綜合運輸體系下的貨運方式分擔率

項 昀 王 煒 王 昊 李 燁 鄭敦勇 劉 兵

(1東南大學城市智能交通江蘇省重點實驗室，南京 210096)(2南昌航空大學土木建筑學院，南昌 330063)(3湖南科技大學地理空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，湘潭 411201)

綜合運輸體系下的貨運方式分擔率

項 昀1，2王 煒1王 昊1李 燁1鄭敦勇3劉 兵1

(1東南大學城市智能交通江蘇省重點實驗室，南京 210096)
(2南昌航空大學土木建筑學院，南昌 330063)
(3湖南科技大學地理空間信息技術國家地方聯合工程實驗室，湘潭 411201)

摘 要:為優(yōu)化貨運交通結構并合理配置貨運交通資源，研究了綜合運輸體系下基于運距的貨運方式分擔率.通過對國內城市間不同貨運量與運距的集計數據進行統(tǒng)計分析，確定貨運量與運距的函數關系式.隨后，構建貨運方式分擔率-運距模型，并獲取貨運方式分擔率-運距曲線.研究結果表明，各貨運方式分擔率隨運距變化呈現出特定的分布規(guī)律.公路貨運分擔率-運距曲線呈單調遞減趨勢，在50～500 km運距范圍內的分擔率超過40%;鐵路貨運分擔率-運距曲線呈先增后減趨勢，拐點出現在600～700 km之間;水路貨運分擔率-運距曲線呈單調遞增趨勢;航空貨運分擔率-運距曲線在150～700 km運距范圍內呈緩慢遞增趨勢，700～1 900 km運距范圍內快速遞增，運距超過1 900 km后趨于平緩.

關鍵詞:貨運方式;分擔率;運距;綜合運輸體系;集計數據

面對我國貨物運輸需求持續(xù)快速增長的態(tài)勢，優(yōu)化交通運輸結構，構建公、鐵、水、航、管道協(xié)調發(fā)展、高效運作的多方式貨運交通體系已成為我國重要的交通發(fā)展戰(zhàn)略［1-2］.貨運分擔率，即各交通方式所承擔的貨物運輸比例，是優(yōu)化貨運交通結構及合理配置貨運交通資源的重要依據.

目前，貨運方式分擔率模型主要包括以下3類:①運輸成本最小化模型.文獻［3-5］量化或細化貨物運輸費用，以成本最小為目標建模，確定不同交通方式所承擔的貨運量.②基于效用理論的非集計模型.文獻［6-8］通過分析不同運輸方式的影響因素，構建效用函數，建立Logit模型以確定較優(yōu)的貨運方式.③基于決策論的目標優(yōu)化模型.文獻［9-11］通過建立多目標決策模型或目標規(guī)劃模型，以確定貨運方式分擔率.這些模型的缺點在于定量研究不足且系統(tǒng)性與普適性較差，未進行參數標定，或僅采用某一特定運輸通道的數據進行標定.鑒于此，本文在采集與分析了大量區(qū)域宏觀貨運數據的基礎上，構建了貨運分擔率-運距模型并進行模型標定，獲取貨運方式分擔率-運距曲線.

1 模型構建

研究內容包括公路、鐵路、水路和航空四大貨物運輸方式.

每種貨運方式各自的特性集中體現在分擔率隨運輸距離變化的分布規(guī)律上.因此，本文在統(tǒng)計分析城市間各貨運方式運距、運量數據的基礎上，構建了各貨運方式分擔率-運距模型.具體步驟如下:

①收集并統(tǒng)計某區(qū)域范圍內各城市間不同貨運方式的貨運量和運距數據，從而獲取不同運距所對應的分方式貨運量數據，即數據集{(xabi，vabi)}.其中，xabi，vabi分別表示城市a至城市b第i種貨運方式的運輸距離和承擔的貨運量，a=1，2，…，n;b=1，2，…，n;i=1，2，3，4，且i=1 表示公路貨運，i=2表示鐵路貨運，i=3表示水路貨運，i=4表示航空貨運.

②將分方式的貨運量、運距數據進行擬合，分別建立該區(qū)域范圍內各貨運方式的貨運量-運距函數關系式gi(x)，其中x為運輸距離.

③建立各貨運方式的分擔率-運距模型，即

式中，fi(x)為第i種貨運方式的分擔率.

2 模型標定

2.1 數據的采集與分析

以2008年全國貨物運輸數據為基礎，對貨運方式分擔率-運距模型進行標定.2008年，我國貨運總量為 2.587×1010t，貨運周轉量為 1.103×1012t·km.其中，公路、鐵路、水運、航空、管道貨運量分別占貨運總量的74.122%，12.775%，11.389%，0.016%，1.698%;貨運周轉量分別占貨運周轉總量的29.799%，22.762%，45.569%，0.108%，1.762%.

