基于遞階優(yōu)化算法的高鐵周轉(zhuǎn)箱標(biāo)準(zhǔn)研究

邸 斌，潘 馳，郭志達(dá)

(大連交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

托盤作為一種基本的集裝容器，裝載著各類貨物在生產(chǎn)企業(yè)、流通企業(yè)、物流企業(yè)以及最終用戶之間流轉(zhuǎn).這種流動(dòng)性特征要求托盤標(biāo)準(zhǔn)(尺寸規(guī)格)與輸送線路、包裝容器、裝卸搬運(yùn)工具、儲(chǔ)存設(shè)施、集裝箱以及各種交通運(yùn)輸工具等眾多設(shè)備設(shè)施有適當(dāng)?shù)某叽缙ヅ潢P(guān)系.鑒于此，托盤標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)作為流通領(lǐng)域的基礎(chǔ)性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，與之相關(guān)的制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)以及包裝業(yè)等產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系須參照托盤標(biāo)準(zhǔn)做出相應(yīng)調(diào)整，以確保物資在以托盤作為基本的裝載單元時(shí)，能夠在產(chǎn)供銷循環(huán)體系中無(wú)障礙流通.進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低物流成本、提高物流效率、改善物流服務(wù)質(zhì)量的目的.

1 國(guó)內(nèi)外托盤標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)際托盤標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀分析

本文主要選擇世界貿(mào)易進(jìn)出口總值前10位的國(guó)家作為研究對(duì)象，分析托盤標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀.這些國(guó)家分別是美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)、日本、法國(guó)、英國(guó)、荷蘭、意大利、加拿大、比利時(shí).美國(guó)采用英制標(biāo)準(zhǔn)托盤，尺寸為1 219 mm×1 016 mm，周邊國(guó)家加拿大為1 200 mm×1 000 mm，;歐盟以1 200 mm×800mm的托盤為標(biāo)準(zhǔn)，但是英國(guó)、德國(guó)及荷蘭有1200 mm×800 mm及1200 mm×1000 mm兩種托盤存在.日韓地區(qū)所制定的托盤標(biāo)準(zhǔn)是1 100 mm× 1 100 mm［1］.

1.2 國(guó)內(nèi)托盤標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀分析

我國(guó)目前尚未統(tǒng)一的托盤標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)自身產(chǎn)品的包裝設(shè)計(jì)定制托盤，由于各企業(yè)產(chǎn)品包裝尺寸差異較大，導(dǎo)致流通領(lǐng)域中托盤規(guī)格混亂，難以統(tǒng)一.同時(shí)，我國(guó)并未出臺(tái)統(tǒng)一的托盤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，只有各部委依照下屬產(chǎn)業(yè)情況擬定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如機(jī)械工業(yè)系統(tǒng)使用JB3003-81規(guī)定的800 mm×1 000 mm和500 mm×800 mm兩種規(guī)格的托盤;交通部科研院提出了將《聯(lián)運(yùn)通用平托盤主要尺寸及公差》(ISO6780:1988)作為托盤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);原國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局以GB/T2934-1996標(biāo)準(zhǔn)系列文號(hào)批準(zhǔn)并發(fā)布了以下等效標(biāo)準(zhǔn)，其中包括了1 200 mm×1 000 mm、1 200 mm×800mm、1 140 mm ×1 140 mm 及 1 219 mm ×1016mm 等4個(gè)主要托盤規(guī)格［1］.

2 高鐵快運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)化周轉(zhuǎn)箱(箱式托盤)設(shè)計(jì)

