基于交通網絡圖算法的馱背運輸路徑選擇研究

安冬冬 , 王浩慶, 易洪波, 常 超

基于交通網絡圖算法的馱背運輸路徑選擇研究

安冬冬1, 王浩慶2, 易洪波3, 常 超4

（1. 四川交通職業(yè)技術學院, 成都 611130；2. 四川交投實業(yè)有限公司, 成都 610023；3. 西南交通大學, 交通運輸與物流學院, 成都 611756；4. 中國鐵路太原局集團有限公司，侯馬車務段, 山西 侯馬 043000）

論文從馱背運輸的政策背景和發(fā)展現狀入手, 分析了現代運輸行業(yè)的未來趨勢, 即全球性與跨區(qū)域性的經濟貿易活動越來越普及, 聯運組織模式是大勢所趨。論文采用交通網絡圖模擬運輸節(jié)點與線路的連接形式, 將實際運行過程中的各項影響成本做了函數分析, 重點提出時間成本、費用成本和交通環(huán)境影響成本三個參數。在算法上, 論文將兩種運輸方式單獨分開, 將模型中首末點和轉運點的成本擬化成一條虛擬的線路, 形成符合傳統(tǒng)最短路Floyd算法的網絡圖形, 并采用計算機編程求得最優(yōu)方案的結果組合。

馱背運輸; 路徑選擇; 交通網絡圖; Floyd算法

0 引 言

隨著國家提出的一帶一路、長江經濟帶等政策的推進，全球性與跨區(qū)域性的經濟貿易活動越來越普及，貨物種類與運輸要求也更加多樣化[1]。在傳統(tǒng)運輸模式中，物流企業(yè)或貨運代理在選擇運輸方式時多考慮的是該種運輸方式的優(yōu)勢是否符合自己的預期需求，缺乏綜合運輸形勢的理念，時間與費用成本較為固定，幾乎沒有下降空間。近年來，交通運輸部、國家發(fā)展改革委等部門出臺了《關于開展多式聯運示范工程的通知》、《推進物流大通道建設行動計劃（2016—2020年）》等多個文件，均建議多種運輸方式聯合運輸，將各自的運輸優(yōu)勢在聯運中發(fā)揮出來，結合中轉站點，完成長距離大運量的貨物運輸，馱背運輸則是加強專業(yè)化聯運設備研發(fā)的重點項 目[2]。如何在實際聯合運輸中使差別化的運輸方式充分發(fā)揮自身特點，如何選擇合理的線路，在選定的節(jié)點中高效的轉運，以滿足現代物流市場中大運量、快速且經濟的需求已成為目前交通運輸業(yè)發(fā)展的重點方向。

1 馱背運輸路徑選擇影響因素分析

馱背運輸是多式聯運中公鐵聯運模式的一種組織方式，由聯運經營人在信息網絡中轉平臺進行運輸組織，運輸過程中不會在中途轉運點進行貨物的拆分與拼裝，僅做運輸工具間簡單的裝卸中轉工作。馱背運輸的流程是汽車在聯運中轉點將自身集裝箱掛車直接開上火車，通過鐵路方式進行長距離運輸后到達目的地再從火車上開下，直接運送到貨主手中，是一種以公路甩掛運輸模式為基礎拓展的公鐵聯運作業(yè)形式[3]。

1.1 馱背運輸過程影響因素

（1）公路運輸

公路運輸是運輸方式中最基本的形式之一，在聯運過程中一般負責短距離接駁與城市內道路運輸，或在鐵路線路繞行較大、首尾節(jié)點城市無鐵路線路到達的情況下進行運輸。公路路線一般在起訖點間有多種選擇，由于受外部環(huán)境的不確定性影響較大，在線路選擇時一般考慮以下幾種因素的影響：

① 自然環(huán)境。道路運輸受天氣影響極大，如夏季與冬季時段，高溫、大霧、大風、雨雪結冰等惡劣天氣較多，貨運車輛運輸速度很慢，運輸安全隱患也較多，也可能因為防曬、防雨、防潮、防凍等措施不夠，導致貨物本身受損。

