摘 要

近年来，随着武汉市经济的飞速发展，城市对能源的需求日益增加，能源日趋紧张，传统的天然气受管道供气能力的影响，天然气短缺问题也越来越突出。因此在武汉发展LNG产业是十分有必要的，它将促进武汉经济的持续增长。

武汉和上海都属于长江沿线城市，对发展城市经济有着得天独厚的地理优势。国家对长江沿线城市的重视程度高，向内地逆输送能源，对拉动内地经济起着极其重要的作用。在未来，长江沿线城市将布局LNG码头和相配套的设施，国家也在积极做发展LNG铁路运输的可行性研究，填补内地水路和铁路运输LNG的空白。

LNG属特殊危险货物，需要特殊的运输工具对其运输。传统的管道运输初期投入成本过高，且对于上海至武汉这条规划路线，铺设一条LNG管道经济效益差，按照武汉市目前的天然气需求量，很可能得不到回报；公路槽罐车运输虽然初期投入较管道低，但是运输成本却是极高的。武汉地处长江中游，拥有非常便利的交通网络，发挥武汉地理优势，使用多种运输方式联合运输，可以弥补管道和公路运输方式的短板。本文旨在规划一条从上海向武汉运输LNG的最优路径，使运输成本在可接受范围之内。

本文主要对多约束条件的路径规划模型进行研究，根据决策者对约束条件的不同期望，建立以运输成本为主目标，运输时间为次目标的路径规划模型。最后使用遗传算法对路径规划模型进行求解，得到一条运输费用相对最低，时间相对最短的路径。

研究结果表明，在规划区域内，无论是从运输成本还是运输时间上来讲，使用多种运输方式联运比单一运输方式更经济。通过对上述内容的研究，对从上海运输LNG至武汉提供决策理论支持，并将在一定程度上缓解武汉持续多年的季节性气荒问题。

关键词：路径规划；液化天然气；多式联运；适应度；遗传算法

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of Wuhan's economy, the city's demand for energy is increasing, energy is becoming increasingly tight, and traditional natural gas is affected by pipeline gas supply capacity, and the shortage of natural gas is becoming more and more prominent. Therefore, it is very necessary to develop LNG industry in Wuhan, which will promote the sustained growth of Wuhan's economy.

Both Wuhan and Shanghai belong to cities along the Yangtze River, and the development of the city economy has a unique geographical advantage. The state attaches great importance to cities along the Yangtze River and reverses the transmission of energy to the interior, which plays an extremely important role in stimulating the economy of the interior. In the future, cities along the Yangtze River will be equipped with LNG terminals and supporting facilities. The state is also actively making feasibility study reports on the development of LNG rail transportation to fill the gaps in LNG transportation in the mainland waterways and railways.

LNG is a special dangerous cargo that requires special means of transport for its transportation. The traditional input cost of pipeline transportation is too high, and for the planned route from Shanghai to Wuhan, the economic benefit of laying a LNG pipeline is poor. According to the current demand for natural gas in Wuhan, it is very likely that no return will be obtained. The investment is lower than the pipeline, but the transportation cost is extremely high. Located in the middle reaches of the Yangtze River, Wuhan has a very convenient transportation network, which takes advantage of Wuhan's geographical advantages and uses a variety of transportation methods to jointly transport, which can make up for the shortcomings of pipeline and road transportation. The purpose of this paper is to plan an optimal route for transporting LNG from Shanghai to Wuhan, so that transportation costs are within acceptable limits.

In this paper, the multi-constrained path planning model is studied. According to the different expectations of the decision-makers, the path planning model with transportation cost as the primary target and transportation time as the secondary target is established. Finally, the genetic algorithm is used to solve the path planning model, and a path with relatively low transportation cost and relatively short time is obtained.

The results of the study show that in the planning area, whether using transportation or transportation time, it is more economical to use multiple modes of transportation than single transportation. Through the study of the above contents, it provides support for decision-making theory from transporting LNG from Shanghai to Wuhan, and will alleviate the problem of seasonal gas shortage in Wuhan for a certain degree.

