海鐵聯(lián)運一體化集裝箱場站集卡調(diào)度研究

張鐵金

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 辦公廳，北京 100844）

0 引言

海鐵聯(lián)運集裝箱場站作為海運與鐵路的紐帶，是整個海鐵聯(lián)運過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)集裝箱在海鐵聯(lián)運場站內(nèi)的高效轉(zhuǎn)運，成為發(fā)展集裝箱海鐵聯(lián)運的重要一環(huán)。目前我國部分海鐵聯(lián)運集裝箱場站采用“遠(yuǎn)方式”結(jié)構(gòu)，即港口與鐵路中心站之間的水平距離較遠(yuǎn)，需要以集卡方式進(jìn)行轉(zhuǎn)運[1]?！斑h(yuǎn)方式”海鐵聯(lián)運集裝箱場站主要由集裝箱港口、鐵路中心站及二者之間起到連接作用的社會道路組成，集裝箱在聯(lián)運場站內(nèi)的水平運輸任務(wù)對應(yīng)分為港內(nèi)、站內(nèi)、港站間3 個部分。通常情況下，集裝箱在港站間的運輸任務(wù)借助外集卡完成，而在港內(nèi)的運輸任務(wù)基本由內(nèi)集卡完成，鐵路集裝箱中心站內(nèi)的運輸任務(wù)由內(nèi)、外集卡共同完成。海鐵聯(lián)運共享堆場協(xié)議下，港口聯(lián)合鐵路中心站設(shè)置海鐵聯(lián)運協(xié)調(diào)部門，對聯(lián)運場站內(nèi)集裝箱運輸及堆存方式進(jìn)行統(tǒng)一決策[2]。在此背景下，可以將碼頭前沿、碼頭堆場、鐵路中心站堆場、裝卸線視為一個海鐵聯(lián)運場站整體，從整個聯(lián)運場站的角度對集卡作業(yè)方式進(jìn)行決策。在既有研究中，通常將碼頭堆場與鐵路中心站堆場間的水平運輸任務(wù)分配給外集卡完成，而把碼頭內(nèi)部及鐵路中心站內(nèi)部的水平運輸任務(wù)分配給內(nèi)集卡完成。這樣的分段管理方式固然有其優(yōu)勢，但由于無法從海鐵聯(lián)運系統(tǒng)角度上統(tǒng)一調(diào)度集卡，勢必會損失一定的集卡運輸能力，不利于海鐵聯(lián)運集裝箱的順暢流轉(zhuǎn)。但由于鐵路集卡與港口集卡的管理方式不同，而且空間分離難以實現(xiàn)一體化管理。因此，研究提出建立集卡聯(lián)合調(diào)度模型，優(yōu)化海鐵聯(lián)運場站集卡管理運用模式。

