調(diào)整運輸結(jié)構后考慮碳排放的集裝箱多式聯(lián)運路徑優(yōu)化研究

柳培學，劉新花 （酒鋼集團 物流中心，甘肅 嘉峪關 735100）

我國多式聯(lián)運的發(fā)展起步較晚，經(jīng)歷了掛車運輸TOFC、單層集裝箱運輸、雙層集裝箱運輸?shù)陌l(fā)展歷程。但隨著我國“一帶一路”及區(qū)域經(jīng)濟帶的戰(zhàn)略規(guī)劃部署，諸如“渝新歐”、“漢新歐”、“鄭歐”、“長江黃金航道”等中西部內(nèi)陸集裝箱貨運通道的相繼打通，沿海和內(nèi)陸集裝箱運輸?shù)你暯邮沟梦覈b箱多式聯(lián)運的市場潛力得到了進一步的釋放[1]。

1 網(wǎng)絡概述與算法的實現(xiàn)

1.1 網(wǎng)絡概述與構建

假設一個多式聯(lián)運運輸網(wǎng)絡總共由O、A、D3個節(jié)點構成，可采用的運輸方式共有鐵路、公路、水路3種。則對該運輸虛擬網(wǎng)絡可以采用多條連線來描述，每一條連線對應著一種運輸方式，節(jié)點間如果可以采用某種運輸方式則用運輸方式對應的連線連接，具體如圖1所示。

如果多式聯(lián)運網(wǎng)絡中某節(jié)點存在中轉(zhuǎn)作業(yè)，可以通過節(jié)點擴展的方法來處理，其基本原理是：將發(fā)生中轉(zhuǎn)的節(jié)點a拆分成4個節(jié)點a1、a2、a3、a4，將a1和a2設定為貨物的運入節(jié)點，a3和a4設定為貨物的運出節(jié)點，將流入點和流出點用連線連接，從而形成中轉(zhuǎn)節(jié)點a的擴展節(jié)點圖[4]。

1.2 模型假設與符號說明

1.2.1 模型假設

（1）兩個節(jié)點之間只能選擇一種運輸方式；

（2）在運輸過程中不發(fā)生貨物的增減，同時也不會存在中轉(zhuǎn)節(jié)點的補貨或者減貨。

1.2.2 符號說明

圖1 節(jié)點間路網(wǎng)變換圖

G（N,E）為多式聯(lián)運網(wǎng)絡，其中N為多式聯(lián)運網(wǎng)絡的點集，i∈N為網(wǎng)絡中的一個節(jié)點；E為多式聯(lián)運網(wǎng)絡邊的集合，也可表示節(jié)點間的運輸方式的集合，（vi,vj,k）∈E表示節(jié)點vi、vj之間的一個運輸方式；M為一批貨物中貨物種類的集合，m∈M為其中的一種貨物；dm為貨物m的需求量，單位：t；K為中轉(zhuǎn)運輸方式備選集，（k,l）∈K為其中的一種中轉(zhuǎn)方式；為節(jié)點i與i+1之間第m種貨物采用第k種運輸方式的貨運量，單位：t；c（m,k）為第m種貨物采用第k種運輸方式的單位路段運輸費用，單位：元/t；c（k,l,m）為第m種貨物由運輸方式k轉(zhuǎn)運到運輸方式l時的單位中轉(zhuǎn)費用，單位：元/t；G為在路徑中規(guī)定的中轉(zhuǎn)次數(shù)上限值；PN為多式聯(lián)運一條路徑中點的集合。

多式聯(lián)運一般分為3個過程，即承運、中轉(zhuǎn)和交付階段統(tǒng)稱為運輸階段，由于整個運輸過程中主要是承運階段的碳排放，因此，本文主要考慮承運中的碳排放。采用基于活動的方法（Activity-based Approach）進行估算，即基于燃油消耗量和排放因子計算碳排放量：

其中，rijk表示運輸方式k在節(jié)點vi、vj之間運輸?shù)奶寂欧帕浚╣）；lijk表示燃油消耗量（kg）；θk表示運輸方式k的碳排放因子（g/kg-fuel）。為了方便，本文采用中國交通年鑒中各種運輸方式的平均燃油消耗，即海運、鐵路、公路等運輸方式間的油耗比值約為1:1:10[6]。

1.2.3 模型的構建

不同的貨物種類其運輸費用差別很大，考慮碳排放的情況下，建立了以運輸階段費用和碳排放指標最小的多式聯(lián)運路徑優(yōu)化模型。具體模型為：

上述模型中，式（4）為費用目標函數(shù)，費用函數(shù)主要有承運階段費用和中轉(zhuǎn)費用；式（5）為碳排放指標；式（6）表示兩個節(jié)點之間只能采用一種運輸方式；式（7）表示在中轉(zhuǎn)時只能中轉(zhuǎn)到一種運輸方式；式（8）表示運輸總中轉(zhuǎn)次數(shù)約束，一條路徑中的總中轉(zhuǎn)次數(shù)要小于給定的上限值；式（9）為前后運輸方式對應約束，即若在節(jié)點i運輸方式由k轉(zhuǎn)換為l，則由節(jié)點i-1到節(jié)點i采用運輸方式為k，由節(jié)點i到i+1采用運輸方式l；式（10） 表示節(jié)點的流量平衡約束；式（11）、式（12） 為變量邏輯約束；式（13）為非負約束。

