基于道路網(wǎng)絡分析的省際糧食運輸成本研究

高守杰，郭光毅，代希波

（湖北大學 資源環(huán)境學院，湖北 武漢 430062）

0 引言

省際糧食運輸是指糧食實體在生產(chǎn)、收購和銷售過程中在國內(nèi)省級行政區(qū)域之間的轉(zhuǎn)運和流通，是研究我國糧食物流體系的重要環(huán)節(jié)，也是我國糧食流通市場化的重要保證。近年來，隨著我國跨省區(qū)糧食流通運量的增加，國內(nèi)糧食流通和進口糧食分流的道路運輸已成為影響我國糧食物流體系的主要因素[1]。目前，我國糧食運輸主要存在運輸散亂、方式落后、損耗較高等主要問題[2]。據(jù)調(diào)查，我國糧食從生產(chǎn)區(qū)到銷售區(qū)的物流費用占整個糧食銷售價格的30%～35%，而美國糧食物流成本大約只相當于我國的40%，由于運輸工具落后等問題導致我國糧食運輸年均損失800萬噸，這些都導致我國糧食物流成本居高不下[3]。糧食物流問題也引起學術(shù)界的高度重視，目前，有關(guān)糧食運輸研究主要集中在物流量估算、運輸方式轉(zhuǎn)變和主要運輸通道建設等方面，但從省際糧食綜合運輸費用出發(fā)，利用GIS（地理信息系統(tǒng)）的網(wǎng)絡分析功能求算省際糧食運輸費用和最優(yōu)路徑的研究方法還比較少見。梁書民、劉小和等，曾于2007年在《我國糧食綜合運輸費用與最優(yōu)物流路經(jīng)研究》中，以國內(nèi)11個城市為準建立了一套實驗數(shù)據(jù)。獲取省際糧食運輸路徑和成本數(shù)據(jù)，建立糧食運輸最優(yōu)路徑將對我國目前糧食物流體系建設提供重要參考。同時，運用GIS網(wǎng)絡分析技術(shù)解決糧食運輸?shù)缆愤x擇和成本計算問題，也將是今后糧食物流體系建設的主要研究方向之一[4]。

1 研究方法

1.1 運輸成本涉及因素

現(xiàn)代糧食物流體系包括鐵路、水路和公路三種主要交通方式，散糧運輸和包糧運輸是目前兩種主要糧食運輸方式。據(jù)2005年全國貨運量數(shù)據(jù)顯示，鐵路、公路和水路三種主要交通方式中，公路運輸所占比重在50%左右，鐵路和水路運輸分別占30%和10%左右，其中公路運輸則主要以短途運輸為主，中長途的省際糧食流通則主要依靠鐵路和水路兩種方式[5]。省際糧食運輸費用來源主要有包裝費、裝卸費、轉(zhuǎn)運費和噸公里運費等幾大類，其中包裝費、裝卸費、轉(zhuǎn)運費是基于糧食運量的運輸成本，噸公里運費可以看作是基于運距的運輸成本。

1.2 最優(yōu)網(wǎng)絡路徑計算方法

作為空間分析的一個重要方面，GIS網(wǎng)絡分析功能的主要目的是對地理網(wǎng)絡（如交通網(wǎng)絡）、城市基礎設施進行模型化和地理分析。其主要內(nèi)容是在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集基礎上，依據(jù)網(wǎng)絡拓撲關(guān)系（線狀地物之間、線狀地物與點狀地物之間、點狀地物與點狀地物之間的連結(jié)、連通關(guān)系），并借助空間、屬性數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡的性能特征進行多方面的分析和計算。在各種GIS網(wǎng)絡分析應用中，最基本最關(guān)鍵的問題還是最優(yōu)路徑問題。從網(wǎng)絡模型的角度看，最優(yōu)路徑求解就是在網(wǎng)絡中的兩結(jié)點間尋找一條阻礙強度最小的路徑，須按照結(jié)點的選擇順序訪問網(wǎng)絡中的所有結(jié)點[6]。網(wǎng)絡在數(shù)學和計算機領(lǐng)域中被抽象為圖，所以網(wǎng)絡的基礎就是圖的存儲表示，在GIS中的道路網(wǎng)絡在具有圖理論基本特征的同時也具有一些實際特點。關(guān)于最短路徑問題，目前為大家所公認的求解方法是由Dijkstra提出的標號法，即Dijkstra算法，算法的關(guān)鍵部分就是不斷地從目標點集中找出距離源點最短距離最小的點并加入到已知點集中，同時更新目標點集到源點的新的最短距離。這一過程是最短路徑算法的關(guān)鍵，并且與網(wǎng)絡的復雜程度有著重要的相關(guān)性[7]。

