考慮風險的國際集裝箱多式聯運路徑選擇研究

馮芬玲，孔祥光，吳慶芳

(中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075)

國際集裝箱多式聯運作為一種高效的運輸組織形式，把多個運輸方式整合起來，使得運輸全程形成一條完整的運輸鏈。近年來，隨著“一帶一路”倡議的推進及國際貿易合作的加深，國際貨物運輸行業(yè)發(fā)展迅速，國際集裝箱多式聯運逐漸成為國際物流活動的重要形式，研究國際集裝箱多式聯運路徑選擇問題具有重要的理論和現實意義。由于運輸距離長、涉及范圍廣、中間環(huán)節(jié)多等特點，國際集裝箱多式聯運作為一個較復雜的系統(tǒng)，在運輸過程中會面臨著各種各樣的不確定風險，而且一旦發(fā)生事故則會造成較大的經濟損失，其安全問題不容忽視。在研究國際集裝箱多式聯運路徑選擇時加入對運輸風險的考量，有利于提高運輸可靠性，促進國際集裝箱多式聯運系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。在集裝箱路徑優(yōu)化模型研究領域，學者們主要從影響路徑選擇的關鍵因素入手，以影響因素中的一個或多個為決策目標構建單目標或多目標優(yōu)化模型，例如，劉維林[1]構建了運輸成本最小化的單目標模型來研究天津至墨西哥的集裝箱多式聯運路徑優(yōu)化問題，ZHAO等[2?3]基于海鐵聯運網絡提出了總成本最小的集裝箱路徑規(guī)劃模型，RESAT等[4?6]以成本最小和時間最小作為模型的目標函數，CHEN等[7]建立了最小化運輸時間、運輸成本和集裝箱使用成本的多目標規(guī)劃模型，SUN等[8?10]在優(yōu)化目標中增加了碳排放因素來研究低碳環(huán)境下的集裝箱多式聯運路徑優(yōu)化問題，HAO等[11?12]將集裝箱多式聯運服務質量也作為模型的優(yōu)化目標之一。通過對大量文獻的閱讀和總結發(fā)現，現有研究中的集裝箱多式聯運路徑優(yōu)化模型多以成本、時間作為優(yōu)化目標，近年來也有不少學者考慮環(huán)境保護和服務水平等影響因素，將碳排放、服務質量、客戶滿意度等加入到優(yōu)化目標中去，但很少有學者會在優(yōu)化模型中考慮到聯運風險的影響，劉清等[13]雖在研究長江干線集裝箱多式聯運路徑優(yōu)化問題時考慮了運輸風險，但運輸風險的度量采用的僅是個人主觀賦予的相對值，沒有具體的風險值測算依據。本文將構建國際集裝箱多式聯運風險評價指標體系，把突變級數法應用于多式聯運風險的量化上，然后將聯運風險納入路徑選擇模型中，建立以運輸費用、時間、風險和綜合能耗為綜合優(yōu)化目標的國際集裝箱多式聯運路徑選擇模型，以期實現國際集裝箱多式聯運經濟性和安全性的綜合最優(yōu)。

1 多式聯運風險評估

國際集裝箱多式聯運風險是指集裝箱貨物在國際多式聯運過程中受到某些因素影響而發(fā)生事故造成貨損的可能性，由路段運輸風險和節(jié)點換裝風險加和求得。國際集裝箱多式聯運面臨的內外部環(huán)境復雜多變，具有較強的突變性，故本文選擇以突變理論為基礎的突變級數法來計算聯運風險。國際集裝箱多式聯運風險的具體計算步驟如下。

1.1 風險評價指標體系構建

分析集裝箱在路段運輸和節(jié)點換裝的風險影響因素，篩選出1級和2級評價指標，并通過兩兩比較的方式確定指標的相對重要性排序，分別構建路段運輸風險評價指標體系和節(jié)點換裝風險評價指標體系，如圖1所示，其中位置靠左的指標的重要性相對更高。

圖1 國際集裝箱多式聯運風險評價指標體系Fig.1 Risk evaluation index system of international container multimodal transport

