重庆—新加坡集装箱多式联运路径选择研究

孙国栋

(重庆交通大学 经济与管理学院，重庆 400074)

0 引言

重庆是我国西南地区的交通枢纽，随着国际贸易的日益密切，重庆出口货运量也逐年攀升。不同于沿海地区，重庆的货物通过公路、铁路或水路运输才能到达沿海口岸。根据3种运输方式的特点，合理地选择运输方式成为物流降本增效的关键。集装箱多式联运作为多种运输方式有机结合的组织模式，成为国际货物运输的理想选择。近年来，我国颁布了多项政策支持多式联运的发展，2017年交通运输部等18个部门联合发布的《关于进一步鼓励开展多式联运工作的通知》(交运发[2016]232号)指出要进一步完善基础设施网络，推广先进运输方式，培养多式联运经营企业，深化国际间运输交流。2018年国务院印发的《推进运输结构调整三年行动计划(2018－2020年)》(国发办[2018]91号)提出进一步提升铁路运力，推进“公转铁”“公转水”发展，建设具有多式联运功能的物流设施并大力推广集装箱运输。

国际集装箱多式联运运距长，耗时多，能耗大，涉及环节多，如何科学有效地组织多式联运成为降本增效的关键。目前国内外学者对于多式联运的研究成果较多。李樱灿等[1]阐述了公铁联运的优越性。母柏松等[2]考虑了影响集装箱运输路径选择的因素，构建了一个Petri网络径路优化模型，并以单OD对间集装箱多式联运为例，建立总成本最小为目标的优化模型，确定最优的联运路径。Shim等[3]认为多式联运中的换装时间和换装成本不可忽视，并以运输成本和运输时间最小构建双目标优化模型，求解模型获得最佳运输方案。Min[4]把风险与总运输成本最小作为优化目标，建立了包含机会约束的双目标路径优化模型。王清斌等[5]建立虚拟运输网络并构建以运输时间最短和客户满意度最优为目标的双目标优化模型，使用Lingo软件求解模型。杨光华[6]提出相比公路运输，铁路和水路运输在碳排放方面更具优势，应大力发展铁水联运。柳培学等[7]建立了以运输费用与碳排放总量最小为目标的优化模型，并运用Dijkstra法求解最优线路。吕学伟等[8]以混合时间窗为约束，建立了以运输总成本最小为目标的优化模型，并分析时间窗对于运输路径选择的影响。成耀荣等[9]从多式联运经营人的视角，建立基于多运输任务的运输路径优化模型，并使用贪婪算法求解，发现可以通过调整碳排放税影响多式联运经营人对于运输路径的选择，从而减少碳排放量。

综上，现有对于集装箱出口路径的研究主要集中于江海联运或中欧班列上，如江海联运从上海港或宁波舟山港出口，从珠三角地区港口出口或者通过中欧班列出口。在此，以重庆—新加坡的集装箱运输为例，梳理重庆—新加坡的主要运输路线，以运输成本、运输时间、碳排放量最小为目标建立多目标优化模型，运用启发式算法NSGA-2对模型求解，考虑运输费用、运输时间以及碳排放量的不同需求，分析不同需求侧重点对于模型求解结果的影响。

1 重庆—新加坡运输通道发展现状

重庆地处长江沿岸，自古交通发达，随着交通基础设施的不断完善，可供选择的集装箱出口路线不断丰富。目前主要的重庆—新加坡的集装箱出口路线如下。

（1）公路通道方面，主要有东盟专线。“重庆—新加坡线”班车路线，由重庆直达新加坡，途径越南、泰国、老挝和马来西亚等东盟国家的主要物流节点，全程约4 500 km，运行时长170 h。

（2）铁公水联运通道方面，主要分为中线和东复线，其中中线经由重庆南彭—云南磨憨—老挝万象—泰国曼谷，再从泰国曼谷出海运往新加坡；东复线途经重庆南彭、广西钦州港，再由钦州港出海发往新加坡。

（3）铁水通道方面，已投入日常运营的路线包括：①“渝黔桂新”铁水联运通道，“渝黔桂新”线路于2017年9月首次常态化运行，从重庆出发途经贵阳，到达钦州港，再由海运发往新加坡，总运距约4 230 km，运行约128 h；②“渝深新”铁水联运通道，“渝深新”线路于2010年5月开始运行，由重庆途经怀化通过深圳盐田港出海发往新加坡，总运距约5 060 km，总耗时约144 h；③“渝甬铁路”铁水联运通道，“渝甬铁路”线路于2018年1月开通，从重庆团结村出发，开往宁波舟山港，是重庆向东出海的又一快速通道，相比传统由长江航运至上海出海，时间大大缩短，只需57 h就能到达宁波舟山港。

（4）江海联运通道方面，江海联运线路为重庆—上海—新加坡，是唯一全程由水路运输的线路，其中重庆至上海段沿长江内河运行，上海至新加坡段为远洋运输，随着国际航运价格的快速增长，海运的价格优势不再突出，运输全程耗时约15 d，如遇到闸口拥堵，运输时间可能增加到20 d。

2 问题描述及模型建立

2.1 问题描述

假设一个40 ft的标准集装箱需要从重庆发往新加坡，存在公路、铁路、水路3种运输方式可供选择，这3种运输方式可以自由组合成数种不同运输路线。已知各种运输方式的运输速度、运输单位价格、运输时间、单位碳排放量，以及各节点城市之间的运输距离、转运费用和转运时间。

