基于铁路货运的大型装车点选址优化研究

2011-05-04金小燕

铁道货运 2011年9期

金小燕

（兰州交通大学交通运输学院，甘肃兰州 730070）

1 概述

从 2006 年开始，铁道部要求将运力资源，特别是新增运力向大型装车点倾斜，全面推进大型装车点建设。铁路大型装车点是以智能化的装载系统，大容量的仓储能力，高效规模化的工作方法，具备整列配车、整列装车、整列始发的能力，对全路 (或全铁路局) 货物发送和生产效率具有重要影响和重大意义的装车点[1]。截至 2009 年7月底，全路己建成 444 个大型装车点，覆盖大部分煤矿、港口、炼油厂、钢厂等发送量较大的货运作业点。铁路大型装车点对外加强货运营销，对内挖掘运输潜力，在增运补欠中发挥重要作用。

全国铁路建设大型装车点是根据铁道部“两整合、一建设”(对车站到发货物品类的整合、对业务量较小车站的整合，建设大型装车点) 工作总体部署提出的。大型装车点的建设方法要求灵活，以需求为基础，1 站可以有多个大型装车点，1个装车点可建多条整列装车线，每一个大型装车点至少具备1条整列装车线，装车线可以是专用线、专用铁路，或者车站货场装车线。大型装车点必须能够进行高效作业、快速装车，以煤、石油、焦炭、矿石、钢铁等大宗物资为主，具有较好的货源基础和较强的货源吸引能力，货源量原则上达到日均 1列以上[1]。

2 大型装车点选址方法分析

2.1 大型装车点选址的特点及原则

大型装车点的选址在整个铁路运输系统中占有非常重要的地位，属于铁路运输经济管理战略层面的研究。大型装车点位置的选择将影响实际运营的效率与成本，并制约未来铁路货运的发展方向。因此，铁路局在决定大型装车点的选址方案时，必须谨慎参考相关因素，不仅要考虑铁路内部效率的因素，还要考虑外部市场环境条件因素，按照相关物流园区或物流中心的规划步骤进行。选址决策就是确定所要分配设施的数量、位置及分配方案[2]。就单个企业而言，选址决策决定了整个物流系统及其他层次的结构；反之，该物流系统其他层次 (库存、运输) 的规划又会影响选址决策。

大型装车点选址的过程涉及方方面面的因素，看似无规律可循，但在科学的选址决策过程中，一般遵循以下的评选原则[3]。

（1）规模经济性原则。大型装车点的规模经济性比较明显，在允许限度内通过采用大规模生产方式可以降低单位产品的成本。但是制约大型装车点规模的因素比较多，除受到一般工业生产企业建设影响因素外，还受到客观物流量和交通运输方式等条件的限制。

（2）费用最小原则。在竞争激烈的当今社会，经济成本最小就意味着有较大的利润空间，在竞争中也肯定会占据有利地位。因此，应将费用最小作为大型装车点选址的主要原则之一。

（3）能力弹性原则。由于企业在竞争中不断的发展，在大型装车点选址的过程中，应考虑到市场变化、生产涨落等企业所处环境的动态变化。因此，大型装车点的选址及其能力设置也要有足够的弹性，在一定程度上考虑到将来可能发生的变化，以适应市场环境。

（4）简化作业流程原则。从企业到最终消费者的过程中，涉及的业务流程越少，企业的利润空间越大，其竞争力也越强。所以，在进行大型装车点的选址决策时，也要考虑尽量简化作业流程。

（5）适度原则。在进行大型装车点选址时，要考虑装车点未来的兴建费用和运营费用，对于规模的大小及其运营费用，都应有一个适度标准，既不能太浪费，又要满足各需求点的要求。

