碳排放的鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化研究

崔虎

摘 要：在鐵路中集裝箱運(yùn)輸方式具有重要的發(fā)展意義，集裝箱多式聯(lián)運(yùn)優(yōu)勢(shì)較多，能夠提高貨物的運(yùn)輸效率和效益，提高客戶的滿意度，而且還有助于降低環(huán)境污染，尤其是鐵路運(yùn)輸方式的使用，相對(duì)于公路而言，能夠大幅度降低能源消耗和碳排放量。在我國(guó)不斷強(qiáng)調(diào)和提倡節(jié)能環(huán)保的理念下，降低鐵路運(yùn)輸過(guò)程中的碳排放量有助于保護(hù)環(huán)境。于是文章主要研究考慮碳排放量下鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的路徑優(yōu)化。在建模過(guò)程中主要以碳排放成本和運(yùn)輸成本作為目標(biāo)，使得兩者的綜合成本最低為最優(yōu)運(yùn)輸路徑。建模完成之后進(jìn)行算例分析，將考慮碳排放和不考慮碳排放的總成本進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，文章所研究的模型其碳排放量能夠降低40%左右。

關(guān)鍵詞：碳排放;集裝箱;多式聯(lián)運(yùn);路徑優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U116.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）10-0193-04

Research on Optimization of Railway Container Multimodal Transportation Path Based on Carbon Emission

Cui Hu

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China）

Abstract：Container transportation in railways has important development significance. Container multimodal transportation has many advantages， which can improve the efficiency and benefit of cargo transportation， increase customer satisfaction， and also help reduce environmental pollution， especially railway transportation. The use of transportation methods can greatly reduce energy consumption and carbon emissions compared to roads. With the continuous emphasis and promotion of energy conservation and environmental protection in our country， reducing carbon emissions during railway transportation will help protect the environment. Therefore， the paper mainly studies the route optimization of railway container multimodal transportation under the consideration of carbon emissions. In the modeling process， carbon emission cost and transportation cost are mainly used as targets， so that the lowest comprehensive cost of the two is the optimal transportation route. After the modeling is completed， a case study will be performed to compare the total cost with and without carbon emissions. The results show that the model studied in this paper can reduce carbon emissions by about 40%.

Key words：carbon emissions; container; multimodal transportation; route optimization

隨著我國(guó)鐵路的不斷發(fā)展和完善，鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸發(fā)展迅速，因?yàn)槭褂眠@種方式能夠?qū)Χ喾N運(yùn)輸方式進(jìn)行綜合運(yùn)用，能夠使得每一種運(yùn)輸方式發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)和作用，較大程度上提高運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。另外，在追求經(jīng)濟(jì)化發(fā)展的同時(shí)，難免會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大傷害，溫室效應(yīng)、全球變暖、環(huán)境惡化使得人類不得不重視碳排放。各行各業(yè)已經(jīng)向低碳化發(fā)展，有數(shù)據(jù)表明，交通運(yùn)輸行業(yè)在溫室氣體（二氧化碳）排放量上占據(jù)總排放量的1/4，所以非常有必要降低交通運(yùn)輸行業(yè)的碳排放量[3-4]。使用集裝箱多式聯(lián)運(yùn)形式進(jìn)行運(yùn)輸就屬于一種綠色、高效的運(yùn)輸方式，而且還有助于降低運(yùn)輸成本，推進(jìn)鐵路貨運(yùn)市場(chǎng)化改革，實(shí)行多式聯(lián)運(yùn)，對(duì)低碳運(yùn)輸具有重要意義[5-8]。于是文章在考慮碳排放的基礎(chǔ)之上，對(duì)鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化，目的在于降低碳排放、降低運(yùn)輸成本。

1 考慮碳排放的模型建立

1.1 問(wèn)題描述及其基本假設(shè)

貨物運(yùn)輸方面會(huì)消耗很多能源，并且增加碳排放量，使得環(huán)境惡化嚴(yán)重，雖然使用鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)有助于降低碳排放量，但是為了進(jìn)一步降低碳排放量，有必要進(jìn)行路徑優(yōu)化。在降低碳排放量的同時(shí)，還需要重視降低運(yùn)輸成本，當(dāng)然，在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中，需要考慮的因素非常多，不僅包含運(yùn)輸成本和碳排放量，還有客戶滿意度、運(yùn)輸可靠性、運(yùn)輸時(shí)間等，由于文章主要研究碳排放量下的路徑優(yōu)化問(wèn)題，所以主要以運(yùn)輸成本和碳排放這兩個(gè)成本作為目標(biāo)，使其兩者成本之和達(dá)到最低化，構(gòu)建運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型。

基本假設(shè)如下：

（1）每種運(yùn)輸方式在運(yùn)輸過(guò)程中的速度保持不變;

（2）在節(jié)點(diǎn)處只能選擇一種運(yùn)輸方式;

（3）節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)之間運(yùn)輸方式不會(huì)發(fā)生改變;

