鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究綜述

周文瑞 王葉

摘 要：合理的鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，不僅能為貨主提供優(yōu)質(zhì)便捷的鐵路運輸服務(wù)，還能為社會的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供強大的運力支持。在探討鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的背景及意義的基礎(chǔ)上，分析鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題的研究現(xiàn)狀，總結(jié)歸納出在頻度服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、動態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、隨機機會約束規(guī)劃等方面的最新研究成果及進展，并提出在現(xiàn)有模型的優(yōu)化設(shè)計上，應(yīng)兼顧考慮貨主需求、市場波動、鐵路運營的情況，同時指出今后可進一步研究基于可靠性的鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，以更好地提高客戶服務(wù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鐵路運輸;快捷貨運;服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

中圖分類號：U113 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）04-0134-04

Research Summary of the Design of Railway Express

Freight Transportation Service Network

ZHOU Wenrui WANG Ye

（School of Traffic and Transportation， Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730000）

Abstract： Reasonable design scheme of railway express freight service network can provide transport support for social transformation and development， and provide high-quality and convenient railway transportation services for shippers. Based on the background and significance of the design of railway express freight transport service network， this paper analyzed the current research situation of the design of railway express freight service network， and summarized the latest research results and progress in frequency service network design， dynamic service network design， stochastic chance constraints planning， and put forward that in the optimization design of the existing model， consideration should be given to the needs of cargo owners， market fluctuations and railway operation. At the same time， it was pointed out that the design of railway express freight service network based on reliability could be further studied in the future so as to better improve the quality of customer service.

Keywords： railway;express freight transportation;service network design

1 鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題的提出

鐵路快捷貨運是指以高附加值貨物為主要服務(wù)對象，按照特定的運輸組織方式，實現(xiàn)將貨物快速、準(zhǔn)確、安全、便捷地運達目的地的鐵路貨運產(chǎn)品。我國現(xiàn)已建成“四縱四橫”高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，釋放了大量運力，為鐵路企業(yè)開發(fā)時效性更高的快捷貨運產(chǎn)品提供了有利條件。但是，我國鐵路運輸資源分布不均衡、快捷貨運產(chǎn)品物流化程度較低，導(dǎo)致利用鐵路運輸時，出現(xiàn)大量貨物無法追蹤和積壓的情況，快捷貨運的時效性和可靠性難以保障。

Crainic[1]提出運輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的概念，即決策者在運輸物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上制定具體的運輸服務(wù)方案，包括運輸服務(wù)路徑、中間停站信息、運輸服務(wù)頻率、運輸服務(wù)水平等。Marin[2]通過綜合考慮運輸需求、運載設(shè)備和運輸基礎(chǔ)設(shè)施等因素，以確定運輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的集合，使運輸產(chǎn)品可以滿足貨主運輸需求，并且使鐵路企業(yè)總運輸成本最小。鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點和銜接節(jié)點的運輸服務(wù)組成的一種邏輯網(wǎng)絡(luò)，即[Gs=（N，As）]，其中[N]有2種屬性，包括車站（作業(yè)點和作業(yè)時間點）;[As]為節(jié)點間的運輸服務(wù)弧，包含列車的車次、運行徑路、中間停站、等級、速度、容量、各OD貨運量、各車站服務(wù)頻率、作業(yè)持續(xù)時間、作業(yè)等待時間及時刻表等信息，用以研究與運輸時效性、運輸成本經(jīng)濟性和運力資源配置有效性等方面的相關(guān)問題。

鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是利用運籌學(xué)理論和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論，通過構(gòu)建服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型，描述快捷貨物在服務(wù)網(wǎng)絡(luò)上運輸?shù)娜^程，以解決成本控制、運量分配、運輸路徑設(shè)計、運輸時間表制定等問題[3-6]。Lopez-ramos等[3]考慮新建鐵路網(wǎng)絡(luò)，以降低快捷貨運服務(wù)的運營成本為目標(biāo)，構(gòu)建字典目標(biāo)規(guī)劃模型，采用兩階段啟發(fā)式算法進行求解。Harry[4]為優(yōu)化貨流集結(jié)過程，研究有限預(yù)算下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，并應(yīng)用于鐵路領(lǐng)域的貨流編組。何世偉等[5]從系統(tǒng)和運輸需求角度，提出鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)新概念，構(gòu)建基于K短路徑的總體有效運能模型，并采用遺傳算法求解。劉欣萌[6]研究運輸需求波動下的快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，建立了魯棒優(yōu)化模型。合理的鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，有助于提高貨物運達速度、實現(xiàn)貨物追蹤和運輸集中化。