2.2 大型装车点选址方法

选址的方法很多，按照不同的标准就会有不同的方法。根据设施允许安置的空间对选址方法进行分类，可分为连续选址、网络选址和离散选址。

（1）连续选址又称为平面选址，指的是在1条路径或者1个区域里的任何位置都可以作为选址的1个选择，允许在可行的连续空间的任何地方选址，多半采用解析方法，一般包括交叉中值模型和精确重心模型。

（2）离散选址指的是在有限的候选位置里面，选取最为合适的1个或者1组位置为最优方案，与连续选址模型的最大区别在于只允许在指定的一些离散点集上选址。一般主要有2种模型可供选择，分别是覆盖模型和 P-中值模型。

（3）网络选址的待选区域是一个被细分为许多相等面积的平面，候选地址的数量有限，但非常大，通常被允许在指定网络的顶点与边上选址，典型的应用是仓库中不同货物的存储位置的分配。

一般后两者主要用组合方法研究。另外，选址方法还可以分为单目标选址与多目标选址、受欢迎的设施选址与不受欢迎的设施选址等，以下对常用的2种选址方法进行简要介绍。

2.2.1 精确重心法

又称精心中心法、网格法，适用于最简单的单一选址问题。利用重心法解决选址问题的指导思想是根据服务对象的地理位置，确定与这些服务对象之间的运输费用达到最小的地址，将其作为选址的最优解。利用重心法建模求解主要是以运输费用为主的，而忽略了其他费用。

用重心法得到的最优解只有1个点，而不会是1条线段或者1个区域。重心法的使用前提是已知大型装车点各货源地的地理位置，寻找总运输费用最小的地址作为大型装车点的优选地址。在使用重心法确定优选地址时，首先应注意货源地的确定是否准确。货源地是大型装车点的服务对象，货源地位置是重心法的基础资料，其准确与否直接决定了选址的最终结果。服务对象的确定随不同的城市而有所不同，这主要受该城市经济特点、发展规划及相关政策等因素制约。

2.2.2 P-中值模型

P-中值模型是指在一定数量的备选点集合下，从中找出 P 个位置进行配送中心的修建，并为每一个需求点指派其中的1个设施，以满足各需求点的需要。同时，要使从各配送点到需求点之间的运输费用最低[4]。

对于P-中值模型的设施选址问题，主要有两大类的方法：精确计算法和启发式算法。在规模较小时，可以利用精确计算法求出精确的数值解；在大规模、多约束情况下时，一般采用启发式算法进行求解。P-中值模型一般适用于工厂或者仓库的选址问题，例如求它们与零售商或顾客之间的费用最小。

3 大型装车点选址模型建立及算法

3.1 大型装车点选址描述

大型装车点的总体布局是根据经济社会和运输需求的预测结果，利用运输理论对所规划的大型装车点的数量、大小和位置进行优化，同时调整装车点的内部结构，实现整个运输系统的运输效率最大化[5]。

大型装车点的布局和其他选址一样，应采用定性分析和定量计算相结合的方法。定性分析可研究城市规模形态、货源发生地特征、城市内道路设施状况和装车点的布局关系，定性分析装车点的等级；定量计算则是根据数学选址模型来确定设施选定地址、数量和规模等。

这里讨论的是多个大型装车点选址，是指在一些已知的备选点中选出一定数目的地点设置为大型装车点，使形成的货物运输网络总费用最少，这些已知的备选站点属于铁路局或者是车务段所涵盖的区域范围内。其中，总费用包括基本投资费用、可变费用、固定费用，以及由于铁路内部运输组织程序而产生的成本费用等。

3.2 建立大型装车点选址优化模型

针对铁路运输企业的选址要求，以铁路运输企业整个货物运输系统运营成本最低化为目标，在假设供需平衡条件下，增加考虑固定运营成本和以铁路货运站场为特点的大型装车点的可变运营成本等因素，构建大型装车点选址模型。