在集卡調(diào)度優(yōu)化研究方面，宮明強(qiáng)[3]基于現(xiàn)階段港內(nèi)集卡運營監(jiān)管上存在的問題，提出港內(nèi)集卡運營監(jiān)管的若干意見；梁劍[4]針對鐵路中心站的資源配置進(jìn)行決策研究；曾慶成等[5]以排隊論思想優(yōu)化集卡作業(yè)，提出集卡預(yù)約制度，以緩解集中到達(dá)產(chǎn)生的擁擠問題；丁一等[6]在集卡預(yù)約進(jìn)港基礎(chǔ)上，更多地考慮集卡公司與港口雙贏的決策目標(biāo)；戶佐安等[7]、王萸捷[8]優(yōu)化有鐵路裝卸線深入碼頭堆場情況下的集卡調(diào)度方案，針對不同目標(biāo)函數(shù)得出不同優(yōu)化方案；何迅[9]采用同步轉(zhuǎn)運的思路簡化海鐵聯(lián)運場站內(nèi)運輸，縮短轉(zhuǎn)運時間；趙立明等[10]研究內(nèi)外集卡整體運作，使內(nèi)外集卡相互配合以解決港口擁堵問題；邢子超[11]針對內(nèi)集卡、外集卡、時效性不高情況下的外集卡提出不同的優(yōu)化算法，優(yōu)化3 種情形下的內(nèi)、外集卡路線。Kozan[12]設(shè)計網(wǎng)絡(luò)模型分析聯(lián)運場站內(nèi)集裝箱的作業(yè)進(jìn)度；Schepler 等[13]綜合考慮港口船舶、列車和集卡的調(diào)度需求，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型；Wang 等[14]從圖論和混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度，分析集裝箱運輸組織問題；葉國慶[15]建立聯(lián)運場站內(nèi)運輸組織一體化模型，促進(jìn)集裝箱運輸?shù)摹盁o縫銜接”；楊玨諾[16]基于雙循環(huán)裝卸策略分析動態(tài)作業(yè)模式下“船舶-堆場-列車”的集卡可能走行的運輸路徑；李舒儀等[17]結(jié)合海鐵聯(lián)運港口實際作業(yè)情況提出混合作業(yè)模式，以軌道吊完工時間最短為目標(biāo)構(gòu)建混合整數(shù)規(guī)劃模型；任剛等[18]基于抵港班列入場順序和離港時間，構(gòu)建海鐵聯(lián)運箱位分配優(yōu)化模型，分析作業(yè)箱規(guī)模和抵港班列數(shù)量對優(yōu)化效果的影響；唐夢宇等[19]采用滾動窗策略方法，研究港口船舶與列車之間轉(zhuǎn)運進(jìn)口集裝箱作業(yè)問題；竇菲菲[20]認(rèn)為如何選擇合適的集裝箱轉(zhuǎn)運方式，有效處理港口有限的設(shè)備與持續(xù)增加的集裝箱任務(wù)之間的矛盾是海鐵聯(lián)運發(fā)展所需思考的主要問題；李慶慶[21]圍繞區(qū)域內(nèi)集裝箱海鐵聯(lián)運無軌港口、有軌港口與港站的銜接作業(yè)展開研究，以承運人運營成本和托運人時間成本構(gòu)成的綜合運輸成本最小化為目標(biāo)建立優(yōu)化模型。目前針對海鐵聯(lián)運集卡調(diào)度的研究已經(jīng)較為深入，但仍存在以下問題需要完善。一是目前國內(nèi)的海鐵聯(lián)運場站大多采用“遠(yuǎn)方式”結(jié)構(gòu)，需要針對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行專項優(yōu)化研究；二是目前的研究大多針對內(nèi)、外集卡進(jìn)行分別優(yōu)化，或協(xié)同配合優(yōu)化，而沒有考慮到二者統(tǒng)一調(diào)度的方式。

因此，研究提出海鐵聯(lián)運一體化的集裝箱場站布置形式，基于一體化的布置，研究集卡聯(lián)合調(diào)度問題，即：基于無人集卡、自動導(dǎo)向車（AGV）等共享式搬運設(shè)施的智能化技術(shù)特點及運行環(huán)境要求，研究未來新技術(shù)場景下，海鐵聯(lián)運場站任意集卡可以匹配整個聯(lián)運場站內(nèi)部的任意運輸任務(wù)，提高集裝箱海鐵聯(lián)運流轉(zhuǎn)速度，減小聯(lián)運場站轉(zhuǎn)運成本，提升海鐵聯(lián)運一體化組織服務(wù)能力，促進(jìn)現(xiàn)代海鐵聯(lián)運一體化管理模式發(fā)展。

1 海鐵聯(lián)運一體化集裝箱場站布置形式分析

國內(nèi)外海鐵聯(lián)運集裝箱場站空間銜接模式主要有鐵路作業(yè)車場與碼頭垂直布置、鐵路作業(yè)車場與碼頭平行布置、鐵路作業(yè)車場與碼頭傾斜布置、混合布置4類形式，各種形式的主要特點如下。

