鐵路集裝箱空箱調(diào)運(yùn)問題分析

付元帥，孫立鶴

（1.蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.北京航天萬源煤化工工程技術(shù)公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730050）

集裝箱運(yùn)輸作為一種重要的貨物運(yùn)輸方式，由于其具有貨物損耗小、便于門到門運(yùn)輸、方便多式聯(lián)運(yùn)等特點(diǎn)得到普遍采用，成為現(xiàn)代化貨物運(yùn)輸發(fā)展方向之一。在我國由于自然資源分布不平衡，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市布局等因素的影響，造成集裝箱貨源分布和流向存在著很大差異，導(dǎo)致箱流在方向上的不平衡；而各種交通方式的競爭日趨激烈，貨主對集裝箱運(yùn)輸提出越來越高的要求。因此，采用調(diào)配空箱方式進(jìn)行鐵路空箱回送，對提高運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量、減少運(yùn)輸成本、促進(jìn)集裝箱運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展十分重要。

1 產(chǎn)生空箱調(diào)運(yùn)的原因

由于地理位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不同和集裝箱運(yùn)輸?shù)牟黄胶猓斐设F路集裝箱重空箱分布存在較大的差異，且不同地區(qū)貨物流向不同，同一地區(qū)貨源結(jié)構(gòu)的不斷變化，也造成了集裝箱運(yùn)量與保有量的不平衡。因此，集裝箱運(yùn)輸?shù)牟黄胶庑允怯捎诟鞯丶b箱貨源的不平衡性所致，而且導(dǎo)致了集裝箱空箱的產(chǎn)生。

集裝箱空箱調(diào)運(yùn)的根本原因在于運(yùn)輸需求(即需供應(yīng)的空箱)與運(yùn)力供給 (即可返回投入運(yùn)輸?shù)目障?之間的不平衡，這種不平衡的原因既有客觀原因，又有主觀原因[1]。客觀原因是指非人為因素造成的物流不平衡，即集裝箱運(yùn)量的不平衡引起的空箱調(diào)運(yùn)，如站點(diǎn)進(jìn)出箱數(shù)量及箱型不平衡；地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡等。主觀原因是指人為因素形成集裝箱流不平衡狀況，引起集裝箱供需矛盾。一般是由于經(jīng)營方針或管理水平方面引起的，如通信手段落后，造成信息不暢；存在超期用箱和錯(cuò)用箱現(xiàn)象等。

2 鐵路集裝箱空箱調(diào)運(yùn)的特點(diǎn)

（1）動(dòng)態(tài)性。由于需要在不同時(shí)間內(nèi)對空箱調(diào)運(yùn)進(jìn)行決策 (包括數(shù)量和流向)，現(xiàn)實(shí)中的集裝箱需求量較多，空箱的需求地和供應(yīng)地又隨時(shí)間產(chǎn)生變化，如某時(shí)期某地對集裝箱產(chǎn)生需求，下一個(gè)時(shí)期或下幾個(gè)時(shí)期內(nèi)，該地又產(chǎn)生出空箱，形成空箱的供應(yīng)。因此，集裝箱空箱調(diào)運(yùn)是動(dòng)態(tài)性的離散過程。

（2）隨機(jī)性。鐵路集裝箱空箱調(diào)運(yùn)系統(tǒng)的隨機(jī)性主要表現(xiàn)在集裝箱空箱的需求和供應(yīng)的產(chǎn)生、需求和供應(yīng)的數(shù)量和時(shí)間，以及系統(tǒng)內(nèi)影響因素等方面。

（3）復(fù)雜性。空箱調(diào)運(yùn)問題的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性體現(xiàn)了其復(fù)雜性。此外，鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)的空箱調(diào)運(yùn)涉及不同站點(diǎn)、不同箱型、經(jīng)濟(jì)效益、服務(wù)質(zhì)量，以及不同的調(diào)運(yùn)路線、調(diào)運(yùn)方式等多方面，所有這些都給空箱調(diào)運(yùn)帶來了極大的復(fù)雜性。集裝箱流轉(zhuǎn)過程中易產(chǎn)生交接不清的情況，繁多的箱型和箱種也增加了空箱調(diào)運(yùn)工作的復(fù)雜性。

