基于货流集中化的铁路专用线 布局优化方法研究

于雪峤，叶 飞，丁小东，许植深

(中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081)

1 铁路专用线网络布局现状

为优化调整运输结构、打赢蓝天保卫战，鼓励铁路专用线发展，打通铁路“最后一公里”，2019年9月，国家发展和改革委员会、中国国家铁路集团有限公司等单位联合印发《关于加快推进铁路专用线建设的指导意见》(发改基础[2019] 1445号)，该意见指出铁路专用线是解决铁路运输“最后一公里”问题、畅通“微循环”、促进“公转铁”发展的重要设施，对减少公路短驳、发挥铁路成网服务水平、提升经济社会效益具有重要作用。

铁路专用线是铁路大宗货运引流上线的重要渠道，也是有效提升铁路市场竞争力的有效途径，优化取送车作业计划、选取战略装车节点对加速取送车周转和提升铁路专用线使用效率具有重要意义。目前，我国铁路专用线网络布局主要存在铁路专用线布局较为分散、经营产品相对单一、货运作业效率不高和铁路专用线规划滞后的问题。

（1）铁路专用线布局较为分散。改革开放初期大规模修建的铁路专用线有效缓解了铁路运输的紧张局面，我国铁路专用线的基础布局由此逐渐形成。但由于在专用线修建时期没有进行区域范围内的综合考量，导致铁路专用线相对分散。近年来，随着我国的综合交通体系日趋完善，专用线的分散布局影响铁路调车作业的顺利进行，浪费铁路运力资源，影响铁路运输效率。

（2）经营产品相对单一。由于受传统思想、运作制度及设备能力限制等因素的影响，铁路专用线目前处于分散经营的状态，经营产品相对单一，仅开展部分货物的运输、仓储、装卸搬运等业务，铁路专用线专业化、规模化、集成化程度较低。在我国铁路成网条件下，由于受到现行运输组织模式的制约，铁路专用线尚未形成以铁路专用线沿线企业，特别是以大中型厂矿企业专用线为中心的现代化延伸服务。

（3）货运作业效率不高。一是部分企业的专用线，尤其是国有企业的专用线，存在仓储等物流设施配套不足的问题，不能满足客户全流程、零库存需求。二是部分中小型企业专用线货运设施设备落后，装卸作业效率不高，货车占用时间较长，增加了企业运输成本。受市场环境影响，部分专用线沿线企业因经营不善陷入倒闭的边缘，不少企业专用线被迫停办或拆除。

（4）铁路专用线规划滞后。一方面，部分铁路专用线建设周期长，在铁路专用线接轨需求意向清单中，有大量超过3年未开工的铁路专用线，与新形势下城市发展需求衔接不畅。另一方面，铁路专用线建设与国家、地方政策导向相矛盾，城市规模化发展后，非城区的铁路专用线逐渐演化成城区内的铁路专用线，对城市交通和区域切割严重，面临较大的拆迁转移风险。

综上所述，铁路专用线规划布局亟需一套科学合理的决策方法，实现铁路专用线资源的整合利用。铁路专用线布局优化问题的本质是提升铁路专用线货源吸引范围的组合优化问题，通过优化运力资源与货运需求的耦合关系，以货流集中化组织模式为表现形式，充分利用铁路专用线能力并进一步缓解铁路专用线接轨站的作业压力。在铁路专用线布局规划领域，大部分学者以优化接轨站取送车作业效率为突破口，以双层规划、多目标规划，启发式算法求解、精确算法求解等为方法多维度实现取送车作业的最优化，以提升专用线运用效率[1-8]。然而在既有研究中，不同种运输方式对专用线作业效率与运输总成本的影响没有纳入考虑范围，且对需求与供给在时间维度的耦合特征考虑不够充分。因此，在全面分析铁路专用线的基础上，考虑供给与需求时空资源的匹配关系，构建基于货流集中化的铁路专用线布局规划模型，为我国铁路专用线的发展提供理论支撑。

2 基于货流集中化的铁路专用线布局规划模型构建

2.1 问题描述

由于铁路专用线需求企业分布较为分散，造成接轨站取送车作业压力较大，同时增加了铁路运输成本，并增加了铁路专用线企业在施工建设、运营维护等方面的成本投入。基于货流集中化的铁路专用线布局规划，以专用线共用模式为基础，可以充分发挥专用线效能，将布局分散、需求较小的铁路专用线企业整合集中，从货流路径优化角度，构建包括公路或皮带短驳与铁路专用线组成的集疏运服务网络，从取送车作业次数与专用线货流运输总成本2个维度进行优化，最终确定基于货流集中化的铁路专用线服务网络布局方案，提升铁路专用线辐射范围，达到铁路专用线布局优化的效果。铁路专用线优化效果示意图如图1所示。

图1 铁路专用线优化效果示意图Fig.1 Upgraded layout of the dedicated railway lines

2.2 模型构建

为实现货流集中化，缓解接轨站作业压力，构建以取送车作业成本与运输总成本最小为目标的多目标整数规划模型。通过将取送车作业成本单独作为目标优化，可进一步保证货流的集中化，将运输总成本作为优化目标，可保证货流组织方案的最优化。在计算过程中，假设专用线企业货运需求不可拆分，为便于计算，仅考虑专用线企业的发送需求，综合考虑取送车次数与运输总成本，基于取送车作业时间窗的铁路专用线服务网络布局优化模型为