2.1 高鐵快運(yùn)簡(jiǎn)介

高速鐵路簡(jiǎn)稱“高鐵”，是指通過(guò)改造原有初始線路，使最高營(yíng)運(yùn)速率達(dá)到不小于200 km/h，或者專門修建新的“高速新線”，使?fàn)I運(yùn)速率達(dá)到至少250 km/h的鐵路系統(tǒng).2014年4月1日起，中鐵快運(yùn)公司將在全國(guó)20個(gè)城市開辦高鐵快遞業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)種類包括當(dāng)日達(dá)、次日達(dá)和次晨達(dá)［2］.理論上，高鐵是快件運(yùn)輸理想的途徑之一:高鐵運(yùn)送快件不受交通堵塞、航空管制等因素影響，除極端天氣外，高鐵快遞準(zhǔn)時(shí)到達(dá)率非常高、時(shí)效性強(qiáng)且具有成本優(yōu)勢(shì)，因而具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力.我國(guó)高鐵使用的動(dòng)車組列車車型主要有:CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6［3］.本文主要研究適用于CRH1，CRH2，CRH5系列的托盤標(biāo)準(zhǔn)，這三種列車類型的使用數(shù)量較多，分別為115、80、136列;分布廣泛，覆蓋面涉及東西，南北各專線.

2.2 高鐵快運(yùn)周轉(zhuǎn)箱(箱式托盤)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

周轉(zhuǎn)箱也被稱為物流箱，是在托盤基本型式基礎(chǔ)之上開發(fā)出來(lái)的特種集裝容器.周轉(zhuǎn)箱的使用有利于物流的標(biāo)準(zhǔn)化管理，提高工作效率和降低成本［4］.由于周轉(zhuǎn)箱具有完整的側(cè)壁與端壁，甚至有帶有鎖閉裝置的頂蓋，對(duì)于內(nèi)裝物的保護(hù)作用更強(qiáng)，因此在成件物品的流通領(lǐng)域較普通托盤具有更大發(fā)展空間.

目前在鐵路貨物運(yùn)輸中主要使用平托盤，經(jīng)由箱內(nèi)裝載率的計(jì)算，可得出最適合鐵路車輛載運(yùn)的托盤尺寸標(biāo)準(zhǔn)為1 200 mm×1 000 mm或1200 mm×800 mm.利用組合分割和整數(shù)分割相結(jié)合的方法可知周轉(zhuǎn)箱的底面尺寸600 mm×400mm 、600 mm ×500 mm 較為合理［5］，載盤效率的高低是選用周轉(zhuǎn)箱的關(guān)鍵指標(biāo)，從運(yùn)載工具載盤效率角度來(lái)考慮高鐵周轉(zhuǎn)箱標(biāo)準(zhǔn)的選擇，是一種科學(xué)合理的方法.

表1 常見(jiàn)高鐵車型對(duì)二種周轉(zhuǎn)箱標(biāo)準(zhǔn)的載盤效率

由表1可知:對(duì)于三種不同的高鐵車型來(lái)說(shuō)，使用600 mm×400 mm周轉(zhuǎn)箱載運(yùn)，載盤效率最高，均在93%以上.由載盤效率分析可以看出600mm×400 mm為最優(yōu)周轉(zhuǎn)箱的底面標(biāo)準(zhǔn)尺寸.

高鐵快運(yùn)的周轉(zhuǎn)箱標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該適應(yīng)未來(lái)的托盤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，基于對(duì)600 mm×400 mm標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)的考慮，可與鐵路托盤標(biāo)準(zhǔn)相配合，便于實(shí)現(xiàn)高鐵與普通鐵路的無(wú)縫銜接.考慮到高鐵快運(yùn)貨物種類繁多，尺寸規(guī)格差異性較大等因素，為實(shí)現(xiàn)快速裝卸、車廂內(nèi)周轉(zhuǎn)箱多層堆碼以及物聯(lián)網(wǎng)鋪設(shè)成本優(yōu)化、及與鐵路標(biāo)準(zhǔn)化托盤配套使用，推薦使用塑料周轉(zhuǎn)箱［6］.

