长江经济带集装箱多式联运路径优化模型研究

2019-11-26李敏

铁道运输与经济 2019年11期

李敏

（中国铁路武汉局集团有限公司运输部，湖北武汉 430071）

根据国家发布的长江经济带系列战略规划，提出以沿江综合运输大通道为支撑，促进上中下游要素合理流动、产业分工协作，统筹多种运输方式协调发展，加强无缝衔接和综合交通枢纽建设，提升集装箱和大宗散货铁水联运比例。近年来，长江经济带运输需求增长迅猛，对以集装箱为核心的多式联运需求逐步增加。许多学者对长江经济带多式联运进行研究，主要集中在铁水联运领域。例如，肖睿[1]研究提出长江经济带铁水联运发展对策；刘启钢等[2]研究铁水联运利益协同模式；赵铭等[3]分析长江中游湖北段铁水联运情况；常祎妹等[4]探讨集装箱码头铁水联运装卸设备协同调度问题；于雪峤等[5]考虑模糊需求的多式联运路径优化。因此，综合考虑运输区段能力、节点作业时间、翻三峡大坝成本、设施无缝衔接等因素，以全程物流成本最低为目标，构建长江经济带广义路径优化混合整数规划模型，生成长江经济带运输组织优化方案，以提升铁水联运产品服务质量，降低社会物流总成本。

1 长江经济带集装箱多式联运发展现状

2018年长江干线主要港口集装箱吞吐量合计达4.16万TEU，同比增长约40%，上海港、苏州港、南京港、武汉港等10个港口集装箱吞吐量超过50万TEU。集装多式联运逐渐成为长江经济带的主要运输方式。

1.1 特征分析

（1）运量较大。随着航运技术的发展，国际航运船舶向大型化发展，长江经济带存在大量海运箱入江的运输需求，铁水联运集装箱呈现出大批量集中到发的趋势，进一步要求提升铁水联运组织效率。因此，铁水联运的集疏运组织方案要与集装箱班轮的箱流特征相协调，提高集疏运效率。

（2）分布不均。目前我国铁水联运集装箱仅占港口集装箱运量的2%左右，受航线、航次、需求分布等因素的影响，造成了不同集装箱班轮间铁水联运的比重不均衡，进一步导致了由于铁路运输组织方案周期性、计划性特点而造成的铁水联运能力不足或浪费，因而铁水联运班列编组辆数需要充分考虑不同航线的集疏运需求。

（3）货流分散。除沿江城市外，长江经济带港口还服务于广阔的内陆经济腹地，使得箱流较为分散，依托我国铁路成网运营条件，铁水联运可有效满足内陆城市集装箱运输需求，同时，也要求集装箱班列运输径路要充分考虑OD需求。

（4）需求多样。不同货主对运输产品的需求不同，应从运输时效、运输费用等多维度优化铁水联运组织方案，充分利用多种运输方式技术经济优势提升客户满意度。

1.2 存在问题

（1）联运运量占比偏低。海铁联运、公铁联运、滚装运输、空陆联运等发展缓慢，多式联运在整体货运量中占比较低。海铁集装箱联运比例国际通常在20%左右，美国为40%，法国为35%，印度为25%[6]，而我国集装箱海铁联运比例仅为1.86%。西方发达国家铁水联运比例远高于我国，如荷兰鹿特丹港铁路集疏运比重为13%，德国汉堡港铁路集疏运比重高达30%，而我国仅为1.75%。

（2）基础设施衔接不畅。各种运输方式之间的衔接往往出现脱节，导致多式联运基础设施在规划、建设等方面相互衔接不够紧密。部分港口在实施新港区功能调整时，铁路未能及时根据最新的港口规划进行调整；部分港区没有与铁路直接衔接，“港站”分离现象严重。铁路目前正在探索与港口企业的信息共享和对接，并在宁波和连云港进行试点，但是尚未全路推广。

（3）三峡航道通过能力紧张。三峡大坝的建设有效地改善了长江上游的水上运输条件。近年来，三峡过坝运量呈现强劲增长态势。2018年三峡枢纽通过量1.44亿t，超过设计通过能力44%。三峡枢纽主要过闸货物为矿建材料、矿石、集装箱、水泥、钢材、煤炭、石油、粮棉及化肥，其所占货运量比例分别为33.29%，24.86%，9.05%，5.92%，5.11%，3.75%，3.74%，2.92%，1.18%。过坝货物中，主要是重庆港与江苏沿江港口、宁波港及上海港之间的货物交流。

2 长江经济带集装箱多式联运路径优化模型构建

基于长江经济带集装箱多式联运发展现状，以最小总成本与最短总时间的综合计算为目标，考虑节点流平衡、节点间相互关系、路网条件、节点作业条件、节点作业时间等约束，构建长江经济带集装箱多式联运路径优化模型为[7-8]

