基于環(huán)境的多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸方式協(xié)同組織優(yōu)化模型*

馮芬玲，張清雅

(中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

多式聯(lián)運(yùn)是一種適應(yīng)現(xiàn)代物流發(fā)展的貨物聯(lián)運(yùn)方式。2009年國務(wù)院提出《物流業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》［1］，及 2011年兩會(huì)頒布的“十二五”規(guī)劃綱要中，均明確指出進(jìn)一步推進(jìn)多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引導(dǎo)、國家政策的共同支撐下，大力發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)這種運(yùn)輸組織方式是大勢所趨。隨著經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸業(yè)的快速增長，空氣污染、噪聲污染、能源消耗、交通事故等因素對自然環(huán)境及人身造成了一定的影響和危害。根據(jù)運(yùn)輸外部性理論，將環(huán)境污染、安全、能源因素納入多式聯(lián)運(yùn)成本體系，探索綠色發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)途徑與方法，對多式聯(lián)運(yùn)協(xié)同優(yōu)化組織具有實(shí)際意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對多式聯(lián)運(yùn)的研究主要集中于多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇［2－3］、運(yùn)輸方式選擇［4］及協(xié)同組織［5］3 個(gè)方面。另外，在運(yùn)輸外部性方面，張新宇等［6－7］探討了可持續(xù)發(fā)展的交通戰(zhàn)略和政策問題;呂正昱等［8－10］建立了市場經(jīng)濟(jì)條件下交通運(yùn)輸社會(huì)總成本的目標(biāo)函數(shù)及計(jì)算方法。很少見綠色發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)協(xié)同優(yōu)化方面研究。鑒于綠色發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)的重要性與迫切性，建立基于環(huán)境的多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸方式協(xié)同優(yōu)化模型，以期實(shí)現(xiàn)多式聯(lián)運(yùn)的高效率、高效益的綠色發(fā)展。

1 多式聯(lián)運(yùn)協(xié)同優(yōu)化模型

在進(jìn)行多式聯(lián)運(yùn)組織運(yùn)營時(shí)，運(yùn)輸過程、轉(zhuǎn)運(yùn)過程及裝卸過程中都會(huì)產(chǎn)生大氣污染、水污染、噪聲污染等環(huán)境污染現(xiàn)象，能源的消耗，及對人身健康與安全有所影響，但在目前的多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)價(jià)體系中未將這些因素考慮在內(nèi)，不能夠真實(shí)反映出多式聯(lián)運(yùn)的社會(huì)總成本?；谏鲜鲈颍谝远嗍铰?lián)運(yùn)社會(huì)總成本最小化為序參量的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)綜合考慮多式聯(lián)運(yùn)協(xié)同組織環(huán)境影響的優(yōu)化模型，合理反映在進(jìn)行多式聯(lián)運(yùn)協(xié)同組織時(shí)對環(huán)境、安全及能源的影響。

1.1 多式聯(lián)運(yùn)社會(huì)總成本

為準(zhǔn)確描述綠色多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展中的成本問題，以運(yùn)輸外部性理論為依托，將影響多式聯(lián)運(yùn)的主要因素歸納為運(yùn)輸耗費(fèi)、安全事故、能源消耗及環(huán)境污染四方面因素，根據(jù)不同因素特點(diǎn)及影響大小，將多式聯(lián)運(yùn)社會(huì)總成本分為運(yùn)輸成本、安全成本、能源成本與污染成本4部分。其中能源成本與運(yùn)輸成本中燃料費(fèi)不同，是從能源利用效率角度對運(yùn)輸外部成本中能源成本進(jìn)行計(jì)算。

對于第i種運(yùn)輸方式來說，其社會(huì)總成本的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:cij為第i中運(yùn)輸方式的社會(huì)總成本;dij為運(yùn)輸成本;eij為污染成本;rij為能源成本;sij為安全成本。

1.2 模型假設(shè)及符號說明

以一個(gè)多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)輸方式協(xié)同優(yōu)化問題為背景，不考慮多個(gè)多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的相互影響和相互作用，并進(jìn)行以下假設(shè):

(1)各種運(yùn)輸方式的單位成本一定;

(2)各種運(yùn)輸方式到達(dá)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)輸時(shí)間已知;

(3)每批貨運(yùn)量小于各種載運(yùn)工具的最大載重量，不允許超載情況;

(4)不考慮管道運(yùn)輸?shù)呢浳?

(5)不考慮空車運(yùn)輸?shù)某杀?