3 高鐵周轉(zhuǎn)箱(箱式托盤)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

3.1 遞階優(yōu)化算法描述

高鐵優(yōu)化裝車的目標(biāo)是有效地利用高鐵的裝載容積，在高鐵容積和箱式周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng)寬高尺寸一定的情況下，實(shí)現(xiàn)在高鐵車廂內(nèi)部達(dá)到裝載效率最優(yōu).周轉(zhuǎn)箱的尺寸應(yīng)盡可能符合可交換、可重復(fù)使用的主流周轉(zhuǎn)箱尺寸，同時(shí)高鐵對(duì)集裝單元尺寸的要求是集裝單元的長(zhǎng)寬高總和不得超過(guò)1600 mm.國(guó)內(nèi)流通的以600 mm×400 mm為底面尺寸的主流周轉(zhuǎn)箱主要有600 mm×400 mm×240mm、600 mm×400 mm×280 mm及600 mm×400 mm×335 mm三種尺寸的周轉(zhuǎn)箱，以上三種周轉(zhuǎn)箱都是以物料標(biāo)準(zhǔn)尺寸模數(shù)為基數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)又達(dá)到了周轉(zhuǎn)箱的大小與托盤適配的原則.因此本節(jié)將選用這三種國(guó)內(nèi)主流的周轉(zhuǎn)箱來(lái)利用遞階優(yōu)化算法進(jìn)行論證，擇優(yōu).

設(shè)

可以設(shè) lij和rij的下標(biāo)，當(dāng)下標(biāo)i=1，2，3時(shí)，1，2，3分別表示高鐵車廂的長(zhǎng)、寬、高，用字母表示為X，Y，Z，而當(dāng)下標(biāo)j=1，2，3時(shí)，1，2，3分別表示周轉(zhuǎn)箱的長(zhǎng)、寬、高，用字母表示為 a，b，c，“［］”可以定義為取整數(shù)部分，“%”可以定義為取余數(shù)部分.通過(guò)以上的分析:lij可以表示為周轉(zhuǎn)箱的最多箱數(shù)，擺放方向是沿著高鐵車廂i方向擺放周轉(zhuǎn)箱j邊，rij表示的含義則是擺放周轉(zhuǎn)箱后剩余的長(zhǎng)度，擺放方向是沿著高鐵車廂i方向擺放周轉(zhuǎn)箱j邊的最多箱數(shù)lij后，最后在高鐵車廂i方向的剩余長(zhǎng)度［7］.

在遞階優(yōu)化算法中的最終目的是要讓車廂的剩余空間最少，要找出高鐵車廂邊上最小的rij，只有當(dāng)高鐵車廂達(dá)到剩余空間最少時(shí)就越接近最優(yōu)解.算法的具體步驟如下:

(1)如果周轉(zhuǎn)箱的三條邊a，b，c在高鐵車廂的三條邊X，Y，Z中的至少一條無(wú)法擺放時(shí)，此時(shí)，就停止計(jì)算，否則，按照以下步驟繼續(xù)計(jì)算.

(2)取 min{riji，j∈［1，2，3］}，假設(shè) r11為長(zhǎng)度中最小的值，r11代表的是高鐵車廂的剩余長(zhǎng)度，擺放方向是在高鐵車廂的長(zhǎng)X方向上擺放l11個(gè)周轉(zhuǎn)箱邊a后的剩余長(zhǎng)度.根據(jù)lij的定義可知，定有r11＜a，且有r11=X-a×l11.若在矩陣R中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的rij為最小者時(shí)，則優(yōu)先選取rij對(duì)應(yīng)高鐵車廂的邊最短的擺放.

(3)取 min{riji，j∈［2，3］}，假設(shè) r22為剩余長(zhǎng)度中最小的，r22代表的是高鐵車廂的剩余長(zhǎng)度，擺放方向是在高鐵車廂的寬Y方向上擺放l22個(gè)周轉(zhuǎn)箱邊b后的剩余長(zhǎng)度.根據(jù)定義可知定有r22＜b和r22=Y-b×l22.若在矩陣R中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的rij為最小者時(shí)，則優(yōu)先選取對(duì)應(yīng)高鐵車廂邊中最短的擺放.

(4)取 min{riji，j∈［3］}，按上述步驟當(dāng) r22為剩余長(zhǎng)度中最小時(shí)，即再在矩陣R中再劃掉第2行和第2列，此時(shí)剩下的只有r33唯一元素.r33代表的是在高鐵車廂的剩余長(zhǎng)度，擺放方向是在高鐵車廂的高Z邊上擺放l33個(gè)周轉(zhuǎn)箱c邊后的剩余長(zhǎng)度，根據(jù)定義可知定有r33＜c和r33=Z-c×l33.綜上所述，在高鐵車廂中已擺放完成的周轉(zhuǎn)箱數(shù)為l11×l22×l33.