（1）鐵路-碼頭垂直布置形式。該布置形式是鐵路裝卸場站垂直于碼頭岸線引入至堆場后方或鄰岸線的堆場區(qū)域，可以根據(jù)港區(qū)條件與堆場平行或垂直布置，整體形成“T 型”或“L 型”生產(chǎn)模式。以瑞典哥德堡港為例，其主要優(yōu)點是可以較好地兼顧船—火車作業(yè)、堆場—火車作業(yè)生產(chǎn)工藝，短駁運輸交叉干擾少，海鐵聯(lián)運效率高；缺點是需要較大的縱深與港區(qū)空間，后方最好配套技術(shù)作業(yè)站銜接作業(yè)。鐵路-碼頭垂直布置形式如圖1所示。

圖1 鐵路-碼頭垂直布置形式Fig.1 Vertical layout between railway and dock

（2）鐵路-碼頭平行布置形式。該布置形式是鐵路裝卸場站平行于碼頭岸線引入至堆場后方區(qū)域。以德國漢堡港、比利時安特衛(wèi)普港為例，鐵路裝卸場可與堆場垂直布置，整體形成“工字型”生產(chǎn)模式。其優(yōu)點是各區(qū)域分工明確，集卡車的走行距離短，聯(lián)運作業(yè)更加順暢。缺點是集卡雙向行車，同時各作業(yè)區(qū)之間短駁交叉多，干擾較大；堆場倒箱作業(yè)量較大。以美國洛杉磯港為例，鐵路裝卸場也可以與堆場平行布置，整體形成“三線平行型”生產(chǎn)模式。其優(yōu)點有集卡按單方向循環(huán)運輸模式，相互干擾較少；受港口縱深條件影響較小。缺點是集卡的走行距離遠(yuǎn)，港區(qū)道路交通壓力大，聯(lián)運作業(yè)效率略低等。鐵路-碼頭平行布置形式如圖2所示。

圖2 鐵路-碼頭平行布置形式Fig.2 Parallel layout between railway and dock

（3）鐵路-碼頭傾斜布置形式。該布置形式是鐵路裝卸場與碼頭、堆場傾斜布置，整體形成“對角線”生產(chǎn)模式。仍以美國洛杉磯港為例，其主要優(yōu)點是可以兼顧“車—船直取”“車—堆場—船”2 種作業(yè)工藝的時效，海鐵聯(lián)運效率較高；主要缺點是由于傾斜布置導(dǎo)致堆場布局較為零散，且空間規(guī)格層次不齊，影響堆場的布置與能力發(fā)揮。鐵路-碼頭傾斜布置形式如圖3所示。

圖3 鐵路-碼頭傾斜布置形式Fig.3 Inclined layout between railway and dock

（4）鐵路-碼頭混合布置形式。該布置形式是鐵路裝卸場與碼頭之間，采用“技術(shù)作業(yè)站—多個裝卸場”縱列式布置形態(tài)，整體形成“混合式”生產(chǎn)模式。以荷蘭鹿特丹港為例，其優(yōu)點是可以根據(jù)各港區(qū)條件靈活布置，鐵路可以較好地延伸至各作業(yè)區(qū)，減少短駁距離與成本，較充分地發(fā)揮海鐵聯(lián)運能力；缺點是對港區(qū)縱深條件要求高，同時，鐵路與公路的交叉較多，需要盡量通過立體化措施解決。鐵路-碼頭混合布置形式如圖4所示。

圖4 鐵路-碼頭混合布置形式Fig.4 Mixed layout between railway and dock

鐵路與港口有機(jī)結(jié)合，是國際化港口、現(xiàn)代海鐵聯(lián)運場站的核心資源之一。在空間與工藝上盡可能地多界面、無縫化銜接，對提高港口集裝箱的集疏運能力、降低服務(wù)成本、優(yōu)化運輸結(jié)構(gòu)、拓展腹地范圍等具有積極促進(jìn)作用。港口鐵路(車場及裝卸場)大部分緊貼港區(qū)，設(shè)置于碼頭后方堆場，且根據(jù)各自條件以平行、垂直、傾斜、混合等多種形式與碼頭融合布置，可以與港口共用堆場、通關(guān)設(shè)施，信息共享、作業(yè)互助，以高效靈活地開展海鐵聯(lián)運業(yè)務(wù)。

