砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流方案優(yōu)化探討

金 偉

JIN Wei1，2

（1.中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中國鐵路北京局集團有限公司 貨運部，北京 100055)

(1.School of Traffic and Transportation Engineering， Central South University， Changsha 410075， Hunan， China；2.Freight Department， China Railway Beijing Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China)

0 引言

砂石骨料是工程建設(shè)中混凝土和堆砌石等構(gòu)筑物的主要建筑材料。近年來，隨著城市規(guī)模的擴大和空間布局規(guī)劃的調(diào)整，城市現(xiàn)代化建設(shè)和集約化改造對砂石骨料物流提出更高的要求。同時，大城市的土地利用、交通擁堵及環(huán)境污染問題突顯，減少城市內(nèi)公路貨運車輛，加快城市綠色物流體系建設(shè)勢在必行。而城市鐵路物流基地逐步外遷建設(shè)，城市內(nèi)許多既有鐵路貨場處于閑置狀態(tài)，物流功能難以得到有效發(fā)揮。從日本、法國等發(fā)達國家發(fā)展經(jīng)驗來看，“外集內(nèi)配”已經(jīng)成為大型城市綠色物流體系發(fā)展的重要趨勢之一。作為混凝土、堆砌石等構(gòu)筑物的主要建筑材料，砂石骨料是城市供應(yīng)物資中需求規(guī)模最大的品類，年市場需求量高達200 億t。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展相關(guān)研究。在“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流體系頂層研究方面，王涵晴等[1]提出城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流體系總體架構(gòu)及路徑；在城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流體系建設(shè)方面，楊海濤[2]結(jié)合天津市物流運輸現(xiàn)狀，研究天津市“3+11”綠色物流體系建設(shè)方案，李東力[3]基于北京市鐵路貨場布局情況，探討北京市城市鐵路物流“2+9”節(jié)點布局方案以及智慧物流云平臺建設(shè)方案，張夢琪[4]針對上海樞紐城市配送需求，分析上海市“外集內(nèi)配近港”城市配送整體架構(gòu)及“3+6+4”節(jié)點布局方案；在砂石骨料鐵路運輸方面，王建設(shè)等[5]結(jié)合砂石骨料企業(yè)調(diào)研情況，構(gòu)建北京砂石骨料綠色供應(yīng)鏈建設(shè)方案，楊春雷等[6]研究砂石骨料鐵路集裝化運輸模式。

這些研究雖然針對城市砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色物流進行探索，但是缺乏對砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流方案的研究。因此，針對當(dāng)前城市內(nèi)部鐵路貨場功能定位與城市發(fā)展定位不匹配的突出問題，通過構(gòu)建砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流方案優(yōu)化模型，從定量化的角度為北京市設(shè)計砂石骨料綠色鐵路物流方案，有助于減少公路運量，緩解大氣環(huán)境污染，改善城市交通擁堵，保障城市建設(shè)質(zhì)量。

1 砂石骨料城市綠色物流模式需求分析

隨著運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整戰(zhàn)略不斷深入推進，煤炭、礦石等大宗物資“公轉(zhuǎn)鐵”行動已經(jīng)取得顯著成效。砂石骨料作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要原材料之一，市場需求量巨大，但目前仍以公路運輸為主，未來將成為“十四五”時期“公轉(zhuǎn)鐵”重點品類。

1.1 砂石骨料物流模式

砂石骨料傳統(tǒng)物流模式中，主要環(huán)節(jié)包括開采(礦山)、運輸、加工(攪拌站)、使用(建筑工地)，砂石骨料傳統(tǒng)物流模式如圖1 所示。以北京市為例，砂石骨料主要從張家口、承德、唐山等區(qū)域的礦山開采，由欄板式敞篷重型柴油貨車運輸至城市內(nèi)攪拌站，在攪拌站加工形成水泥混凝土、瀝青混凝土等各類建筑原材料，再由水泥罐車在市內(nèi)配送至建筑工地，全程平均運輸距離約200 km。