上述文獻充分利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論、運籌學(xué)理論等方法，對鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題展開深入研究。通過分類匯總，總結(jié)出目前鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究主要解決以下問題：①在滿足各鐵路區(qū)間容量的前提下，合理分配各車站間的貨物流量;②選擇貨物列車的開行路徑和貨物車輛的中轉(zhuǎn)方式;③制定貨物列車時刻表;④空車調(diào)配方案。對于這些問題，需要決策者充分利用現(xiàn)有運輸資源，合理安排貨物運輸作業(yè)，實現(xiàn)貨運服務(wù)質(zhì)量和鐵路運營成本的全面優(yōu)化，因而頻度服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型、動態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型、隨機機會約束規(guī)劃模型及相關(guān)優(yōu)化算法的研究應(yīng)運而生。關(guān)于鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的文獻總結(jié)如圖1所示。

2 鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型

2.1 頻度服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型

鐵路企業(yè)受運輸成本的限制，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和線路上的運輸能力有限，且運輸需求存在不確定性，因而，在設(shè)計服務(wù)頻度時，首先要預(yù)測OD間的運輸需求，再設(shè)計合理的服務(wù)頻度，解決這類問題的模型即為頻度服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型[7-9]。頻度服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型是解決服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的基礎(chǔ)，主要為鐵路企業(yè)提供貨物列車開行方案的選擇、貨物運輸路徑選擇、貨流分配和列車編組計劃等，側(cè)重實現(xiàn)鐵路企業(yè)現(xiàn)有資源的空間優(yōu)化配置，使鐵路企業(yè)在滿足貨運需求的同時降低成本。其模型的目標(biāo)為：

[minsφsf+pkθkpf，x] ? ? ? ?（1）

式中：[f]為頻度變量[fs]組成的向量，[fs]為服務(wù)[s]的頻度;[x]為流變量[xkp]的集合，[xkp]為商品[k]分配到路徑[p]的流量;[φsf ]為服務(wù)[s]的運行費用;[θkp]為商品[k]經(jīng)由路徑[p]的運輸費用。

模型的約束包括容量限制約束、流量守恒約束、商品流非負約束和服務(wù)頻度非負約束。

頻度服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型的求解一般有兩種方法：①采用拉格朗日松弛法和列生成法等方法處理約束條件，將初始問題簡化為多階段的單目標(biāo)設(shè)計模型;②采用啟發(fā)式方法求解。

2.2 動態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型

服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題不僅要求鐵路企業(yè)合理設(shè)計運輸服務(wù)的頻度和規(guī)模，更要求其在時間和空間上充分整合優(yōu)化現(xiàn)有資源。為此，專家學(xué)者在頻度服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型的基礎(chǔ)上引入時間維的概念，建立基于時空網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型[10-12]，解決如服務(wù)路徑選擇、運輸方式安排、運輸時刻表制定、貨物運到時限等問題。該模型具有2類變量：一類是連續(xù)變量，表示貨流在網(wǎng)絡(luò)弧上分配的大小;另一類是整數(shù)變量，表示貨物列車是否開行。其模型的目標(biāo)為：

[minaωaxa+fpypfcpf+lqzqlcql] ? ? ? ?（2）

式中：[ωa]為運輸服務(wù)弧[a]的成本;[xa]是決策變量，為網(wǎng)絡(luò)中是否插入服務(wù)弧;[ypf]為貨流[f]在徑路[p]上的流量;[cpf]為貨流[f]在徑路[p]上的成本;[zql]為車輛流[l]在徑路[q]上的流量;[cql]為車輛流[l]在徑路[q]上的成本。

模型的約束條件包括貨流和車輛流的流量守恒約束、列車最大及最小編組約束和服務(wù)弧容量約束等。

由于動態(tài)運輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型中引入了時間維，其模型的基礎(chǔ)時空網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常龐大，造成其求解要比頻度服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型更加困難。如果初始問題難以簡化，則需要針對特定問題設(shè)計相應(yīng)智能算法進行求解。

2.3 隨機機會約束規(guī)劃模型

實際生活中的鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題中包含有很多不確定因素，如運輸時間、貨物中轉(zhuǎn)作業(yè)時間、貨運量需求和服務(wù)線路等。因此，將不確定規(guī)劃理論應(yīng)用于研究此問題，建立隨機機會約束規(guī)劃模型[13-15]，以提高鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的可靠性和設(shè)計方案的靈活性。其模型的目標(biāo)為：

[mincx+spsQ（x，ds）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：[cx]為在弧上提供服務(wù)的固定成本;[ps]為場景[s]發(fā)生的概率;[ds]為場景[s]的需求量;[Q（x，ds）]為換線和服務(wù)外包的成本。

