考虑碳排放的中欧班列集拼中心选址优化

2020-01-16王广翔赵来军上海交通大学中美物流研究院上海200030

物流科技 2019年12期

王广翔，赵来军（上海交通大学中美物流研究院，上海 200030）

0 引言

首趟中欧班列（重庆—杜伊斯堡，渝新欧国际铁路）于2011年成功开行，2013年中国“一带一路”倡议的提出为中欧班列的快速发展提供了良好契机。截至2018年底，中欧班列累计开行数量达到1.3万列，到达境外15个国家、49个城市，提前完成了“中欧班列建设发展规划（2016-2020年）”中的发展目标。目前，中欧班列的基本格局已经相对稳定，形成了西、中、东三大通道，分别经由阿拉山口/霍尔果斯、二连浩特、满洲里/绥芬河口岸出境。

快速的增长也带来许多问题。2018年，在开行了中欧班列的56个中国城市中，仅成都、重庆、西安、郑州、武汉、义乌的班列开行数量就达到了总数的90.26%。虽然，王杨堃[1]指出中欧班列的运输时间大约比海铁联运节省约20天。但是，Jiang等[2]指出由于地方政府给予班列运营商的补贴超过运费的60%，这导致中欧班列存在发展不均衡、资源不集约等问题。为整合运输资源，中欧班列的集拼模式应运而生[3-5]。张婷和苏世伟[6]建立了混合整数规划模型，解决了江苏省秸秆物流中心的选址问题。Zhao等[7]最早使用复杂网络理论和混合整数规划模型解决了中欧班列集拼中心选址问题，指出集拼模式能够提高中欧班列的满载率和收益，同时降低地方政府的补贴压力。

与此同时，“一带一路”倡议的实施也进入了新的阶段。2019年举办的第二届“一带一路”国际合作高峰论坛再一次系统地阐述了建设绿色“一带一路”的重要意义。有不少学者研究了“一带一路”的实施对环境的影响[8-11]。中欧班列是“一带一路”倡议框架内的重点项目，对沿线国家的社会经济发展具有重大战略意义。为了实现中欧班列运营过程中的资源集约化，本文将研究如何在环境可持续的前提下对中欧班列的集拼中心进行选址优化。

1 问题描述

现有的中欧班列大多采取直达模式，即从国内开行了中欧班列的城市通过出境口岸，直接到达欧洲的目的地城市。如图1所示，在集拼模式下，中欧班列货物将首先从货源地城市o运至集拼中心i，之后，再通过出境口岸j运至目的地城市d。在该集拼网络中，通过铁路、公路、水路三种运输方式进行货物集拼。为合理简化网络，选取阿拉山口、二连浩特和满洲里作为出境口岸。与以往研究不同的是，本文将考虑环境因素对中欧班列集拼中心选址的影响。Demir等[12]研究了温室气体对气候改变和人类健康的负面影响，指出可以通过计算二氧化碳当量（CO2e）对温室气体统一度量。本文将考虑降低碳排放对集拼中心选址的影响。

图1 集拼模式下中欧班列运营模式

2 模型建立及求解

2.1 符号说明

在呈现数学模型之前，首先将模型中涉及到的参数、变量整理如下。

（1）集合

O=｛1,2 ,…,o｝：中欧班列起点的集合，其中，o∈O；

I=｛1,2 ,…,i｝⊆O：集拼中心的集合，其中，i∈I；

J=｛1,2,3 ｝：出境口岸的集合，其中，j∈J；

D=｛1,2 ,…,d｝：中欧班列终点的集合，其中，d∈D；

T=｛1,2,3 ｝：运输方式的集合，t=1为铁路运输，t=2为公路运输，t=3为水路运输。

（2）参数

Dod：从货源地o运往目的地d的货运需求量；

bci：在备选节点i建设集拼中心时的建设成本；

rcijd：货物集拼后，每单位货物通过铁路运输的在途成本；

hci：在集拼中心i，每单位货物的处理（装卸、搬运、拼箱等操作）费用；

E：集拼中心的最大处理能力；

β：货物在集拼中心的等待惩罚成本；

fj：出境口岸j的最大处理能力；

W：一列班列的载重；

ccj：在出境口岸j，每单位货物的通关成本；

eij：每单位货物通过铁路运输，从集拼中心i到出境口岸j产生的碳排放；

hei：在集拼中心i，处理每单位货物产生的碳排放；

P：每吨碳排放当量的价格。

（3）决策变量

Yijd：通过铁路运输，从集拼中心i通过口岸j运至目的地d的货量；

Yi：0-1变量，备选节点i建设集拼中心，则为1，否则为0。

2.2 模型建立

本文将如何实现中欧班列集拼中心绿色化的问题建立了如下的数学模型：

式（1）为目标函数，主要由两部分成本组成，第一部分是集拼模式下的中欧班列运营成本，第二部分是由碳排放带来的社会经济成本。其中，运营成本包括集拼中心的固定建设成本、货物在途成本、在集拼中心的处理成本、通关成本、拥挤等待成本。货物在途成本包括运输成本和货物的时间价值，集拼前，由表示；集拼后，由rcijd=α·sijd/v2+p2·sijd表示。其中，α表示货物的时间价值，stoi和sijd分别表示集拼前和集拼后的运输距离；vt1和v2分别表示集拼前和集拼后的运输速度；pt1和p2分别表示集拼前后的费率。为了刻画在中欧班列集拼中心选址优化的过程中，碳排放带来的环境影响，在目标函数中由碳排放和碳税价格P表示碳排放的成本。