（4）限制性。運(yùn)輸需求和供應(yīng)在時(shí)間上的限制性。集裝箱運(yùn)輸是一種快捷的貨物運(yùn)輸方式，空箱的調(diào)運(yùn)要求能夠及時(shí)保證貨物的運(yùn)輸。因此，在實(shí)際調(diào)運(yùn)過程中，為保證集裝箱貨主運(yùn)輸需求的順利實(shí)現(xiàn)，不僅要滿足數(shù)量上的需求，而且還要滿足時(shí)間上的需求，否則將會(huì)導(dǎo)致不必要的集裝箱堆存損失與延誤損失，降低運(yùn)輸效率或失信于客戶。

3 鐵路集裝箱空箱調(diào)運(yùn)成本分析

（1）集裝箱空箱的自身成本。空箱自身成本包括集裝箱的折舊、集裝箱維修費(fèi)用及管理費(fèi)用 (不包括堆存費(fèi)用) 等[2]。

（2）集裝箱空箱的運(yùn)輸費(fèi)用。空箱的運(yùn)輸費(fèi)用是指為滿足貨主的空箱需求而在不同站點(diǎn)之間運(yùn)輸空箱所產(chǎn)生的費(fèi)用，包括承運(yùn)及發(fā)送服務(wù)費(fèi)、中轉(zhuǎn)服務(wù)費(fèi)、到達(dá)服務(wù)費(fèi)、機(jī)車牽引費(fèi)和線路使用費(fèi)等[2]。

（3）集裝箱空箱的站點(diǎn)費(fèi)用。空箱的站點(diǎn)費(fèi)用主要包括空箱在堆場的堆存費(fèi)用、空箱在站點(diǎn)的拖運(yùn)費(fèi)用和站點(diǎn)空箱裝卸費(fèi)。

4 鐵路集裝箱空箱調(diào)運(yùn)目標(biāo)分析

4.1 集裝箱空箱調(diào)運(yùn)應(yīng)遵循的原則

空箱調(diào)運(yùn)問題就是如何解決集裝箱需求與供應(yīng)的不平衡問題，是控制和決策集裝箱空箱從供應(yīng)地到需求地的流動(dòng)問題。空箱調(diào)運(yùn)問題表現(xiàn)為以下3個(gè)方面。

（1）空箱的調(diào)運(yùn)數(shù)量——確定空箱供應(yīng)地和需求地之間的空箱流動(dòng)數(shù)量。

（2）空箱的調(diào)運(yùn)時(shí)間——確定空箱供應(yīng)地和需求地之間的空箱流動(dòng)時(shí)間。

（3）空箱調(diào)運(yùn)的徑路——確定空箱供應(yīng)地和需求地之間的運(yùn)輸徑路，并實(shí)現(xiàn)與重箱流徑路之間的協(xié)調(diào)。

空箱調(diào)運(yùn)的核心問題就是要找到一個(gè)空箱流的OD 矩陣及與之對應(yīng)的徑路表，但是這兩者之間存在著相互影響的關(guān)系，徑路表可能會(huì)改變 OD 點(diǎn)對之間的調(diào)整數(shù)量，而空箱調(diào)整量也同樣會(huì)使空箱流的輸送徑路發(fā)生變化。因此，空箱調(diào)運(yùn)問題應(yīng)是這兩者間的整體優(yōu)化問題；也是在供需平衡的情況下，如何使經(jīng)濟(jì)效益及客戶滿意度最大化的問題。