模型的約束條件包括車輛流和商品流平衡約束、車輛容量限制、商品流非負以及商品的交貨期限約束等。隨機機會約束規(guī)劃模型大多采用計算機模擬或智能算法進行求解。

3 進一步研究方向

分析國內(nèi)外關(guān)于鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題研究的發(fā)展歷程可知，服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的理論和方法正在逐步完善，并在鐵路貨運、公路貨運、快捷貨運（包括高鐵快運[16]、多式聯(lián)運）等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為運輸企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟效益。結(jié)合我國鐵路快捷貨運的發(fā)展，未來該領(lǐng)域的應(yīng)用可從以下方面進行研究。

3.1 結(jié)合國情進行分析

國外研究表明，鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計相關(guān)理論是鐵路企業(yè)解決運輸資源配置問題的有效方法之一。國外研究大多以各自國家的經(jīng)濟、資源分布、鐵路貨運組織特點等為基礎(chǔ)。在對我國鐵路快捷貨運企業(yè)的資源配置問題進行研究時，應(yīng)在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的基本國情、資源分布、鐵路運輸組織特點和綜合運輸發(fā)展的基本情況，重新界定我國鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的相關(guān)要素。

3.2 動態(tài)調(diào)整模型參數(shù)

目前，鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型大多利用線性函數(shù)將服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題描述為一系列線性規(guī)劃問題。然而，在實際背景下，受時間價值、成本費用、作業(yè)能力和服務(wù)水平等因素的影響，貨物運輸將不再滿足于線性條件。建立優(yōu)化模型時，需要在其目標(biāo)函數(shù)或約束條件中，引入非線性的決策變量，或者動態(tài)調(diào)整模型的部分參數(shù)。

3.3 應(yīng)向多目標(biāo)綜合優(yōu)化方向發(fā)展

研究初期，專家學(xué)者都致力于盡可能多地節(jié)約貨物運輸成本，但單一的運輸成本優(yōu)化會引發(fā)以下新的問題：①在承擔(dān)旅客運輸和貨物運輸?shù)闹饕P(guān)鍵節(jié)點和路段產(chǎn)生運輸瓶頸;②貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運輸能力產(chǎn)生不均衡;③貨物運輸?shù)臅r效性降低;④限制貨物運輸計劃調(diào)整的靈活性。這就要求鐵路企業(yè)在快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，尋求運輸需求、運輸成本和服務(wù)水平等因素間的平衡，兼顧鐵路、社會和貨主三者的利益，研究各優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)先結(jié)構(gòu)與權(quán)重，建立多目標(biāo)綜合優(yōu)化模型，以得到最優(yōu)的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，保證鐵路運輸企業(yè)的市場競爭力。

3.4 進一步研究鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題的算法

精確數(shù)值算法和分階段法在解決小規(guī)模問題時有一定優(yōu)勢，但無法求解大規(guī)模問題。鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題具有規(guī)模大、約束多、變量關(guān)系復(fù)雜等特點，現(xiàn)有研究所采用的遺傳算法、混合智能算法、禁忌搜索算法等方法，雖然能有效地求解此類問題，但這些啟發(fā)式算法可能無法兼顧求解效率和滿意解的精確度。為提高求解效率和滿意解的精確度，現(xiàn)有算法趨向于采用綜合數(shù)值算法的啟發(fā)式算法，通過數(shù)值算法改進啟發(fā)式算法，或者綜合各智能算法的優(yōu)點，開發(fā)新的混合式智能算法。這方面的研究也是鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題求解方法的研究方向。

3.5 研究鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的可靠性水平

在鐵路貨物運輸過程中，貨運量存在波動性，在一定程度上影響運輸服務(wù)可靠性水平和資源配置效率。在貨運量不確定時，現(xiàn)有模型不能較好地解決實際問題，也不能有效地反映鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的實際情況和隨機動態(tài)特性。在隨機因素下，建立鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型，雖然可能會增加運輸成本，但能降低系統(tǒng)由于隨機性而帶來的不確定性。因此，基于可靠性的鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題也是下一階段研究的重點內(nèi)容。

4 結(jié)語

鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案是鐵路貨運組織管理和貨運產(chǎn)品的核心，合理的方案有助于提高鐵路市場競爭力。結(jié)合我國鐵路快捷貨運的實際情況、發(fā)展趨勢、問題核心等來選擇相應(yīng)的優(yōu)化模型和算法，對鐵路快捷貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題展開進一步研究，針對貨運組織和產(chǎn)品設(shè)計的具體問題進行分析，將有利于鐵路運輸企業(yè)控制貨物運輸成本和提高基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的利用率，從而更好地適應(yīng)快捷貨物運輸市場需求變化，提高鐵路經(jīng)營效益和社會效益。

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