日韓貨物中歐班列海鐵聯(lián)運路徑選擇研究

呂 靖，張丹陽，季嘉慧

(1. 大連海事大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026； 2. 大連海事大學 航運經(jīng)濟與管理學院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

中歐班列發(fā)展日漸完善，已成為亞歐大陸各國政治、經(jīng)濟及文化交流的重要載體。在2020年新冠疫情期間，中歐班列發(fā)揮了巨大的戰(zhàn)略通道作用。針對中歐班列的發(fā)展，國內(nèi)外學者做了大量研究。王艷波[1]介紹了中歐班列發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展形勢和開行特征，提出了發(fā)展規(guī)劃；JIANG Yonglei等[2]以國內(nèi)5條中歐班列線路為研究對象，對比分析了海運和鐵路運輸成本結構差別，結果表明中歐班列相對海運的競爭優(yōu)勢集中在IT產(chǎn)品類。對于多式聯(lián)運問題，蔣琦瑋等[3]考慮碳稅值的變化，將運輸時間和轉(zhuǎn)運時間設為隨機量，構建多式聯(lián)運機會約束模型，研究了總成本和碳排放量的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)充分發(fā)揮鐵路與水路的優(yōu)勢，對經(jīng)濟和環(huán)境都能產(chǎn)生有利的作用；裴驍?shù)萚4]考慮組成列車等待時間的要素，以混合時間窗為約束，建立了具有效用值偏好信息的綜合滿意度模型，對連云港至馬德里班列進行了實例分析，得到了不同運輸需求下的運輸方案；劉清等[5]集成運輸成本、運輸時間、運輸風險和碳排放量等4個因素，構建了基于多目標的長江干線集裝箱多式聯(lián)運路徑優(yōu)化模型，為運輸組織者提出了滿足差異化需求的運輸方案；LIU Zhiyuan等[6]首先將內(nèi)陸OD需求轉(zhuǎn)化為港口對港口OD需求，然后提出了多式聯(lián)運結合班輪運輸網(wǎng)絡設計框架；Y. J. SEO等[7]從時間、成本、風險、距離角度，分析了重慶出口鹿特丹筆記本電腦的7條運輸路線；ZHANG M等[8]建立了雙層規(guī)劃模型，分析了碳定價策略、多式聯(lián)運網(wǎng)絡終端布局優(yōu)化和服務網(wǎng)絡優(yōu)化設計等多種策略組合對發(fā)展多式聯(lián)運的促進作用。

日韓至歐洲的貨物運輸采用傳統(tǒng)海運通道大約需要35天，沿途掛靠港口較多，總線路較長，連通可靠性較低，不能滿足貨物的運輸要求。連通可靠性即網(wǎng)絡中路徑不中斷的概率，如果路徑發(fā)生中斷，不僅會增加運輸時間和運輸費用，而且會產(chǎn)生巨大的間接費用，影響整個運輸方案的可靠性。不中斷的概率越高，運輸方案可靠性越高。李青林等[9]基于BWM對中歐班列客戶需求偏好進行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)運輸可靠性是最適合中歐班列發(fā)展自身特色的方向；WEN Xin等[10]將基礎設施可靠性作為因素加入評估中歐經(jīng)濟通道效用函數(shù)中，提出了7種情景，以評估交通運輸基礎設施可靠性對于路線決策的影響。

上述研究均沒有考慮中歐班列作為國際轉(zhuǎn)運通道的可能性，針對中歐班列可靠性研究的相關文獻也較少。筆者將中歐班列作為日韓至歐洲國際海鐵聯(lián)運的陸上通道，針對包含中歐班列直達線及中轉(zhuǎn)線的整個運輸網(wǎng)絡，找尋最優(yōu)運輸路徑。首先，根據(jù)貨主差異化需求，從貨主角度出發(fā)，以完成一趟貨物運送的總費用最小和總可靠性最高為雙目標，制定中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡運輸方案，分析整體中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡的可靠性；其次，從費用、時間和可靠性等方面，將日韓至歐洲中歐班列海鐵聯(lián)運及傳統(tǒng)海運進行對比分析，得出中歐班列海鐵聯(lián)運較優(yōu)的結論。