Key words: Path planning; LNG; Multimodal transport; Fitness; Genetic algor

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容和技术路线 3

1.3.1 主要研究内容 3

1.3.2 本文技术路线 4

第2章 武汉液化天然气运输现状与市场需求分析 6

2.1 武汉液化天然气运输现状分析 6

2.2 武汉液化天然气市场需求分析 7

2.3 使用联合运输的经济分析 9

第3章 基于遗传算法的路径规划模型 11

3.1 遗传算法 11

3.1.1 遗传算法介绍 11

3.1.2 发展历程 11

3.1.3 遗传算法的基本流程 11

3.2 运输路径规划问题的描述与分析 12

3.2.1 建立模型背景 12

3.2.2 基础模型形式 13

3.3 遗传算法流程 14

3.3.1 适应度函数 14

3.3.2 遗传算法流程 15

第4章 基于遗传算法的LNG运输路径规划实例分析 17

4.1 武汉LNG运输路径规划模型 17

4.1.1 武汉输入LNG背景描述 17

4.1.2 武汉LNG运输路径规划模型的描述 17

4.1.3 初始参数 19

4.2 迭代计算 21

4.3 结果分析 25

第5章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 展望 26

参考文献 28

致谢 30

绪论

选题背景及意义

近几年来，随着长江沿线省市经济高快速发展，城市生活能源消耗量与日俱增。我国疆域辽阔，能源分布不均，西部地区天然气储备量丰富，但其经济发展较东部地区落后，天然气不能够得到充分利用；东部地区经济发达且人口密度大，随之能源消耗量也大。

自2000年国家开始启动“西气东输”工程以来，现已有西气东输三条线和川气东输共四条天然气运输主管道投入使用。四条主管道年总输气量达750亿立方米。天然气主要成分是甲烷，易挥发，而且体积能量密度小，而液化天然气密度是标准状态下甲烷的625倍，在存储和运输中比天然气占用和消耗更少的资源。华中地区“气荒”困境已经持续多年，除了两条供气管道输气量满足不了华中地区用气量的需求之外，还因华中地区没有规模性的LNG集散中心以稳定供给能源。截至2018年4月2日，中国（不含港澳台）现已有18个LNG接收站投入运营，但大都分布在沿海地区^[1]。2018年4月9日，湖北能源与枝江市政府达成框架协议，湖北能源拟与枝江市政府授权的公司成立合资企业^[2]，开展LNG集散中心建设项目。届时，华中地区依靠长江优势和便捷的交通运输网络，可以在一定程度上可以缓解华中地区季节性“气荒”和武汉燃气量短缺的困境。

武汉作为经济发达的长江沿线城市，对天然气的需求日益旺盛。武汉市目前有焦炉煤气、液化石油气和天然气三种气源，其中使用天然气的用户占全市燃气用户的36.2%，仅次于液化石油气；武汉市的主要供气源是来自忠武线和淮武线，按照供给武汉天然气的忠武线每年12亿立方米的输送量来计算，预计到2025年，武汉市天然气预测气量缺口将达到17亿立方米^[3]。因此，以液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)为代表的绿色、低碳、高效的清洁能源迎来快速发展时期,被广泛使用在能源发电、城市燃气、工业燃料等领域。随着油价上涨给交通运输业带来越来越高的成本压力，液化天然气还逐渐渗透到车用燃料领域^[4]，也由此将带动LNG运输业的大发展。

武汉地处江汉平原东部、长江中游，在长江黄金水道与京广铁路大动脉的十字交汇点，素有“九省通衢”之称，是中国内陆最大的水陆空交通枢纽、长江中游航运中心，应当最大限度利用武汉市的地理位置和发挥各种运输方式的结合来对武汉LNG的运输路径进行规划，可以有效降低运输成本，提高LNG的供应效率。联合公路、铁路和水路对LNG能源进行运输是研究此课题最重要的前提。对于运输商和企业来说，提高LNG的运输效率和降低对LNG的运输成本是至关重要的；对于使用LNG的用户来说，每桶液化天然气的费用是极其重要的。通过对LNG运输路径的规划和优化，不仅可以降低运输工具的空载率，减少运力浪费，还可以节约船舶的运输时间从而降低运输成本，增加运输航次，从而提高运输商的装卸和运营效率。

对LNG运输路径规划对于整个长江航线优化具有重要的意义，在长江中游环境中，根据已知的周围地理信息数据，规划出一条从起始点到终点的有效、安全和最短的航线^[4]。在现有公路运输路线的基础上，结合其他货种和运输方式的运行路线，运用计算机软件对武汉LNG的最优运输路径进行规划，对规划好的路径进行分析和优化，提出好的建议，对于推动武汉市LNG的发展具有深远的意义。

国内外研究现状

为了分析本课题的研究现状，分别从国内和国外两个方面的相关领域阐述运输路径规划的主要研究方法和应用领域。

国内研究现状

在我国，对于运输路径规划问题的研究尚处于起步阶段。

在运输路径规划方面，张亚东等人基于Petri网原理建立了立体运输网络，提出了一种基于广义最短路径搜索算法^[5]，通过计算得到运输成本最低的路径；马萧萧、张宁运用蚁群算法完成了战场环境下最优路径的规划^[6]，在战时环境中，通过蚁群算法，在连续的路线规划中取得较好的搜索效果^[7]。

