。运输网络中两个位置之间的距离表示为时间测量。这有助于捕捉一些不可预见事件的影响。在道路恶化或交通堵塞的情况下，例如，行驶持续时间可能变长，而地理距离保持不变。数学规划模型将这个时空网络作为输入，并使用商业解算器来解决。

3.1 时空网络

当不可预见的事件被揭露时，必须收集有关运输网络元素状态的实时信息。例如，我们将卡车的状态称为关于其位置，目的地和运输的产品的信息，如果它被加载货物。而且，如果卡车是直接的受到不可预见的事件的影响，如卡车故障，我们假设我们有关于相应事件的估计特征的其他信息，例如卡车维修期间的估计。这些估计的收集和验证超出了这项工作的范围，但除了开发大数据算法之外，目前板载计算机，地理位置和通信技术的发展使得收集了高质量的估计值中断特点更实惠，更容易。

交通网络的状态可以看作是我们作为时空网络表示的这个网络的即时图片。网络的空间维度除了连接道路外还包含一组木材厂和林业场所。对于网络的时间维度，我们将计划范围划分为一组间隔。装载和卸载操作所需的时间大致相等，在本文中我们考虑的上下文中驱动距离相当大。因此，我们使用加载时间作为离散规划期的时间步骤。时空网络表示（图1）包含四种类型的顶点：

• 当不可预见的事件被揭示时，每个卡车的源顶点代表其当前位置（或其基础，如果尚未开始其移动）。这些单个卡车顶点与常规时空网络中可以找到的不同。我们需要介绍他们来实时跟踪卡车的位置。还要注意，网络中没有表示在发生中断之前完成班次的卡车。
• 每个卡车的水槽顶点。它对应于其底座，代表卡车的换档端。
• 林业地点顶点。每个顶点都被复制到离散化规划层的每个时间间隔。这样可以捕获有关林场的实时信息。这包括每个产品的当前供应量和相应间隔可用的装载机数量。这些顶点是重复的，以表示卡车是满的还是空的。
• 轧机顶点。它们同样被复制。顶点状态包含有关每个产品的当前需求和相应间隔可用的装载机数量的信息。

顶点的复制在图1中水平完成。每对线代表磨机或林业现场随时间发展。为了清楚起见，图1中仅示出了弧的一部分，并且它们的长度不代表实际的距离。为第一辆货车保留的弧形为一小段旅程的例子。时空网络中有七种电容弧：

• 启动将源顶点连接到空林业站点顶点的弧，如果相应的卡车为空，否则将其切换到全铣削顶点。他们的能力是一辆卡车。
• 将与卡车底座相对应的空磨机顶点的末端弧连接到该卡车顶点。他们的能力是一辆卡车。
• 加载的驱动弧，将完整的林业位置顶点连接到全磨机顶点，在该林业现场至少需要一个可用的产品。他们的能力等于可用卡车的数量。
• 空的驱动弧连接一个空的铣床顶点和至少提供一个请求的产品的空的林业位置顶点。他们的能力等于可用卡车的数量。
• 等待连接两个连续轧制顶点的弧。需要注意的是，由于工厂数量通常小于林业数量，降低了对称性，所以我们更喜欢这些货车在工厂而不是在林业地点等待。他们的能力等于可用卡车的数量。
• 加载连接两个连续的空和完整林业站点顶点的弧。他们的能力等于可用装载机的数量。
• 卸载连接两个连续的完整和空轧机顶点的弧。他们的能力等于可用装载机的数量。

应当注意，弧的长度表示相应操作的持续时间。因此，这些弧仅以间隔至少该持续时间的间隔存在于顶点之间。此外，构成该时空网络的顶点和弧线随着时间的推移而变化，并且取决于所发现的意外事件的性质。我们将在下面的小节中描述如何进行这些转换。

3.2 处理中断

在发生不可预见的事件时，我们首先收集关于在中断之前执行的运输的必要信息，以更新剩余的需求和仍在运行的卡车的数量。我们还收集有关卡车及其位置的相关信息被加载或空。除了对不可预见的事件影响的估计之外，还提供了这一信息，产生了一个新的时空网络。在事件发生之前开始的所有顶点和弧都从初始时空网络中删除。一个例外是卡车启动顶点。根据不可预见事件的性质和相应的卡车位置，更新来自这些起始顶点的弧。

当不可预见的事件被揭示时的追索策略取决于它对交通网络的影响，而不是事件本身。不同的不可预见的事件对运输网络会产生相同的影响。例如，在林业现场或轧机处存在单个装载机的情况下，可以将该装载机的故障视为相应的现场关闭，假设装载机不允许在不同站点之间移动，并且卡车不包括车载装载机。以下描述了除了相应的追索策略之外，基于它们对网络的影响的中断类别。

关闭

这个类别包括林业地点，木材厂和道路的封闭。此外，与通过不同路径可能达到同一点的城市环境相比，通常有一条单一的林业道路进入林业地点。因此，关闭这条道路也可以被认为是林业关闭。磨机关闭意味着在关闭期间不会将任何产品运送到该磨机。这可能是由于例如存储容量的减少或与该磨机相关联的装载机的故障引起的。

如果在磨坊或林业地点发生这种干扰，我们除了处于估计的中断时间内的所有时间间隔之外，还可以除去相应顶点的加载或卸载弧线。我们在工厂里保持等待的弧。对于计划在操作开始之前在闭合顶点设置的卡车，根据是否加载起动顶点，其起始顶点连接到其他工厂或林场。其余的卡车启动顶点连接到其当前目的地在中断时被揭露。网络的其余部分不变。如果在将工厂连接到林场的道路上出现中断，我们将在关闭持续时间内的所有时间间隔

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