基于物流系统接口模型的多式联运运输优化研究

何明珂 涂 超 王泽鹏

（北京工商大学，北京 100048）

基于物流系统接口模型的多式联运运输优化研究

何明珂 涂 超 王泽鹏

（北京工商大学，北京 100048）

多式联运运输过程中多种运输方式的无缝衔接仍存在很多问题，阻碍多种运输方式的优化组合。现从物流系统接口的角度，首次提出多式联运中物流系统接口模型（Logistics System Interface Model），探讨了物流系统接口在多式联运运输中的作用，结合接口处的成本和运输过程的成本，构建多式联运总运输费用和总运输时间最小的双目标优化问题，通过双目标整数规划模型得到运输方式和路线的最优组合 。结果表明通过物流系统接口模型可以进一步改善多种运输方式的衔接，有利于优化多式联运的运输组合。

接口 多式联运 物流系统 运输优化

引 言

随着中国与各国家在 “一带一路”框架下谋求进一步全球贸易的发展，公路、铁路、港口等现代物流基础设施已日趋完善，采用多式联运开展贸易运输已成趋势，但要多种运输方式无缝衔接还存在很多问题，阻碍着多种运输资源的优化组合。而实际中不同运输系统的转换部分的衔接又是发展多式联运的运输方式的关键一环，研究多式联运过程中的接口无缝衔接，对发挥不同运输方式的组合优势，充分利用现有的综合运输资源有重要意义，同时也能促进现代化物流基础设施的升级。

本文从物流系统的角度，提出多式联运中的物流系统接口模型，并建立多式联运运输优化的双目标规划模型，模型中考虑多式联运中接口处衔接问题，基于线性规划设计相应的算法程序，计算多式联运的运输模式与单种的运输方式在总费用和总时间上的总体差异，探讨多式联运的物流接口对多式联运运输的影响。本文提出的物流系统接口模型以期完善多式联运组织运营理论，也为今后开展多式联运工程建设提供参考。

1 多式联运中物流系统接口模型的建立

1.1 多式联运中节点和路径的优化文献研究

杨华龙［1］等建立集装箱多式联运服务分段采购中的运输费用和运输时间双层优化目标，提出了集装箱多式联运服务分段采购优化模型。贺竹磬［2］构建时效性物流运输方式选择的混合整数规划模型，并设计遗传算法对此求解，结果显示通过联合运输的方式可从整体上达到物流实效性和成本的最优。李丽［3］利用基于时间最少路径的运输费用模型，采用基于K最短路的遗传算法，能较好地解决4PL对运输路径和运输方式的选择问题。熊桂武［4］根据用户对于货物到达时间的需求具有模糊性设计算法求解。Hamdi［5］等通过建立双目标混合整型线性规划模型求解出基于马尔马拉地区的多式联运网络设计和运营方案Chang［6］等从总运输成本和考虑环境问题的外在成本两方面设定最小目标，构建国际集装箱在韩国公路、铁路和近洋航线上的多式联运优化模型。

现有文献在从经营人角度在路线规划方面提出一些多式联运运输优化模型，或者从战略上对轴辐式网络中枢纽布局和网络设计进行决策［7］，对多式联运运营过程中不同运输方式衔接所产生的接口问题并未充分考虑。本文将从物流系统的角度出发，通过剖析多式联运过程中衔接处接口的结构和功能，构建多式联运中物流系统接口模型，综合考虑多式联运中的接口处的费用和时间，以期优化运输组合。

1.2 物流系统接口的理论发展

多式联运中多种运输方式一体化衔接是物流系统接口的重要研究内容。物流系统接口是指两个或多个不同物流系统（或系统内部不同要素）之间相互衔接并通过它彼此作用的部分，这在国内外还是一个较新的研究领域。何明珂［8］在其专著 《物流系统论》中提出了物流接口无缝化的原理，阐述了物流接口无缝化的含义，提出实现物流接口无缝化的方法建议。