最短路徑不僅僅指一般以地理意義上的距離最短，還可以有時間最短、費用最低、路況最佳等測度。糧食道路運輸最優(yōu)路徑是具有多因素的復雜性問題，本文為了方便分析對比，是以最低成本和最短運距下的最優(yōu)路徑為目標的，簡化了實際物流中糧食道路運輸費用問題。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文是以全國鐵路、公路（國道、高速）和主要港口水運航線數(shù)據(jù)為道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集，在成本計算和路徑分析過程中為了簡化模型，將包裝費、裝卸費、轉(zhuǎn)運費綜合為轉(zhuǎn)運費單一費用，即三種交通方式轉(zhuǎn)換時每噸糧食轉(zhuǎn)運成本為50元?；谶\距的噸公里運費數(shù)據(jù)為：鐵路0.15元，公路20元，水路0.016元。

為使原始道路數(shù)據(jù)能實現(xiàn)最優(yōu)路徑網(wǎng)絡分析功能，須對路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行必要的處理和運算，主要步驟如下：（1）制作全國（除臺灣、香港外）32個省級行政區(qū)域省會城市和大連、青島、深圳、天津港四個港口城市的點狀矢量數(shù)據(jù)；（2）合并路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)，對鐵路、公路、水路航線矢量數(shù)據(jù)建立拓撲關(guān)系，確保三種交通方式在各站點或港口之間的連通性，并在兩種不同運輸方式的轉(zhuǎn)運站點添加帶有轉(zhuǎn)運費屬性的小線段作為轉(zhuǎn)運連接方式；（3）計算出路線長度，添加運費等屬性字段，并通過路線長度和噸公里運費相乘運算得出路線運費屬性字段；（4）在地理信息系統(tǒng)軟件Arcgis Catalog下，用路徑矢量數(shù)據(jù)制作具有拓撲關(guān)系的路徑網(wǎng)絡數(shù)據(jù)集Network Dataset[8-9]；（5）調(diào)用GIS軟件Arcgis Network Analyst模塊下的New OD Cost_Matrix工具，添加路網(wǎng)數(shù)據(jù)集，并以城市點狀數(shù)據(jù)為起始站點和終止站點，以運費為阻抗，生成兩兩城市間運費最低的成本OD矩陣圖；（6）將最低成本OD矩陣圖導出為矢量數(shù)據(jù)，用工具箱中的Feature Vertices To Points工具，通過選擇Point Type將其分別生成為Origin點和Destination點；（7）調(diào)用Network Analyst下New Route工具，分別添加上一步生成的Origin和Destination點，仍以運費為首要阻抗，生成最低成本下兩兩城市間的最優(yōu)路徑圖；（8）導出最低成本OD矩陣的屬性數(shù)據(jù)，獲取最低成本矩陣表；（9）將首要阻抗參數(shù)設置為運距，重復步驟5到步驟8，則可以生成最短運距下兩兩城市間的最優(yōu)路徑圖和最短路徑矩陣表。

