基于MATLAB的集裝箱多式聯(lián)運方式組合模型

嵇莉莉（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210031）

JI Li-li (Nanjing Institute of Railway Technology,Nanjing 210031,China)

0 引 言

集裝箱多式聯(lián)運因其便捷、安全、費用低等特點，在國際貨物運輸中扮演越來越重要的角色。鐵路運輸一直是我國客、貨運的主要運輸形式。但是，在多式聯(lián)運迅猛發(fā)展的今天，鐵路參與國際集裝箱多式聯(lián)運卻進(jìn)展緩慢。2010年，上海洋山港完成鐵水聯(lián)運運量3.03萬TEU，占港口集裝箱吞吐量的0.3%；2011年1～9月，全國港口集裝箱吞吐量12117萬TEU，其中鐵水聯(lián)運量136萬TEU，占港口集裝箱吞吐量的1.1%[1]。平均而言，我國鐵路參與港口集裝箱鐵水聯(lián)運的運量不到港口集裝箱吞吐量的3%，這與鐵路運輸在我國整個交通運輸中的主導(dǎo)地位形成了鮮明的對比[2]。鐵道部采取了一系列措施，包括客貨分流、建設(shè)鐵路專運線、開行集裝箱班列等，以求推動鐵路集裝箱運輸?shù)陌l(fā)展。

目前，已有很多人對集裝箱多式聯(lián)運進(jìn)行了研究，但這些研究都忽略了運輸方式轉(zhuǎn)換過程中可能產(chǎn)生的接駁費用[3-5]。我國的現(xiàn)實情況是，由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不足，海鐵聯(lián)運難以實現(xiàn)無縫對接，貨主為了規(guī)避海鐵聯(lián)運中因接駁運輸而額外產(chǎn)生的裝卸及運輸費用，大多選擇了“海—公”聯(lián)運的方式，使得鐵路在多式聯(lián)運中的作用不能充分發(fā)揮，也影響了多式聯(lián)運方式選擇的決策。本文以實現(xiàn)運輸成本最小化為目標(biāo)，考慮到我國大部分港口的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難以實現(xiàn)海鐵聯(lián)運無縫銜接的現(xiàn)實情況，將公路接駁運輸納入多式聯(lián)運系統(tǒng)的考慮范圍，建立了多式聯(lián)運方式選擇模型。同時給出了求解此模型的一個算法，此算法相較于智能算法[6-9]簡單且容易實現(xiàn)，并可以保證在有限步收斂。最后用MATLAB軟件對算法進(jìn)行了數(shù)值仿真，并根據(jù)計算結(jié)果，對鐵路如何更好地參與集裝箱多式聯(lián)運的問題提出建議。

1 多式聯(lián)運方式選擇模型

多式聯(lián)運可以看成是一個由若干個節(jié)點和連接節(jié)點間的箭線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。節(jié)點1到達(dá)運輸方式是公路，發(fā)送運輸方式也是公路，即在節(jié)點1不發(fā)生換裝。節(jié)點2到達(dá)運輸方式是公路，發(fā)送運輸方式是鐵路，即在節(jié)點2做公路—鐵路的換裝。這個過程可以在鐵路集裝箱辦理站完成，公路和鐵路的換裝可以實現(xiàn)無縫銜接。節(jié)點3的到達(dá)運輸方式是鐵路，發(fā)送運輸方式是水路，即在節(jié)點3做鐵路—水路的換裝。由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不完善，我國大部分集裝箱碼頭都沒有直接連接鐵路線，貨物在節(jié)點3上的換裝不能實現(xiàn)無縫銜接，需要通過公路接駁。例如上海洋山港集裝箱碼頭，通過鐵路集運的集裝箱貨物只能運到蘆潮港集裝箱中心站，接下來30多公里的跨海大橋需要由集卡通過公路完成。實踐中，節(jié)點3上，增加的換裝作業(yè)以及接駁作業(yè)會增加多式聯(lián)運的總費用和總時間，也可能會影響到多式聯(lián)運經(jīng)營人對多式聯(lián)運組合方式的選擇。本文基于海—鐵不能實現(xiàn)無縫銜接的情況，以費用最小化為目標(biāo)，建立多式聯(lián)運方式選擇模型。

圖1 多式聯(lián)運節(jié)點換裝示意圖

1.1 模型假設(shè)

根據(jù)以上描述，對模型做如下假設(shè)：

（1）由于集裝箱運輸對裝卸設(shè)備有特殊要求，因此，換裝只發(fā)生在特定中轉(zhuǎn)站點；且根據(jù)通常的做法，做如下限定：公鐵換裝發(fā)生在鐵路場站；公水換裝發(fā)生在港口碼頭；鐵水換裝不需接駁發(fā)生在港口碼頭，需換裝的分別發(fā)生在鐵路場站和港口碼頭。