(5)進(jìn)行切割高鐵車廂中剩余的未擺放空間，返回第1步開始繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，最后優(yōu)化到無(wú)法再裝入任何周轉(zhuǎn)箱為止，此時(shí)，把幾次的裝箱數(shù)進(jìn)行累加，最后累加的結(jié)果即為最優(yōu)裝箱數(shù)［8］.

3.2 實(shí)例論證

例1:已知高鐵CRH5車型的中間車廂的長(zhǎng)寬高 (x，y，z)分別為 25 000 mm ×3 200 mm ×3730 mm，周轉(zhuǎn)箱的長(zhǎng)寬高 (a，b，c)尺寸為600mm×400 mm×335 mm，車內(nèi)空間利用率100%時(shí)不超重，現(xiàn)利用以上介紹的遞階優(yōu)化算法計(jì)算:

第一次優(yōu)化:計(jì)算 lij和rij(i，j=1，2，3)

取R中的最小元素r22=0，相應(yīng)的邊y擺放b邊，l12=8，然后劃去第二行第二列，在剩余的元素中最小者為r33=45，相應(yīng)的邊z擺放c邊，l33=11，剩余的元素中只有r11=400，故在邊x擺放a邊，l11=41.

第一次優(yōu)化裝車數(shù)n1=41×8×11=3 608.

剩下的高鐵車箱容積尚有3部分:其中只有一部分的余量x=400，y=3 200，z=3 730滿足優(yōu)化條件，故進(jìn)行二次優(yōu)化.

第二次優(yōu)化:計(jì)算 lij和rij(i，j=1，2，3)

由于R中r12=r22=0均為最小元素，但r12相應(yīng)的車廂邊x=400最短，故取x邊擺放b邊，r12=0，l12=1.然后劃去第一行第二列，在剩余的元素中最小者為r33=45，相應(yīng)的邊z擺放c邊，l33=11，剩余的元素中只有r21=200，故在邊y擺放a邊，l21=5.

第二次優(yōu)化裝車數(shù)n2=1×5×11=55.

在余下的容積因三邊均不能擺放，故停止計(jì)算.

n=n1+n2=3 608+55=3 663(箱)，高鐵容積有效利用率達(dá)98.69%.如果周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng)寬高(a，b，c)分別是600 mm ×400 mm ×280 mm，則 n=4 272.高鐵容積有效利用率達(dá)96.21%.當(dāng)周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng)寬高(a，b，c)分別是600 mm×400 mm×240 mm，則n=4992，高鐵容積有效利用率達(dá)96.36% .

例2:已知高鐵CRH2車型的中間車廂的長(zhǎng)寬高 (x，y，z)分別為 25 000 mm ×3 380 mm ×3700 mm，周轉(zhuǎn)箱的長(zhǎng)寬高 (a，b，c)尺寸為600mm×400 mm×335 mm，經(jīng)過(guò)遞階優(yōu)化算法得n=3663，高鐵容積有效利用率為94.2%.如果周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng)寬高(a，b，c)分別為600 mm×400 mm×280 mm，則n=4464，高鐵容積有效利用率達(dá)95.95%.當(dāng)周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng)寬高(a，b，c)分別是 600mm×400 mm×240 mm，則n=4992，高鐵容積有效利用率達(dá)95.95%.

例3:已知高鐵CRH1車型的中間車廂的長(zhǎng)寬高 (x，y，z)分別為 26 600 mm ×3 328 mm ×4040 mm，周轉(zhuǎn)箱的長(zhǎng)寬高 (a，b，c)尺寸為600mm×400 mm×335 mm，經(jīng)過(guò)遞階優(yōu)化算法得n=4 224，高鐵容積有效利用率為94.96%.如果周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng)寬高(a，b，c)分別為600 mm×400 mm×280 mm，則n=4 750，高鐵容積有效利用率達(dá)89.25%.當(dāng)周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng) 寬 高 (a，b，c)分別是600mm×400 mm×240 mm，則n=5 720，高鐵容積有效利用率達(dá)92.12%.