式中：z1表示多式联运总费用的取值；z2表示多式联运总时间的取值；为0-1变量，表示若第ε个OD的货物在运输弧(i，j)上选择第k种运输方式则为1，否则为0；为0-1变量，表示若第ε个OD的货物在第i个节点由第k种运输方式换装到第l种运输方式则为1，否则为0；nε表示第ε个OD对集装箱个数；表示在运输弧(i，j)上用第k种运输方式的费用；表示在运输弧(i，j)上用第k种运输方式的距离；表示运输弧(i，j)上用第k种运输方式的旅速；表示货物在第i个节点由第k种运输方式换装到第l种运输方式的时间；I表示与第i个节点相连的点的集合；MI表示与第i个节点相连的节点和节点i之间运输方式的集合；Tr表示运输网络中除起讫点以外的其他节点的集合；表示在运输弧(i，j)上用第l种运输方式的时间；tj表示到达节点j的时刻；表示考虑列车时刻表、作业时间等影响因素，货物到达第i个节点的时间窗；αl表示运输方式l的载运系数；Qij表示运输弧(i，j)的通过能力；cm1表示货物运输基价1；cm2表示货物运输基价2；cw表示水路运输的单位运价。

公式 ⑴ 表示优化方案应满足总成本最小的要求，其中总成本包括运输成本和在节点发生的换装成本；公式 ⑵ 表示优化方案应同时满足货物运输的时效性要求，以充分发挥多式联运的比较优势，其中总时间包括运输时间及中转时间；公式 ⑶ 表示节点流平衡条件约束，定义了起点与终点的相互关系；公式 ⑷ 表示货物运输的不可拆分约束；公式 ⑸ 表示同一批货物最多仅可换装一次；公式⑹ 表示变量间的映射关系，即如果在第i个节点发生换装，则与节点i相邻的运输弧一定会被选择，反之成立；公式 ⑺ 表示货物到达某一节点的时间约束，保证了运输方式间的无缝衔接；公式 ⑻ 表示线路条件约束；公式 ⑼ 表示货物在起始点及终点不会发生换装；公式 ⑽ 表示的可变域约束；公式 ⑾ 表示的可变域约束；公示⑿表示公路、铁路运输的费用计算方法；公式 ⒀ 表示水路运输费用计算方法。

3 案例分析

3.1 长江经济带中段多式联运分析

以长江经济带中段为例，考虑设施设备间的衔接与路网能力限制，研究多式联运组织方案优化及多式联运节点布局规划问题。长江经济带中段多式联运网络结构示意图如图1所示。

铁路、公路运输费用参数取值如表1所示。

长江航道通过能力如表2所示。

由表2可以看出，如果考虑到水运条件与枯水期等限制，即长江上游通过能力较小，长江中下游通过能力较大，则水运条件将直接影响多式联运路径选择。因此，若所选方案中多式联运路径包括通过宜昌的水路运输，则需额外计算翻坝运输费用，即通过增加水运运输成本，体现水运条件对多式联运路径选择影响。

图1 长江经济带中段多式联运网络结构示意图Fig.1 Multimodal transport network structure in the middle section of the Yangtze River Economic Belt

表1 铁路、公路运输费用参数取值Tab.1 Values of the transport cost parameter of railway and road

表2 长江航道通过能力表Tab.2 Capacity of Yangtze River Channel

长江经济带主要货运OD需求如表3所示。

表3 长江经济带主要货运OD需求表Tab.3 OD demands of main freight transport in the Yangtze River Economic Belt

3.2 长江经济带中段优化方案分析

假设均使用20 ft集装箱实现多式联运，将费用、时间、能力等参数输入Lingo12.0计算软件，计算求得9个OD对的多式联运总成本为59.17万元，OD间货流路径优化方案如表4所示。

从表4可以看出，由于设施设备衔接问题，大部分港口需要公路短驳，不仅增加了运输成本，而且降低了多式联运效率，并且由于部分港口铁路专用线进港进程推进较慢，导致铁路市场份额较低。在既有运输方案中，大部分铁水联运由武汉中转，综合考虑水域条件、线路能力及翻坝运输成本等因素，结果符合实际运输需求。

为了进一步分析专用线进港对降低社会物流成本的作用，假设所有港区均有专用线接入，即不需要公路短驳，总成本为48.51万元，相较第一种情景，铁路运输占比提升33%，货物运输时限提升47%，多式联运优势显著增加。

通过上述2种情景的比较分析可以看出，铁路专用线进港对港口的集疏运组织有效解决了公路短驳费用较高、中转成本较高、铁水联运占比不高等问题。通过对优化结果的进一步分析，需要重点推进武汉、荆州、宜昌等地进行专用线进港进程，以有效降低社会物流成本。

4 结束语

多式联运是显著提升长江经济带货物运输服务水平与效能的有效手段。在设备合理应用方面，通过运筹优化方法生成多式联运路径，可以进一步提升多式联运运输产品质量，有效满足市场需求，对于发挥铁路环保高效的优势、提升铁路在运输网络中的骨干作用具有积极意义。在网络资源配置方面，优化多式联运路径可有效缓解长江经济带干线运输压力，为长江经济带多式联运网络规划提供了理论依据。同时，设施设备的无缝衔接将显著提升多式联运组织经济性与时效性，是发挥多式联运优势、降低社会物流成本的重要基础。由于运输方案的制定具有一定的超前性，后续的研究可考虑运量不确定情境下的多式联运路径优化问题。