2 算例分析

為了驗證上述模型與算法，例舉出一個假想的公路—鐵路—水路路網(wǎng)如圖2所示。根據(jù)貨物的實際運輸情況以及經(jīng)驗，設置中轉(zhuǎn)備選集合為 ｛公路—鐵路，公路—水路 ｝。圖2中頂點用阿拉伯數(shù)字表示并標記到代表該頂點的圓圈內(nèi)，其中細實線圓圈代表一般鐵路節(jié)點，粗實線圓圈代表公路節(jié)點，細線雙圈代表鐵路集裝箱辦理站，虛線圈代表水路節(jié)點，各個頂點的鄰接關系以連接兩點的線段表示，其中細實線表示公路，粗實線表示鐵路，虛線表示水路，兩點間的距離標記在該線段的旁邊，距離單位為km。

運費為0.1元/（箱*公里），其中每個公—水過渡的水路節(jié)點、鐵路集裝箱辦理站的中轉(zhuǎn)費用，分別如表1、表2所示。

表1 公—水過渡的水路節(jié)點裝箱辦理站的中轉(zhuǎn)費用

表2 鐵路集裝箱辦理站的中轉(zhuǎn)費用

表3給出了IPCC國家溫室氣體清單指南發(fā)布的不同運輸方式的θm；θm單位為（g/kg-fuel）燃油消耗量（kg）海運、鐵路、公路等運輸方式間的油耗分別為0.1、0.1、1；碳稅描述碳排放成本，碳稅值為0.02元/kg。

我們計算各點對的集裝箱公鐵水聯(lián)運距離最短路、運輸費用和碳排放指標，并列出對應的路徑，將相關數(shù)據(jù)存放到表4。表4和表5中的箭頭方向為貨物的運輸方向，并將路徑中的完成換裝作業(yè)的兩個集裝箱辦理站節(jié)點、公路與水路互轉(zhuǎn)的水路節(jié)點采用下劃線標記，路徑中的單實線箭頭表示公路運輸，雙實線箭頭表示鐵路運輸，虛線箭頭表示水路運輸。

表3 不同運輸方式的θm值 單位：g/kg-fuel

表4 集裝箱公鐵水聯(lián)運最短路點對數(shù)據(jù)

2018年6月，國家“調(diào)整運輸結(jié)構，增加鐵路運量”政策的出臺，以推進大宗貨物運輸“公轉(zhuǎn)鐵、公轉(zhuǎn)水”為主攻方向，將在全國范圍實施鐵路運能提升、多式聯(lián)運提速、信息資源整合等大行動。對于表4，進行運輸結(jié)構調(diào)整后，其公鐵水聯(lián)運路徑、距離最短路、運輸費用、碳排放指標如表5所示。

表5 運輸結(jié)構調(diào)整后集裝箱公鐵水聯(lián)運最短路點對數(shù)據(jù)

結(jié)合表5、表6可以看出，運輸結(jié)構調(diào)整后，集裝箱公鐵水聯(lián)運的路徑發(fā)生變化，運輸費用偶有增加，碳排放指標明顯下降，即碳排放費用減少，但總費用均有不同程度的減少。

表6 運輸結(jié)構調(diào)整前后集裝箱公鐵水聯(lián)運最短路點對數(shù)據(jù)對比情況

3 結(jié)論

采用節(jié)點擴展的方法解決了有多重邊路網(wǎng)圖的問題，借鑒Dijkstra標號算法思路，結(jié)合多式聯(lián)運過程中承運、中轉(zhuǎn)的運輸環(huán)節(jié)，建立了運輸階段費用、碳排放指標的雙目標規(guī)劃模型，最后，在中轉(zhuǎn)方式備選集確定的情況下，給出多個計算實例，結(jié)合國家“公轉(zhuǎn)鐵、公轉(zhuǎn)水”運輸結(jié)構調(diào)整的背景，對運輸結(jié)構調(diào)整前后最短距離路徑、運輸費用、碳排放指標進行比較，結(jié)果證明運輸結(jié)構調(diào)整后，能夠有效地降低運輸過程中的碳排放費用。本文提出的模型及其求解方法屬于完全信息下的靜態(tài)決策，模型中沒有考慮到時間的因素，因此，設計出動態(tài)、不確定環(huán)境下（包括時間因素）的問題模型，是未來的研究方向。