圖1 砂石骨料傳統(tǒng)物流模式Fig.1 Traditional logistics mode of sand and gravel aggregate

受到鐵路兩端裝卸、短駁成本限制，當(dāng)運輸距離超過500 km 時，鐵路運輸成本才能低于公路運輸成本，因此貨主普遍選擇公路運輸承擔(dān)砂石骨料物流干線運輸環(huán)節(jié)，由此導(dǎo)致嚴(yán)重的城市道路擁堵及環(huán)境污染問題。以北京市為例，全市砂石骨料年需求量為1 億t，為運輸?shù)V建材料需要重柴貨車約1 萬輛次/d，每年將帶來1.9 萬t 污染物排放，成為導(dǎo)致城市道路擁堵和環(huán)境污染的重要影響因素。

綜上分析，相比于其他品類，砂石骨料運輸體量大而且對時效要求相對白貨較低，可以作為最具“公轉(zhuǎn)鐵”潛力的貨類。因此，適合借鑒城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流發(fā)展思路，將砂石骨料干線運輸轉(zhuǎn)移至鐵路，以緩解砂石骨料物流過程中產(chǎn)生的負面效應(yīng)。

1.2 城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式

城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流是一種以公鐵聯(lián)運為主要特征的城市物流新模式，充分利用深入城市腹地的既有鐵路貨場及干線運輸資源，由鐵路承擔(dān)城市供應(yīng)物資從產(chǎn)地向城內(nèi)鐵路貨場的干線運輸，由新能源汽車進行“最后一公里”共同配送，構(gòu)建全程綠色的城市供應(yīng)物資物流供應(yīng)鏈。根據(jù)物流節(jié)點及運輸組織的差異，可以將城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流分為以下3 種模式[1]。

模式1：由產(chǎn)地向城外物流基地(即外集點)開行直達班列，在物流基地內(nèi)對城市供應(yīng)物資進行集結(jié)、加工、倉儲、包裝等，再通過向城市內(nèi)鐵路貨場(即內(nèi)配點)開行的小運轉(zhuǎn)列車實現(xiàn)物資向城市內(nèi)部轉(zhuǎn)運，最后利用新能源汽車進行“最后一公里”配送。此種模式適應(yīng)于糧油、果蔬等生活物資的物流過程，此類物資銷地分布于城市內(nèi)部，且每個銷地需求量較少，需要外集點發(fā)揮蓄水池功能，由小運轉(zhuǎn)列車實現(xiàn)市區(qū)內(nèi)各銷地間的調(diào)配。城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式1 如圖2 所示。

圖2 城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式1Fig.2 Urban “External Gathering and Internal Distribution” green railway logistics model 1

模式2：由產(chǎn)地直接向城市內(nèi)部鐵路貨場開行直達班列，利用新能源汽車進行“最后一公里”配送。此種模式適應(yīng)于鋼鐵、砂石骨料等生產(chǎn)物資的物流過程，此類物資銷地分布于城市內(nèi)部，且銷地具備品類整列到達需求，不需要再經(jīng)過外集點進行調(diào)配。城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式2 如圖3 所示。

模式3：由產(chǎn)地向城外物流基地開行直達班列，利用新能源汽車進行最后一公里配送。此種模式適應(yīng)于農(nóng)業(yè)機械、工業(yè)機械等，此類物資銷地在城市外圍，不需要通過鐵路進入城市內(nèi)部。城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式3 如圖4 所示。

圖3 城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式2Fig.3 Urban “External Gathering and Internal Distribution” green railway logistics model 2

圖4 城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式3Fig.4 Urban “External Gathering and Internal Distribution” green railway logistics model 3

1.3 砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式需求

對標(biāo)城市“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流3 種模式的適應(yīng)場景，砂石骨料適合采用模式2 進行運輸，砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式如圖5所示。

砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式與傳統(tǒng)物流模式相比，在干線運輸、城市內(nèi)節(jié)點組織、城市配送等環(huán)節(jié)存在較大差異，因此在進行物流

方案設(shè)計時，需要在運輸時效、公鐵聯(lián)運、場站布局等方面滿足個性化要求。

（1）運輸高時效性要求班列客車化開行。相較于普通大宗品類運輸，砂石骨料對時效性要求更高，需要穩(wěn)定準(zhǔn)時的運輸產(chǎn)品提供運力保障。因此，砂石骨料在干線運輸過程中，需要在固定發(fā)與到站之間，有固定的車次和運行線、明確的開行周期和運行時刻，按照“客車化”模式組織開行鐵路砂石骨料班列。