1.2 評價指標歸一計算

突變模型分為多個類型，不同突變類型的狀態(tài)變量和控制變量的數量不同[14]。本文研究中所涉及到的突變模型包括尖點突變、燕尾突變和蝴蝶突變，這3個突變模型對應的控制變量分別為2個、3個和4個。不同突變模型對應的歸一公式也有所不同，根據相符的突變模型選擇對應的歸一公式進行計算。例如，1級指標自然環(huán)境因素下設有2個2級指標，構成尖點突變模型；人員管理因素下設有3個2級指標，則構成燕尾突變模型。

通過邀請國際集裝箱多式聯運相關領域的10位專家對各2級指標打分，并與搜集到的不完整的客觀信息和數據進行對比、修正，得到2級指標初始值a，b，c，d，再根據歸一公式計算出其突變級數值，然后取2級指標突變級數值的平均值作為1級指標的初值。

1.3 風險值計算

突變級數法是通過逐級向上遞歸進行運算的，本文以求出的總突變隸屬函數值作為風險值。路段運輸風險評價下設有4個1級指標，構成蝴蝶突變模型，采用蝴蝶突變的歸一公式向上遞歸計算得出路段運輸風險值；而節(jié)點換裝風險則采用燕尾突變的歸一公式向上遞歸計算得出。

2 路徑選擇模型建立

將國際集裝箱多式聯運路徑選擇問題描述為：有一批集裝箱貨物需要從國內某城市O運送到國外某城市D，中間有n個城市，可從其中選擇若干個城市作為途徑節(jié)點，每相連的2個城市節(jié)點之間存在多種運輸方式可供選擇，選取運輸費用、運輸時間、綜合能耗和運輸風險作為集裝箱運輸路徑及其運輸方式選擇的決策目標。該問題的假設條件包括：1)同一批貨物在運輸過程中不可分割；2)貨物在2個節(jié)點之間至多只能選擇一種運輸方式；3)貨物在每個節(jié)點上至多轉換一次運輸方式；4)節(jié)點和路段的容量均可滿足運輸需求；5)不考慮貨物的通關時間和鐵路換軌時間。

2.1 相關參數及變量說明

i：多式聯運網絡中的城市節(jié)點，i=1,2…,n；k,l：運輸方式，取值為1,2,…,m，k≠l；α：取值為1或2，α=1表示國內段運輸，α=2表示國外段運輸；Q：貨物運輸量；：貨物從i節(jié)點到i+1節(jié)點采用k運輸方式時的運輸距離；：貨物從i節(jié)點到i+1節(jié)點采用k運輸方式時的運輸基價1；：貨物從i節(jié)點到i+1節(jié)點采用k運輸方式時的運輸基價2；：貨物在i節(jié)點由運輸方式k轉換為l時的單位換裝成本；vk：運輸方式k的行駛速度；：貨物在i節(jié)點由運輸方式k轉換為l時的單位換裝時間；ek：貨物采用k運輸方式時能源的單位消耗量；ek,l：貨物由運輸方式k轉換為l時能源的單位消耗量；：貨物從i節(jié)點到i+1節(jié)點采用k運輸方式時的路段運輸風險；：貨物在i節(jié)點由運輸方式k轉換為l時的換裝風險；：0-1變量，判斷貨物是否從i節(jié)點采用k運輸方式運送到到i+1節(jié)點；：0-1變量，判斷貨物是否在i節(jié)點由運輸方式k轉換為l；zi,i+1：0-1變量，判斷貨物從i節(jié)點到i+1節(jié)點屬于國內段還是國外段運輸。

2.2 模型構建

1)目標函數

2)約束條件

式(1)～(4)分別為運輸費用、運輸時間、綜合能耗和運輸風險的函數；式(5)保證運輸過程的連續(xù)性；式(6)保證2節(jié)點之間只能選擇一種運輸方式；式(7)保證同一節(jié)點上只能進行一次運輸方式的轉換；式(8)定義了決策變量為0-1變量；式(9)表示集裝箱運輸量不能為負數。

3 算例分析

3.1 算例介紹與相關數據

本文選取長沙為國際集裝箱多式聯運的始發(fā)城市，德國柏林為終點城市，綜合考慮亞歐大陸橋、傳統(tǒng)海運、瓜達爾鐵海聯運、西部陸海新通道、東盟通道等多個運輸通道，選取了武漢等25個城市作為中間節(jié)點。設定有10個20英尺的集裝箱(配貨毛重17.5 t)將從長沙運往柏林，每相連2個城市節(jié)點之間有鐵路、公路、水路中的1～3種運輸方式可供選擇。該算例的集裝箱多式聯運網絡如圖2所示。通過查閱網站、官方文件、專家打分以及參考文獻[9,12]搜集得到所需算例數據，部分原始數據或經初步處理過的數據如表1至表4所示。