2 基于一體化布置的集卡調(diào)度研究

在海鐵聯(lián)運系統(tǒng)中，將裝卸線、中心站出口堆場、碼頭出口堆場、碼頭岸線、碼頭進(jìn)口堆場、中心站進(jìn)口堆場，分別設(shè)為A點、B點、C點、D點、E點、F點。海鐵聯(lián)運場站中的3 類箱流如圖5 所示。為更好地區(qū)分裝箱點和卸箱點，特將A 點、D’點設(shè)為卸箱點，A’點、D 點設(shè)為裝箱點。聯(lián)運場站內(nèi)任意水平運輸任務(wù)均對應(yīng)1對運輸起止點，根據(jù)起止點間的距離計算重車走行距離，同時根據(jù)上一任務(wù)終點與下一任務(wù)起點間的距離計算空車走行距離。

圖5 海鐵聯(lián)運場站中的3類箱流Fig.5 Three types of container flows in the sea-rail intermodal hub

運輸終點為碼頭岸線或中心站裝卸線的水平運輸任務(wù)，為短期內(nèi)需要裝上船舶或班列的集裝箱運輸任務(wù)，此類運輸任務(wù)具有較強(qiáng)的時間窗要求，需要在模型中予以體現(xiàn)。一是提前到達(dá)的集卡需要在原地進(jìn)行等待裝箱作業(yè)，二是超出最晚時間窗則無法進(jìn)行下一步的正常運輸。因此，在建模過程中需要對該種運輸任務(wù)設(shè)計特定的混合時間窗，以滿足該任務(wù)的時間敏感性需求。

為完成一定時期內(nèi)的集裝箱運輸任務(wù)，以完成全部運輸任務(wù)綜合時間成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建整數(shù)規(guī)劃模型，對各集卡所接受的任務(wù)及順序進(jìn)行優(yōu)化。針對任意一批次運輸任務(wù)，任意一種運輸方案的成本體現(xiàn)在2個方面。一是集卡派遣成本。在本研究場景下，共享集卡運輸權(quán)限等同。對集卡車輛而言，需要按照監(jiān)管部門要求辦理登記手續(xù)并懸掛號牌；對司機(jī)而言，需要持有特種設(shè)備作業(yè)人員證等資格證書。也就是說，每增加1 輛集卡參與運輸任務(wù)，都需要增加一定的固定成本。因此，需要優(yōu)化運輸方案，盡可能地減少集卡派遣數(shù)。二是集卡空車運行成本與時間窗懲罰成本。集卡運行時間成本包括空車走行時間、重車走行時間及時間窗下集卡的等待時間。在任務(wù)確定的前提下，重車走行時間通常是不變的。也就是說，集卡空車運行成本與時間窗懲罰成本越大，總的運輸時間就越長。在實際生產(chǎn)過程中，需要通過合理的組織優(yōu)化最大限度地規(guī)避空車運行或集卡等待。

3 模型建立

3.1 前提假設(shè)

（1）海鐵聯(lián)運場站運輸集裝箱的箱型均為40 ft集裝箱。

（2）集卡完成前一運輸任務(wù)后，不進(jìn)行休息和等待，立刻開往后一任務(wù)起點。

（3）集裝箱船舶和班列停留時間提前確定。

3.2 符號說明

符號定義如表1所示。

表1 符號定義Tab.1 Symbol Definition

3.3 數(shù)學(xué)模型

目標(biāo)函數(shù)如下。

約束條件如下。

公式⑴表示以綜合時間成本最小為目標(biāo)函數(shù)，式中第1 項表示集卡派遣費用，第2 項表示集卡空車運行成本，第3 項表示時間窗懲罰成本。約束條件公式⑵表示任務(wù)都會分配且僅分配給1 輛集卡，保證任務(wù)都能夠完成且不存在同一任務(wù)分配多個集卡的情況。約束條件公式⑶、公式⑷表示每個任務(wù)最多有1 個緊前任務(wù)，1 個緊后任務(wù)。約束條件公式⑸表示實際使用的集卡數(shù)不超過集卡總數(shù)。約束條件公式⑹為時間窗費用約束，當(dāng)實際到達(dá)時間早于目標(biāo)時間時，集卡需在原地等待直到裝卸設(shè)備于目標(biāo)時間進(jìn)行裝卸作業(yè)，產(chǎn)生線性的等待費用。當(dāng)實際到達(dá)時間晚于目標(biāo)時間時，則產(chǎn)生線性的延誤費用。在研究算例中，延誤費用系數(shù)q2遠(yuǎn)大于等待費用系數(shù)q1。

