基于协同学原理的集装箱多式联运系统优化

王永立，徐 威

(1.新国线运输集团有限公司，广东 深圳518049;2.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031)

0 引言

集装箱多式联运是一种以实现货物整体运输的效益最优化为目标的联运组织形式.它通常以集装箱为运输单元，将不同的运输方式有机地组合在一起，构成连续的、综合性的一体化货物运输.多式联运的特点是由多式联运经营人与托运人签订一个运输合同，统一组织全程运输，实现运输全程的一次托运、一单到底、一次收费、统一理赔和全程负责.因此，实行以集装箱为运输单元的多式联运可以降低运输成本、提高运作效率、提高服务质量［1］.正是由于集装箱多式联运有以上优势，如何利用我国的地理情况以及交通状况，构建集装箱多式联运系统，充分发挥集装箱多式联运的优势，显得至关重要.目前，国内外学者对此进行了一定研究.主要研究内容有：以影响集装箱多式联运的某一因素进行探讨［2］，比如以运输费用最小、或者以运输时间最短为目标建立集装箱多式联运模型.也有综合考虑多因素而建立模型［3-5］，但在这方面的研究甚少;同时也有关于集装箱空箱调度的问题研究;关于集装箱多式联运的运作机制、组织协调、发展策略等的研究［6-7］.此外，也有学者对集装箱多式联运通道的一般运行机理进行研究.这些内容中关于集装箱多式联运系统中各因素的协调优化研究较少，因此，本文在重点分析了多式联运系统相关因素的基础上，建立了基于协同学原理的集装箱多式联运规划模型，并运用模型求解实例.以期进一步丰富集装箱多式联运理论体系内容.

1 集装箱多式联运系统的协同关系

协和学，是德国物理学家H·哈肯在研究激光理论的基础上，于20世纪70年代提出的，是一门关于系统内诸子系统相互合作、相互作用的规律的科学.协同学的研究对象是非平衡开放系统中的自组织及形成的有序结构.由子系统组成的大系统总有一个相对稳定的宏观结构，这个宏观结构是各个子系统相互竞争、合作而形成的模式，各子系统之间的协同作用与竞争关系决定着系统从无序到有序的演化过程［8］.

多式联运通道、各种运输方式、集装箱是构成集装箱多式联运系统的最基本的三要素.集装箱是进行集装箱多式联运的源和流，多式联运通道、各运输方式是进行多式联运的体和渠.而在多式联运通道和各运输方式之间又存在着既可能相互促进、也可能相互制约的协同关系.集装箱、多式联运通道、各种运输方式的协同性决定或影响到多式联运活动的效率、水平和质量.

从多式联运的角度看，集装箱、多式联运通道、各种运输方式的协同关系可用图1表示.

图1 集装箱多式联运系统三角形关系图

整体看这三者之间的协同关系，可以从两种循环关系来理解：首先，可以从顺时针看它们间的协同关系.由于对集装箱的利用产生集装箱货源，而对货物的运输需要利用各种运输方式，从而集装箱是运输方式本源性的需求.多式联运即各种运输方式的联合运输，各种运输方式需要通过一定的途径进行转运，从而提高集装箱运输的效率、质量.这一途径就是利用多式联运通道.集装箱多式联运通道相对一般集装箱中转站、货运站有更强的辐射能力，充分吸取周围集装箱货源，形成向外辐射的经济带.从这个循环的协调关系中可以看出，集装箱货源是多式联运的基础，重视集装箱货源是实施集装箱多式联运战略的关键举措.

再从逆时针方向分析.进行集装箱运输有着非常明显的优势，这必将会带来集装箱运输、货物集装箱化的大力发展，这对多式联运通道的进一步发展提供了决策依据.多式联运通道为各种运输方式提供一定场所、服务设施，促进各种运输方式的协调发展，从而带来更大的社会和经济效益.充分运用各种运输方式能够实现集装箱“门到门”运输，完成货物空间位移.从这个循环的协同关系分析中，可以得出如下结论：要实现集装箱多式联运的社会和经济效益，各种运输方式的联合运输有着其逻辑必然性，而多式联运通道在其发展过程中因考虑不同地区的情况，因地制宜，适时发展.