表1 部分路段運輸里程及運輸風險Table 1 Transport distance and risks of part of the route

表4 中轉時間、費用及能耗Table 4 Transit time,cost and energy consumption

圖2 長沙至柏林集裝箱多式聯運網絡Fig.2 Container multimodal transport network from Changsha to Berlin

3.2 結果及分析

參考文獻[15]所設計的遺傳算法，分別以運輸費用最低、運輸時間最短、綜合能耗最少、運輸風險最小、4個目標綜合最優(yōu)為決策目標對算例進行求解，結果如表5所示。當決策目標發(fā)生變化時，長沙—柏林的集裝箱多式聯運最優(yōu)路徑及運輸方式也會不同。由于水路運輸的單位成本和能耗均低于其他運輸方式，所以在以運輸費用最小和綜合能耗最小分別作為決策目標時，求得的最優(yōu)運輸方案是相同的。

表5 不同優(yōu)化目標下的最優(yōu)方案及目標函數值Table 5 Optimal schemes and objective function values under different optimization goals

1)多目標優(yōu)化結果有效和可行

不同優(yōu)化目標下求得的各運輸方案的運輸費用、運輸時間、綜合能耗和運輸風險值的對比情況如圖3所示。通過對比分析可知，水路運輸雖能降低運輸費用和綜合能耗，但由于行駛速度慢及航行距離遠，從而使得集裝箱運輸時間過長，結果①的運輸時間約為結果⑤的2.2倍；公路運輸雖能在一定程度上降低運輸時間，但其費用、能耗及風險均較高，從圖3中可以看出，結果③的運輸費用、綜合能耗和運輸風險都明顯高于其他幾個運輸方案；多目標優(yōu)化結果⑤較好地降低了運輸費用，縮短了運輸時間，減少了綜合能耗，同時也在一定程度上降低了運輸風險，從而能夠實現綜合效益的最優(yōu)。

圖3 各運輸方案的費用、時間、能耗及風險對比Fig.3 Comparison of cost,time,energy consumption and risk of each transportation plan

表2 各運輸方式的運價、運速及能耗Table 2 Price,speed and energy consumption of each mode of transportation

表3 部分節(jié)點中轉風險Table 3 Transit risks on the part of nodes

2)不同決策者的偏好路徑有所差異

國際集裝箱多式聯運的參與者較多，由于不同多式聯運參與者的偏好不同，當他們分別作為決策者時所可能選擇的運輸方案也會有較大差異。若決策者為政府，相比經濟效益，會更多關注運輸過程中的節(jié)能效應，所以會偏好于綜合能耗最小的路徑，如結果②。若決策者為托運人，運輸費用和運輸時間將會被優(yōu)先考慮，其次考慮的是運輸過程中的安全性，綜合能耗對其決策沒有影響；若決策者為多式聯運經營者，將更多追求的是經濟利益，會優(yōu)先考慮運輸成本、時間和風險，并對綜合能耗有一定程度的關注。由于托運人和多式聯運經營者的偏好相似，他們可能都更偏向于選擇結果⑤代表的運輸路徑。

3)不同品類貨物的優(yōu)勢路徑不同

由于自身價值和時間價值等特性的差異，不同品類貨物可選擇的最優(yōu)運輸路徑也會不同。以中歐貿易為例，參考中歐班列的去程貨物，將中歐貿易貨物品類及其特性進行歸納分析如表6所示。電子產品類貨物由于時效性要求高，自身價值也較高，適合選擇運輸時間較短、風險較小的路徑，如結果④或⑤；機械家電類貨物的銷售周期較長，市場需求較為穩(wěn)定，則可以選擇運輸費用較低的路徑，如結果①；而日用百貨類貨物的自身價值較低，對運輸時間的要求也不高，結果①、④和⑤均可以作為其運輸的備選路徑參考。

表6 中歐貿易貨物分類及其特性Table 6 Classification and characteristics of goods in China-Europe trade