4 算法求解

研究采用遺傳算法進(jìn)行求解，遺傳算法簡單、通用，魯棒性強(qiáng)，適于并行處理。遺傳算法的計算過程，通常需要進(jìn)行編碼、適應(yīng)度計算、選擇、交叉和變異等步驟。為解決所研究的問題，對編碼進(jìn)行針對性設(shè)計，使其更準(zhǔn)確地表現(xiàn)個體基因。

在該問題中，個體基因除需要表現(xiàn)任務(wù)順序外，還需要表現(xiàn)任務(wù)分配問題。因此，在實際操作過程中，給定任務(wù)數(shù)M，生成從1 到M的1 組隨機(jī)序列，序列中的數(shù)不能重復(fù)出現(xiàn)。給定集卡總數(shù)n′，在上述序列中的隨機(jī)位置插入n′-1 個0，以達(dá)到任務(wù)分配的作用。例如，有9 個任務(wù)，集卡總數(shù)為4，隨機(jī)生成的1個個體基因如圖6所示。

圖6 個體基因Fig.6 Individual genes

該個體表示1 號集卡按照5，2，3，4，1 的順序作業(yè)，3 號集卡按照6，8，9，7 的順序作業(yè)，2 號集卡和4 號集卡不需要進(jìn)行作業(yè)?？梢钥吹皆诖朔N編碼方式下，可以產(chǎn)生一定數(shù)量的空車，以達(dá)到合理減少集卡派遣成本的目的。

5 算例分析

5.1 算例簡介

在某海鐵聯(lián)運場站區(qū)域內(nèi)，在一定時間范圍內(nèi)需要完成27 個待運輸集裝箱任務(wù)，集裝箱水平運輸任務(wù)表如表2所示。例如，1號任務(wù)與2號任務(wù)具有相同的起點A 和終點B。為完成這一批次運輸任務(wù)，港口可以提供4 輛內(nèi)集卡，鐵路中心站可以提供5 輛共享集卡，即集卡總數(shù)為9 輛。在不進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度的情況下，各環(huán)節(jié)需要以最短時間完成各自范圍內(nèi)的水平運輸任務(wù)，因此9 輛集卡會全部投入運輸任務(wù)。但是，由于信息不共享、任務(wù)不共享，在各個連接節(jié)點處存在等待時間和換裝時間，造成水平運輸任務(wù)消耗總時間增加。

表2 集裝箱水平運輸任務(wù)表Tab.2 Container horizontal transportation task table

其中，任務(wù)終點為中心站裝車點(A′點)的任務(wù)，在班列到達(dá)與出發(fā)的約束下，具有一定的時間窗約束。在研究中，中心站24 h 內(nèi)僅有1 列班列，裝車時間為12:00—13:00，需要換裝集裝箱班列的水平運輸任務(wù)在12:00 前完成所付出的等待時間成本遠(yuǎn)低于在13:00 之后完成的懲罰成本。

為驗證研究理論的可行性，利用數(shù)學(xué)軟件編寫遺傳算法程序?qū)λ憷龁栴}進(jìn)行求解。在此基礎(chǔ)上，通過靈敏度實驗的方式求證聯(lián)合運輸?shù)膬?yōu)越性，當(dāng)3 項成本的系數(shù)發(fā)生變化后，最優(yōu)解也會根據(jù)成本側(cè)重點的不同而發(fā)生變化。

5.2 計算結(jié)果

在計算過程中，令C1=C2=C3，即3 項成本權(quán)重相等，實驗迭代過程如圖7所示。

圖7 實驗迭代過程Fig.7 Experimental iterative process

從計算結(jié)果可知，遺傳算法通常能夠在100 代之內(nèi)收斂，且收斂后所得最優(yōu)解的適應(yīng)度函數(shù)基本相同，即多次實驗所得的集卡調(diào)度計劃綜合時間成本基本相同。同一條件下進(jìn)行10 次實驗，最優(yōu)解目標(biāo)函數(shù)平均值為685.59，代碼運行時間為20 s，效果較為理想，能夠滿足計算要求。