近几年物流行业快速发展，物流系统接口得到更多的研究。宋文哲［9］首先对物流系统接口进行深入研究，完善了物流系统接口的概念，分析了物流系统接口的类型、功能等，同时探讨了物流系统接口无缝化的特征、意义和实现方法等。结合前人的研究成果，结合现实中出现亟待解决的物流问题将是物流系统接口进一步研究的方向。

随着多式联运在我国和其他国家贸易过程中应用广泛，推动不同运输方式的一体化衔接，多式联运中接口研究是首要问题，本文将对多式联运中的接口部分进行探索研究。

1.3 多式联运中物流系统接口的分析构建

多式联运过程中的 “转接”是其重要特点和环节，它包括不同运输方式的合理转换和货物及其相关信息的无缝衔接，这其中会频繁发生商流、物流、信息流和资金流的传递，并且需要通过物流系统接口在不同物流系统层次的有效专递，才能完成高效的多式联运运输过程，从而多式联运物流系统的接口是多式联运系统运作效率中的核心问题。针对这一核心问题，下文将分析多式联运中物流系统接口的功能和结构，在此基础上提出基于多式联运的物流系统接口模型。

1.3.1 多式联运中物流系统接口的功能

多式联运的运输方式需要协调不同物流要素和各个不同部门，物流系统接口目的在于保证采用多式联运的运输活动能顺畅进行，因此也就要求物流系统接口具有相应的功能。

（1）衔接功能。物流系统接口处于采用多式联运过程中不同运输工具和运作部门的连接处，这就要求物流系统接口具有衔接多种不同要素的功能。通过接口的衔接作用，可以将各种不同运输资源和物流要素结合成为整体，当采用相同运输方式时也能使货物快速通过，保障运输活动的顺畅进行，达到整体运输效率最高的目的。

（2）转换功能。多式联运涉及多种运输方式，不同运输方式的操作流程和管理部门各异，要将货物完整高效地运达目的地，要在接口处实现不同运输方式的转换功能，通过信息流的高速准确传递，可提高接口的转换功能效率。

（3）准入/阻止功能。多式联运需多系统协同合作，物流系统接口是个半开放状态的系统，对于没有经过相互签订标准协议的要素，不能通过多式联运的接口实现顺畅的运输活动。

1.3.2 多式联运中物流系统接口的结构

（1）基础硬件层面

基础设施。多式联运需要在多种可选择的运输方式和路线形成的网络中进行最优选择，完善的物流基础设施是搭建多式联运网络并开展多式联运运输的前提条件，物流基础设施是物流各功能要素在参与物流活动的过程中所需用到的各种公用设施，由各种不同的运输线路、运输线路的交汇与节点以及理货终端构成［10］。汽车站、火车站、港口、码头、机场、物流中心等节点是多式联运网络的点，不同运输方式在此转换，是各种运输方式的接口；而公路、铁路、管道等人工建设的运输通道是多式联运网络的线，是连接不同转换节点的物流接口。点线结合构成多式联运网络基础设施框架，通过先进的信息技术无缝衔接。

基础设备。多式联运基础设备是指多式联运活动中实现货物运输、装卸搬运等过程中所使用的工具，是除基础设施外的物流系统接口硬件组成部分。这些设备可将不同的仓储和运输等设施连接起来，是各种基础设施的接口，包括运输中的汽车、火车、飞机和轮船等，装卸搬运中常见的叉车、传送带、升降机、龙门吊等，运输载体中的集装箱、托盘、集装箱气囊等等，这些不同类型的设备，极大地提高了物流系统接口的运作效率，促进多式联运向一体化方向发展。

（2）操作服务层面

现实中，需要通过人或机器的实体操作使货物能够以多式联运的方式进行运输，每个操作环节都是上一个环节与下一个环节的接口，比如需要通过装卸搬运将货物装入运输载体，再将其与各式运输工具接合起来；通过操作运输工具使货物从多式联运网络中的一个节点转移到另一个节点；在节点中运输方式的转接需要合适的换装方式将在运输载体中的货物转移到另一种运输工具中（见表1），同时完成信息物权交接以及验货检验等服务，这都是接口在操作层面中的体现。

