基于鐵路貨運的大型裝車點選址優化研究

金小燕

（蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070）

1 概述

從 2006 年開始，鐵道部要求將運力資源，特別是新增運力向大型裝車點傾斜，全面推進大型裝車點建設。鐵路大型裝車點是以智能化的裝載系統，大容量的倉儲能力，高效規模化的工作方法，具備整列配車、整列裝車、整列始發的能力，對全路 (或全鐵路局) 貨物發送和生產效率具有重要影響和重大意義的裝車點[1]。截至 2009 年7月底，全路己建成 444 個大型裝車點，覆蓋大部分煤礦、港口、煉油廠、鋼廠等發送量較大的貨運作業點。鐵路大型裝車點對外加強貨運營銷，對內挖掘運輸潛力，在增運補欠中發揮重要作用。

全國鐵路建設大型裝車點是根據鐵道部“兩整合、一建設”(對車站到發貨物品類的整合、對業務量較小車站的整合，建設大型裝車點) 工作總體部署提出的。大型裝車點的建設方法要求靈活，以需求為基礎，1 站可以有多個大型裝車點，1個裝車點可建多條整列裝車線，每一個大型裝車點至少具備1條整列裝車線，裝車線可以是專用線、專用鐵路，或者車站貨場裝車線。大型裝車點必須能夠進行高效作業、快速裝車，以煤、石油、焦炭、礦石、鋼鐵等大宗物資為主，具有較好的貨源基礎和較強的貨源吸引能力，貨源量原則上達到日均 1列以上[1]。

2 大型裝車點選址方法分析

2.1 大型裝車點選址的特點及原則

大型裝車點的選址在整個鐵路運輸系統中占有非常重要的地位，屬于鐵路運輸經濟管理戰略層面的研究。大型裝車點位置的選擇將影響實際運營的效率與成本，并制約未來鐵路貨運的發展方向。因此，鐵路局在決定大型裝車點的選址方案時，必須謹慎參考相關因素，不僅要考慮鐵路內部效率的因素，還要考慮外部市場環境條件因素，按照相關物流園區或物流中心的規劃步驟進行。選址決策就是確定所要分配設施的數量、位置及分配方案[2]。就單個企業而言，選址決策決定了整個物流系統及其他層次的結構；反之，該物流系統其他層次 (庫存、運輸) 的規劃又會影響選址決策。

大型裝車點選址的過程涉及方方面面的因素，看似無規律可循，但在科學的選址決策過程中，一般遵循以下的評選原則[3]。

（1）規模經濟性原則。大型裝車點的規模經濟性比較明顯，在允許限度內通過采用大規模生產方式可以降低單位產品的成本。但是制約大型裝車點規模的因素比較多，除受到一般工業生產企業建設影響因素外，還受到客觀物流量和交通運輸方式等條件的限制。

（2）費用最小原則。在競爭激烈的當今社會，經濟成本最小就意味著有較大的利潤空間，在競爭中也肯定會占據有利地位。因此，應將費用最小作為大型裝車點選址的主要原則之一。

（3）能力彈性原則。由于企業在競爭中不斷的發展，在大型裝車點選址的過程中，應考慮到市場變化、生產漲落等企業所處環境的動態變化。因此，大型裝車點的選址及其能力設置也要有足夠的彈性，在一定程度上考慮到將來可能發生的變化，以適應市場環境。

（4）簡化作業流程原則。從企業到最終消費者的過程中，涉及的業務流程越少，企業的利潤空間越大，其競爭力也越強。所以，在進行大型裝車點的選址決策時，也要考慮盡量簡化作業流程。

（5）適度原則。在進行大型裝車點選址時，要考慮裝車點未來的興建費用和運營費用，對于規模的大小及其運營費用，都應有一個適度標準，既不能太浪費，又要滿足各需求點的要求。

2.2 大型裝車點選址方法

選址的方法很多，按照不同的標準就會有不同的方法。根據設施允許安置的空間對選址方法進行分類，可分為連續選址、網絡選址和離散選址。

（1）連續選址又稱為平面選址，指的是在1條路徑或者1個區域里的任何位置都可以作為選址的1個選擇，允許在可行的連續空間的任何地方選址，多半采用解析方法，一般包括交叉中值模型和精確重心模型。

