基于多品類物流網(wǎng)絡(luò)的鐵路貨運站整合優(yōu)化

付昭淼，陳寶星，莊舒婷，鄒毅峰

（1.中國鐵路廣州局集團有限公司 貨運部，廣東 廣州 510088；2.廣州大學(xué) 管理學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

物流資源整合優(yōu)化是鐵路運輸業(yè)向現(xiàn)代物流業(yè)轉(zhuǎn)型最直接和最有效的途徑和手段。近年來國鐵集團統(tǒng)一部署實施了一系列物流資源整合優(yōu)化實踐，包括實施貨運組織改革、成立貨運中心重組貨運人員和業(yè)務(wù)等，取得了明顯成效，市場份額不斷提升。但是，貨運站的設(shè)施設(shè)備、資產(chǎn)、功能等還沒有進行整合優(yōu)化，資源配置不合理、集中化程度不高、資源利用率低等現(xiàn)象十分突出，有些貨運站資源閑置，而有些車站能力飽和，嚴重影響了貨運組織效率。

以珠三角地區(qū)的廣州、深圳、佛山、東莞為例，一方面，各貨運站作業(yè)量極不均衡，據(jù)統(tǒng)計，上述地區(qū)共24個貨運站和80個作業(yè)點（包括貨場、專用線），2020年日均裝卸2 548車，其中日均裝卸5車以下的作業(yè)點37個，無作業(yè)量的作業(yè)點24個，作業(yè)量最大的車站日均裝卸317車，而作業(yè)量最小的車站日均裝卸僅0.1車。另一方面，各貨運站辦理貨物品類多，發(fā)到品類共計25種，每個作業(yè)點平均發(fā)到品類3.2種，作業(yè)品類最多的達到了13種；且各貨運站除品類繁雜外，還存在發(fā)送和到達品類使用車型不一致的問題，增加了大量配空、排空和取送環(huán)節(jié)。此外根據(jù)以上城市發(fā)展規(guī)劃，部分貨運站面臨關(guān)停的局面，而大田、增城西等物流基地將陸續(xù)投入運營。上述問題在珠三角以外地區(qū)也不同程度地存在著。因此，優(yōu)化貨運站資源配置以提高效率、重新定位貨運站功能勢在必行。

目前國內(nèi)外研究鐵路貨運站整合優(yōu)化的文獻不多。根據(jù)優(yōu)化時是否考慮貨物品類，既有文獻可分為兩類。第一類是僅考慮貨運量、不考慮貨物品類條件下重新對貨運資源進行布局優(yōu)化。例如王波，等根據(jù)貨運需求和貨運站作業(yè)能力，以最小化運輸費用構(gòu)建了鐵路貨運站整合優(yōu)化模型，并應(yīng)用ILDG優(yōu)化軟件進行了求解。葉玉玲，等根據(jù)貨運站自身功能和周邊產(chǎn)業(yè)特征，通過保留區(qū)位優(yōu)勢較大的貨運站、關(guān)停利用率較低的貨運站，對現(xiàn)有貨運站進行功能優(yōu)化。第二類研究是對既有貨運站辦理品類和車流方向進行優(yōu)化，但不涉及區(qū)域內(nèi)貨運站的布局調(diào)整與物流基地建設(shè)。例如Yaghini，等從鐵路貨運決策的三個主要層次構(gòu)建多商品網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（MCND）模型，以解決貨運站的空車分配、貨物發(fā)到品類及運量等問題，探尋MCND模型在鐵路貨運的實際運用。李代坤對貨運網(wǎng)絡(luò)按貨物品類進行拆分，構(gòu)建貨運中心站布局調(diào)整優(yōu)化模型，并采用自適應(yīng)免疫克隆算法ILDG優(yōu)化軟件進行了求解。目前同時考慮貨物品類和鐵路物流基地投產(chǎn)情形下貨運站整合優(yōu)化的研究較少。根據(jù)國鐵集團《鐵路物流基地布局規(guī)劃及2020—2022年建設(shè)計劃》，鐵路計劃用3年時間建設(shè)28個左右物流基地，強化物流基地重要節(jié)點作用，今后幾年將是鐵路物流基地的密集投產(chǎn)期。因此，如何發(fā)揮這些優(yōu)質(zhì)高效物流產(chǎn)能的作用，調(diào)整貨運站辦理品類限制、重組貨運站功能，對提高鐵路貨物運輸組織效率具有重要意義。

1 模型構(gòu)建

1.1 建模思路

根據(jù)目前部分貨運站到發(fā)品類散亂、編組作業(yè)復(fù)雜，以及新投產(chǎn)物流基地利用率低等問題，貨運資源整合優(yōu)化的原則是在保障既有貨源穩(wěn)定過渡的前提下，通過貨運站辦理品類集中化，以提高運輸效率，降低物流成本，即以樞紐內(nèi)貨運作業(yè)成本最低為目標。物流基地是具有貨車集散功能的貨運站，任何貨運站都有可能成為物流基地。

