長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶集裝箱多式聯(lián)運(yùn)?路徑優(yōu)化模型研究

李 敏

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司?運(yùn)輸部，湖北?武漢?430071）

根據(jù)國(guó)家發(fā)布的長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶系列戰(zhàn)略規(guī)劃，提出以沿江綜合運(yùn)輸大通道為支撐，促進(jìn)上中下游要素合理流動(dòng)、產(chǎn)業(yè)分工協(xié)作，統(tǒng)籌多種運(yùn)輸方式協(xié)調(diào)發(fā)展，加強(qiáng)無縫銜接和綜合交通樞紐建設(shè)，提升集裝箱和大宗散貨鐵水聯(lián)運(yùn)比例。近年來，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶運(yùn)輸需求增長(zhǎng)迅猛，對(duì)以集裝箱為核心的多式聯(lián)運(yùn)需求逐步增加。許多學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶多式聯(lián)運(yùn)進(jìn)行研究，主要集中在鐵水聯(lián)運(yùn)領(lǐng)域。例如，肖睿[1]研究提出長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶鐵水聯(lián)運(yùn)發(fā)展對(duì)策；劉啟鋼等[2]研究鐵水聯(lián)運(yùn)利益協(xié)同模式；趙銘等[3]分析長(zhǎng)江中游湖北段鐵水聯(lián)運(yùn)情況；常祎妹等[4]探討集裝箱碼頭鐵水聯(lián)運(yùn)裝卸設(shè)備協(xié)同調(diào)度問題；于雪嶠等[5]考慮模糊需求的多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化。因此，綜合考慮運(yùn)輸區(qū)段能力、節(jié)點(diǎn)作業(yè)時(shí)間、翻三峽大壩成本、設(shè)施無縫銜接等因素，以全程物流成本最低為目標(biāo)，構(gòu)建長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶廣義路徑優(yōu)化混合整數(shù)規(guī)劃模型，生成長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶運(yùn)輸組織優(yōu)化方案，以提升鐵水聯(lián)運(yùn)產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量，降低社會(huì)物流總成本。

1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶集裝箱多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀

2018年長(zhǎng)江干線主要港口集裝箱吞吐量合計(jì)達(dá)4.16萬TEU，同比增長(zhǎng)約40%，上海港、蘇州港、南京港、武漢港等10個(gè)港口集裝箱吞吐量超過50萬TEU。集裝多式聯(lián)運(yùn)逐漸成為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的主要運(yùn)輸方式。

1.1 特征分析

（1）運(yùn)量較大。隨著航運(yùn)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際航運(yùn)船舶向大型化發(fā)展，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶存在大量海運(yùn)箱入江的運(yùn)輸需求，鐵水聯(lián)運(yùn)集裝箱呈現(xiàn)出大批量集中到發(fā)的趨勢(shì)，進(jìn)一步要求提升鐵水聯(lián)運(yùn)組織效率。因此，鐵水聯(lián)運(yùn)的集疏運(yùn)組織方案要與集裝箱班輪的箱流特征相協(xié)調(diào)，提高集疏運(yùn)效率。

（2）分布不均。目前我國(guó)鐵水聯(lián)運(yùn)集裝箱僅占港口集裝箱運(yùn)量的2%左右，受航線、航次、需求分布等因素的影響，造成了不同集裝箱班輪間鐵水聯(lián)運(yùn)的比重不均衡，進(jìn)一步導(dǎo)致了由于鐵路運(yùn)輸組織方案周期性、計(jì)劃性特點(diǎn)而造成的鐵水聯(lián)運(yùn)能力不足或浪費(fèi)，因而鐵水聯(lián)運(yùn)班列編組輛數(shù)需要充分考慮不同航線的集疏運(yùn)需求。

（3）貨流分散。除沿江城市外，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶港口還服務(wù)于廣闊的內(nèi)陸經(jīng)濟(jì)腹地，使得箱流較為分散，依托我國(guó)鐵路成網(wǎng)運(yùn)營(yíng)條件，鐵水聯(lián)運(yùn)可有效滿足內(nèi)陸城市集裝箱運(yùn)輸需求，同時(shí)，也要求集裝箱班列運(yùn)輸徑路要充分考慮OD需求。