② 道路環(huán)境。貨物運輸車輛一般體積較大，對道路線形、道路寬度、道路限高限重均有一定的要求，在線路選擇時要重點考慮所選線路的道路環(huán)境。例如一些大件貨物的車輛，若途經橋梁或下穿，最小通過高度則會受到橋梁寬度、最高承載等條件的限制[4]。

③ 交通環(huán)境。運輸任務繁忙的時間段，公路道路常會遇到擁堵情況，特別是在經過城市道路路段。若遇到交通管制、早晚高峰期或一些道路限行政策等，均導致原本運輸時間增長，影響后續(xù)階段的轉運及下一階段的運輸過程。

（2）鐵路運輸

對鐵路運輸而言，線路基礎設施已確定，運載車輛只要滿足運輸相關要求即可，一般在申請時就已組織安排妥當。故路徑的選擇影響因素相較于公路運輸而言較為簡單，主要有以下幾點：

① 自然環(huán)境。受自然災害和季節(jié)天氣的影響，鐵路車輛行車安全性與速度都會降低，但相對于公路運輸而言，影響概率與程度均不大。

② 線路環(huán)境。國家鐵路線路為貨物運輸提供了貨運專列鐵路與客貨共線鐵路兩類。在線路選擇時，往往偏向于選擇干擾較小、開行對數較少的客貨共線鐵路或貨運專列鐵路，但也需要綜合考慮時間成本。此外，鐵路線路也常穿過橋梁與隧道，同公路運輸相同，也需要考慮貨物的尺寸與重量[5]。

總的來說，馱背運輸在運輸過程中受各類影響因素較多，不能一味的以運輸距離作為選擇的唯一標準，應全面綜合性考慮。

1.2 馱背中轉過程影響因素

（1）轉運組織方式

以貨物由鐵路運輸轉運至公路運輸為例，轉運組織方式一般為貨物在車站貨場承運，裝車后向編組站集結，在技術站形成列車，行車至轉運站點時，由各類專業(yè)技術以及與運能相匹配的機械設備對貨物進行裝卸搬運，再由汽車運輸公司將貨物裝車，進行下一階段的運輸[6]。以貨物集裝箱由公路運輸轉運至鐵路運輸為例，采用馱背運輸，該轉運形式一般為貨物由倉庫貨堆場以集裝箱形式進行裝車，行至轉運站點時，牽引車將集裝箱掛車直接開至鐵路平板車上，停妥后甩下掛車離開，該集裝箱掛車由鐵路機車進行下一階段的運輸至前方轉運點，再由另一輛牽引車提前準備等待，開上鐵路平板車，掛上待運集裝箱，繼續(xù)下一階段的運輸。

（2）中轉成本分析

① 中轉時間成本

中轉時間一般指裝卸時間和滯留時間。中轉時間成本指的是貨物公鐵兩種運輸方式轉換所需要花費的總時間，也是貨物運輸車輛進入中轉站點進行換裝所停留的時間。由于運輸時間與線路長度和運輸速度直接相關，整個運輸過程中時間不確定性的因素主要在中轉環(huán)節(jié)，減少中轉環(huán)節(jié)的時間浪費也是提高聯運效率的關鍵[7]。

② 中轉費用成本

中轉費用成本主要包含裝卸搬運費用和貨物倉儲費用等。馱背運輸的貨物體量較大，尤其對于大件貨物，裝卸搬運較復雜，在轉運過程中對機械設備的牽引技術、操作空間和承重能力有著特殊的要求。

2 基于馱背運輸模式的路徑選擇模型與求解

2.1 路徑選擇的成本構成

（1）時間成本（包括公路運輸的交通影響 成本）

隨著運輸需求的多樣化，貨主對馱背運輸模式的時效性需求增加，制定運輸組織方式時，時間成本是運輸路徑選擇考慮的重點。從馱背運輸過程來看，總時間成本包括各階段的運輸時間（線段上的時間阻抗）與轉運點的中轉時間（節(jié)點上的時間阻抗）兩個部分[8]。