2 集装箱多式联运系统的协同优化模型

2.1 协同理论

集装箱多式联运系统是由集装箱、运输方式、多式联运通道构成复合系统.基于协同学原理的集装箱多式联运系统优化分析，就是协调集装箱货物、各种运输方式、集装箱多式联运通道的关系，保持其间的动态平衡，达到集装箱充分利用、运输方式合理搭配、多式联运通道集约高效的状态.

协同学研究表明，系统处于相变点的变量可分为快、慢弛豫两类变量，慢弛豫变量也称为系统的序参量，它决定系统的演变方向，系统由无序走向有序的关键在于系统内部序参量之间的协同作用.集装箱多式联运系统中，集装箱需求是快变量，运输方式及通道是慢变量［8］.

集装箱多式联运系统可以近似看做是由集装箱子系统、运输方式子系统、集装箱多式联运通道子系统组成.基于协同学原理的集装箱多式联运系统优化的协同特征就是通过对集装箱、运输方式、多式联运通道子系统中的序参量进行调节、控制，提高它们的协同作用，实现集装箱多式联运系统的有序发展.

2.2 协同模型

2.2.1 集装箱子系统

集装箱子系统主要是对集装箱的调用，在其使用过程中会产生相应的效益.因此，集装箱子系统可以将集装箱利用效益作为目标函数.设Xi表示第i种集装箱利用数量;Ci表示集装箱利用的价值系数;bi表示可供利用的集装箱数量.其模型可以表示为：

其中，式(1)为目标函数，表示利用集装箱所产生的效益要最大;式(2)表示使用的集装箱数量不能超过可供利用的集装箱数目;式(3)表示决策变量为非负约束.

2.2.2 运输方式子系统

在多式联运中，通过各种运输方式的无缝衔接，即可缩短运输时间，亦可同时减少运输成本.运输方式子系统即建立各种运输方式的组合优化模型，选择合适的运输方式或线路以最小的费用完成货物运输.考虑到目前集装箱空运与其他运输方式在标准上很难统一，本文仅就铁路、公路、水运等运输方式进行探讨.各运输方式转运可用图2表示.其中阶段1表示集装箱货物经多式联运通道分配给铁路、公路、水路等运输方式，阶段2表示货物经上述三种运输方式联合运输后将货物运达目的地.

图2 运输方式组合图

由图2可以看出，货物经由多式联运通道运至目的地有这样3部分费用组成：多式联运通道处将货物分配给铁路、公路、水路等运输方式时产生的费用、货物运输产生的费用、货物转运时产生的费用.将多式联运通道看做网络的源，将目的地看做汇，各运输方式看做网络的节点，则运输方式子系统可以简化为网络的流问题，该问题中节点代表运输方式的同时也表明下段线路所采取的运输方式.

结合上述说明，建立从多式联运通道至目的地的运输费用模型如下［3-4］：

式中，Ciij表示以运输方式i将货物从节点i运至j时单位运量单位运输距离的单价;Lij表示节点i与j之间的距离;dijj表示节点j处将运输方式由i转为j时单位运量的中转费用，若节点处不存在运输方式中转，此时dijj=0;q为运输量，qij表示i到j这条运输路线的运能.

式(4)为目标函数，它表示运输过程中总费用最小，有两部分组成：运输费用、中转费用.式(5)表示决策变量的取值为0或1.式(6)表示运输量不能超过运输线路的运输能力.式(7)表示在某节点处，若存在运输方式转换，则只能存在一种转换.