優(yōu)化前后樞紐內(nèi)的物流網(wǎng)絡(luò)及運輸組織如圖1所示。優(yōu)化前，樞紐內(nèi)僅有一個物流基地和若干貨運站，每個貨運站服務(wù)周邊貨源客戶點。貨物發(fā)送時，貨物首先從貨源客戶點通過公路流向貨運站，在貨運站裝車，然后向物流基地集結(jié)，最后編組成列車發(fā)出。貨物到達時，貨物列車首先在物流基地解體，然后分送到各貨運站卸車，最后通過公路送達到各貨源客戶點。優(yōu)化后，除了原鐵路物流基地外，樞紐內(nèi)還新增了若干物流基地，這些物流基地作業(yè)能力較大，作業(yè)效率高，可以直接辦理貨物列車到發(fā)。貨物發(fā)送時，貨源客戶點既可以在附近普通貨運站辦理，也可以直接去物流基地辦理，如果在貨運站辦理，最終仍要到物流基地集中。貨物列車到達時，首先在物流基地解體，然后貨車分送到各貨運站，最后通過公路短駁運送到各客戶點。

優(yōu)化步驟：首先，考慮不同品類貨物使用車型不一致，例如運輸煤炭和礦石一般用敞車，而運輸石油和液化天然氣必須用罐車，集裝箱一般用專用平車，因此根據(jù)貨物品類構(gòu)建多品類的物流網(wǎng)絡(luò)，使一個貨物品類對應(yīng)一個物流網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示）。然后，在貨運站位置、貨運站能力、貨物品類到發(fā)量確定的情況下，以樞紐內(nèi)貨物運輸總成本最低為目標函數(shù)，考慮各貨運站能力和辦理品類等約束，對各貨運站的貨物到發(fā)量進行分配優(yōu)化。

圖1 樞紐內(nèi)k貨物品類的物流網(wǎng)絡(luò)示意圖

1.2 模型假設(shè)

（1）規(guī)劃期內(nèi)樞紐內(nèi)各品類貨物的發(fā)到量不變。

（2）物流基地已經(jīng)建成，不需要考慮新增的設(shè)施設(shè)備投資和管理費用。

（3）貨運站間的距離取兩個貨運站之間的車流最短徑路距離，與實際車流徑路無關(guān)。

（4）貨運站具有規(guī)模效應(yīng)，其設(shè)計能力越大，單位裝卸成本越低。

（5）鐵路貨車的額定載重量均相同。

（6）各貨運站（含物流基地）在樞紐中的初始地位相同。

1.3 符號定義

本文所采用的符號及其含義見表1。

表1 符號及其含義

1.4 運輸成本模型

根據(jù)樞紐內(nèi)鐵路貨運作業(yè)流程，將作業(yè)總成本分為短駁成本、集散成本、裝卸成本和空車調(diào)運成本。

1.4.1 短駁成本（RC）。貨運站與客戶點間運輸會產(chǎn)生公路短駁成本。短駁成本包括固定成本+周轉(zhuǎn)量成本?？紤]到客戶在原貨運站辦理時也需要進行公路運輸，現(xiàn)轉(zhuǎn)移至物流基地后運距可能會增加，但固定成本沒有變化，故模型只考慮周轉(zhuǎn)量成本。設(shè)X=1表示貨運站j的品類k貨物轉(zhuǎn)移到貨運站i辦理，X=0表示貨運站j的品類k貨物不轉(zhuǎn)移到貨運站i辦理。樞紐內(nèi)公路短駁成本計算公式為：

1.4.2 集散成本（JC）。到達貨物列車首先到達物流基地，然后在物流基地將發(fā)往某個貨運站的貨車編為一組，再由小運轉(zhuǎn)列車送達貨運站；而貨運站需要發(fā)送的貨物也要先在物流基地集中。以Y=1表示物流基地i負責貨運站j品類k的貨物集散，Y=0表示物流基地i不負責貨運站j品類k的貨物集散，忽略各物流基地編組集散成本的差異，樞紐內(nèi)集散總成本計算公式為：

1.4.3 裝卸成本（IC）。貨運站的裝卸作業(yè)成本根據(jù)裝卸作業(yè)量的不同具有規(guī)模效應(yīng)。根據(jù)調(diào)研，各貨物種類的裝卸成本與作業(yè)能力基本為分段線性關(guān)系（見表2），即作業(yè)能力越大，單位裝卸成本越低。因此，應(yīng)盡量將裝卸作業(yè)移至物流基地辦理，以發(fā)揮優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能的作用。裝卸總成本計算公式為：

表2 單位裝卸成本與貨運站設(shè)計能力的關(guān)系

1.4.4 空車調(diào)運成本（EC）。貨車到達相應(yīng)貨運站卸貨后，如果該種車型此時有適宜運輸貨物，則立即利用該空車裝載貨物，空車不足的貨運站由物流基地補充，同時貨運站富余的空車需運送至物流基地。由于在物流基地內(nèi)空車的調(diào)運為站內(nèi)作業(yè)，所以其調(diào)運距離為0，則樞紐內(nèi)空車調(diào)運總成本為：因此，一年內(nèi)鐵路樞紐內(nèi)貨物運輸作業(yè)總成本優(yōu)化函數(shù)為：