式中:niD为从接轨站发出的取送车次数；cs为单次取送车的作业成本；k，l为运输方式；均为0-1变量，其中，表示在运输弧(i，j)上选择k运输方式则为1，否则为0同理；为在运输弧(i，j)上选择k运输方式的成本；q为运输需求量；为节点i由k运输方式是否换装到l运输方式，如果是则为1，否则为0；为在节点i由k种运输方式换装到l种运输方式的单位成本；O为运输网络中的起点；D为运输网络中的讫点；Tr为运输网络中除起讫点以外的节点；ti为货物到达节点i的时间；为节点i的作业时间窗，其与接轨站的组织方案、货物装卸作业时间有关；M为无穷大的自然数；Q为整列车的运输能力。

基于取送车作业时间窗的铁路专用线服务网络布局优化模型的各公式意义如下。公式 ⑴ 表示取送车作业成本最小，通过作业成本约束取送车次数；公式 ⑵ 表示货流总成本最小，包括运输成本及在专用线企业的中转换装成本，通过货流总成本约束专用线的使用效率，即实现专用线的合并共用；公式 ⑶表示节点的货流平衡约束；公式 ⑷ 表示同一批货物仅能选择同一次运输弧；公式 ⑸ 表示同一批货物在同一个节点仅能换装1次；公式 ⑹ 表示货物到达专用线企业的时间应满足作业时间与取送车到发时间的要求；公式 ⑺ 表示货物具体到达节点j的时间，是非线性约束；公式 ⑻ 表示如果专用线企业自身需求已达到开行整列的需求，则不需要考虑到其他专用线企业换装；公式 ⑼ 表示取送车次数应与所选专用线企业相同，保证所选货流集中的企业能够有取送车服务；公式 ⑽ 表示决策变量间的相互关系，即如果在某一个节点发生换装，则一定存在一条被选择的运输弧，反之不成立；公式 ⑾，⑿ 表示决策变量的可变域约束。

2.3 线性化表达

基于货流集中化的铁路专用线网络布局规划模型为非线性模型，在应用精确求解软件进行求解时，难以求得全局最优解从而失去应用精确算法求解的优势，因而应先对模型中的公式 ⑺ 做线性化处理。

运输弧(i，j)上是否选用l种运输方式即xkij的取值存在2种情况，当xkij= 1时，公式 ⑺ 可表示为

同理，当xkij= 0时，公式 ⑺ 可表示为

因而可将公式 ⑺ 线性化表示为

3 实证分析

3.1 参数取值

假设公路服务网络均采用新能源汽车运输，其成本包括平均固定成本24.24元/辆，和与距离相关的可变成本为1.73元/ (km·辆)，铁路专用线取送车费为9元/车公里；铁路装卸作业费为11.2元/t；运输煤炭铁路货车的静载重为70 t/车；公路装卸费为6.9元/t。为验证铁路专用线布局规划模型的有效性，构建由接轨站K和与其接轨的10个专用线企业组成的服务网络，集疏运服务网络示意图如图2所示，各节点间运距如表1所示，各专用线企业平均日运输需求与作业时间要求如表2所示。

图2 集疏运服务网络示意图Fig.2 Collection and distribution service network

表1 各节点间运距 kmTab.1 Haul distance between connections

表2 各专用线企业平均日运输需求与作业时间要求Tab.2 Daily average transport demand for dedicated lines and their operation time requirement

3.2 模型求解

应用Lingo12.0求解软件对模型进行求解得出优化后的货流组织方案，优化后的货流组织优化方案如表3所示。

表3 优化后的货流组织优化方案Tab.3 Upgraded cargo fl ow organization plan

通过计算结果可知，基于货流集中化的铁路专用线布局优化方案，从运输组织、建设运营、服务网络3个方面进行以下优化。

（1）从运输组织方面，专用线企业1的运输需求通过公路整合至专用线企业2，专用线企业4和7的运输需求通过公路整合至专用线企业6，专用线企业8的运输需求由公路整合至专用线企业9。将优化后的结果与铁路专用线既有组织方案进行比较，铁路专用线既有组织方案需要10次取送车作业才能完成单日专用线作业任务，而采用基于货流集中化的专用线运输组织方案可将专用线取送车次数降低到6次，有效缓解铁路专用线接轨站的作业压力。

（2）从建设运营方面，基于货流集中化的铁路专用线布局方案，减少了专用线企业1，4，7，8的建设运营投入，提升了铁路整体运输组织效率。如果专用线企业1，4，7，8仅为有铁路专用线运输需求还未建设铁路专用线的企业，则可以通过专用线共用模式分别与专用线企业2，6，9共用，进一步显著降低铁路专用线的建设及运维成本。

（3）从服务网络方面，通过使用新能源汽车+专用线企业货流集中的组织模式，铁路专用线的取送车次数有所减少，达到降低社会物流成本的效果。在实际运营中，部分企业距铁路专用线相对较近，对于上述企业，可选取合适的品类通过皮带运输方式实现货流集中，将进一步降低社会物流成本，提升铁路运输服务水平与效能。

4 结束语

铁路专用线运输在铁路货运增量行动中具有重要支撑作用，通过对专用线组织模式的顶层设计、中观操作层面的布局优化，以及微观运营层面的组织优化可以显著提升铁路专用线运输组织效率，缓解接轨站运输组织能力不足的问题，有效提升铁路集疏运网络能力。通过推广专用线共用模式，可进一步吸引其他没有专用线接轨的企业转向铁路运输，进一步发挥专用线为铁路“第二货场”的职能，提升专用线企业的能力利用率。基于货流集中化的铁路专用线布局优化可为铁路在大宗货物集疏运领域的高质量发展、精细化管理提供理论支撑。