（4）集裝箱貨物在等待運(yùn)輸過(guò)程中的存儲(chǔ)時(shí)間不考慮在模型中;

（5）每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠完成多有貨物的中轉(zhuǎn)工作。

1.2 碳排放量計(jì)算

計(jì)算碳排放量的常用方式有兩種，分別為自下而上和自上而下，由于自下而上這種計(jì)算方式需要收集很多數(shù)據(jù)，難度比較大，所以本文采用自上而下這種方式對(duì)碳排放量進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算不同工具的碳排放量時(shí)，將會(huì)從節(jié)點(diǎn)之間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)這兩個(gè)方面分別計(jì)算碳排放量。

（1）節(jié)點(diǎn)之間運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕坑?jì)算。計(jì)算碳排放量過(guò)程中，其中最重要的影響因素為碳排放因子EPk和能源消耗量。另外，燃燒消耗量主要由能耗系數(shù)Ek決定，又因?yàn)槊糠N燃料會(huì)有不同的能耗系數(shù)，所以計(jì)算碳排放量時(shí)，統(tǒng)一使用柴油作為每種運(yùn)輸方式的燃料。最后設(shè)計(jì)的碳排放量Wijk計(jì)算公式如下：

其中考慮了運(yùn)輸距離dijk、耗能系數(shù)和運(yùn)輸量qijk。

通過(guò)查表之后可以得知3種不同運(yùn)輸方式的能源消耗系數(shù)如表1所示，使用柴油作為燃料的凈熱值Mk和碳排放因子分別為4.60×10-5TJ/kg和7.41×104TJ/kg。然后將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到上述公式中能夠得到表2所示的3種不同運(yùn)輸方式的單位能耗和單位碳排放量Tk。從表2中可以看出，鐵路運(yùn)輸造成的碳排放量最少，其次為水路，碳排放量最嚴(yán)重的為公路運(yùn)輸。所以在考慮碳排放的路徑優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)該盡可能的多使用鐵路和水路進(jìn)行貨物運(yùn)輸。

（2）節(jié)點(diǎn)內(nèi)運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換的碳排放量計(jì)算。由于節(jié)點(diǎn)內(nèi)會(huì)存在不同的運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換，在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生碳排放量，所以有必要對(duì)該部分的碳排放量進(jìn)行計(jì)算，其排放量公式如下：

表3即為4種不同運(yùn)輸方式之間的轉(zhuǎn)換所設(shè)計(jì)到的碳排放系數(shù)表。

1.3 碳排放成本計(jì)算

碳稅制度屬于一種對(duì)碳排放進(jìn)行征稅的制度，相比于碳排放權(quán)交易制度實(shí)施更加容易，通過(guò)計(jì)算碳排放量，然后適當(dāng)收取費(fèi)用，使用這種方式將會(huì)更加有助于集裝箱運(yùn)輸碳排放量向碳成本的轉(zhuǎn)化。有研究表明，在短期之內(nèi)碳稅率在10%～20%比較合適，然后本文將基礎(chǔ)碳稅設(shè)置為20元/t。于是就可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)的碳排放總量轉(zhuǎn)化為碳排放成本，集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的碳排放總成本E公式如下：

式（4）中，ω表示的是碳稅價(jià)格;M為節(jié)點(diǎn)城市集合;N為運(yùn)輸方式集合;xijk和yijk表示01變量。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j之間存在k運(yùn)輸方式時(shí)，xijk=1，否則為0;當(dāng)在節(jié)點(diǎn)i內(nèi)時(shí)，運(yùn)輸方式從k轉(zhuǎn)換為s時(shí)，則yijk=1，否則為0。

1.4 運(yùn)輸費(fèi)用成本計(jì)算

計(jì)算運(yùn)輸費(fèi)用成本包含兩個(gè)方面，首先為節(jié)點(diǎn)之間的在途運(yùn)輸成本，然后還包含節(jié)點(diǎn)內(nèi)的中轉(zhuǎn)成本。下面將對(duì)這兩種不同的運(yùn)輸費(fèi)用進(jìn)行分別分析。

（1）在途運(yùn)輸成本。在途運(yùn)輸成本會(huì)因?yàn)檫\(yùn)輸方式的不同而不同，首先針對(duì)于公路運(yùn)輸成本，該成本與很多因素都存在關(guān)聯(lián)，其中最重要的與集裝箱運(yùn)輸數(shù)量q、單位基本運(yùn)價(jià)c1、運(yùn)輸里程d公、運(yùn)輸箱次數(shù)c2等因素有關(guān)，所以通過(guò)綜合考慮之后，集裝箱公路運(yùn)輸成本的公式如下：

鐵路運(yùn)輸成本的公式如下所示，其中只考慮了運(yùn)價(jià)和電氣附加費(fèi)對(duì)成本的影響。其中基價(jià)1和基價(jià)2如表4所示。