（4）需求多樣。不同貨主對(duì)運(yùn)輸產(chǎn)品的需求不同，應(yīng)從運(yùn)輸時(shí)效、運(yùn)輸費(fèi)用等多維度優(yōu)化鐵水聯(lián)運(yùn)組織方案，充分利用多種運(yùn)輸方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)提升客戶滿意度。

1.2 存在問題

（1）聯(lián)運(yùn)運(yùn)量占比偏低。海鐵聯(lián)運(yùn)、公鐵聯(lián)運(yùn)、滾裝運(yùn)輸、空陸聯(lián)運(yùn)等發(fā)展緩慢，多式聯(lián)運(yùn)在整體貨運(yùn)量中占比較低。海鐵集裝箱聯(lián)運(yùn)比例國(guó)際通常在20%左右，美國(guó)為40%，法國(guó)為35%，印度為25%[6]，而我國(guó)集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)比例僅為1.86%。西方發(fā)達(dá)國(guó)家鐵水聯(lián)運(yùn)比例遠(yuǎn)高于我國(guó)，如荷蘭鹿特丹港鐵路集疏運(yùn)比重為13%，德國(guó)漢堡港鐵路集疏運(yùn)比重高達(dá)30%，而我國(guó)僅為1.75%。

（2）基礎(chǔ)設(shè)施銜接不暢。各種運(yùn)輸方式之間的銜接往往出現(xiàn)脫節(jié)，導(dǎo)致多式聯(lián)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施在規(guī)劃、建設(shè)等方面相互銜接不夠緊密。部分港口在實(shí)施新港區(qū)功能調(diào)整時(shí)，鐵路未能及時(shí)根據(jù)最新的港口規(guī)劃進(jìn)行調(diào)整；部分港區(qū)沒有與鐵路直接銜接，“港站”分離現(xiàn)象嚴(yán)重。鐵路目前正在探索與港口企業(yè)的信息共享和對(duì)接，并在寧波和連云港進(jìn)行試點(diǎn)，但是尚未全路推廣。

（3）三峽航道通過能力緊張。三峽大壩的建設(shè)有效地改善了長(zhǎng)江上游的水上運(yùn)輸條件。近年來，三峽過壩運(yùn)量呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2018年三峽樞紐通過量1.44億t，超過設(shè)計(jì)通過能力44%。三峽樞紐主要過閘貨物為礦建材料、礦石、集裝箱、水泥、鋼材、煤炭、石油、糧棉及化肥，其所占貨運(yùn)量比例分別為33.29%，24.86%，9.05%，5.92%，5.11%，3.75%，3.74%，2.92%，1.18%。過壩貨物中，主要是重慶港與江蘇沿江港口、寧波港及上海港之間的貨物交流。

2 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化模型構(gòu)建

基于長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶集裝箱多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀，以最小總成本與最短總時(shí)間的綜合計(jì)算為目標(biāo)，考慮節(jié)點(diǎn)流平衡、節(jié)點(diǎn)間相互關(guān)系、路網(wǎng)條件、節(jié)點(diǎn)作業(yè)條件、節(jié)點(diǎn)作業(yè)時(shí)間等約束，構(gòu)建長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化模型為[7-8]