4)中歐班列在中歐貿易中優(yōu)勢明顯

多目標優(yōu)化結果⑤的路徑及運輸方式組合與現行的中歐班列幾乎重合，這也從側面驗證了中歐班列的優(yōu)越性和可行性。相比結果①和②，結果④和⑤的運輸費用和綜合能耗雖略高，但其運輸時間卻大大縮短，運輸風險也有所降低；與結果③相比，結果④、⑤的運輸費用、綜合能耗和運輸風險都遠低于結果③，但其運輸時間并沒有相差太多，結果③僅比結果④、⑤節(jié)省了約一天的時間。綜合來看，中歐班列具有成本低、能耗少、速度快、風險小等優(yōu)點，相比其他運輸路徑和運輸方式的競爭優(yōu)勢較為突出。

5)不同運輸通道的經濟與安全水平差異顯著

長沙—柏林有多個運輸通道可供選擇，不同運輸通道的經濟效益與安全水平差異明顯。各選擇一條運輸路徑代表其所屬的運輸通道，求解各運輸通道代表路徑的運輸費用、運輸時間、綜合能耗、運輸風險的值，如表7所示，并對比如圖4所示。

圖4 各運輸通道的經濟與安全水平對比Fig.4 Comparison of economic and security levels of each transportation channel

表7 不同運輸通道代表路徑的費用、時間、能耗及風險值Table 7 Values of cost,time,energy consumption and risk of the representative route of each transportation channel

亞歐大陸橋通道在運輸時間和風險方面的優(yōu)勢最大，運輸費用和綜合能耗也都處于中間或偏低水平，綜合效益在4個運輸通道中最高；瓜達爾鐵海聯運通道雖然縮短了中國與西亞地區(qū)間的運輸距離，但其途徑自然條件較為惡劣的青藏高原地區(qū)，且在中歐運輸中路徑迂回，造成其運輸費用、時間、能耗和風險均較大，在中歐貿易中幾乎沒有競爭優(yōu)勢；傳統(tǒng)海運通道的運輸費用和綜合能耗最低，運輸風險較小，運輸時間卻比亞歐大陸橋通道高了近131%；由于東南亞地區(qū)的道路條件及社會秩序相對較差，東盟—海運通道的運輸風險最高，運輸費用、時間和能耗的優(yōu)勢也很小，故其在中歐運輸中的競爭力薄弱。

4 結論

1)國際集裝箱多式聯運面臨的情況復雜多變，某一影響因素發(fā)生變化都可能造成嚴重后果。本文構建了國際集裝箱多式聯運風險評價指標體系，將突變級數法應用于聯運風險的量化評估，并在路徑選擇模型中加入了對運輸風險的考量，旨在實現運輸費用、時間、能耗和風險的綜合最優(yōu)，保證國際集裝箱多式聯運經濟效益的同時，提高國際集裝箱運輸的安全性。

2)在從長沙至柏林的算例中，綜合考慮了亞歐大陸橋、傳統(tǒng)海運通道、瓜達爾鐵海聯運通道、西部陸海新通道、東盟通道等多個運輸通道，更好地豐富了途徑節(jié)點和路段備選集，使得算例更加貼近實際。

3)算例求解結果符合預期，相比單一目標優(yōu)化結果，多目標優(yōu)化方案較明顯地縮短了運輸時間，降低了費用、能耗和風險，能夠有效地為國際集裝箱多式聯運路徑選擇提供參考。同時，求解了不同優(yōu)化目標下的運輸方案，能夠為不同運輸需求或不同品類貨物的國際集裝箱多式聯運提供相應的路徑參考依據。此外，求解結果也從側面驗證了中歐班列在中歐集裝箱運輸競爭中具有較為突出的優(yōu)勢。

4)由于當下一些外部因素對國際運輸的影響，導致其穩(wěn)定性相對較差，真實穩(wěn)定的班期數據不易獲取，而本文側重于研究常態(tài)化的國際集裝箱多式聯運情景，故在模型中暫未考慮鐵路列車和輪船的班期限制，即未考慮由于班期原因造成的在節(jié)點上的等待時間和堆存費用等。若后續(xù)能夠獲取真實穩(wěn)定的班期相關數據，則可將班期限制加入到模型中進一步研究。