此外，在計算公路運輸時間成本時，需要考慮交通影響成本。由于馱背運輸在公路運輸階段時都是由大型貨運車輛承擔運輸，對自身車道前后車輛和相鄰車道的車輛均有一定的影響?；旌宪嚨赖能囆筒煌?，導致通行速度與單位時間交通量都很難達到道路設計通行能力，嚴重時會造成路段擁堵，直接影響運輸過程中的時間成本，故馱背運輸車輛在公路運輸過程中對周圍交通影響的成本不能忽視，需在路徑選擇中考慮。在計算公路運輸時間成本時，設置交通影響系數，作為后續(xù)分析目標函數的路阻函數系數之一。公路運輸方式的交通影響系數主要考慮大型車輛對公路通行能力的影響，故在計算時將該系數參照《道路通行能力》手冊[9]中大型車輛的影響系數公式：

Tab.1 Conversion coefficient of vehicles in the road section

目標函數：

式中：

——運輸距離，km；

——運行速度，km/h；

——貨運量，t；

——單位時間轉運能力，t/h；

（2）費用成本

費用成本是指在托運人選擇馱背運輸方式時所需要支付的金錢費用，涵蓋運輸費用和中轉費用兩個方面[10]。鐵路運輸方式費用成本主要以基本運價為主，另由雜費以及其他費用共同組成，基本運價包含發(fā)到基價和運行基價，其中發(fā)到基價為一次性支付的定值，運行基價為與運輸距離相關的單位重量運價[11]。公路運輸方式費用成本根據不同的運輸形式計算方式有所不同，例如整車、零擔、集裝箱各自都有自己的收費模式。由于馱背運輸貨物的特征一般為大運量貨物，為方便后續(xù)建模和求解，這里選擇整車運輸作為公路運輸的代表，帶入后文運輸費用成本的計算。

中轉費用成本一般由貨物的換裝量、換裝設備和換裝技術所決定[12]。在實際收費時，一般會直接根據貨物的種類提供轉運基價供運輸企業(yè)選擇。為簡化模型，論文在計算中轉費用時，直接用貨物的運載量與單位中轉價格的乘積帶入模型。

2.2 基于交通網絡圖算法的路徑選擇模型

某生產企業(yè)有一批貨物需要從生產地運往銷售地（如圖1所示），起終點城市倉庫已確定，運輸空間范圍內有多條線路可以選擇，采用馱背運輸方式。在此情景下，論文建立基于交通網絡圖的馱背運輸路徑選擇模型，主要解決的問題是在考慮整體時間成本、費用成本和交通影響的基礎上，選擇從貨物起運地至到達地的最優(yōu)運輸方式和運輸路徑，使得時間成本（包括公路運輸的交通影響成本）、費用成本在權重已定的情況下綜合值最小。

圖1 馱背運輸路網示意圖

根據以上條件，模型做出以下假設[13]：

（1）在交通網絡圖中，起終點間任意兩個網絡節(jié)點均雙向聯通，同種運輸方式在兩節(jié)點間往返兩個方向的線路阻抗值相等。

（2）貨物運量在起終點間無變化，貨物在網絡節(jié)點上最多發(fā)生一次運輸形式的變換。

（3）任意兩個相鄰節(jié)點間均按照一定的速度勻速運輸，且各條公路運輸中馱背運輸車輛對道路交通影響程度一致。

（4）同種運輸形式在不同路段上運輸速度無差別，單位運價固定。

（5）起訖兩點的裝貨與卸貨時間和費用按照轉運點的單位成本的一半計入總成本。

約束條件如下：

（1）兩種運輸方式承運能力的約束，貨物作為整體形式存在，經過路徑中某個路段時，貨物的運量在道路及運載工具的能力承受范圍之內。

（2）網絡中各中轉節(jié)點轉運能力的約束，在繪制交通網絡圖時，已將轉運能力不夠的中間節(jié)點刪去，一次馱背運輸的貨運量不能大于各中轉節(jié)點轉運能力。