以某一次計算結(jié)果為例，得出C1=C2=C3時最優(yōu)解基因如圖8所示。

圖8 C1=C2=C3時最優(yōu)解基因Fig.8 Optimal solution gene when C1=C2=C3

分析最優(yōu)解基因，可以得到各集卡服務(wù)順序如下。

1號集卡：18，8，16，23，3，12，14，22。

2號集卡：11，15，25，5，26，4，24，1。3號集卡：19。

4號集卡：空閑。

5號集卡：20，10，27，6。

6號集卡：21，7，13，17。

7號集卡：2，9。

8號集卡：空閑。

9號集卡：空閑。

在該方案下，4號集卡、8號集卡和9號集卡不需要進(jìn)行作業(yè)，運用6 輛集卡完成本次運輸任務(wù)。從最優(yōu)解結(jié)果來看，在采用聯(lián)合調(diào)度方案后，完成相同運輸任務(wù)所需的集卡數(shù)量降低，參與運輸?shù)募ɡ寐示兴岣?，運輸效果較好。

5.3 靈敏度分析

在集卡調(diào)度方案中，總計需要6 輛集卡完成全部水平運輸任務(wù)，剩余3 輛集卡空閑不進(jìn)行運輸作業(yè)，最終達(dá)到綜合成本最低的目標(biāo)。為進(jìn)一步驗證模型的正確性，適當(dāng)調(diào)節(jié)C1值，改變3項成本加權(quán)系數(shù)的比例，使集卡派遣成本占比降低，重復(fù)上述實驗，以此方式進(jìn)行靈敏度實驗。令2C1=C2=C3，其他參數(shù)及計算過程均保持不變，得出2C1=C2=C3時最優(yōu)解基因如圖9所示。

圖9 2C1=C2=C3時最優(yōu)解基因Fig.9 Optimal solution gene when 2C1=C2=C3

分析最優(yōu)解基因，可以得到各集卡服務(wù)順序如下。

1號集卡：空閑。

2號集卡：14，22，27，8，19，25，1，9。

3號集卡：18。

4號集卡：5。

5號集卡：空閑。

6號集卡：23，3。

7號集卡：20，6，26，10，16。

8號集卡：7，13，17。

9號集卡：21，2，11，15，24，4，12。

在該靈敏度實驗集卡調(diào)度方案中，總計運用7 輛集卡完成相同運輸任務(wù)。在集卡派遣成本的加權(quán)系數(shù)降低后，運輸方案增加集卡數(shù)量的靈敏度降低，因此運輸方案應(yīng)趨向于使用更多的集卡完成水平運輸任務(wù)。而上述計算結(jié)果也可以證明隨著集卡派遣成本的降低，派遣集卡數(shù)隨之增加，證明了算法的正確性。

6 結(jié)束語

研究海鐵聯(lián)運一體化集裝箱場站布局模式，并基于此提出新型海鐵聯(lián)運場站集卡聯(lián)合調(diào)度的新思路，在考慮時間窗約束條件下建立整數(shù)規(guī)劃模型，并通過改進(jìn)遺傳算法對模型進(jìn)行求解，得出最優(yōu)的集卡聯(lián)合調(diào)度方案，以降低聯(lián)運場站范圍內(nèi)水平運輸?shù)某杀?，提高集卡利用率。而且從靈敏度實驗的結(jié)果來看，在各類成本的加權(quán)系數(shù)發(fā)生改變后，集卡調(diào)度方案將對應(yīng)改變。在未來的研究中，還需要考慮更多的現(xiàn)場運輸條件，考慮不同箱型、不同道路條件、不同集卡型號對求解結(jié)果的影響；并考慮集卡運輸路線的擁堵情況，從而更加有效地解決海鐵聯(lián)運一體化集裝箱場站內(nèi)的水平運輸組織問題。