式（6）中，c鐵1和c鐵2分別表示基價(jià)1和基價(jià)2，fdh為鐵路運(yùn)輸電氣化附加費(fèi)費(fèi)率，d鐵表示運(yùn)輸里程。

集裝箱的水路運(yùn)輸成本通過(guò)航線運(yùn)價(jià)進(jìn)行計(jì)算，其公式如下所示：

式（7）中，c航線表示的水運(yùn)單價(jià);cf表示的水路運(yùn)輸附加費(fèi)。

通過(guò)上述對(duì)3種不同運(yùn)輸方式的在途運(yùn)輸成本進(jìn)行分析，從而可以得出在途運(yùn)輸成本Cijk計(jì)算公式：

式（8）中，，當(dāng)且僅當(dāng)1，否則為0。

（2）轉(zhuǎn)換成本。在節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換時(shí)涉及的費(fèi)用比較多，比如裝卸費(fèi)、等待運(yùn)輸、管理費(fèi)等;另外，還會(huì)涉及到換裝成本，該成本與集裝箱量成正比關(guān)系。一般情況下，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的成本還涉及到短途公路運(yùn)輸，因?yàn)樾枰獙⒓b箱貨物運(yùn)到集裝箱作業(yè)站，如果具有無(wú)縫銜接的鐵水聯(lián)運(yùn)能力，則可以將該短途運(yùn)輸費(fèi)用省去。最后轉(zhuǎn)換成本Ci公式如下：

式（9）中，Hiks為節(jié)點(diǎn)i內(nèi)的運(yùn)輸方式發(fā)生改變，由k轉(zhuǎn)變?yōu)閟的單位換裝成本;pk1為公路集卡運(yùn)輸單價(jià);liks表示短途運(yùn)輸距離。

通過(guò)上述對(duì)節(jié)點(diǎn)之間和節(jié)點(diǎn)內(nèi)的運(yùn)輸成本進(jìn)行分析，可以得到聯(lián)運(yùn)過(guò)程中的運(yùn)輸總成本公式：

1.5 路徑優(yōu)化模型建立

通過(guò)上述分析，建立了運(yùn)輸成本公式，還建立了碳排放成本公式，集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化本來(lái)就屬于一種多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，本文僅僅只對(duì)兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，這兩個(gè)目標(biāo)之間屬于一個(gè)相互制約和排斥的關(guān)系。在運(yùn)輸過(guò)程中，并不能使得每個(gè)目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，而只能達(dá)到一個(gè)綜合最優(yōu)的方式，即整體系統(tǒng)最優(yōu)。所以本文將多目標(biāo)函數(shù)變?yōu)橐粋€(gè)單目標(biāo)問(wèn)題，即使得碳排放成本和運(yùn)輸成本這兩個(gè)方面的綜合成本最小，于是碳排放的鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化模型如下所示：

約束條件如下：

2 算例分析

鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中網(wǎng)絡(luò)弧斷信息如表5所示，裝卸效率設(shè)置為45TEU/h，換裝效率為15TEU/h，c1=6元/km，c2=30元/（TEU·km），fdh=0.192元/（TEU·km），c鐵1=440元/（TEU·km），c鐵2=3.185元/（TEU·km）。然后，將相關(guān)的數(shù)據(jù)代入到上述鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化模型中。為了突出模型在碳排放量上有降低作用，算例中還分析了不考慮碳排放量時(shí)的成本，即只考慮運(yùn)輸成本。得到如表6所示的結(jié)果。

從表6中可以看出，是否考慮碳排放量在綜合成本和最優(yōu)路徑結(jié)果上存在不同，當(dāng)不考慮碳排放時(shí)，其綜合運(yùn)輸成本小于考慮碳排放的總成本，但是考慮碳排放量的模型在貨物運(yùn)輸過(guò)程中，其碳排放量明顯低于不考慮碳排放的運(yùn)輸過(guò)程。并且通過(guò)計(jì)算之后考慮碳排放量的模型降低碳的能力能夠達(dá)到41%左右。在節(jié)能環(huán)保的今天，雖然綜合運(yùn)輸成本略有增加，但是能夠很大程度上降低碳排放量，所以本文的分析對(duì)低碳環(huán)保具有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

低碳環(huán)保理念深入到各個(gè)行業(yè)中，企業(yè)不能為了經(jīng)濟(jì)最大化而以環(huán)境為代價(jià)，交通運(yùn)輸行業(yè)屬于碳排放量比較多的行業(yè)，在該行業(yè)中進(jìn)行碳排放控制非常有必要。通過(guò)上文考慮碳排放對(duì)鐵路集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑進(jìn)行優(yōu)化，從結(jié)果可知考慮碳排放之后，能夠降低貨物運(yùn)輸過(guò)程中40%多的碳排放量，雖然綜合成本會(huì)有所提高，我國(guó)可以提出相關(guān)政策和策略降低該部分成本，從而使得貨物運(yùn)輸中不僅能夠降低碳排放，而且不會(huì)提高運(yùn)輸綜合成本。

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