假设有 n 个货源地，m 个备选站点，从这 m 个备选站点中组合优选出若干个大型装车点。

所建立的目标函数如下：

式中：xij表示从货源点到备选大型装车点的货运量；cij表示从货源点到备选大型装车点的单位运输成本费用，铁路的运输费用一般采用铁道部制定的有关费用；bij表示承运货物的单位价值，用价格表示，实际中可以货物保价价格为准；δj表示备选大型装车点的1次货物作业时间与一昼夜时间比率，反映备选站点的工作效率及设备使用效率；Ej表示备选大型装车点扩建至最小作业处理能力的扩建费用；Kj表示关闭备选站点将节省的费用；Zj为离散变量，当 Zj=1 时，表示第 j 个备选大型装车点被选中，否则 Zj=0；Ai表示考察期内货源 i 所能提供的货物量；Di表示对产自货源地 i 的产品需求量；Wj表示站点 j 发出的货运量；Qj表示大型装车点所要求的最小处理能力，考虑大型装车点的装车作业能力、仓储容量、空车供给及点线通过能力等因素，并预留储备能力。

一般地，货运站点的1次货物作业时间是衡量车站运输组织工作质量的1项综合性指标。1 次货物作业时间越短，则货车周转效率越高、客户满意度越大，也意味着备选大型装车点的潜力越大、经济效益越高、总成本越低。因此，以 δj与承运货物价值的乘积衡量某一备选大型装车点的改造潜力，当 δj越小，对承运货物价值的损失越小，客户越满意，则总成本越低，改造的潜力也就越大，反之，则改造的潜力也就越小。

约束条件中，公式⑵表示货源供给能力约束，以保证货源点发送到大型装车点的货运量不能超过其供货力；公式⑶确保满足大型装车点的货物量需求；公式⑷表示大型装车点的货物进出总量要平衡；公式⑸表示站点受理作业能力约束，大型装车点的受理货物作业量受到装卸作业能力、空车配送水平、货物存储能力等一系列因素的限制；公式⑹表示站点总数约束，即优化数目要小于等于备选站点总数；公式⑺表示如果站点没有被选择，那么货物将不会从此站点经过，其中，M 是1个无限大的数。

从模型可以看出，最优方案必须是在大型装车点吸引货源量满足需求的前提下，使目标值最小。因此，在求解之前可通过核心约束条件去除不满足的解，并结合集约化原则，得到可行方案。具体步骤如下：首先，对各方案计算所含候选装车点覆盖范围内的货源；其次，根据大型装车点选址所遵循的集约性原则，确定最佳大型装车点选址数；最后，由方案子集 S 确定最佳大型装车点中候选装车点数目的最小值。经过处理后，对应每一个可行性方案子集 S 均存在相应的大型装车点选址子问题，可直接利用算法对其进行求解。通过对比各子集的优化结果，最终获得大型装车点最优方案选址。

4 算例

假设有5个货源地，5 个大型装车点，装车量都满足客户需要。货运量矩阵和运输成本矩阵如下。其中，xij表示从货源地 i 发往大型装车点 j 的货运量。cij表示从货源地 i 发往大型装车点 j 的运输成本。货源地的供给量如表1所示。对货源地产品的需求量如表 2所示。大型装车点最小处理能力如表3所示。各参数赋值如表4所示。

表1 货源地的供给量万t

表2 对货源地产品的需求量万t

表3 大型装车点最小处理能力万t

表4 参数赋值

依照上述模型公式和约束条件，2 号装车点不满足约束条件公式⑵；3号装车点不满足约束条件公式⑷；5 号装车点不满足约束条件公式⑸。因此，装车点 2、3、5 不满足要求，应淘汰。装车点 1、4 满足上述所有建模公式和约束条件，予以保留。对于5个货源点来说，最少量地保留1个装车点不一定是实现成本最小的方案，因为涉及货源地至装车点的运输成本、各装车点的运输效率及装车点的资源利用等因素。保留其中2个最符合需求的装车点，能够实现成本最小、装车点的利用效率最高，是最优方案。