式（5）是對每個貨運站k種車型出入平衡的約束，式（6）是對貨運站裝卸能力的約束，式（7）是貨運站集散能力的約束，式（8）、式（9）是對各貨運站間k品類貨物到發(fā)量和距離的約束，式（10）是對貨運站調(diào)進和調(diào)出空車的限制，式（11）是決策變量約束。

2 算例分析

由上述分析可知，本文所構(gòu)建模型為一般混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，可采用ILOG CPLEX求解器進行求解。ILOG CPLEX采用分支定界法解決混合整數(shù)線性規(guī)劃問題?，F(xiàn)已知某樞紐內(nèi)有18個鐵路貨運站，其中包括3個即將投入運營的物流基地C、I、J，以及1個既有物流基地R，貨運站之間的距離見表3，貨運站裝卸能力及到發(fā)量見表4，貨運站集散能力是裝卸能力的50%，重車集散費為12.15元/車公里，空車取送車費為8.1元/車公里；公路短駁起步（10km）運費13元/t，續(xù)程0.6元/t，煤和礦石裝卸費為11.2元/t，其他貨物為22.6元/t。

表3 貨運站之間的距離 單位：km

表4 貨運站能力及優(yōu)化前主要品類貨物到發(fā)量

編程運算后，得到優(yōu)化前后的貨運作業(yè)成本見表5。從表5可以看出，不考慮新投產(chǎn)物流基地增加的管理費用等固定成本支出，經(jīng)過貨運站重新功能定位，樞紐內(nèi)各貨運站貨運作業(yè)總成本得到顯著的下降，由調(diào)整前的6.61億元下降至4.85億元，減少了26.6%，尤其是集散成本和空車調(diào)運成本分別減少了77.1%和91.8%，而由于貨運站功能優(yōu)化和物流基地離客戶點較遠等原因，公路短駁成本增加了1.42億元。

表5 優(yōu)化前后貨運站貨運成本比較 單位：億元

優(yōu)化后各貨運站辦理品類分配見表6。對比表6和表4可以看出：（1）貨物辦理品類實現(xiàn)了集中化。優(yōu)化前樞紐內(nèi)集裝箱辦理站有12個，功能優(yōu)化后，集裝箱辦理站減少到3個，集裝箱貨源向作業(yè)效率高的貨運站C、H、J集中；同樣鋼鐵辦理站從優(yōu)化前的10個減少到5個，工機（主要是小汽車及配件）辦理站從8個減少到5個，其他怕濕貨物辦理站也從10個減少到4個。而且貨運站發(fā)到品類最多為7個，大多數(shù)車站發(fā)到品類在3個以內(nèi)，較優(yōu)化前明顯減少。（2）物流基地能力得到了較充分利用。貨運量重新分配后，預(yù)計新投產(chǎn)物流基地C、I、J日均辦理車數(shù)分別達到878.5車、65.6車和150.9車，遠高于其他貨運站。（3）部分貨運站可以實現(xiàn)資源整合。優(yōu)化后貨運站A、E、G、K、L、M、O、Q、R等站的既有貨源將實現(xiàn)分流。因此可以考慮關(guān)閉一些交通不便、設(shè)施設(shè)備老舊和不符合城市發(fā)展規(guī)劃的貨運站，或者改變這些貨運站的用途，如建設(shè)為城市配送中心。

表6 優(yōu)化后各貨運站主要品類貨物到發(fā)量分配表

3 結(jié)語

在大型鐵路物流基地不斷投入運營的背景下，為提高鐵路貨物運輸效率，降低物流成本，鐵路樞紐內(nèi)各貨運站功能需要重新定位。本文通過構(gòu)建樞紐內(nèi)貨物運輸成本模型，并應(yīng)用ILOG CPLEX進行求解運算，得到貨運站整合優(yōu)化方案。主要結(jié)論有：（1）通過貨物品類集中化，可以顯著降低運輸成本，尤其是空車調(diào)運成本和貨車集散成本。貨物業(yè)務(wù)集中后可能會增加部分貨主的短駁運輸成本，建議鐵路部門可以從減少成本方面對貨主進行補償。（2）貨物品類集中化后，貨源將向作業(yè)能力大、運輸效率高的物流基地轉(zhuǎn)移，因此物流基地應(yīng)兼具貨運站和編組站功能，在樞紐內(nèi)發(fā)揮集散作用，而貨源被分流的站點可以選擇關(guān)閉或者轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌锪饔猛尽．斎?，貨運站資源整合不僅是一個貨物運輸成本優(yōu)化問題，還需要考慮鐵路物流整體布局、既有貨運站資源的合理利用以及城市交通等因素，這也是我們下一步研究的方向。