采集了不同城市間公路、鐵路、水路、航空貨運量-運距數據集{(xabi，vabi)}，分別為 811，907，240，240個.數據包含了貨物運輸的起訖點和貨運量.

2.2 貨運量-運距函數關系式

2.2.1 數據統(tǒng)計及預處理

對所采集的貨運量-運距數據進行分方式、分運距歸類.考慮到我國各區(qū)域貨運方式發(fā)展水平不均衡，對數據進行預處理以減少統(tǒng)計誤差.具體步驟如下:

① 分方式.將貨運量-運距數據集{(xabi，vabi)}中的數據按照公路、鐵路、水運、航空4種貨運方式進行分類，分別獲得4個數據集{(xab1，vab1)}，{(xab2，vab2)}，{(xab3，vab3)}，{(xab4，vab4)}.

②排序.分別將4個數據集的數據按照其運輸距離的數值從小到大進行排序.

③聚類.按照每一聚類中任意2個元素運輸距離的差值不超過10 km的原則，分別將數據集的數據進行聚類.

④合并.分別對每個聚類中全部元素進行合并，對全部元素的運輸距離求平均值，對貨運量求和，獲取代表該聚類類別的關鍵運量-運距數據集.經合并后，公路、鐵路、水運、航空的運量-運距數據集分別為 111，93，66，109 個.

由于所收集的2008年貨運量-運距數據主要集中在50～3 000 km運距范圍內，故在數據預處理時只保留該區(qū)間以內的數據.

2.2.2 數據擬合

采用Matlab軟件對關鍵運量-運距數據集進行擬合分析，經過比選后，在50～3 000 km范圍內，公路貨運量-運距函數關系式為

鐵路貨運量-運距函數關系式為

水路貨運量-運距函數關系式為

航空貨運量-運距函數關系式為

各貨運方式貨運量-運距擬合曲線如圖1所示.

2.3 貨運方式分擔率-運距模型

將式(2)～(5)代入式(1)，可獲取50～3 000 km運距范圍內貨運方式分擔率-運距模型，適用于該運距范圍內公路、鐵路、水路、航空四大貨運方式分擔率的計算.鑒于此模型為分段模型，繪制曲線時較為復雜，故在工程應用時，可對其進行簡化，并獲取相應的分擔率-運距曲線.

首先，根據貨運量-運距函數關系式分別計算x=50，60，…，3 000 km 時的公路、鐵路、水運、航空的貨運量;然后，將不同運距下各貨運方式貨運量除以總貨運量，獲得各貨運方式分擔率，從而得出貨運方式分擔率-運距散點圖.經擬合后便可獲取簡化后第i種貨運方式分擔率-運距模型.

公路貨運分擔率-運距簡化模型為

圖1 貨運量-運距擬合曲線

鐵路貨運分擔率-運距簡化模型為

水路貨運分擔率-運距簡化模型為

航空貨運分擔率-運距簡化模型為

據此便可繪制出貨運方式分擔率-運距擬合曲線(見圖2).雖然簡化模型(6)～(9)較原模型(1)～(5)精度略有下降，但由于其擬合度均大于0.98，故認為該簡化模型有效.在工程實踐中，可依據精度要求及實際情況，選擇采用原模型或簡化模型.

由圖2可知，公路貨運分擔率曲線呈單調遞減趨勢，在0～500 km運距范圍分擔率均超過40%，說明公路貨運適合于中短途運距，尤其是短途運距;在600 km處出現拐點，隨后分擔率下降趨勢變緩.鐵路貨運分擔率曲線呈先增后減的趨勢，拐點出現在600～700 km之間;當運距為500～1 200 km時，其分擔率明顯大于其他3種方式的分擔率，表明其適合于中長途運距.水路貨運分擔率曲線呈單調遞增趨勢，且運距大于1 200 km時分擔率超過40%.航空貨運方式由于運價高昂，故相比其他3種貨運方式，其分擔率較低;實際上，由圖2(d)可知，航空貨運分擔率曲線在150～700 km運距范圍內緩慢遞增，700～1 900 km運距范圍內快速增加，然后呈平緩趨勢，并伴有上下波動，這一方面是由于航空貨運成本高昂，導致運價極低的水路貨運優(yōu)勢更為明顯，另一方面也可能是由于統(tǒng)計分析的數據來自全國不同區(qū)域，存在各種運輸方式發(fā)展不平衡的情況，導致結果存在一定誤差.

3 實例分析

圖2 貨運方式分擔率-運距擬合曲線

以遼寧-山海關綜合運輸通道為例，開展公路、鐵路、水運、航空多方式交通網絡環(huán)境下貨運方式分擔率的實證研究.對該通道的規(guī)劃年(2020年)貨運方式分擔率進行預測，作為未來新建和改擴建運輸通道項目的依據.