1 模型建立

1.1 問題描述

中歐班列運行線分為中歐班列直達線和中歐班列中轉(zhuǎn)線，即從港口直行的中歐班列和內(nèi)陸鐵路樞紐節(jié)點城市開行的中歐班列。集裝箱貨物可由日韓地區(qū)集裝箱始發(fā)港口經(jīng)海運直接運輸，也可經(jīng)海運至中國的集裝箱港站再經(jīng)由中歐班列直達線或中轉(zhuǎn)線運至歐洲地區(qū)目的地城市，如圖1。

圖1 中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡Fig. 1 China Railway Express sea-rail intermodal transport network

在整個運輸過程中產(chǎn)生的費用包括：①在海運階段，付給船公司的運輸費用、港站處的中轉(zhuǎn)換裝費用；②在鐵路階段，付給中歐班列運營商的運輸費用、鐵路樞紐站以及口岸站的中轉(zhuǎn)換裝費用、等待存儲費用、貨物時間價值損失產(chǎn)生的費用。所有費用由貨主承擔?；诖藰嫿Ｐ?，選擇不同貨物的運輸路線，目標是使貨主花費的總費用最小、總可靠性最高。

1.2 模型假設

1)只考慮40英尺集裝箱。

2)研究對象為集裝箱重箱流，貨運量在運輸過程中不發(fā)生改變。

3)集裝箱貨物的單位運輸成本與單位運輸距離呈正相關關系。

4)集裝箱貨物的中轉(zhuǎn)換裝只發(fā)生在節(jié)點處，在某一節(jié)點處的中轉(zhuǎn)換裝不會超過1次。

5)不考慮不同運到期限貨物的拼箱運輸。

1.3 模型建立

1.3.1 參數(shù)定義

N：網(wǎng)絡中所有節(jié)點集合；

A：網(wǎng)絡中所有聯(lián)弧集合；

M：運輸方式集合；

i，j：節(jié)點集合中的節(jié)點，i,j∈N；

(i，j)：聯(lián)弧集合中的聯(lián)弧，(i,j)∈A；

k，l：運輸方式集合中的運輸方式，k,l∈M；

Q：運輸?shù)募b箱數(shù)量，箱。

1.3.2 費用模型

1)結合阻抗函數(shù)的運輸時間T

由于中歐班列貨運量的快速增長，某些節(jié)點的作業(yè)能力會對運輸過程產(chǎn)生限制，發(fā)生擁堵。因此，在節(jié)點發(fā)生中轉(zhuǎn)或者換裝作業(yè)時考慮節(jié)點阻抗，即節(jié)點時間與節(jié)點交通負荷之間的關系，緩解節(jié)點擁堵問題。根據(jù)阻抗函數(shù)定義，結合中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡實際情況，給出結合阻抗函數(shù)的運輸時間T：

(1)

2)運輸成本C1

(2)

3)中轉(zhuǎn)換裝成本C2

(3)

4)等待存儲成本C3

(4)

式中：cw為單位等待存儲費用，元/(箱·d)；其他符號同前。

5)時間價值損失VT1

日韓貨物大部分為時效優(yōu)先型貨物，運輸時間達到一定程度后會隨著運輸時間的增加而貶值，即時間價值損失費用VT1：

(5)

式中：η為入箱率，%；Pmax為貨物滿載價值，元/箱；a為貨物月貶值率，%；其他符號同前。

6)時間懲罰成本VT2

當貨物不能在限期內(nèi)送達時所產(chǎn)生的時間價值損失即時間懲罰成本VT2：

VT2=cPPmax(T-TP)

(6)

式中：cP為單位送達延誤懲罰費，元/(箱·d)；TP為貨物的運到期限，d；其他符號同前。

7)貨物的時間價值損失VT

(7)

8)單箱總費用F

(8)

1.3.3 路徑可靠性模型

路徑的連通可靠性為路徑節(jié)點間不中斷的概率，節(jié)點間的狀態(tài)fij為：

由于可靠性包含政治可靠性、運輸方式可靠性和基礎設施可靠性這3個方面，因此，單個聯(lián)弧(i，j)上的路徑連通可靠性rij按式(9)計算：

(9)

聯(lián)弧(i，j)間不中斷概率為P{fij=1}=ri,j，中斷概率為P′{fij=1}=1-ri,j，那么聯(lián)弧(i，j)不中斷概率的期望E[fij]為