式中：z1表示多式聯(lián)運(yùn)總費(fèi)用的取值；z2表示多式聯(lián)運(yùn)總時(shí)間的取值；為0-1變量，表示若第ε個(gè)OD的貨物在運(yùn)輸弧(i，j)上選擇第k種運(yùn)輸方式則為1，否則為0；為0-1變量，表示若第ε個(gè)OD的貨物在第i個(gè)節(jié)點(diǎn)由第k種運(yùn)輸方式換裝到第l種運(yùn)輸方式則為1，否則為0；nε表示第ε個(gè)OD對(duì)集裝箱個(gè)數(shù)；表示在運(yùn)輸弧(i，j)上用第k種運(yùn)輸方式的費(fèi)用；表示在運(yùn)輸弧(i，j)上用第k種運(yùn)輸方式的距離；表示運(yùn)輸弧(i，j)上用第k種運(yùn)輸方式的旅速；表示貨物在第i個(gè)節(jié)點(diǎn)由第k種運(yùn)輸方式換裝到第l種運(yùn)輸方式的時(shí)間；I表示與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的點(diǎn)的集合；MI表示與第i個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)i之間運(yùn)輸方式的集合；Tr表示運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中除起訖點(diǎn)以外的其他節(jié)點(diǎn)的集合；表示在運(yùn)輸弧(i，j)上用第l種運(yùn)輸方式的時(shí)間；tj表示到達(dá)節(jié)點(diǎn)j的時(shí)刻；表示考慮列車時(shí)刻表、作業(yè)時(shí)間等影響因素，貨物到達(dá)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間窗；αl表示運(yùn)輸方式l的載運(yùn)系數(shù)；Qij表示運(yùn)輸弧(i，j)的通過能力；cm1表示貨物運(yùn)輸基價(jià)1；cm2表示貨物運(yùn)輸基價(jià)2；cw表示水路運(yùn)輸?shù)膯挝贿\(yùn)價(jià)。

公式 ⑴ 表示優(yōu)化方案應(yīng)滿足總成本最小的要求，其中總成本包括運(yùn)輸成本和在節(jié)點(diǎn)發(fā)生的換裝成本；公式 ⑵ 表示優(yōu)化方案應(yīng)同時(shí)滿足貨物運(yùn)輸?shù)臅r(shí)效性要求，以充分發(fā)揮多式聯(lián)運(yùn)的比較優(yōu)勢(shì)，其中總時(shí)間包括運(yùn)輸時(shí)間及中轉(zhuǎn)時(shí)間；公式 ⑶ 表示節(jié)點(diǎn)流平衡條件約束，定義了起點(diǎn)與終點(diǎn)的相互關(guān)系；公式 ⑷ 表示貨物運(yùn)輸?shù)牟豢刹鸱旨s束；公式 ⑸ 表示同一批貨物最多僅可換裝一次；公式⑹ 表示變量間的映射關(guān)系，即如果在第i個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生換裝，則與節(jié)點(diǎn)i相鄰的運(yùn)輸弧一定會(huì)被選擇，反之成立；公式 ⑺ 表示貨物到達(dá)某一節(jié)點(diǎn)的時(shí)間約束，保證了運(yùn)輸方式間的無縫銜接；公式 ⑻ 表示線路條件約束；公式 ⑼ 表示貨物在起始點(diǎn)及終點(diǎn)不會(huì)發(fā)生換裝；公式 ⑽ 表示的可變域約束；公式 ⑾ 表示的可變域約束；公示⑿表示公路、鐵路運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用計(jì)算方法；公式 ⒀ 表示水路運(yùn)輸費(fèi)用計(jì)算方法。

3 案例分析

3.1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中段多式聯(lián)運(yùn)分析

以長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中段為例，考慮設(shè)施設(shè)備間的銜接與路網(wǎng)能力限制，研究多式聯(lián)運(yùn)組織方案優(yōu)化及多式聯(lián)運(yùn)節(jié)點(diǎn)布局規(guī)劃問題。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中段多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

鐵路、公路運(yùn)輸費(fèi)用參數(shù)取值如表1所示。

長(zhǎng)江航道通過能力如表2所示。

由表2可以看出，如果考慮到水運(yùn)條件與枯水期等限制，即長(zhǎng)江上游通過能力較小，長(zhǎng)江中下游通過能力較大，則水運(yùn)條件將直接影響多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇。因此，若所選方案中多式聯(lián)運(yùn)路徑包括通過宜昌的水路運(yùn)輸，則需額外計(jì)算翻壩運(yùn)輸費(fèi)用，即通過增加水運(yùn)運(yùn)輸成本，體現(xiàn)水運(yùn)條件對(duì)多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇影響。