(6)運(yùn)輸路徑固定，只考慮不同路段的運(yùn)輸方式選擇問題;

(7)線路狀況確定，不考慮載運(yùn)工具和裝卸設(shè)備故障等意外情況;

(8)所有運(yùn)輸方式的載重量q與運(yùn)輸時(shí)間t的乘積為定值。

假設(shè)第i個(gè)多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)代表一套運(yùn)輸方式的選擇方案，本模型的主要參數(shù)、符號說明及變量的定義如下:dij，eij，rij及sij分別為第j個(gè)路段消耗第i個(gè)多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)輸成本、污染成本、能源成本及安全成本;cij第j個(gè)路段消耗第i個(gè)多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的社會(huì)總成本;lij為第j個(gè)路段選擇第i個(gè)多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)輸距離;wd，we，wr和ws分別為運(yùn)輸成本、污染成本、能源成本及安全成本的權(quán)系數(shù)。

1.3 模型建立

整體目標(biāo):多式聯(lián)運(yùn)社會(huì)總成本最小化

(1)目標(biāo)函數(shù)

(2)約束條件:

式(2)表示由各種成本組成的社會(huì)總成本最小化;式(3)表示運(yùn)輸成本目標(biāo)函數(shù);式(4)表示能源成本目標(biāo)函數(shù);式(5)表示污染成本目標(biāo)函數(shù);式(6)表示污染成本目標(biāo)函數(shù);式(7)表示安全成本構(gòu)成;式(8)表示各個(gè)成本權(quán)重系數(shù);式(9)表示各個(gè)成本權(quán)重系數(shù)為非負(fù)數(shù)。

1.4 模型求解

模型運(yùn)用lingo軟件進(jìn)行線性求解，具體流程見圖1。

2 算例仿真

假定1個(gè)含有6條路段的多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，O點(diǎn)為起始點(diǎn)，D點(diǎn)為終止點(diǎn)，將一批量為q的貨物從起始點(diǎn)O點(diǎn)運(yùn)到D點(diǎn)，路段分別為1，2，3，4，5 和6，路段兩端為節(jié)點(diǎn)連結(jié)，具體網(wǎng)絡(luò)圖見圖2。圖2中，在每一段路段中都有4種運(yùn)輸方式供以選擇，1，2，3和4分別表示鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸及航空運(yùn)輸。

圖1 模型求解流程圖Fig.1 Model flow chart

圖2 多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Multimodal network diagram

數(shù)據(jù)是算例分析的基礎(chǔ)，也是本文的重點(diǎn)及難點(diǎn)，將成本數(shù)據(jù)的采集來源及處理結(jié)果進(jìn)行以下簡述:

2.1 成本數(shù)據(jù)

(1)運(yùn)輸成本。假定某多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)某月完成的貨物周轉(zhuǎn)量為5000 t，由于對于多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的時(shí)效性要求，選擇一個(gè)足夠大的金額作為懲罰成本。

(2)污染成本。排污成本根據(jù)2003年國家標(biāo)準(zhǔn)［11－12］，按照煙氣污染物、污水污染物及噪聲超標(biāo)排污費(fèi)3部分進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。計(jì)算公式見文獻(xiàn)［11］。

(3)能源成本。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2005年各種運(yùn)輸方式的能源利用效率如表2所示:由表1可知:4種運(yùn)輸方式的單位成本，即分別為和

表1 各種運(yùn)輸方式污染物排放量［11－12］Table 2 The pollutants emissions of various modes of transport［11 －12］ g/(kW·h)

表2 2005年不同運(yùn)輸方式能源利用效率Table 1 Energy using efficiency of different modes of transportation in 2005 kCal/(t·km)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤的定義是:每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量為29270 kJ(用每千克7000 kCal的發(fā)熱量來計(jì)算，1 kCal=4180 J);即1 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱能為7002×1000 kCal。1 t煤按市場價(jià)180元計(jì)算。換算成統(tǒng)一單位，得到:

(4)安全成本。鐵路運(yùn)輸安全成本分為預(yù)防安全成本及貨運(yùn)事故責(zé)任賠償，其中在鐵道部發(fā)布的2001年至2005年統(tǒng)計(jì)公報(bào)中(見表3)，則鐵路貨運(yùn)安全成本為:

表3 2001一2005年貨運(yùn)收入及事故賠款綜合分析［13］Table 3 Comprehensive analysis for freight revenue and accident loss from 2001 to 2005 ［13］

2010年，全國共接報(bào)道路交通事故3906164起，同比上升 35.9%，直接財(cái)產(chǎn)損失 9.3 億［14］;2007年，飛行事故沒有造成資金損失，2010年民航安全保衛(wèi)系統(tǒng)投資1.3億元［15］;在2011年，水上交通事故發(fā)生引發(fā)了高達(dá)3.9億元直接經(jīng)濟(jì)損失，比上年增加了 20.4%［16］。

按上述事故發(fā)生率與損失估算，我國交通事故損失:航空為0.0005 元/(t·km);高速公路為0.0325 元/(t·km)［17］;水運(yùn)交通事故損失為0.0124 元/(t·km)。

通過中國鐵道部、中國交通運(yùn)輸部及民用航空局的官網(wǎng)統(tǒng)計(jì)公報(bào)資料查詢，得到該運(yùn)輸方式每月貨運(yùn)量，結(jié)合表2得到單位污染成本;各種運(yùn)輸方式的能源、污染及安全單位成本如表4所示。

表4 能源、污染及安全單位成本Table 4 Unit cost of Energy pollution and safety 元/(t·km)