多式联运是个复杂的多要素协同活动，作业流程和规范是不同操作环节接口的软件部分，实际操作中需要标准化的作业流程和规范来指导，使各种操作环节高效衔接起来，如简化货物检验和换装操作流程，减少因操作不合理带来的等待时间和货物损耗，同时还通过先进的信息技术传递作业指令提高换装效率。

表1 多式联运换装方式

（3）组织管理层面

多式联运中通过系统的组织和管理来安排操作和业务执行。开展多式联运的组织需要有与外部联系和业务的接口，也需要组织内部人员和管理业务运营。如业务销售和客服是开展多式联运的组织与多式联运客户间的接口，路线调度部门是业务销售与多式联运过程中与各运输部门和物流中心的接口。

1.3.3 多式联运中物流系统接口模型（Logistics System Interface Model）

由上述对多式联运物流接口的分析，提出多式联运中的物流系统接口模型，见图1。

图1 多式联运中物流系统接口模型

该模型由基础硬件层、操作层和组织管理层构成，每一层中的接口都是多式联运过程中重要的衔接部分，不同层次接口承担的流通要素重点成分不同，基础硬件层和操作层中的接口主要衔接是具体运输中实体货物的流动，主要是物流活动的发生场所；组织管理层中的接口衔接着商流和资金流；信息流贯穿于每一个层次中，由于多式联运是个复杂的多系统协同活动，过程中每一个接口都伴随着信息准确及时的传递和对接。

标准化协议是使物流、商流、资金流和信息流在多式联运的过程中能通畅运行的保障，是提高运输效率的关键，标准化协议包括商业合同、行业标准、操作规范、一体化流程等协作中需要达成一致的共识，这部分共识在开展多式联运运输活动前就应该形成，如果说多式联运物流系统接口模型中铁路和公路等基础设施是硬件基础的话，标准化协议的支撑作用就是其软件基础。

构建多式联运中的物流系统接口模型，最重要的目标是为了改善多式联运整体的运输效率，降低运输成本，但接口处产生的转接等物流活动，不可避免会增加货物的在途时间，增大运输难度，但也正是接口的存在，可以衔接起多种运输方式的优势。在物流系统接口模型的框架下，进行多式联运的运输活动，考虑物流接口产生另外的时间和费用时，优化运输方式和路线是下面需要探讨的问题。

2 基于物流系统接口的多式联运中运输方式和路线优化问题

2.1 问题描述

多式联运运输过程在运输网络中进行，网络中每个节点即是多式联运中的物流接口，假设有一批用集装箱装载的货物，从A地发往目的地B，途中需要经过若干城市节点和运输路线构成的多式联运运输网路，相邻的城市节点间可选择不同的运输方式，而各运输方式的运输费用、时间不同。集装箱货物在运输途中经过的每个城市节点都有换装接口，可转换成不同的运输方式进行下一阶段的运输，当货物在接口发生运输方式的换装时，需要一定的转换费用和转换时间。若不改变运输方式，即不产生转换费用和转换时间。转运时间和转运成本［12］是多式联运中常考虑的因素。采用多式联运的关键是运输路径和运输方式的选择［13］，也是多式联运物流系统接口模型中管理组织层的规划部门这个接口的工作，将衔接起多式联运组织承担的货物运输和多式联运运输网络的运作。以最少的费用和时间，通过多式联运运输网络中的路线和接口，将货物从A地运到B地，需要求解合理的运输路线和运输方式。

