考慮碳排放成本的水鐵聯(lián)運集卡路徑優(yōu)化

秦圻　周兆欣　鹿洪霞　王士鵬　韓洋

摘 要：針對水鐵聯(lián)運集裝箱港口堆場與鐵路作業(yè)區(qū)的集卡水平運輸過程中產(chǎn)生的碳排放問題，以及集裝箱的運輸方式的組合，建立以碳排放成本為目標路徑規(guī)劃模型，采用變鄰域搜索算法對模型進行求解，得到引入鐵路作業(yè)區(qū)的港口碳排放集卡作業(yè)路徑的選擇結果。通過設計相關算例，利用MATLAB對模型進行求解，從而得到碳排放成本最小下的最優(yōu)路徑選擇結果，據(jù)此說明該模型的可行性。

關鍵詞：碳排放成本;水鐵聯(lián)運;變鄰域搜索算法;最優(yōu)路徑

中圖分類號：U691.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0109-03

碳達峰和碳中和是中國乃至全球的共識，其根本目標是實現(xiàn)工業(yè)的高質量發(fā)展。由于外集卡集中堆場作業(yè)，消耗了能源，排放出大量的CO2以及污染氣體，環(huán)境污染也變得更加嚴重。集卡作為服務于集裝箱裝卸的工具，是集裝箱碼頭集港作業(yè)流程的關鍵環(huán)節(jié)，合理地優(yōu)化集卡的調度方案對提高車輛的資源配置、減少碳排放等有著重要的影響。

在此背景下，天津港太平洋國際集裝箱碼頭通過完善節(jié)能管理機制、健全節(jié)能管理制度、執(zhí)行智能化節(jié)能管理方案，逐步加強能源管理、建設綠色低碳港口[1]。同時，郭瑾研究低碳港口形成的機理，采用LMDL分解法分析我國港口碳足跡測算與表層驅動因素，從而解決綠色低碳港口建設的難度^[2]。唐國磊、秦明等人針對集卡調度模式的特征，將碳排放考慮其中，通過定量分析同貝同步的調度方式與集卡配置數(shù)量，最終結果是既減少了碳排放，又保證了裝卸效率^[3]。戈艷艷、王姍姍通過數(shù)據(jù)包絡方法和方向距離函數(shù)處理我國沿海19個港口的面板數(shù)據(jù)^[4]。喻聲頻、劉杰通過對比考慮碳排放和不考慮碳排放的多式聯(lián)運模型，提出運輸總成最小和運輸碳排量最小的多目標0-1規(guī)劃模型，提出了多式聯(lián)運的選擇方法^[5]。

為此，筆者對上述研究成果進行分析與整合，提出考慮碳排放成本下水鐵聯(lián)運港口集卡裝卸作業(yè)方案，其目的是調整原傳統(tǒng)港口集卡運輸方式，引入碳排放成本從而改善集卡裝卸作業(yè)環(huán)境、增強綠色低碳港口的發(fā)展概念。

1 碳排放成本計算

2.1問題描述

目前水鐵聯(lián)運碼頭采用“船舶-堆場-列車”一種調度模型^[6]。一般包括同貝同步以及單向運輸集卡作業(yè)過程以及線路，見圖1。

2.2符號與變量

2.3基本假設

為了方便建模和模型的求解，做出了如下的假設：①港口存在待裝船與待卸船;②各運輸節(jié)點運輸線路容量足夠大;③集卡集裝箱保持勻速;④集卡只能運一個40英尺集裝箱，滿載、空載情況。

2.4建立模型

由已知的符號說明建立碳排放成本的聯(lián)運集裝箱作業(yè)線路優(yōu)化模型為

3求解算法

通過變鄰域搜索算法解決此類問題，這種算法由抖動過程和變鄰域深度搜索過程組成，其中抖動過程是為了避免陷入局部最優(yōu)解，鄰域結構是滿足實際情況。求解步驟如下

4 數(shù)值分析

假設待卸船舶?？坑诓次?，其中有470個進口箱，待裝船舶停靠于泊位2，有440個出口箱。港口有4個堆場進口箱區(qū)和4個聯(lián)運進口箱區(qū)以及4個堆場出口箱區(qū)和4個聯(lián)運出口箱區(qū)，各進口箱區(qū)所能容納的集裝箱數(shù)量和出口箱區(qū)已堆存的集裝箱數(shù)量能滿足。箱區(qū)與泊位、箱區(qū)與箱區(qū)之間的距離保持在0.6m。集卡的空載燃料消耗率，滿載燃料消耗率，集卡速度，每輛集卡固定成本元，集卡數(shù)輛。

通過變鄰域搜素算法對考慮碳排放成本的水鐵聯(lián)運港口中集卡路徑優(yōu)化模型進行求解，從而得到完成吞吐量下的最小的值為50628元，以及所對應的路勁和沿路勁裝卸量，由表1所示。

以最短目標為模型，根據(jù)所優(yōu)化出來的總成本為46819元^[7]。因此，本文構建的考慮碳排放成本的優(yōu)化模型得到結果更優(yōu)。

5 結論

水鐵聯(lián)運集裝箱碼頭集卡路徑問題，本文從國家號召的節(jié)能減排的角度出發(fā)，考慮集卡碳排放這個因素，通過建立集卡碳排放成本的優(yōu)化模型，得到在完成一次吞吐量的總成本小于傳統(tǒng)模型中以集卡路徑最短為目標的優(yōu)化得到的總成本。

在將碳排放轉化為聯(lián)運碼頭經(jīng)營成本的情況下，只考慮碳排放成本層次還不夠深入，應該可將運輸時間、可變成本、不同種類集裝箱等角度考慮進去，對水鐵聯(lián)運集裝箱港口裝卸路徑優(yōu)化問題進一步探究。

參考文獻 ：

[1]陳妍.加強能源管理建設綠色低碳港口[J].集裝箱化，2018，29（07）：15-18.

[2]郭瑾.低碳港口形成機理及投資優(yōu)化研究[D].大連海事大學，2020.

[3]唐國磊，秦明，李翔.集卡調度方式對集裝箱港區(qū)碳排放的影響[J].水運工程，2019（06）：46-51+62.

[4]戈艷艷，王姍姍.考慮碳排放的港口全要素生產(chǎn)率及影響因素分析[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2021，21（02）：22-29.

[5]喻聲頻，劉杰.考慮碳排放的多式聯(lián)運路徑優(yōu)化[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2018，14（06）：38-41+78.

[6]吳麗榮，胡祥培，饒衛(wèi)振.考慮燃料消耗率的車輛路徑問題模型與求解[J].系統(tǒng)工程學報，2013，28（06）：804-811.

[7]趙金樓，黃金虎，劉馨.集裝箱碼頭的集卡兩階段路徑優(yōu)化研究[J].中國管理科學，2017（4） ： 152-157.

基金項目：山東交通學院2021年研究生科技創(chuàng)新項目（2021YK02）。