在空箱調(diào)運(yùn)方案優(yōu)化過程中，應(yīng)遵循以下原則。

（1）節(jié)點(diǎn)站之間的空箱流采用班列的形式運(yùn)送，不允許同種箱型的空箱在同一徑路上的對流，甚至不允許同種箱型的空箱在同一 OD 對上的對流。若可以采用箱種代用時(shí)，則不允許任何代用空箱在同一OD 對上的對流。

（2）同一 OD 對間的空箱流，不允許經(jīng)由多條不同的徑路運(yùn)輸，即同一 OD 對間的空箱流必須具有共同徑路。

（3）在保證貨物運(yùn)輸和行車安全的條件下，盡量采取不同箱型之間的代用，以減少空箱調(diào)運(yùn)所產(chǎn)生的額外走行。

4.2 集裝箱空箱調(diào)運(yùn)的目標(biāo)

（1）空箱調(diào)運(yùn)成本最小。集裝箱空箱調(diào)運(yùn)費(fèi)用是安排空箱調(diào)運(yùn)時(shí)發(fā)生的直接或間接的費(fèi)用。主要包括發(fā)站的調(diào)出費(fèi)用、卸站的調(diào)入費(fèi)用，以及空箱的運(yùn)輸成本。空箱托運(yùn)費(fèi)用與運(yùn)輸距離和數(shù)量成正比。在實(shí)際生產(chǎn)中，空箱費(fèi)率按其適用的重箱費(fèi)率的40%計(jì)算，重箱費(fèi)率可以根據(jù)“鐵路貨物運(yùn)價(jià)表”中規(guī)定的不同箱型的運(yùn)價(jià)率折費(fèi)[3]。調(diào)運(yùn)費(fèi)用的最小化也就是實(shí)現(xiàn)利潤的最大化，因此，空箱調(diào)運(yùn)成本最小是進(jìn)行空箱調(diào)運(yùn)工作要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)目標(biāo)[2]。

（2）貨主滿意度最大。在鐵路集裝箱運(yùn)輸組織中，對貨主的用箱需求應(yīng)盡可能滿足，特別是長期合作的大貨主更不能輕易甩貨。貨主對鐵路集裝箱空箱按時(shí)到達(dá)裝車站的時(shí)間要求越來越高，只有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)到達(dá)的空箱才會(huì)使貨物得到及時(shí)裝運(yùn)，從而使貨主滿意。因此，為滿足貨主的運(yùn)輸需求，集裝箱空箱調(diào)運(yùn)應(yīng)該建立空箱送達(dá)時(shí)間表，從開始調(diào)配時(shí)就考慮其時(shí)效性，這將對提高鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量、加速集裝箱周轉(zhuǎn)、提高鐵路運(yùn)輸市場份額及效益具有重要的意義。

（3）優(yōu)先滿足高優(yōu)先級(jí)的空箱需求。綜合考慮貨物的品種和重要程度等多方面因素設(shè)定空箱需求優(yōu)先等級(jí)，如軍運(yùn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等重點(diǎn)物資運(yùn)輸?shù)目障湫枨缶蛽碛休^高的優(yōu)先級(jí)。

1次空箱調(diào)運(yùn)一般不會(huì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)以上所有目標(biāo)，空箱調(diào)運(yùn)時(shí)應(yīng)分清主要目標(biāo)和次要目標(biāo)，先主要，后次要，根據(jù)具體情況制定空箱調(diào)運(yùn)方案。

綜合空箱調(diào)運(yùn)目標(biāo) (1) (2) 后，可以看出在實(shí)際的空箱調(diào)運(yùn)中，客戶要求被服務(wù)的時(shí)間經(jīng)常有一定的限制，即時(shí)間窗。時(shí)間窗分為硬時(shí)間窗 (HTW) 和軟時(shí)間窗 (STW)。硬時(shí)間窗是指對某客戶的服務(wù)必須在給定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，否則該客戶拒絕接受服務(wù)；軟時(shí)間窗是指可以不在指定的時(shí)間段內(nèi)提供服務(wù)，但在此時(shí)間段外提供服務(wù)時(shí)須補(bǔ)償由此為客戶帶來的損失[4]。