2.2.3 多式联运通道子系统

集装箱枢纽港中铁路、公路、水路等多种运输方式的设施配置在一定程度上会受多式联运通道规划的影响.多式联运子系统主要考虑通道内各运输方式因能力不足而带来的惩罚费用.设Q表示通道处实际货量，Si表示第i种运输方式因能力不足或过剩而导致的每单位货物的惩罚费用.Qi表示通道处第i种运输方式所能承受的最大max运量，Qimin表示通道处第i种运输方式所能承受的最小运量.该模型表示如下：

式(8)为目标函数，它表示因运输方式能力不匹配而带来的惩罚费用.

2.2.4 协同模型

根据协同学原理，有序度作为序参量的状态函数，可以表征系统有序或混乱的度量，可以引入有序度的概念来衡量各子系统之间的协同作用，判断系统的演化方向.对于集装箱多式联运系统，包含集装箱、各运输方式、多式联运通道以及多类序参量，衡量各类序参量对系统有序度的贡献，通过序参量对子系统有序度贡献进行集成.基于协同学原理的集装箱多式联运系统优化配置可以用式(9)表示：

式中，f1(x)，f2(x)，f3(x)为集装箱、各运输方式、多式联运通道子系统优化模型的3个目标函数;a1，a2，a3为各目标函数权重参数.由上述3个子系统可以看出，集装箱货量贯穿模型始终，因而从系统的角度看，对集装箱多式联运进行协调研究是有必要的.

上述三个子系统的目标不尽相同，但由于集装箱子系统的目标效益由运输方式子系统目标的确定而确定，故求解时集装箱子系统模型在F(x)中不予考虑.则基于协同学原理的集装箱多式联运系统优化配置可以表示为：

3 算例

现有一批货物欲从某运能足够大的集装箱枢纽港S运至目的T，二者之间可以利用的运输方式网络图如图3所示.A1、B1表示铁路运输，A2、B2表示公路运输，A3表示水路运输.各节点间的距离、线路运能、运输费用如附表.假设当货运量为900 t及1 000 t时，分别求解可行的运输线路方案.

图3 运输方式网络图

附表 各节点间不同参数值

根据上述协同优化模型，运用0～1算法进行求解.当货运量为900 t时，选取的运输路径为S→A1→B1→T，即全程采用铁路运输，总费用为59 661元.当货运量为1000 t时，选取的运输路径为S→A3→B2→T，即先采用内河水路运输，然后采用公路运输，总费用为77 520元.

4 结论

集装箱多式联运系统由集装箱、各运输方式、多式联运通道等子系统组成，在分析各子系统协同关系的基础上，建立各子系统优化模型，确定集装箱多式联运系统优化配置模型，并通过实例对模型进行验证.在建模的过程中，由于赋予节点双重含义，从而将模型简单化，这给求解带来了极大的方便.

文章从协同学的角度考虑了影响集装箱多式联运效率、效益的相关因素，对集装箱多式联运系统研究起到了一定的参考作用.当然，发展集装箱多式联运还需考虑的因素很多.因此，仍需进一步研究集装箱多式联运系统的相关理论，以促进我国集装箱多式联运的快速发展.

［1］王鸿鹏，许路，邓丽娟.国际集装箱运输与多式联运［M］.2 版，大连：大连海事大学出版社，2005：164-169.

［2］文军.集装箱多式联运成本控制优化模型研究［D］.长沙：长沙理工大学，2010.

［3］付晓凤，马彬，张娟，等.多目标一体化的联运路径优化方法研究［J］.铁道运输与经济，2009，31(9)：83-84.

［4］于瑞菊，王继荣，李军，等.集装箱多式联运运输组合优化的建模研究［J］.系统仿真技术，2009，5(4)：273-274.

［5］MICHEL BEUTHE.Freight transportation demand elasticity's：a geographic multimodaltransportation network analysis［J］.Transportation Research parte，2001，37：253-266.

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［7］傅占勇.多式联运有关问题的研究及其运作［J］.铁道货运，2002(3)：18-21.

［8］杨兆升.城市道路交通系统智能协同理论与实施方法［M］.北京：中国铁道出版社，2009：21-25.