（3）運輸方式在各路段上的唯一性約束，任意兩個相鄰節(jié)點間僅能選擇一種運輸方式。

（4）在任意轉運節(jié)點上運量的約束，聯運貨物總運量在運輸過程中一直保持一致，進入和駛出中轉節(jié)點時貨物運量無變化。

2.3 模型求解

論文利用Floyd算法進行最短路求解，由于馱背運輸的Floyd模型進行算法研究時與傳統(tǒng)的圖論算法有差異[14]。在進行算法設計的同時，需要解決以下幾個問題：

（1）如圖2所示，起終點均有兩種運輸方式可選，且起點和終點也需要進行貨物的裝和卸兩個過程。為了便于表示，先將起終點轉化為倉庫點、公路運裝點、鐵路運裝點三個節(jié)點。

圖2 馱背運輸網絡圖點成本轉化為線成本示意圖 （起終點）

（2）傳統(tǒng)的網絡圖在節(jié)點之間僅有一條線段代表阻抗。馱背運輸路徑選擇問題中，任意相鄰兩點均可選擇兩種運輸方式，在設計算法時，可將每個中轉接點轉化為兩個點分別代表公路運輸與鐵路運輸的固定節(jié)點，故在圖3中每條線段在實際狀況下由4條線段表達。

圖3 馱背運輸網絡圖點成本轉化為線成本示意圖 （內部節(jié)點）

（3）在傳統(tǒng)最短路徑算法中，節(jié)點處沒有阻抗[15]，在選擇時僅考慮邊的阻抗值。馱背運輸路徑選擇問題中，若選擇某一轉運點，則在該點上就包含了時間成本和費用成本。在設計算法時，需要將每個節(jié)點擴大為兩個節(jié)點，并在其間用線段相連，代替表達運輸方式的轉運過程，其線段的阻抗值即為該點的轉運成本，起終點同理。也就是說，若在某一點發(fā)生轉運，就需要通過運輸方式轉換的這條虛擬的線段，若沒有，則可以以該運輸方式的固定節(jié)點進入下一步。

論文利用Java語言，對問題的算法進行描述。該算法以圖4所示流程實現。

圖4 馱背運輸路徑選擇模型算法流程圖

總的來說，整體算法中最核心的代碼共5行，如下所示：

for（=1；<=；++）

for（=1；<=；++）

for（=1；<=；++）

if（dis[][]> dis [][] + dis [][]）

dis [][] = dis [][] + dis [][]；

3 算例分析

M市某生產企業(yè)生產一批貨物，在行業(yè)市場上產品特點較為突出不可替代性較明顯，現N市某企業(yè)訂購一批該貨物共600 t，時間敏感系數為0.55，該貨物運輸任務由某馱背運輸企業(yè)承擔。論文以M市為起點，N市為終點，沿途各大型城市為中轉節(jié)點，繪制簡化如圖5所示交通網絡圖，各線段的運輸方式均有鐵路和公路兩種。在該案例中，將網絡中各線段與各節(jié)點作為研究對象，為馱背運輸經營企業(yè)與貨物托運人選擇一條成本合理、運輸高效的運輸路徑。

圖5 案例網絡圖（單位：km）

在上圖中，起終點用M點與N點表示，中途分別有A、B、C、D、E、F共6個轉運節(jié)點，任兩點間能夠相互互通的路段共有11條。線段上數字左為公路運輸距離，右為鐵路運輸距離。各點間線路長度、各轉運節(jié)點的轉運作業(yè)單位成本和速度單價見表2至表4。