E[fij]=1 ×P{fij=1} + 0 ×P′{fij=0}=rij

(10)

因此，聯(lián)弧(i，j)不中斷的概率即期望，所以一條路徑的連通可靠性Re為

(11)

1.3.4 目標函數(shù)

總費用最小和總可靠性最高的目標函數(shù)表達式分別如式(12)、式(13)：

Z1=minF

(12)

Z2=maxRe

(13)

約束：

(14)

(15)

Q≤bi

(16)

(17)

(18)

2 求解過程

2.1 目標函數(shù)分析

首先對運輸成本和運輸可靠性這2個目標參數(shù)Y按式(19)進行規(guī)范化處理，然后將規(guī)范化后的目標函數(shù)Y*進行加權求和，轉(zhuǎn)化為單目標函數(shù)求解：

(19)

在選擇路徑時，遵循成本最小、可靠性最高原則，同時保持兩者之間相互獨立。則，轉(zhuǎn)化后的最優(yōu)目標函數(shù)如式(20)：

(20)

式中：ω1、ω2分別為費用、可靠性的權重，ω1∈[0，1]，ω1+ω2=1。

決策者可根據(jù)不同貨物運輸需求決定每個目標函數(shù)的權重值。

2.2 遺傳算法求解

2.2.1 編 碼

2.2.2 適應度函數(shù)構建

在初始種群中，用適應度函數(shù)值來評價每個個體是否為可采用的可行解。適應度函數(shù)如式(21)：

(21)

2.2.3 選 擇

采用輪盤賭法來分配個體選擇的概率，被選中的個體作為父代，將更優(yōu)秀的信息遺傳給子代。輪盤賭法的概率公式如式(22)：

(22)

2.2.4 交 叉

2個父代根據(jù)交叉概率按照單點交叉方式交換部分基因，產(chǎn)生新的子代。

2.2.5 變 異

在選中的個體上按變異概率隨機改變部分基因信息，從而得到新的子代。變異僅在經(jīng)過的節(jié)點進行，首尾點不進行變異。

2.2.6 終 止

以達到最大迭代次數(shù)為終止條件。

3 算例分析

3.1 算例描述

假設有2批集裝箱，各40個，分別裝載筆記本電腦和快消服裝，需要從韓國釜山港運至德國漢堡。根據(jù)《中歐班列建設發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》[11]，結合中歐班列各個運輸樞紐的發(fā)展情況，選取接收日韓貨物較多的5個港口和中歐班列發(fā)展最好的3個鐵路樞紐站作為聯(lián)運網(wǎng)絡節(jié)點，如圖2。

圖2 釜山-漢堡海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡Fig. 2 Busan-Hamburg sea-rail intermodal transport network

3.2 數(shù)據(jù)收集

1)集裝箱海運運價和海運時間由錦程物流網(wǎng)(http:∥www.jctrans.com/)查詢可得。

2)中歐班列的國內(nèi)段運輸費用可在中國鐵路95306網(wǎng)站(http:∥www.95306.cn/)查詢得到；獨聯(lián)體國家、蒙古、歐盟的聯(lián)合運費分別為3.556、3.696、2.952元/(箱·km)[14]。

3)各聯(lián)弧的運輸時間由節(jié)點間的運輸距離和運行速度計算得到，班列運輸?shù)钠骄俣葹?5 km/h。班列平均開行間隔時間Tw=1 d，每天每箱存儲費用cw= 300元/(箱·d)。

海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡運輸信息見表1、表2。

表1 海運弧段運輸信息Table 1 Transportation information of marine arc

表2 鐵路弧段運輸信息Table 2 Transportation information of railway arc

表3 每個集裝箱中轉(zhuǎn)節(jié)點作業(yè)信息Table 3 Operation information of each container transfer node