在算法方面，以清华大学张钹教授等提出的拓扑法为代表，将规划空间分割成一些拓扑特性一致的子空间,建立一个局部拓扑网络 ,并在此局部拓扑网络中寻找拓扑路径求解最终运输路径；赵艳丽、赵小虎、刘康明提出一种基于Voronoi图和量子粒子群算法的无人机航路的规划方法；杨秋秋等人以运输时间和运输费用为目标，运用遗传算法求解最优运输路径^[8]，但是在建立模型的时候，没有将两个目标的重要程度表示出来，结果得到的结论在一个目标最优的情况下，另一个目标往往很大。本文在此基础上，按照目标的重要程度求解合适路径。

综上，国内对于航线规划问题的研究起步晚，研究内容相对较少，其应用领域主要集中在陆路和航空领域。国内对路径规划问题的研究为本文开展对武汉LNG运输路径规划问题提供了可靠的理论支持。

国外研究现状

国外对此问题的研究起步早，研究内容相对来说较为丰富。S.Udupa和T.Lozano-Perez等人提出构形空间方法,将运动的物体看作为构形空间中的一个质点，将质点的大小、运动状态和位置忽略。因为构形空间中有障碍物,所以这些障碍物便成为运动物体的禁区——构形空间障碍(C-Obstacle)，研究内容可以转化为创建一个模型躲避禁区来搜寻路径；Marco Dorigo提出了一种模拟蚂蚁在觅食的过程中搜寻路径的方法，蚂蚁在它经过的地方会释放“信息素”，根据这种物质的浓度，蚂蚁可以找到一条最短到达食物的路径^[9]。蚁群算法通过迭代计算来模拟蚂蚁的这种行为，但是此方法计算量极大，容易出现局部最优问题；Khatib提出人工势场的虚拟方法，对于在一个力场环境中运动的物体,将目标位置视为引力极，而障碍物则是斥力极，根据目标位置和障碍物产生人工势能之和，取极小值决策运动路径，但是这种方法也可能导致局部达到最优；J.Holland教授提出的遗传算法，遗传算法是模拟达尔文的进化论和孟德尔的遗传定律而发展起来的一种优化算法，其基本思想是：将路径个体表达为路径中的一系列中途点,并转换为二进制串，先初始化路径群体,之后进行选择、交叉、变异操作^[10],直到迭代完毕，得到最优个体。

总体来说，国外对于航路路径规划的应用主要集中在无人机和机器人领域，主要研究方法为构形空间发、蚁群算法、人工势场法和遗传算法，为本文的研究方法提供了借鉴。

长江因其独特的地理位置和环境的限制，使得遗传算法从中脱颖而出，遗传算法运算速度不快,但是克服了蚁群算法计算量大和人工势场法的局部最优问题。运用现代航路规划理论，规划出一条便捷、经济、高效的运输路线以保障武汉LNG的输入。

本文主要研究内容和技术路线

主要研究内容

能源的季节性短缺制约了武汉市经济的发展，对武汉LNG运输路径的规划可以缓解武汉周期性的能源经济困境。由于环境对建立的模型的限制，运输路径规划是一系列点之间连线的不连续折线段，考虑到规划目标长江流域是一条连续的曲线段，而且对于公路和铁路运输方式来讲，在目标区域运输节点城市之间的现有道路也并不是直线，这并不符合实际的规划要求。为了提高适用性，将目标运输路线进行线性处理，建立基于遗传算法的路径规划模型，有效提高航路规划的价值^[6]。

（1）第一章是绪论部分，这部分主要介绍了选题的背景和意义，搜集并整理国内外相关的研究成果，分析了对规划武汉LNG运输路径的必要性以及确定本文研究目的和研究方法。

（2）第二章是分析武汉液化天然气的现状和发展趋势，通过具体数据分析了武汉液化天然气的运输现状和市场需求。

（3）第三章为建立基于遗传算法的LNG运输路径规划模型，介绍遗传算法的基本原理，分析LNG运输路径规划中的问题。

（4）第四章为基于遗传算法的LNG运输路径规划的实例分析，对建立的规划模型进行描述，使用MATLAB仿真软件给出一个具体的可行性方案，分析规划运输LNG路径的经济时间效益，选择最优方案。

（5）第五章为总结和展望，总结本文的研究成果并给出对武汉LNG运输路径规划问题的建议。