2.2 问题建模

2.2.1 模型假设

（1）从物流中心发出的集装箱货物在运输过程中不补货，不拆分，货量恒定；

（2）运量在相邻城市间不可分割，即相邻城市只能选择一种运输方式；

（3）运输费用与距离是线性函数；

（4）运输过程分阶段进行，同一阶段中的城市间没有运输路径。

2.2.2 参数符号说明

i：运输阶段，i＝1，…，I；

Ai：i阶段所有城市节点集合，e、f、g∈Ai；

W：所有运输方式集合，k、l∈W；

2.2.3 模型建立

模型的目标函数以整个运输过程中总费用最小和总时间最小为目标，总费用包括运输费用和转运费用，总时间包括运输时间和转换时间。式（3）表示相邻阶段2城市间若存在路线，只能选一种运输方式，运量不能分割；式（4）表示在某一阶段某节点城市，运输方式只能发生一次转换；式（5）表示保障运输连续进行；式（6）表示决策变量取整数0或1。

2.3 算例求解

2.3.1 解法说明

为简化求解，将模型中双目标规划问题中的目标函数进行线性加权，假设费用和时间在该运输问题中同等重要，原目标函数变为：

图2 多式联运中运输网络和接口

其中取α＝0.5；β＝0.5。

将求解模型分为3步：

（1）根据假设，设定运输网络（图2）。图4中A0为发货城市，将集装箱货物经运输网络中若干城市节点，运往目的城市A6，节点城市分别为A1、A2、A3、A4和A5，即为运输网络中的接口，接口处由于运输方式的转换需要伴随着资金流、商流、物流和信息流的畅通传递。图4中有箭头指向的线段即为两城市间存在运输路径和方向，并且有路径相连的节点城市间有3种运输方式选择：铁路、公路和水路，可开展多式联运运输。

（2）为方便求解该问题模型，将运输网络进行阶段划分，节点城市也只用白圈和字母表示。节点城市A0作为发货点位于第一阶段，城市A1、A2和A3划为第二阶段，A4和A5归为第三阶段，目的地A6为第四阶段，如图3所示。

（3）扩展虚拟运输网络图。为进一步简化模型计算，在原有多式联运网络图基础上，构建一个虚拟多式联运运输网络扩展图，假设在有路径的节点城市间，铁路、公路和水路3种运输方式均可到达；除发货点A0外，其他6个节点城市每个都扩展成3个虚拟城市，即每个城市只代表一种运输方式可到达，扩展后的虚拟城市还处于原有阶段中，在最后，加设一虚拟目的地接收货物，图4中展示的是假设货物沿A0—A1—A5—A6运输路径扩展成虚拟运输路径的演变情况。其中A0是货物起发点，A1－1、A1－2、A1－3是城市A1扩展的3个虚拟城市，“－1”、“－2”、“－3”分别代表着到节点城市前的运输方式只能是铁路、公路和水路。类似的，比如A5－1是A5扩展的虚拟城市，意味着货物到虚拟城市A5－1前的运输方式是铁路，其他节点城市扩展虚拟城市的运输方式划分也一样。不同的是，到A6－1、A6－2、A6－3之前和之后路线都分别是铁路、公路和水路。

图3 多式联运运输网络阶段图

图4 多式联运虚拟运输网络扩展过程图

扩展的虚拟运输网络的几点注意：

（1）同一节点城市扩展来的3个虚拟城市间没有连接弧；原来不同阶段节点城市间若存在路线，则由其扩展的3个虚拟城市之间两两有路线连接；若原节点城市间若没有路线连接，则各自扩展的3个虚拟城市之间也没有运输路径。（2）扩展的虚拟多式联运运输网络图类似有向图，其中每条弧上的权重有费用权重和时间权重，费用权重包括：两节点城市间运输费用和运输方式在节点的转换费用；时间权重包括：两节点城市间运输时间和运输方式在节点的转换时间。（3）在扩展的虚拟运输网络中，将没有路线连接的节点城市间的运输费用和运输时间都设为一个充分大的整数，而货运终点A6扩展出来的A6－1、A6－2、A6－3，他们到终点A6的运输费用和运输时间都为0。由此，原问题转化为通过虚拟多式联运运输网络，从节点A0到节点A6的最短路径问题，用数学规划软件LINGO11.0来求解最短路径。