2.2 省際糧食運輸路徑分析

最低成本條件下各省會城市間運輸方式包含單一水路運輸、單一鐵路運輸、水路——鐵路一次轉(zhuǎn)運混合運輸、鐵路——水路——鐵路兩次轉(zhuǎn)運混合運輸?shù)榷喾N方式。最短運距下各省會城市間運輸方式主要為鐵路運輸（為了方便數(shù)據(jù)對比，在計算最短運距運輸路徑時排除公路數(shù)據(jù)），僅在個別沿海港口城市間航線距離較短時才會選擇水運航線，如上海—?？诙巍⒑？凇Ｖ荻蔚取Ｗ畹统杀竞妥疃搪窂絻煞N運輸路徑下的運費和運距在與港口城市或水運相關(guān)的運輸路段具有比較明顯的差異，而在以鐵路為主要運輸方式的內(nèi)陸城市運輸路段則比較一致。自2006年青藏鐵路建成通車，我國鐵路已實現(xiàn)全國省會城市全覆蓋，在省際運輸下的最低成本路徑已經(jīng)主要涵蓋水運和鐵路運輸兩種方式，公路運輸則主要集中于省內(nèi)或短距運輸，用于補充和完善鐵路、水運不能覆蓋的地區(qū)。

根據(jù)最低成本條件下全國省際糧食運輸路徑數(shù)據(jù)，將所有省會城市兩兩之間運輸路徑進行疊加，可以得到省際糧食運輸路線頻次圖（圖1）和運輸路線頻次比重（表1）。從表1中可以看出最低成本下省際糧食運輸路線頻次在1～15之間所占比重最大，達到46.02%，路線頻次最高段為青島—上海區(qū)間段，運輸頻次高達185。從圖1中可以看出，我國省際糧食運輸呈現(xiàn)出以東北地區(qū)經(jīng)大連港口外運通道，黃淮海地區(qū)經(jīng)青島、天津港口外運通道，西北內(nèi)陸經(jīng)西安、蘭州轉(zhuǎn)運通道，華南地區(qū)經(jīng)福州、深圳、澳門等港口流入通道和長江中下游地區(qū)沿江轉(zhuǎn)運通道等為主的五大區(qū)域運輸格局。依據(jù)以上運輸格局合理建設和分配運輸資源對解決我國糧食物流運力不足等問題具有重要意義。

圖1 最低成本下省際糧食運輸路徑所經(jīng)路線頻次分布圖

表1 最低成本下省際糧食運輸所經(jīng)路線頻次比重表

2.3 省際糧食運輸成本分析

從全國部分城市糧食運輸最低成本和最短路徑下的運費/運距數(shù)據(jù)（表2、表3）中可以看出：最低成本和最短路徑下最高運費均為哈爾濱—拉薩段，運費為770元/噸，總里程5 133km，經(jīng)鐵路一次性運輸。最低成本和最短路徑下最小運距均為北京—天津段，運距132km，運費20元/噸。最低成本下最大運距為?？凇_段的6 680km，運費647元/噸，運輸路徑從?？谟伤\至武漢，在武漢經(jīng)鐵路轉(zhuǎn)運至拉薩，其中水運航距3 025km，鐵路運距3 655km；而在最短路徑下此運段運距為5 077km，運費762元/噸，由鐵路經(jīng)貴陽、成都、蘭州沿線一次性運輸，同最低成本路徑相比運距縮短了1 603km，運費增加了115元/噸。最低成本下最低運費為上海—南京段，運費6元/噸，經(jīng)水運一次性運輸，航程350km；而在最短運距下，此段運距為302km，經(jīng)鐵路一次性運輸，運費45元/噸，同最低成本路徑相比運距縮短了48km，運費增加39元/噸。

在最低成本和最短路徑下運費差距最大的為哈爾濱—?？诙?。最短運距下運輸路徑為鐵路運輸，經(jīng)沈陽、天津、石家莊、武漢、長沙一線，全程3 946km，運費592元/噸；最低成本下運輸路徑由鐵路運輸至大連，經(jīng)大連港口轉(zhuǎn)水運至?？?，全程運距4 038km，運費242元/噸。從運費和運距比較來看，哈爾濱—?？诙渭Z食運輸選擇最低成本下運輸路線更為適宜，同最短運距運輸路徑相比運距增加約92km，但運費減少了350元/噸，減少幅度較大，對控制道路運輸費用成本具有明顯的效果。最低成本和最短路徑下運距相差最大的為太原—重慶段。最低成本下運輸路徑由鐵路運至天津，經(jīng)天津港口轉(zhuǎn)水運至重慶，全程運距4 282km，運費204元/噸；最短運距下運輸路徑為鐵路一次性運輸，經(jīng)西安運至重慶，全程1 410km，運費212元/噸。從運費和運距比較來看，太原—重慶段糧食運輸選擇最短運距下運輸路線更為適宜，同最低成本運輸路徑相比運費增加約8元/噸，但運距縮短了2 872km，且不需要轉(zhuǎn)運等過程，極大地減少了時間成本和運輸資源占用。