為突出環(huán)境污染、能源及安全對多式聯(lián)運(yùn)協(xié)同組織的影響，區(qū)分不同因素對多式聯(lián)運(yùn)的影響程度，利用模糊綜合評價(jià)法確定各種成本權(quán)重系數(shù)，其中通過問卷調(diào)查法對各種運(yùn)輸方式不同因素影響程度進(jìn)行打分，假設(shè)各種運(yùn)輸方式之間沒有優(yōu)先等級差別，得到運(yùn)輸成本、污染成本、能源成本及安全成本的權(quán)重系數(shù)為:

2.2 運(yùn)輸數(shù)據(jù)

根據(jù)本文的研究內(nèi)容，為簡化計(jì)算，這里采用定量的貨物運(yùn)輸，設(shè)定貨物運(yùn)輸量Q為30 t，20 ft(1 ft=0.3048 m)集裝箱運(yùn)輸。假設(shè)懲罰時(shí)間T=150 h。

不同運(yùn)輸方式的運(yùn)輸時(shí)間差異很大，設(shè)鐵路貨物運(yùn)輸時(shí)速為80 km/h根據(jù)《鐵路貨物運(yùn)價(jià)率表》［18］計(jì)算各路段運(yùn)輸成本;公貨物運(yùn)輸時(shí)速為90 km/h，運(yùn)輸價(jià)格按照好運(yùn)物流網(wǎng)中的中國公路運(yùn)費(fèi)查詢;水路貨物運(yùn)輸時(shí)速為30 km/h;航空貨物運(yùn)輸時(shí)速為700 km/h，運(yùn)價(jià)按照中國運(yùn)費(fèi)網(wǎng)及空運(yùn)運(yùn)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，各路段上的運(yùn)輸時(shí)間如表5所示。

假定同種運(yùn)輸方式不發(fā)生轉(zhuǎn)運(yùn)，表6所示為在2個(gè)路段之間進(jìn)行不同運(yùn)輸方式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間。同種運(yùn)輸方式不需轉(zhuǎn)運(yùn)，每種運(yùn)輸方式的轉(zhuǎn)運(yùn)成本均為50元/次。

表5 各路段運(yùn)輸情況表Table 5 The road transport table

表6 各路段之間轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間Table 6 The road transport schedule h

將成本數(shù)據(jù)及運(yùn)輸數(shù)據(jù)代入模型運(yùn)用lingo軟件進(jìn)行線性規(guī)劃計(jì)算，可得到多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸方式協(xié)同優(yōu)化模型最優(yōu)解。

3 結(jié)果分析

在假設(shè)條件下得出計(jì)算結(jié)果為:

鐵路→水運(yùn)→水運(yùn)→水運(yùn)→鐵路。

圖3 多式聯(lián)運(yùn)算例結(jié)果網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network diagram of multimodal transport example results

在這種運(yùn)輸系統(tǒng)中，多式聯(lián)運(yùn)的社會(huì)總成本為3857.586元，為所有多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)中的多式聯(lián)運(yùn)社會(huì)總成本最小值。此時(shí)，總路段運(yùn)輸時(shí)間為120 h，轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間為1.5 h，即總運(yùn)輸時(shí)間為120 h+1.5 h=121.5 h＜T，未發(fā)生懲罰成本，如表7所示。

表7 模型結(jié)果分析Table 7 Results analysis of the model

此時(shí)為算例對運(yùn)輸耗費(fèi)、安全事故、能源消耗及環(huán)境污染綜合影響最小，符合多式聯(lián)運(yùn)綠色發(fā)展要求。

4 結(jié)論

(1)考慮運(yùn)輸耗費(fèi)、安全事故、能源消耗及環(huán)境污染四方面因素對多式聯(lián)運(yùn)影響，將其劃分為運(yùn)輸、安全、能源及污染成本，納入多式聯(lián)運(yùn)社會(huì)總成本中，并提供多式聯(lián)運(yùn)社會(huì)總成本的計(jì)算方法及運(yùn)輸方式選擇優(yōu)化模型，建模理論清晰，具有一定的數(shù)學(xué)合理性。

(2)一般而言，選擇鐵路運(yùn)輸及水路運(yùn)輸?shù)纳鐣?huì)總成本較低，對環(huán)境影響較小，在制定多式聯(lián)運(yùn)決策時(shí)，應(yīng)在同等情況下盡量選擇鐵路運(yùn)輸及水路運(yùn)輸方式。

(3)提供各種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸、能源、污染及安全單位成本，并運(yùn)用模糊評價(jià)法確定各種成本的權(quán)重系數(shù)，算例結(jié)果符合綠色發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)要求。

(4)需要說明的是:本文模型方面僅建立了運(yùn)輸方式選擇模型，可從以下幾方面進(jìn)一步深入研究:考慮不同路徑選擇情況，對時(shí)間嚴(yán)格約束，運(yùn)用精確度更高的智能算法計(jì)算求解，考慮東西部社會(huì)總成本差異。

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