以現有行政區(qū)劃為基礎，共劃分101個交通小區(qū)，其中直接影響區(qū)30個，間接影響區(qū)27個，外部影響區(qū)44個.通過調查獲得研究區(qū)域的貨運現狀OD矩陣，其發(fā)生總量或吸引總量為1.640×1010t.采用Fratar模型預測2020年的貨運OD矩陣，其發(fā)生總量或吸引總量為 2.509 ×1010t［12］.采用Visual C++編程，可獲得計算結果.以3個交通小區(qū)為例，任選編號為1，51，73的交通小區(qū)進行計算，已知其貨運OD矩陣如表1所示.

表1 2020年貨運OD 106t

計算步驟如下:

①測算各小區(qū)之間的運輸距離，結果見表2.

表2 運輸距離 km

②基于貨運交通網絡布設情況，明確小區(qū)之間4種貨運方式的連通情況.若小區(qū)A至小區(qū)B缺少第i種貨運方式時，則認為小區(qū)A，B之間的此種貨運方式分擔率為0.在實例中的3個交通小區(qū)之間，航空運輸方式僅在交通小區(qū)51與小區(qū)73之間存在，其他運輸方式在各交通小區(qū)間均連通.

③將各小區(qū)間的運輸距離代入模型(6)～(9)中，計算各小區(qū)間公路、鐵路、水運、航空4種貨運方式的分擔率，結果見表3.需要指出的是，當運距小于50 km時，根據對當地貨運方式選擇的補充調研，取公路、鐵路、水運、航空貨運方式分擔率分別為 0.95，0.025，0.025，0.

④將2020年的貨運OD矩陣分別乘以4種貨運方式的分擔率，計算出各小區(qū)間貨運方式的分擔量，結果見表4.

4 結論

1)在綜合運輸一體化的背景下，依據國內各城市間貨運量、運輸距離數據，構建了區(qū)域貨運方式分擔率-運距模型，并進行了標定.

2)建立了貨運方式分擔率-運距模型，提出了該模型的簡化形式，并獲取了相應曲線，直觀、形象地呈現各貨運方式所承擔貨運量比例隨運輸距離變化的分布規(guī)律.

表3 貨運方式分擔率

表4 貨運方式分擔量106t

3)貨運方式分擔率-運距模型的輸入變量為貨物運距，由此可確定50～3 500 km運距范圍內各貨運方式的分擔率，有效解決了在多方式交通網絡中貨運分擔率在區(qū)域范圍內的量化問題.

4)貨運方式分擔率-運距模型可以為優(yōu)化區(qū)域未來運輸結構提供合理的決策依據，也有助于從總體上較為真實、客觀地把握未來區(qū)域運輸可能產生的交通運輸負荷，從而實現運輸資源的合理配置.

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Mode split rate of freight transportation in comprehensive transportation system

Xiang Yun1，2Wang Wei1Wang Hao1Li Ye1Zheng Dunyong3Liu Bing1
(1Jiangsu Key Laboratory of Urban ITS，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)
(3National-Local Joint Engineering Laboratory of Geo-Spatial Information Technology，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China)

Abstract:In order to optimize the structure of the freight mode and reasonably allocate transportation resource，the mode split rate of freight transportation based on the transport distance in the comprehensive transportation system is studied.By statistically analyzing the aggregate data of different inter-city freight volumes and transport distances in China，the functional relationship between the freight volume and the transport distance is determined.Then，the mode split rate of the freight transportation-transport distance(MSRFT-TD)model is constructed，and the corresponding MSRFT-TD curve is obtained.The results show that there is specific distribution of the mode split rate of freight transportation with the change of the transport distance.The highway MSRFT-TD curve decreases monotonically and stays over 40%when the transport distance ranges from 50 to 500 km.The railway MSRFT-TD curve first increases and then decreases with a inflection point between 600 and 700 km.The waterway MSRFT-TD curve monotonicall y increases.The airway MSRFT-TD curve increases slowly with the transport distance from 150 to 700 km，and rises rapidly from 700 to 1 900 km;when the transport distance is over 1 900 km，the curve gradually levels off.

Key words:freight transportation;mode split rate;transportation distance;comprehensive transportation system;aggregate data

中圖分類號:U113

A

1001－0505(2015)06-1197-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2015.06.031

收稿日期:2015-06-14.

項昀(1983—)，女，博士生，講師;王煒(聯系人)，男，博士，教授，博士生導師，wangwei@seu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學基金重點資助項目(51338003)、國家自然科學基金資助項目(51478113)、江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(KYLX15_0154).

項昀，王煒，王昊，等.綜合運輸體系下的貨運方式分擔率［J］.東南大學學報:自然科學版，2015，45(6):1197-1202.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2015.06.031］