（2）離散選址指的是在有限的候選位置里面，選取最為合適的1個或者1組位置為最優方案，與連續選址模型的最大區別在于只允許在指定的一些離散點集上選址。一般主要有2種模型可供選擇，分別是覆蓋模型和 P-中值模型。

（3）網絡選址的待選區域是一個被細分為許多相等面積的平面，候選地址的數量有限，但非常大，通常被允許在指定網絡的頂點與邊上選址，典型的應用是倉庫中不同貨物的存儲位置的分配。

一般后兩者主要用組合方法研究。另外，選址方法還可以分為單目標選址與多目標選址、受歡迎的設施選址與不受歡迎的設施選址等，以下對常用的2種選址方法進行簡要介紹。

2.2.1 精確重心法

又稱精心中心法、網格法，適用于最簡單的單一選址問題。利用重心法解決選址問題的指導思想是根據服務對象的地理位置，確定與這些服務對象之間的運輸費用達到最小的地址，將其作為選址的最優解。利用重心法建模求解主要是以運輸費用為主的，而忽略了其他費用。

用重心法得到的最優解只有1個點，而不會是1條線段或者1個區域。重心法的使用前提是已知大型裝車點各貨源地的地理位置，尋找總運輸費用最小的地址作為大型裝車點的優選地址。在使用重心法確定優選地址時，首先應注意貨源地的確定是否準確。貨源地是大型裝車點的服務對象，貨源地位置是重心法的基礎資料，其準確與否直接決定了選址的最終結果。服務對象的確定隨不同的城市而有所不同，這主要受該城市經濟特點、發展規劃及相關政策等因素制約。

2.2.2 P-中值模型

P-中值模型是指在一定數量的備選點集合下，從中找出 P 個位置進行配送中心的修建，并為每一個需求點指派其中的1個設施，以滿足各需求點的需要。同時，要使從各配送點到需求點之間的運輸費用最低[4]。

對于P-中值模型的設施選址問題，主要有兩大類的方法：精確計算法和啟發式算法。在規模較小時，可以利用精確計算法求出精確的數值解；在大規模、多約束情況下時，一般采用啟發式算法進行求解。P-中值模型一般適用于工廠或者倉庫的選址問題，例如求它們與零售商或顧客之間的費用最小。

3 大型裝車點選址模型建立及算法

3.1 大型裝車點選址描述

大型裝車點的總體布局是根據經濟社會和運輸需求的預測結果，利用運輸理論對所規劃的大型裝車點的數量、大小和位置進行優化，同時調整裝車點的內部結構，實現整個運輸系統的運輸效率最大化[5]。

大型裝車點的布局和其他選址一樣，應采用定性分析和定量計算相結合的方法。定性分析可研究城市規模形態、貨源發生地特征、城市內道路設施狀況和裝車點的布局關系，定性分析裝車點的等級；定量計算則是根據數學選址模型來確定設施選定地址、數量和規模等。

這里討論的是多個大型裝車點選址，是指在一些已知的備選點中選出一定數目的地點設置為大型裝車點，使形成的貨物運輸網絡總費用最少，這些已知的備選站點屬于鐵路局或者是車務段所涵蓋的區域范圍內。其中，總費用包括基本投資費用、可變費用、固定費用，以及由于鐵路內部運輸組織程序而產生的成本費用等。

3.2 建立大型裝車點選址優化模型

針對鐵路運輸企業的選址要求，以鐵路運輸企業整個貨物運輸系統運營成本最低化為目標，在假設供需平衡條件下，增加考慮固定運營成本和以鐵路貨運站場為特點的大型裝車點的可變運營成本等因素，構建大型裝車點選址模型。

假設有 n 個貨源地，m 個備選站點，從這 m 個備選站點中組合優選出若干個大型裝車點。

所建立的目標函數如下：

式中：xij表示從貨源點到備選大型裝車點的貨運量；cij表示從貨源點到備選大型裝車點的單位運輸成本費用，鐵路的運輸費用一般采用鐵道部制定的有關費用；bij表示承運貨物的單位價值，用價格表示，實際中可以貨物保價價格為準；δj表示備選大型裝車點的1次貨物作業時間與一晝夜時間比率，反映備選站點的工作效率及設備使用效率；Ej表示備選大型裝車點擴建至最小作業處理能力的擴建費用；Kj表示關閉備選站點將節省的費用；Zj為離散變量，當 Zj=1 時，表示第 j 個備選大型裝車點被選中，否則 Zj=0；Ai表示考察期內貨源 i 所能提供的貨物量；Di表示對產自貨源地 i 的產品需求量；Wj表示站點 j 發出的貨運量；Qj表示大型裝車點所要求的最小處理能力，考慮大型裝車點的裝車作業能力、倉儲容量、空車供給及點線通過能力等因素，并預留儲備能力。