（2）兩個節(jié)點之間可選的運輸方式有3種，即公路、鐵路、水路。

（3）轉(zhuǎn)換運輸方式時，如需接駁，一般采用公路運輸作為接駁方式。

（4）不考慮貨運量對運輸價格及運輸時間的影響。

（5）運量不可分割，即兩個城市之間只能選擇一種運輸方式。

（6）不考慮運輸能力的限制。

1.2 參數(shù)說明

1.3 模型建立

以多式聯(lián)運費用最小化為目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)：

其中，目標(biāo)函數(shù)（1）表示要求多式聯(lián)運總的運輸費用最小，包括運輸費用、換裝費用和必要時的接駁費用；約束條件（2）表示兩個節(jié)點之間只能選擇一種運輸方式；約束條件（3）表示從i-1節(jié)點到i節(jié)點選擇m方式運輸，從i節(jié)點到i+1節(jié)點選擇n方式運輸，則在i節(jié)點要進(jìn)行運輸方式m和n的轉(zhuǎn)換，即保證運輸時連續(xù)的；約束條件（4）和（5）是時間約束，表示運輸時間必須控制在 ［tmin,tmax］之間。

2 MATLAB算法設(shè)計

MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平[10]。本節(jié)利用MATLAB程序設(shè)計語言，給出了求解此模型的一個算法，此算法相較于智能算法簡單且容易實現(xiàn)，并可以保證在有限步收斂。算法主要步驟如下：

第一步，輸入 cyi,i+1,m、dyi,i+1,m、tyi,i+1,m、cji,m,n、Ui,m,n、chm,n、thm,n、dji、tji、vm。

第二步，計算多式聯(lián)運貨物在途費用。

第三步，計算多式聯(lián)運貨物在站點的換裝和接駁費用。

第四步，選擇最優(yōu)方案。在總時間T∈ ［Tmin,Tmax］的情況下，如果計算單箱運費C＜Cmin，記錄運費Cmin=C，記錄總時間，記錄各節(jié)點選擇的運輸方式。

3 數(shù)值仿真

例：假設(shè)集裝箱貨物裝運地為成都，途徑鄭州、南京，最終到達(dá)上海洋山港裝船出口。本節(jié)為該批貨物選擇適合的運輸方式，使其在滿足時間約束的基礎(chǔ)上實現(xiàn)運輸成本的最小化。為了使問題簡單起見，本節(jié)定義節(jié)點K=4，表示有成都、鄭州、南京、上海4個節(jié)點城市。

仿真中需要的數(shù)據(jù)如下：

各節(jié)點間集裝箱多式聯(lián)運各種運輸下的運輸距離如表1所示。表1中，南京到上海的公路距離包括了連接洋山港的東海大橋距離，鐵路距離為南京西站到上海蘆潮港鐵路集裝箱中心站距離，水路運輸距離為南京港到洋山港距離。各種運輸方式下，運載工具的速度如表2所示。

表1 集裝箱多式聯(lián)運各種運輸方式的運距表單位：千米

表2 運載工具速度表單位：千米/小時

針對公路、鐵路、水路三種運輸方式，分別各采集了40組數(shù)據(jù)（運輸距離—運輸費用）。用MATLAB軟件的polyfit命令對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到各種運輸方式下運費的計算公式。

（1）公路集裝箱單箱單位距離運輸費用計算公式：

（2）鐵路集裝箱單箱單位距離運輸費用計算公式：

（3）水路集裝箱單箱單位距離運輸費用計算公式：

根據(jù)費用公式（6）～（8）和表1中數(shù)據(jù)，計算得到集裝箱單箱單位距離運輸費用如表3所示。

各種運輸方式中轉(zhuǎn)站換裝費用如表4所示。

表3 多式聯(lián)運各路段單箱單位距離運輸費用單位：元

表4 換裝費用單位：元/箱

換裝過程中，各節(jié)點接駁運輸距離如表5所示。

中轉(zhuǎn)站換裝時間[11]如表6所示。

表5 公路接駁運距單位：千米

表6 中轉(zhuǎn)站換裝時間表單位：小時

對上述數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進(jìn)行程序設(shè)計，得到運輸方式組合策略如表7所示。

分析表7數(shù)據(jù)，可以看到，在不同的時間約束條件下，多式聯(lián)運方式組合的策略有所不同，其對應(yīng)的成本也有較大差別。貨主對送達(dá)時間上的要求會影響到多式聯(lián)運方式組合的決策。從時間的角度來看，公路較鐵路運輸方式具有優(yōu)勢，但是，只有在對時間要求極強(qiáng)的情況下，公路的這種競爭優(yōu)勢才能凸顯，鐵路參與多式聯(lián)運仍有很強(qiáng)的競爭力。