圖1 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中段多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Multimodal transport network structure in the middle section of the Yangtze River Economic Belt

表1 鐵路、公路運(yùn)輸費(fèi)用參數(shù)取值Tab.1 Values of the transport cost parameter of railway and road

表2 長(zhǎng)江航道通過能力表Tab.2 Capacity of Yangtze River Channel

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶主要貨運(yùn)OD需求如表3所示。

表3 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶主要貨運(yùn)OD需求表Tab.3 OD demands of main freight transport in the Yangtze River Economic Belt

3.2 長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶中段優(yōu)化方案分析

假設(shè)均使用20 ft集裝箱實(shí)現(xiàn)多式聯(lián)運(yùn)，將費(fèi)用、時(shí)間、能力等參數(shù)輸入Lingo12.0計(jì)算軟件，計(jì)算求得9個(gè)OD對(duì)的多式聯(lián)運(yùn)總成本為59.17萬元，OD間貨流路徑優(yōu)化方案如表4所示。

從表4可以看出，由于設(shè)施設(shè)備銜接問題，大部分港口需要公路短駁，不僅增加了運(yùn)輸成本，而且降低了多式聯(lián)運(yùn)效率，并且由于部分港口鐵路專用線進(jìn)港進(jìn)程推進(jìn)較慢，導(dǎo)致鐵路市場(chǎng)份額較低。在既有運(yùn)輸方案中，大部分鐵水聯(lián)運(yùn)由武漢中轉(zhuǎn)，綜合考慮水域條件、線路能力及翻壩運(yùn)輸成本等因素，結(jié)果符合實(shí)際運(yùn)輸需求。

為了進(jìn)一步分析專用線進(jìn)港對(duì)降低社會(huì)物流成本的作用，假設(shè)所有港區(qū)均有專用線接入，即不需要公路短駁，總成本為48.51萬元，相較第一種情景，鐵路運(yùn)輸占比提升33%，貨物運(yùn)輸時(shí)限提升47%，多式聯(lián)運(yùn)優(yōu)勢(shì)顯著增加。

通過上述2種情景的比較分析可以看出，鐵路專用線進(jìn)港對(duì)港口的集疏運(yùn)組織有效解決了公路短駁費(fèi)用較高、中轉(zhuǎn)成本較高、鐵水聯(lián)運(yùn)占比不高等問題。通過對(duì)優(yōu)化結(jié)果的進(jìn)一步分析，需要重點(diǎn)推進(jìn)武漢、荊州、宜昌等地進(jìn)行專用線進(jìn)港進(jìn)程，以有效降低社會(huì)物流成本。

4 結(jié)束語

多式聯(lián)運(yùn)是顯著提升長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶貨物運(yùn)輸服務(wù)水平與效能的有效手段。在設(shè)備合理應(yīng)用方面，通過運(yùn)籌優(yōu)化方法生成多式聯(lián)運(yùn)路徑，可以進(jìn)一步提升多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸產(chǎn)品質(zhì)量，有效滿足市場(chǎng)需求，對(duì)于發(fā)揮鐵路環(huán)保高效的優(yōu)勢(shì)、提升鐵路在運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的骨干作用具有積極意義。在網(wǎng)絡(luò)資源配置方面，優(yōu)化多式聯(lián)運(yùn)路徑可有效緩解長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶干線運(yùn)輸壓力，為長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供了理論依據(jù)。同時(shí)，設(shè)施設(shè)備的無縫銜接將顯著提升多式聯(lián)運(yùn)組織經(jīng)濟(jì)性與時(shí)效性，是發(fā)揮多式聯(lián)運(yùn)優(yōu)勢(shì)、降低社會(huì)物流成本的重要基礎(chǔ)。由于運(yùn)輸方案的制定具有一定的超前性，后續(xù)的研究可考慮運(yùn)量不確定情境下的多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化問題。

表4 OD間貨流路徑優(yōu)化方案 元Tab.4 Optimal scheme of routing between different OD