一般地，貨運站點的1次貨物作業時間是衡量車站運輸組織工作質量的1項綜合性指標。1 次貨物作業時間越短，則貨車周轉效率越高、客戶滿意度越大，也意味著備選大型裝車點的潛力越大、經濟效益越高、總成本越低。因此，以 δj與承運貨物價值的乘積衡量某一備選大型裝車點的改造潛力，當 δj越小，對承運貨物價值的損失越小，客戶越滿意，則總成本越低，改造的潛力也就越大，反之，則改造的潛力也就越小。

約束條件中，公式⑵表示貨源供給能力約束，以保證貨源點發送到大型裝車點的貨運量不能超過其供貨力；公式⑶確保滿足大型裝車點的貨物量需求；公式⑷表示大型裝車點的貨物進出總量要平衡；公式⑸表示站點受理作業能力約束，大型裝車點的受理貨物作業量受到裝卸作業能力、空車配送水平、貨物存儲能力等一系列因素的限制；公式⑹表示站點總數約束，即優化數目要小于等于備選站點總數；公式⑺表示如果站點沒有被選擇，那么貨物將不會從此站點經過，其中，M 是1個無限大的數。

從模型可以看出，最優方案必須是在大型裝車點吸引貨源量滿足需求的前提下，使目標值最小。因此，在求解之前可通過核心約束條件去除不滿足的解，并結合集約化原則，得到可行方案。具體步驟如下：首先，對各方案計算所含候選裝車點覆蓋范圍內的貨源；其次，根據大型裝車點選址所遵循的集約性原則，確定最佳大型裝車點選址數；最后，由方案子集 S 確定最佳大型裝車點中候選裝車點數目的最小值。經過處理后，對應每一個可行性方案子集 S 均存在相應的大型裝車點選址子問題，可直接利用算法對其進行求解。通過對比各子集的優化結果，最終獲得大型裝車點最優方案選址。

4 算例

假設有5個貨源地，5 個大型裝車點，裝車量都滿足客戶需要。貨運量矩陣和運輸成本矩陣如下。其中，xij表示從貨源地 i 發往大型裝車點 j 的貨運量。cij表示從貨源地 i 發往大型裝車點 j 的運輸成本。貨源地的供給量如表1所示。對貨源地產品的需求量如表 2所示。大型裝車點最小處理能力如表3所示。各參數賦值如表4所示。

表1 貨源地的供給量 萬t

表2 對貨源地產品的需求量 萬t

表3 大型裝車點最小處理能力 萬t

表4 參數賦值

依照上述模型公式和約束條件，2 號裝車點不滿足約束條件公式⑵；3號裝車點不滿足約束條件公式⑷；5 號裝車點不滿足約束條件公式⑸。因此，裝車點 2、3、5 不滿足要求，應淘汰。裝車點 1、4 滿足上述所有建模公式和約束條件，予以保留。對于5個貨源點來說，最少量地保留1個裝車點不一定是實現成本最小的方案，因為涉及貨源地至裝車點的運輸成本、各裝車點的運輸效率及裝車點的資源利用等因素。保留其中2個最符合需求的裝車點，能夠實現成本最小、裝車點的利用效率最高，是最優方案。

5 結束語

本文通過分析鐵路貨運物流化的發展趨勢，構建了大型裝車點的選址優化模型，并通過算例驗證了大型裝車點選址優化模型的可行性。研究鐵路大型裝車點布局規劃具有重要意義，有關問題值得深入研究。

[1] 鐵道部運輸局. 關于全路建設戰略裝車點的指導性意見[J]. 鐵道貨運，2006，24(12)：32-34.

[2] 潘文安. 物流園區規劃與設計[M]. 北京：中國物資出版社，2005.

[3] 張星平，姚養心. 貨運業務集中化[J]. 中國鐵路，1985(7)：6-9.

[4] 劉寶旋，趙瑞清，王 綱. 不確定規劃及應用[M]. 北京：清華大學出版社，2003.

[5] 白春輝. 廣深鐵路戰略裝車點規劃方案研究[D]. 北京：北京交通大學，2008.