圖5 砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式Fig.5 Green railway logistics model of “External Gathering and Internal Distribution” of sand and gravel aggregate

（2）公鐵無縫聯(lián)運要求定制化班列方案。為降低物流過程中倉儲成本，緩解城市鐵路貨場物資倉儲壓力，應(yīng)該從需求側(cè)出發(fā)，以實現(xiàn)鐵路貨場“零庫存”為目標(biāo)，制定適應(yīng)城市內(nèi)部攪拌站需求的砂石骨料運輸班列開行方案。

（3）供需分布差異要求優(yōu)化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。深入分析砂石骨料產(chǎn)銷分布情況，合理規(guī)劃鐵路卸車節(jié)點，盡量減少鐵路干線運輸距離及新能源汽車末端配送距離，降低砂石骨料物流成本。

2 砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流方案優(yōu)化方法

基于砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流模式需求，以“鐵路干線運輸距離+新能源汽車末端配送距離”最小為目標(biāo)，考慮產(chǎn)地生產(chǎn)能力、鐵路貨場裝卸能力、攪拌站需求約束，提出砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流方案優(yōu)化方法。

2.1 基本假設(shè)

已知條件：①由裝車點到城市鐵路貨場、由城市鐵路貨場到攪拌站的單位運輸價格和運距均已知；②城市鐵路貨場的裝卸能力已知；③攪拌站的需求已知；④砂石骨料具有同質(zhì)性，攪拌站對砂石骨料沒有特殊要求；⑤鐵路運輸過程采用直達列車。

假設(shè)有I個砂石骨料裝車點向J個城市鐵路貨場輸送砂石骨料，每個裝車點i可以從臨近產(chǎn)地最多提供Si的砂石骨料，i∈ (1，2，…，I)，裝車點i最大裝卸能力為Ai。同時J個城市鐵路貨場向K個攪拌站進行砂石骨料配送，每個鐵路貨場j的最大裝卸能力為Bj，j∈ (1，2，…，J)，每個攪拌站k的需求總量為Ck，k∈ (1，2，…，K)。砂石骨料“外集內(nèi)配”運輸過程如圖6 所示。

2.2 模型構(gòu)建

基于以上假設(shè)及問題描述，建立模型為

圖6 砂石骨料“外集內(nèi)配”運輸過程Fig.6 Transportation process of “External Gathering and Internal Distribution” of sand and gravel aggregate

式中：Ri,j表示裝車點i與鐵路貨場j間的鐵路運價，與運輸距離成正比；Tj,k表示鐵路貨場j與攪拌站k間的公路運價，與運輸距離成正比；xi,j為決策變量，表示裝車點i為鐵路貨場j運輸砂石骨料的數(shù)量；yj,k為決策變量，表示鐵路貨場j向攪拌站k運輸砂石骨料的數(shù)量；zj為0，1 變量，如果備選鐵路貨場j被選中，則zj= 1，否則為0。

式 ⑴ 為目標(biāo)函數(shù)，代表鐵路運輸段與公路運輸段總費用最小；式 ⑵ 至式 ⑸ 為供給與需求約束，式 ⑵ 表示裝車點裝車量小于裝車點附近產(chǎn)地的產(chǎn)量，式 ⑶ 表示裝車點裝車量小于裝車點最大裝卸能力，式 ⑷ 表示裝車點為內(nèi)配點運輸?shù)奈镔Y量小于該場站的裝卸能力，式 ⑸ 表示內(nèi)配點向末端節(jié)點運輸?shù)墓┙o量大于末端節(jié)點的需求量；式 ⑹ 為零庫存約束，表示內(nèi)配點調(diào)出物資總量等于調(diào)入物資總量；式 ⑺ 為0-1 變量約束，如果備選內(nèi)配點j被選中則為1，否則為0；式 ⑻ 至式 ⑼ 為決策變量非負約束。

3 北京市砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流方案優(yōu)化設(shè)計

隨著城市化進程推進，北京市建筑砂石骨料缺口逐年增大，年缺口量在1 億t 左右[7]，基本通過柴油貨車從砂石料礦區(qū)運輸至北京市行政區(qū)域內(nèi)的148 個攪拌站。隨著近年來環(huán)境治理、公路治超、大型車輛限行等政策影響，公路運輸砂石料進京受到制約，“公轉(zhuǎn)鐵”需求極為迫切。