6)政治可靠性及基礎設施可靠性由中歐班列沿線國家環(huán)境設定。

圖3 2019年港口及鐵路運輸集裝箱吞吐量Fig. 3 Container throughput of ports and railways in 2019

2019年，各口岸中歐班列通過比例為：阿拉山口33%、霍爾果斯29%、滿洲里24%、二連浩特14%[15]。

表4 海運弧段可靠性參數(shù)Table 4 Reliability parameter of marine arc

表5 鐵路運輸弧段可靠性參數(shù)Table 5 Reliability parameter of railway arc

4 結果分析

4.1 最優(yōu)海鐵聯(lián)運方案

運用MATLAB 2016求解，最大迭代次數(shù)為100，交叉概率為0.8，變異概率為0.01，在Tp=25 d的情況下，2批集裝箱中歐班列海鐵聯(lián)運最優(yōu)路徑選擇情況如表6。

表6 筆記本電腦及快消服裝最優(yōu)海鐵聯(lián)運方案Table 6 Optimal sea-rail intermodal transport plan of laptop and FMCG

由表6可見：

1)優(yōu)先考慮可靠性時，2批貨物均選擇釜山—寧波—霍爾果斯—漢堡運輸路徑，該路徑基礎設施可靠性最高，海鐵聯(lián)運情況最優(yōu)，同時，路徑運輸時間最短，這是由于可靠性較高的路徑，不發(fā)生中斷的概率高，路徑運輸和節(jié)點中轉(zhuǎn)時間都會相應降低，貨物運輸通暢。

2)優(yōu)先考慮運輸費用時，2批貨物均選擇釜山—天津—二連浩特—漢堡運輸路徑，即距離最短的路徑。但是，該路徑中，二連浩特口岸基礎設施不夠完善，經(jīng)常發(fā)生擁堵情況，導致整體運輸時間增加，時間價值損失費用較高；同時擁堵也會導致運輸過程中斷，可靠性較低。

3)優(yōu)先考慮總費用時，綜合時間損失費用和運輸費用后，筆記本電腦貨物選擇釜山—天津—西安—阿拉山口—漢堡運輸路徑，快消服裝貨物則仍然選擇釜山—天津—二連浩特—漢堡運輸路徑。原因是快消服裝的滿載價值和貨物貶值率都低于筆記本電腦，其時間損失費用對總費用的影響較小。

4)將最優(yōu)運輸方案與現(xiàn)有海運路線相比，發(fā)現(xiàn)中歐班列海鐵聯(lián)運路線時間比現(xiàn)有海運路線均少1/2，可靠性優(yōu)于現(xiàn)有海運路線，而運輸費用高于現(xiàn)有海運路線，但是，由于時間價值費用可以抵消運輸成本增加帶來的影響，因此總費用皆低于現(xiàn)有海運路線。不過，我國各級政府為中歐班列的運行提供了一定的補貼，從而可以縮小中歐班列海鐵聯(lián)運與現(xiàn)有海運的運輸費用差距。

4.2 海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡可靠性分析

筆者選擇日韓至歐洲筆記本電腦海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡進行可靠性分析。

1)如果運輸過程不發(fā)生中斷，即各路徑可靠性都為1，則最優(yōu)運輸方案為釜山—天津—西安—阿拉山口—漢堡。

2)如果考慮某個節(jié)點中斷對整體海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡的影響，網(wǎng)絡中除起始點外共12個節(jié)點，每次刪除1個節(jié)點，運行結果顯示共有3個節(jié)點在刪除之后最優(yōu)海鐵聯(lián)運方案發(fā)生了變化，變化后相對于網(wǎng)絡整體不中斷時的最優(yōu)運輸方案增加的時間和成本如表7。

表7 可靠性分析結果Table 7 Reliability analysis results

由表7可知，當中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡中的某些節(jié)點發(fā)生中斷后，最優(yōu)運輸方案會發(fā)生變化，但是運輸時間和總費用的變化幅度非常小。說明中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡的整體可靠性較強，某個節(jié)點的中斷不會對中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡造成太大的影響。

5 結 論

從貨主角度出發(fā)，以完成一趟貨物運輸?shù)目傎M用最小和總可靠性最高為雙目標，制定中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡運輸方案，分析了整體中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡的可靠性；從費用、時間和可靠性等方面，將日韓至歐洲現(xiàn)有海運及中歐班列海鐵聯(lián)運進行對比分析。得到以下主要結論：

1)中歐班列海鐵聯(lián)運對于運送日韓快速貨這類時效優(yōu)先性貨物有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2)中歐班列海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡的整體可靠性強，不會因某個節(jié)點的中斷而受到很大影響，優(yōu)于現(xiàn)有海運。