式（2）表示流入集拼中心的货量总和等于在集拼中心处理的货量。式（3）表示出境口岸的中欧班列运能限制。式（4）表示流入和流出集拼中心的货流量守恒。式（5）、式（6）表示货源地和终点的货运需求分别与路径上的货流量守恒。式（7）、式（8）表示选址结果与货流量守恒。式（9）定义了集拼中心选址的0-1变量，式（10）定义了与货流量相关的连续型决策变量。

2.3 求解方法

模型M0是一个典型的混合0-1整数规划模型，由于其涉及众多变量，因此，考虑借助成熟的规划问题求解工具，如Cplex求解器，对该模型进行求解。然而，目标函数的Σi∈Iβ·max｛ 0,Ri-E｝这一项导致目标函数是非线性的，这为模型的求解增加了难度。为使得模型M0变得更易处理，将M0进行重写，使用以下方法将模型线性化。

至此，模型M1已经变为一个线性规划问题，本文使用求解器Cplex12.8.0进行求解。

3 实证分析

3.1 参数设置

为使得选址结果尽可能地准确，本文将基于中欧班列的实际运营数据进行求解。考虑到集拼中心的覆盖性，在目前已经开通中欧班列的省份中，分别选取一个发展最好的城市作为集拼中心的备选城市。本文选取的备选节点城市为：石家庄、青岛、沈阳、哈尔滨、长春、兰州、格尔木、郑州、南京、武汉、长沙、南昌、义乌、广州、昆明、厦门、太原、成都、西安、贵阳、合肥、呼和浩特、乌鲁木齐、银川、钦州、天津、重庆、上海。

令V表示中国出口贸易量，中国出口贸易量中出口到欧洲的比例为σ，其中，铁路货运（中欧班列）分担率为ξ，所以，中欧班列需求量为V·σ·ξ。根据《中国统计年鉴2013-2017》，本文取σ=18.48%。Jiang等[2]估计中欧班列在中欧贸易间的货运分担率在5%左右，故取ξ=5%。为将货运需求分摊到各起点，使用《中国统计年鉴2013-2017》中各省份出口额占比对中欧班列货运需求进行分摊。各备选节点城市的货运需求如表1所示。

本次仿真选择莫斯科、汉堡、明斯克、华沙作为中欧班列终点站，相应的货物需求量按照2018年拥有的中欧班列线路数量进行分摊，分别为22/55，21/55，6/55，6/55。根据Zhao等[7]对中欧班列的调研结果=80km/h，=60km/h，=20km/h，hc=20RMB/t，E=10 000t/day，α=37.5RMB/t-day。对于货运费率，根据中国铁路95306网（http：//www.95306.cn）/和中国国家发展改革委（http：//www.ndrc.gov.cn）/价格监测中心的数据，本文取=0.20RMB/t-km，=0.45RMB/t-km，=0.10RMB/t-km，p2=0.35RMB/t-km。对于20英尺的标准集装箱，配货毛重一般为17.5吨，自重2.3吨。因此，一个集装箱按总重20吨计算。按每列班列运载100个集装箱，取W=2 000t。由表1的货运量，假定每个出境口岸的最大班列处理能力不超过班列总数的一半，取fj=10.5列/天。目前，阿拉山口、二连浩特和满洲里3个口岸针对中欧班列的平均通关时间约为4小时、2小时和3小时。因此，取cc1=37.5×（4/2 4）=6.25RMB/t,cc2=37.5×（2/2 4）=3.13RMB/t,cc3=37.5×（3/2 4）=4.69RMB/t。CO2e的排放数据取自网站Eco TransIT World（https：//www.ecotransit.org）/，它是由能源和环境研究院（the Institute for Energy and Environmental Research，IFEU）开发的排放计算工具，在业界和学术界均受到高度认可。由该工具，本文取he=0.26kg/t。为了使用成本将碳排放反映在模型的目标函数中，本文取40RMB/t作为排放每吨二氧化碳当量的成本[13]。

表1 中欧班列年货运需求量估计

3.2 结果分析

在所有28个备选节点城市中，被选中作为集拼中心的是：哈尔滨、兰州、太原、乌鲁木齐、天津，结果如图2所示。

图2 中欧班列集拼中心选址结果及货物流向

由图2可以看到，这五个集拼中心分别分布在中国的东北部、东部、中西部和西部地区，能够很好地覆盖全国的货运需求，并且都处于靠近口岸的位置。哈尔滨靠近满洲里口岸，其货源主要来自东北地区；天津的货源主要来自广州、厦门、上海、青岛等沿海城市，并通过水路集拼；太原的货源来自华东及华中地区，包括石家庄、郑州、南京、南昌、合肥等城市；兰州主要集拼了来自武汉、长沙、西安、贵阳、重庆等地的货物；而乌鲁木齐作为西部最靠近阿拉山口口岸的集拼中心，主要集拼来自中西部地区的货物。值得一提的是，在本次仿真中，从阿拉山口和二连浩特口岸出境的货物均占到了48.24%，而仅有3.52%的货物从满洲里口岸出境。因此，政府决策者若想满足中欧班列环境可持续和经济的发展要求，未来应进一步强化阿拉山口和二连浩特口岸在中欧班列运营的作用，加强它们的口岸基础设施建设。