3.1 北京市砂石骨料產(chǎn)銷分布

（1）北京市砂石骨料產(chǎn)地貨源分布。北京市砂石骨料產(chǎn)地主要分布在灤州市、遷安市、灤平縣、承德縣、易縣、淶源縣、宣化縣、定州市、望都縣等區(qū)域[8]，年產(chǎn)量在1 億t 以上。北京市砂石骨料產(chǎn)地及鐵路裝車站點如表1 所示。

表1 北京市砂石骨料產(chǎn)地及鐵路裝車站點Tab.1 Sand and gravel aggregate origin and railway loading sites in Beijing

（2）北京市砂石骨料市場需求分布。砂石骨料(砂石料)購買方主要為混凝土攪拌公司。目前北京市主要混凝土攪拌站、瀝青廠共148 家，主要分布在北京三環(huán)以外。北京市主要國有瀝青廠和攪拌站廠年生產(chǎn)能力6 000 萬t，其中，北京金隅集團有限責(zé)任公司年產(chǎn)量1 700 萬t，北京建工集團有限責(zé)任公司年生產(chǎn)量1 300 萬t，北京住總集團有限責(zé)任公司年產(chǎn)量1 000 萬t，北京城建集團有限責(zé)任公司年產(chǎn)量1 000 萬t，北京建工路橋集團有限公司年產(chǎn)量1 000 萬t。北京市混凝土攪拌站與瀝青廠分布表如表2 所示。

表2 北京市混凝土攪拌站與瀝青廠分布表Tab.2 Distribution of concrete mixing plant and asphalt plants in Beijing

3.2 北京市砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色物流方案

（1）節(jié)點選擇。北京市范圍內(nèi)共有46 個鐵路貨運站點，可以作為砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流方案優(yōu)化模型中城市鐵路貨場備選集合，使用LINGO11 對模型進行求解，可以求得全局最優(yōu)解。最終選擇8 個裝車站點、8 個卸車站點，北京市砂石骨料綠色物流節(jié)點規(guī)劃方案如表3 所示。

表3 北京市砂石骨料綠色物流節(jié)點規(guī)劃方案Tab.3 Node planning scheme of Beijing’s sand and gravel aggregate green logistics

圖7 北京市砂石骨料綠色物流通道規(guī)劃方案Fig.7 Channel planning scheme of Beijing’s sand and aggregate green logistics system

（2）鐵路物流方案?；谀Ｐ陀嬎憬Y(jié)果，北京市砂石骨料綠色物流通道規(guī)劃方案如圖7 所示，北京市砂石骨料綠色物流鐵路班列開行方案如表4 所示。依托京通線、京哈線、京廣線、京原線、京包線(北京—包頭)上的8 個鐵路裝車點以及北京市內(nèi)8 個鐵路卸車點，每日在13 條通道上開行“客車化”砂石骨料進京班列，實現(xiàn)產(chǎn)區(qū)與發(fā)站鐵路貨場(專用線)、鐵路干線站到站、北京市到達鐵路貨場(專用線)與攪拌站全程集裝化公鐵聯(lián)運，為客戶提供全程物流服務(wù)。

表4 北京市砂石骨料綠色物流鐵路班列開行方案Tab.4 Beijing’s sand and gravel aggregate green logistics train operation plan

4 結(jié)束語

北京市砂石骨料綠色物流體系建設(shè)，對落實中央運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整、打贏污染防治攻堅戰(zhàn)和藍天保衛(wèi)戰(zhàn)戰(zhàn)略部署，助力鐵路貨運增量行動，降低北京市物流成本具有積極的作用。立足鐵路綠色低碳的比較優(yōu)勢，通過構(gòu)建“8+8+13”的砂石骨料“外集內(nèi)配”綠色鐵路物流方案，可以加強北京市砂石骨料的供給能力，保障首都工程的建設(shè)進度，同時可以提升市內(nèi)鐵路貨場經(jīng)營活力，盤活閑置貨場資源，有效推動物流業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展邁進。