表2 高鐵車型最優(yōu)托盤選取比較分析 mm×mm×mm

由表2可知，最適合高鐵快運(yùn)的箱式托盤尺寸是600 mm×400 mm×335 mm，其載箱個(gè)數(shù)和載箱效率都達(dá)到了最優(yōu)，載箱個(gè)數(shù)較少，可以節(jié)省時(shí)間，減少物流成本，節(jié)省了人力和物力，同時(shí)其載箱效率也相對(duì)較高，都在94%以上，最大化的利用了高鐵的車廂空間，減少了不必要的浪費(fèi).

4 結(jié)論

本文利用遞階優(yōu)化算法，并結(jié)合高鐵車型的實(shí)際尺寸，推薦了一個(gè)最優(yōu)化的周轉(zhuǎn)箱，對(duì)于高鐵快運(yùn)的3種車型達(dá)到了利用效率最高，作業(yè)次數(shù)最少，適合人工搬運(yùn)，減少物流成本的目標(biāo).高鐵的車門尺寸限制了集裝單元尺寸的制定，還有待高鐵進(jìn)行實(shí)踐的操作，來(lái)論證此周轉(zhuǎn)箱標(biāo)準(zhǔn)化的合理性，對(duì)于2014年高鐵快運(yùn)的實(shí)施，周轉(zhuǎn)箱標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)定對(duì)將來(lái)高鐵快運(yùn)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用，有利于其實(shí)現(xiàn)規(guī)?；僮?

目前，高速鐵路的快速發(fā)展對(duì)中國(guó)鐵路的影響全面而深刻，中國(guó)鐵路貨物運(yùn)輸迎來(lái)歷史性發(fā)展的黃金機(jī)遇.現(xiàn)今高鐵主要還是以旅客運(yùn)輸為主，在車廂進(jìn)行小范圍的貨物運(yùn)輸，運(yùn)輸區(qū)域分散，不規(guī)則.高鐵整車運(yùn)輸現(xiàn)已有在小范圍路段運(yùn)行，高鐵整車運(yùn)輸是可行而且必要的，是改變高速鐵路發(fā)展模式、提高運(yùn)輸效率、提升服務(wù)質(zhì)量、促進(jìn)鐵路物流現(xiàn)代化發(fā)展的一種重要思路.

［1］王祖錦.物流單元化管理及專業(yè)單元化器具系列連載之一 物流單元化管理的基本思想［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2006(4):96-98.

［2］王祖錦.物流單元化管理及專業(yè)單元化器具系列連載之二 單元化物流容器［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2006(5):102-105.

［3］王祖錦，陸偉偉.物流單元化管理及專業(yè)單元化器具系列連載之三 托盤應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2006(6):99-103.

［4］物流周轉(zhuǎn)箱的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用——訪廣州大庫(kù)工業(yè)設(shè)備有限公司董事長(zhǎng)胡曉華［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用，2011(2):74-76.

［5］高柏.高鐵與中國(guó)21世紀(jì)大戰(zhàn)略［M］.北京:社會(huì)科學(xué)出版社，2012.

［6］王祖錦，萬(wàn)良程.物流單元化管理及專業(yè)單元化器具系列連載之四貨架系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.物流技術(shù)與應(yīng)用.2006(7):108-112.

［7］中國(guó)高鐵、動(dòng)車車型.搜狐新聞 Http://news.sohu.com/s2012/gaotiechexing/［EB/OL］.2012-01-01.

［8］張鈺梅，張才春，李海鷹，等.利用高速動(dòng)車組列車開展快捷貨運(yùn)的探討［J］.鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2013(11):64-70.

［9］武麗麗.塑料周轉(zhuǎn)箱結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(1):102-106.

［10］宮佩珊.集裝箱遞階優(yōu)化裝箱方法［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)，1997，12(4):90-92.

［11］邢文訓(xùn)，謝金星.現(xiàn)代優(yōu)化計(jì)算方法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.