在有時(shí)間窗的情況下，假設(shè)每項(xiàng)調(diào)運(yùn)任務(wù)i需在時(shí)間[ai,bi]范圍內(nèi)完成，其一般關(guān)系如下：

式中：τi為到達(dá)i節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻；ti為在i節(jié)點(diǎn)等待的時(shí)間。

這是基于客戶允許的提供空箱最早和最晚到達(dá)時(shí)間提出來的，當(dāng)空箱過早到達(dá)目的車站，會(huì)產(chǎn)生一定的場地積壓費(fèi)用；若空箱到達(dá)太晚又會(huì)流失一定貨源因而產(chǎn)生一些無形的機(jī)會(huì)成本。機(jī)會(huì)成本不是通常意義上的“成本”，它不是一種支出或費(fèi)用，而是失去的收益。這種收益不是實(shí)際發(fā)生的，而是潛在的，它是決策的相關(guān)成本，它影響管理者的決策。

4.3 最優(yōu)決策的求解

在鐵路集裝箱空箱調(diào)運(yùn)的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)線路運(yùn)輸能力不足或空箱數(shù)量不足的情況，此時(shí)決策者應(yīng)選擇某一種方案使機(jī)會(huì)成本最小，其他方案可能取得的收益是實(shí)行本方案的一種代價(jià)，稱為這項(xiàng)方案的機(jī)會(huì)成本。因此，決策是否最優(yōu)，可以通過以下4種方法求解。

（1）方法一：沒有時(shí)間窗。模型轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的“貨郎擔(dān)”問題，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求得全局最優(yōu)解。

（2）方法二：只有軟時(shí)間窗。若某項(xiàng)任務(wù)不能在規(guī)定的時(shí)間窗內(nèi)完成則會(huì)增加一部分費(fèi)用支出，首先假定沒有時(shí)間窗，用方法一求無時(shí)間窗下的最優(yōu)成本與路徑，若路徑保持不變，則可能會(huì)違反時(shí)間窗，出現(xiàn)相應(yīng)的堆存費(fèi)與延誤費(fèi)，增加成本值，系統(tǒng)將會(huì)改變路線，從而改變到達(dá)時(shí)間，以達(dá)到降低堆存費(fèi)和延誤費(fèi)來降低總成本，但改變路線又可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸成本的增加，因此問題轉(zhuǎn)化為堆存費(fèi)和延誤費(fèi)的減少與運(yùn)輸成本增加之間尋求最優(yōu)值。

（3）方法三：只有硬時(shí)間窗。每項(xiàng)調(diào)運(yùn)任務(wù)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，即必須滿足式⑴，若超過這個(gè)范圍，則得到的解為不可行解。這種情況下可以將單位時(shí)間堆存費(fèi)和單位時(shí)間延誤費(fèi)設(shè)置為無窮大，即必須滿足時(shí)間窗，否則不可行。

（4）方法四：同時(shí)含有軟時(shí)間窗和硬時(shí)間窗。首先不考慮硬時(shí)間窗，按方法二求得最優(yōu)路徑，然后考慮硬時(shí)間窗的點(diǎn)，檢查是否滿足，滿足則為最優(yōu)解，否則將硬時(shí)間窗單獨(dú)劃出，對剩余的點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)成本及路徑。

在實(shí)際空箱調(diào)運(yùn)過程中，由于受到運(yùn)輸能力的限制，可能會(huì)出現(xiàn)不能滿足部分客戶需求的情況，而且如果等待時(shí)間過長，客戶就會(huì)選擇其他運(yùn)輸方式，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生機(jī)會(huì)成本，這是空箱調(diào)運(yùn)優(yōu)化所應(yīng)當(dāng)考慮的問題，即在不能滿足所有客戶要求的情況下合理選擇客戶及調(diào)運(yùn)空箱的數(shù)目，盡可能地使機(jī)會(huì)成本最小。這就需要在進(jìn)行空箱調(diào)運(yùn)決策時(shí)考慮重箱運(yùn)輸所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的前提下應(yīng)保證經(jīng)濟(jì)效益最大化。