2.3.2 算例数据

图4中多式联运运输网络图中，有路线连接的各节点城市间不同运输方式的运输费用和运输时间见表2。

表2 有路线的各节点城市间运输费用和运输时间

在节点城市发生的不同运输方式转换时，转换费用和转化时间见表3。

表3 运输方式的转换费用和转化时间

2.3.3 计算结果

根据上述对模型的解法说明，结合算例数据，采用LINGO11.0求解，得出采用多式联运方式得到的目标函数及运输路线和运输方式。同时，通过对比分别只用水路、公路和铁路的运输方式，采用多式联运运输过程中，虽然在接口处产生了多余的费用和时间，但综合了各种运输资源后仍产生一定的多式联运组合优势。

表4 采用各运输方式的求解比较

由表4看出，采用多式联运方式运输货物，比用单一运输方式在费用上有优势。时间上多式联运运输与单一铁路运输花费的总时间相同，由于多式联运过程中有一次水路与铁路的运输方式转换，增加了总的货运时间，若能改善多式联运中转换运输方式的衔接，提高接口处的转接效率，多式联运将会在综合运输中发挥更大作用。

多式联运的物流系统接口使货物能综合利用多种运输资源，开展多式联运，但也在运输过程中产生额外的费用，增加货物在途时间，因此，还需对于多式联运中的物流系统接口进行进一步的研究，以降低货物在接口处产生的延迟和多余费用。

3 结 论

本文在研究物流系统和多式联运的基础上，分析了多式联运中物流系统接口的结构，归纳多式联运中物流系统接口的3种功能，首次提出基于多式联运的物流系统接口模型。该模型将多式联运中接口分为基础硬件层、操作层和管理层，通过标准化协议，使多式联运中物流、商流、资金流和信息流凭借不同层次的物流接口准确而高效地流通，保障多式联运运输过程的每一个环节，提高采用多式联运方式的运输效率，改善接口处衔接以降低成本。

多式联运中，接口处的物流活动会增加整个运输过程中的时间和费用等成本，基于物流系统接口模型进行运输方式的优化组合使多式联运在总费用和总时间上花费得到改善。物流接口在多式联运中广泛存在，若能从基础硬件层、操作层和管理组织层等各个层次提高接口的衔接效率、降低成本，从而带动信息流、资金流、商流和物流的高效流通，对多式联运工程的实施有很大促进作用。如何根据各层次接口的特点，提出改善接口的衔接效率，将是本课题进一步的研究方向。

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Research on Multimodal Transport Combination Optimization Based on Logistics System Interface Model

He Mingke Tu Chao Wang Zepeng
（Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

In the multimodal transport process，there are still many problems of the perfect connection of multimodal transport，which would hinder the optimal combination of multimodal transport.From the perspective of the logistics system interface，this paper proposes the logistics system interface model in multimodal transport for the first time，discusses the functions of logistics system interface in multimodal transport，establishes a bi－level programming problem of the combination of the lowest cost and minimized total transport time，and obtains the optimal combination of modes of transport and transit routes through the double objective integer programming model.The result demonstrates that through the logistics system interface model，the connection of multimodal transport can be further optimized which can optimize the combination of multimodal transport.

interface；multimodal transport；logistics system；transportation optimization

10.3969/j.issn.1004－910X.2016.12.002

F224

A

（责任编辑：王 平）

2016—07—03

国家科技支撑计划项目中的课题（项目编号：2015BAD18B05）；北京市哲学社会科学规划项目（项目编号：19005418027/ 009）；北京市教委特色科研团队资助项目（项目编号：19008001078）。

何明珂，北京工商大学商学院教授，博士，博士生导师。研究方向：物流系统理论与方法、供应链管理。涂超，北京工商大学商学院硕士研究生。研究方向：物流系统接口、供应链管理。王泽鹏，北京工商大学商学院硕士研究生。研究方向 ：供应链管理。