4 鐵路參與多式聯(lián)運的建議

4.1 合理選址鐵路集裝箱辦理站

為了探討鐵路如何更好地參與多式聯(lián)運的問題，在程序運行過程中，本文改變蘆潮港鐵路集裝箱中心站的選址來進(jìn)行試驗。結(jié)果顯示，海鐵聯(lián)運中，公路的接駁距離有一個臨界值，當(dāng)接駁距離小于這個臨界值時，鐵路運輸有優(yōu)勢，當(dāng)接駁距離大于這個臨界值時，公路運輸更有優(yōu)勢。也就是說，從費用的角度來看，短距離的接駁運輸不影響鐵路的競爭優(yōu)勢。這個臨界值的確定跟鐵路和公路的運價，以及貨物在站點內(nèi)的留存時間和作業(yè)成本等有關(guān)。隨著鐵路運價的上升，以及公路運價的下跌，這個臨界值趨于減小。

表7 多式聯(lián)運方式組合

因此，對于鐵路專運線不能延伸到達(dá)的港口碼頭，根據(jù)本文給出的算法，可以找到海鐵聯(lián)運接駁的臨界距離，應(yīng)該在以港口為中心，以該臨界距離為半徑的范圍內(nèi)，建設(shè)鐵路集裝箱辦理站。辦理站應(yīng)具有集運堆存、通關(guān)、保稅監(jiān)管等功能。出口貨物在辦理站辦結(jié)出口手續(xù)，按照海關(guān)監(jiān)管貨物完成接駁運輸并裝船出口；進(jìn)口貨物卸船后不落地，按照保稅貨物在海關(guān)監(jiān)管下疏運至鐵路集裝箱辦理站，與貨主的交接在辦理站完成。鐵路集裝箱辦理站完善的業(yè)務(wù)功能和合理的選址，有助于鐵路與其他運輸方式協(xié)同發(fā)展。

4.2 縮短鐵路運輸服務(wù)響應(yīng)時間

鐵路在參與多式聯(lián)運中存在的主要問題不是成本，無法實現(xiàn)海鐵的無縫銜接也在其次。鐵路運力緊張、貨物等待時間長，以及服務(wù)質(zhì)量和市場意識薄弱等，才是鐵路參與多式聯(lián)運亟待解決的問題。本文對運輸工具轉(zhuǎn)換過程中的貨物等待時間做了簡化處理，而事實上，由于鐵路運力緊張，在開展集裝箱運輸過程中，常常出現(xiàn)有貨無箱、有箱無車、有車無計劃的現(xiàn)象，很難滿足貨主對運輸時間的要求。這往往正是貨主棄鐵路而選擇其他方式的主要原因。調(diào)整模型中鐵路站點的貨物換裝時間，當(dāng)換裝等待時間增加1天，鐵路相對水路運輸將失去優(yōu)勢。而目前，集裝箱貨物在鐵路站點的等待時間往往是超過1天的。因此，提高鐵路集裝箱運輸能力，縮短鐵路運輸服務(wù)響應(yīng)時間，是鐵路更好地參與多式聯(lián)運的關(guān)鍵。

4.3 引入靈活的國際貨運代理機(jī)制

集裝箱多式聯(lián)運通常是由多式聯(lián)運經(jīng)營人組織全程運輸，貨主不直接與運輸企業(yè)聯(lián)系。多式聯(lián)運經(jīng)營人建立自己的運輸網(wǎng)絡(luò)，通過在各地的運輸代理人與各實際承運人達(dá)成運輸協(xié)議，完成貨物運輸業(yè)務(wù)。

長期以來，海運貨代業(yè)務(wù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，一個海港城市擁有的貨代公司大多數(shù)以萬計。多式聯(lián)運經(jīng)營人想要與貨代取得聯(lián)系或訂艙都是比較容易的。但是鐵路運輸行業(yè)由于長期以來市場意識缺乏，鐵路貨代的入行門檻比較高，一個集裝箱貨運站的貨代業(yè)務(wù)就掌握在少數(shù)幾家公司手中。這種現(xiàn)象增加了多式聯(lián)運經(jīng)營人選擇鐵路運輸方式的難度，嚴(yán)重影響了鐵路參與多式聯(lián)運的主動性。因此，參考海運貨代的運作模式，與更多貨運代理企業(yè)建立業(yè)務(wù)關(guān)系，是鐵路走向市場，更好地參與多式聯(lián)運的重要途徑。

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