5 提高鐵路集裝箱運(yùn)用效率的措施

5.1 建立集裝箱管理信息系統(tǒng)

將現(xiàn)有的集裝箱設(shè)備管理系統(tǒng)與集裝箱追蹤系統(tǒng)進(jìn)行整合，建立鐵路集裝箱管理信息系統(tǒng)，詳細(xì)記錄每個(gè)集裝箱的狀態(tài)與位置信息、作業(yè)時(shí)間信息、相關(guān)的單據(jù)與費(fèi)用信息，及時(shí)把握車站集裝箱動(dòng)態(tài)，將回送(到達(dá))鐵路空箱及產(chǎn)生的運(yùn)輸成本等納入集裝箱箱務(wù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鐵路集裝箱從制造、運(yùn)用、修理到報(bào)廢的全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)集裝箱運(yùn)輸組織精細(xì)化管理，以降低運(yùn)輸成本，提高運(yùn)用效率[5]。

5.2 提高集裝箱運(yùn)用效率

集裝箱在站停時(shí)越長，周轉(zhuǎn)越慢，運(yùn)用效率越低。因此，加強(qiáng)對各集裝箱辦理站集裝箱箱號(hào)的監(jiān)控和追蹤管理，特別是各站門到門運(yùn)輸單位的集裝箱進(jìn)出站的管理。對待交箱數(shù)量較大的辦理站應(yīng)加強(qiáng)檢查力度，督促各站減少待交箱數(shù)量，及時(shí)清理滯留箱，壓縮停留時(shí)間，加快集裝箱周轉(zhuǎn)。努力組織重箱裝車，減少回送空箱，同時(shí)擴(kuò)大返程空箱的利用率，加強(qiáng)集裝箱各環(huán)節(jié)的管理，提高運(yùn)用效率。

5.3 調(diào)整集裝箱辦理站布局

同一樞紐集裝箱辦理站數(shù)量不宜過多，整合一些到達(dá)和發(fā)送量相對較少的車站，以利于貨源的集中和集裝箱集中辦理；組建地區(qū)性物流公司，做到同一樞紐的到達(dá)箱和發(fā)送箱在同一車站，以減少回送空箱數(shù)量，降低運(yùn)輸成本，提高運(yùn)用效率。

5.4 組建聯(lián)營體，實(shí)現(xiàn)集裝箱共享

在缺乏集裝箱空箱時(shí)，可以向其他集裝箱公司租箱，通過比較租箱成本和空箱調(diào)運(yùn)成本，在成本最小化原則下，確定合理的租箱數(shù)量。還可以與其他公司組建聯(lián)營體，實(shí)現(xiàn)與船運(yùn)公司和公路集裝箱運(yùn)輸公司之間集裝箱的共享。通過聯(lián)營體互相調(diào)用空箱，減少空箱調(diào)運(yùn)量和車站集裝箱需備量，節(jié)省昂貴的空箱調(diào)運(yùn)費(fèi)和租箱費(fèi)。積極與集裝箱制造企業(yè)開展合作，共同研究開發(fā)適用于鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)，并減少回程空箱占用空間的新箱型[5]。

另外，通過加強(qiáng)調(diào)度統(tǒng)一指揮提高集裝箱運(yùn)用效率，在下達(dá)命令時(shí)考慮到“三化”——回空徑路最優(yōu)化、運(yùn)輸成本最小化、空箱使用效率最高化，同時(shí)還要加強(qiáng)運(yùn)輸設(shè)備的改造，購置集裝箱專用平車用于班列車底的循環(huán)使用，以滿足集裝箱裝車的需求，減少運(yùn)輸成本，提高運(yùn)用效率。

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