綜合以上分析可以看出：最低成本運輸路徑主要利用鐵路和水運兩種交通方式，國道、高速公路等公路運輸方式因成本較高而未被利用；近海和沿江港口城市均涉及水運，如重慶、武漢、南京、上海、福州、?？?、天津等，這些港口城市之間多為單一水運；內(nèi)陸城市間主要依靠鐵路運輸，如烏魯木齊—北京段、成都—拉薩段等；港口城市同內(nèi)陸城市間則大多會經(jīng)過兩種運輸方式轉(zhuǎn)換運輸，如海口—哈爾濱段需經(jīng)大連港口轉(zhuǎn)運一次，北京—上海段需經(jīng)天津港口轉(zhuǎn)運一次；部分非港口城市間還涉及兩次轉(zhuǎn)運，如哈爾濱—廣州段，需先經(jīng)大連港由鐵路轉(zhuǎn)水運后，再經(jīng)深圳港由水運轉(zhuǎn)鐵路兩次轉(zhuǎn)運運輸。由于三種運輸方式間運輸成本差異較大，鐵路成本相當于水運成本的9倍，而公路成本則相當于鐵路成本的130倍，所以在最低成本下的最優(yōu)路徑選擇上第一優(yōu)先權(quán)為水運，在水運運距較大，或者水運不能直接到達，需轉(zhuǎn)運且包含轉(zhuǎn)運費后總運費超過直達鐵路運費時，最低成本路徑才會選擇鐵路運輸；同樣，只有在鐵路運距較大，或者鐵路不能直接到達，需轉(zhuǎn)運且包含轉(zhuǎn)運費后總運費超過公路直達運費的情況下，最低運費路徑才選擇公路運輸。故此，在所得結(jié)果中會出現(xiàn)兩地實際鐵路距離較近，但最優(yōu)路徑卻選擇運距較遠的水運或水路鐵路轉(zhuǎn)運的運輸方式，例如太原—重慶段、廣州—重慶段等。

表2 最低成本條件下各省會城市間運費/運距表運費（元/噸）/運距（千米）

3 結(jié)論與討論

（1）我國省際糧食運輸呈現(xiàn)出以東北地區(qū)經(jīng)大連港口外運通道，黃淮海地區(qū)經(jīng)青島、天津港口外運通道，西北內(nèi)陸經(jīng)西安轉(zhuǎn)運通道，華南地區(qū)經(jīng)福州、深圳、澳門等港口流入通道和長江中下游地區(qū)沿江轉(zhuǎn)運通道等為主的五大運輸區(qū)域格局，根據(jù)此格局可以為合理建設和分配糧食運輸資源提供參考。

（2）水路和鐵路運輸憑其成本較低的優(yōu)勢在省際糧食運輸中占據(jù)主要地位，公路運輸在總體道路運輸體系中所占比重較大，但主要集中于省內(nèi)或短途運輸。省際糧食運輸應根據(jù)在運費成本和時間成本上的不同要求，選擇合理的運輸方式。提高低成本的水路運輸在省際糧食運輸中的比重將成為降低運輸成本的重要方向，內(nèi)河航運和深水港口建設將是今后糧食物流體系建設關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

（3）我國省際糧食運輸轉(zhuǎn)運、裝卸和包裝費用一直較高，在一定程度上制約了多方式聯(lián)運的應用和發(fā)展，建設現(xiàn)代化的散糧運輸設施，發(fā)展集裝箱運輸，順暢多運輸方式間無障礙對接，實現(xiàn)多種運輸方式間的低成本轉(zhuǎn)運和多方式聯(lián)運應該是我國物流體系建設的重要方向。

表3 最短運距條件下各省會城市間運費/運距表運費（元/噸）/運距（千米）

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