在以上条件下，建立以总运输费用最小、总运输时间最短、碳排放量最低为目标的多目标优化模型，以求解重庆—新加坡的集装箱多式联运最优路径。

2.2 模型假设

为保证模型的可行性，建立以下假设。

（1）货物在运输过程中不可拆分。

（2）货物在一个节点城市最多换装1次。

（3）货物单向运输，每个节点最多经过1次。

（4）所有节点均具有足够的换装能力。

2.3 集装箱多式联运模型建立

定义一个多式联运网络G(N，A，M），其中N为网络中运输节点集合，A为网络中运输弧集合，M为运输方式集合。

建立以总运输费用最小，总运输时间最短，碳排放量最低为目标的多目标优化模型如下。

公式 ⑴ 表示总运输成本最小函数；公式 ⑵ 表示总运输时间最小函数；公式 ⑶ 表示总碳排放量最小函数；公式 ⑷ 表示同一条运输路径上，只能存在一种运输方式；公式 ⑸ 表示在同一运输节点上货物至多换装1次；公式 ⑹ 表示决策变量的取值范围；公式 ⑺ 保证货物运输方式的连续性。

3 实例分析

3.1 数据来源

根据重庆—新加坡集装箱多式联运主要通道布局情况，该通道共设置15个运输节点，重庆—新加坡集装箱多式联运网络如图1所示，其中运输弧上的数字代表可选的运输方式，1代表公路运输，2代表铁路运输，3代表水路运输。

数据方面，国内铁路集装箱货运单价来源于铁路95306货运网。目前上海—汉堡航线单程40 ft集装箱的运价为91 000元，结合航线运输距离，得出单位国际海运价格；内河集装箱运输价格相对稳定；东盟班车单价取值以南彭—河内的东盟班车为例，总运输费用为12 500元/TEU，结合南彭—河内距离得出运输单价。单位运输碳排放量依据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)出台的《IPCC国家温室气体清单指南》及交通运输部发布的《2020年交通运输行业发展统计公报》中相关数据得出。此外，假设40 ft集装箱载货为30 t。各种运输方式基础数据取值如表1所示。各运输方式之间转换的相关数据如表2所示。

3.2 算法选择与结果分析

重庆—新加坡的集装箱出口路径选择属于多目标路径优化问题，目前学者们主要采用启发式算法来解决此类问题，如蚁群算法、粒子群算法、遗传算法等。采用NSGA-2算法[10]对多式联运多目标路径优化模型进行求解。NSGA-2是通过非支配排序中的支配与非支配关系，将解集划分为不同的等级，处于第一等级位置的解为帕累托最优解。NSGA-2算法具有以下特点：①提出的快速非支配排序算法不但降低了计算的复杂度，而且通过将父代与子代合并产生下一代种群，使得优秀的个体保留下来；②采用精英策略扩大了采样空间，使优良的个体可以继续遗传下去，从而提高了求解结果的精度；③采用拥挤度比较算子，可以有效克服人为指定共享参数的影响，并对种群间个体进行比较，使个体均匀分布在帕累托域中，从而丰富了种群的多样性。综上所述，NSGA-2在寻找最优解的过程中不仅能够保证算法的性能，而且可以得到一系列帕累托最优解，对各个目标进行折衷。

图1 重庆—新加坡集装箱多式联运网络Fig.1 Multimodal container transport network from Chongqing to Singapore

表1 各种运输方式基础数据取值 Tab.1 Basic data values of various transport modes

表2 各运输方式之间转换的相关数据Tab.2 Converted data among transport modes

设置初始种群数量为100，最大迭代次数30，交叉概率为0.9，变异概率为0.1。运行此算法对优化模型求解。

先求解多目标优化模型，再分别以运输费用最小、运输时间最短、运输碳排放量最小为目标进行单独优化，得到重庆—新加坡集装箱多式联运最优路径。①多目标优化结果与以碳排放量为目标的优化结果一致，重庆—新加坡集装箱多式联运最优路径都是由重庆通过铁路运输经贵阳至广西钦州港，出海运至新加坡，全程运费为35 674.3元，耗时128.1 h，碳排放4 209.6 t。此外无论是多目标优化还是以碳排放量为目标的优化，运输组织方式都是铁路、公路、水路，表明铁路运输作为经济的运输方式，满足运输效率的同时还能兼顾节能减排的目标。②以运输费用为目标的优化结果为重庆经铁路运至贵阳，转为公路运输方式运至广西钦州港，运费35 674.3元，耗时111.54 h，碳排放5 298.7 t。③以运输时间为目标的优化结果为重庆通过公路运输经贵阳运至广西钦州港，从钦州港海运至新加坡，运费37 048元，耗时109.8 h，碳排放6 084.7 t。以运输时间为目标的优化相较于多目标优化，运输时间减少了183 h，但碳排放量大幅提升。

优化结果表明：在我国内陆地区与东盟国家的跨境运输中，传统的江海联运或者从珠三角港口出海，运输距离长，运输耗时大，逐渐失去了优势。而西部陆海新通道在运输距离、运输时效、碳排放等方面具有显著优势，西部陆海新通道可以成为内陆地区货物出口的理想路径选择。

4 结束语

以运输费用、运输时间、运输碳排放为目标建立了多目标优化函数，运输网络综合考虑了传统江海联运通道、西部陆海新通道、渝贵深通道等运输通道，基础研究数据通过班车运营公司、货代公司等渠道获取，具有较强的现实意义，采用NSGA-2算法，对于算例中的多目标优化问题具有良好的效果，结合实际数据，研究结果具有一定的实用价值。研究结果表明，在目前的国际航运大环境下，传统的江海国际联运模式已不具备明显优势，相比之下，西部陆海新通道在运输时间、运费等方面都具有明显的比较优势。随着通道各节点基础设施建设的不断完善，西部陆海新通道在未来内陆地区货物出口中将成为更多货主的选择，并带动整个西南地区的经济发展。