初步計算得出算法初始線路阻抗矩陣表如表5所示。將該案例網絡圖按照上述算法設計的思路重新繪制，形成代入模型的基礎網絡圖（圖6所示），圖中數字代表計算得出的線路阻抗值。

表2 案例網絡圖各線路長度表

Tab.2 Length of each line in the network diagram of the case

表3 案例網絡圖各節(jié)點轉運單位成本表

Tab.3 Network diagram of the case unit cost of each node transfer

表4 兩種運輸方式運輸速度與運輸單價表

Tab.4 Transportation speed and unit price of two modes of transportation

圖6 案例網絡模型計算圖

表5 案例網絡模型初始矩陣表

Tab.5 Initial matrix of the case network model

續(xù)表5

MM1M2A1A2B1B2C1C2D1D2E1E2F1F2N1N2N E1 12.36 00.171.28 10.02 E2 12.27 0.170 1.64 10.84 F1 13.22 1.28 00.1713.00 F2 14.11 1.640.170 11.66 N1 10.02 13.00 0 0.10 N2 10.84 11.66 00.10 N 0.100.100

將案例數據代入模型后的結果表明，在案例中貨物托運人僅需要提供貨物的運量600t與時間敏感系數值0.55，系統(tǒng)可以通過預先編輯好的路網，獲得轉換后的路網各段阻抗值。經過Floyd算法程序計算，得出最優(yōu)路徑方案結果為M→ B→A→C→E→N，從M→E為鐵路運輸并在E點進行運輸方式轉換，由鐵路運輸方式轉換為公路運輸方式，整個聯運方案的時間成本為40.3 h，費用成本為464 490元。

4 結束語

在考慮貨物托運人的時間敏感系數的基礎上尋找最優(yōu)路徑方案（路線選擇和運輸方式組合），這與傳統(tǒng)網絡圖最短路徑單一目標值的問題解決方法并不一樣。相同運輸線路下運輸轉運點選擇的不同會直接影響運輸時間成本與費用成本，轉運點固定的情況下運輸線路不同也會有不同的方案結果。利用改進后的交通網絡圖Floyd算法，將轉運成本轉化到虛擬線路上，從而使整個運輸過程成本計算更加清晰，為聯運企業(yè)選擇最優(yōu)方案提供更方便的解決思路。

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Route Selection of Piggyback Transport Based on Traffic Network Graph Algorithms

AN Dong-dong1, WANG Hao-qing2, YI Hong-bo3, CHANG Chao4

（1. Sichuan Vocational and Technical College of Communications, Chengdu 611130, China;2. Sichuan Transportation Invetsment Industrial Co., Ltd. Chengdu 610023, China; 3. School of Transportation and logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 4. Houma train depot, China Railway Taiyuan Group Co., Ltd. Houma 043000, China）

In this study, the development of the modern transport industry is analyzed, starting from the policy background and development status of piggyback transport. Global and cross-regional economic and trade activities are becoming more popular, and the need for a multimodal transport organization model is vital. In this study, a transportation network graph is used to simulate the connection between the transportation nodes and lines, and subsequently, the influence cost in the actual operation process is analyzed. Three parameters (time cost, expense cost, and traffic environment influence cost) are proposed. In the algorithm, the two modes of transportation were separated, and the cost of the first and last points and transshipment points were simulated in the model in a virtual line. The paper forming network graphics conforming to the traditional shortest path Floyd algorithm was determined, and computer programming was used to obtain the optimal combination of the results.

piggyback transport; route selection; traffic network diagram; Floyd algorithm

1672-4747（2020）02-0039-08

U294

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.02.005

2019-06-13

安冬冬（1990—），女，回族，安徽鳳陽人，講師，主要從事交通運輸規(guī)劃與管理、交通安全方向研究，E-mail：andongdong.1990@163.com

安冬冬, 王浩慶, 易洪波, 等. 基于交通網絡圖算法的馱背運輸路徑選擇研究[J]. 交通運輸工程與信息學報, 2020, 18（2）：39-46.

（責任編輯：李愈）