基于遞階優化算法的高鐵周轉箱標準研究

邸 斌，潘 馳，郭志達

(大連交通大學 經濟管理學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

托盤作為一種基本的集裝容器，裝載著各類貨物在生產企業、流通企業、物流企業以及最終用戶之間流轉.這種流動性特征要求托盤標準(尺寸規格)與輸送線路、包裝容器、裝卸搬運工具、儲存設施、集裝箱以及各種交通運輸工具等眾多設備設施有適當的尺寸匹配關系.鑒于此，托盤標準應作為流通領域的基礎性技術標準之一，與之相關的制造業、運輸業、倉儲業以及包裝業等產業的標準體系須參照托盤標準做出相應調整，以確保物資在以托盤作為基本的裝載單元時，能夠在產供銷循環體系中無障礙流通.進而實現降低物流成本、提高物流效率、改善物流服務質量的目的.

1 國內外托盤標準化發展現狀

1.1 國際托盤標準化發展現狀分析

本文主要選擇世界貿易進出口總值前10位的國家作為研究對象，分析托盤標準現狀.這些國家分別是美國、德國、中國、日本、法國、英國、荷蘭、意大利、加拿大、比利時.美國采用英制標準托盤，尺寸為1 219 mm×1 016 mm，周邊國家加拿大為1 200 mm×1 000 mm，;歐盟以1 200 mm×800mm的托盤為標準，但是英國、德國及荷蘭有1200 mm×800 mm及1200 mm×1000 mm兩種托盤存在.日韓地區所制定的托盤標準是1 100 mm× 1 100 mm［1］.

1.2 國內托盤標準化發展現狀分析

我國目前尚未統一的托盤標準，生產企業根據自身產品的包裝設計定制托盤，由于各企業產品包裝尺寸差異較大，導致流通領域中托盤規格混亂，難以統一.同時，我國并未出臺統一的托盤國家標準，只有各部委依照下屬產業情況擬定的行業標準，例如機械工業系統使用JB3003-81規定的800 mm×1 000 mm和500 mm×800 mm兩種規格的托盤;交通部科研院提出了將《聯運通用平托盤主要尺寸及公差》(ISO6780:1988)作為托盤國家標準;原國家技術監督局以GB/T2934-1996標準系列文號批準并發布了以下等效標準，其中包括了1 200 mm×1 000 mm、1 200 mm×800mm、1 140 mm ×1 140 mm 及 1 219 mm ×1016mm 等4個主要托盤規格［1］.

2 高鐵快運標準化周轉箱(箱式托盤)設計

2.1 高鐵快運簡介

高速鐵路簡稱“高鐵”，是指通過改造原有初始線路，使最高營運速率達到不小于200 km/h，或者專門修建新的“高速新線”，使營運速率達到至少250 km/h的鐵路系統.2014年4月1日起，中鐵快運公司將在全國20個城市開辦高鐵快遞業務，業務種類包括當日達、次日達和次晨達［2］.理論上，高鐵是快件運輸理想的途徑之一:高鐵運送快件不受交通堵塞、航空管制等因素影響，除極端天氣外，高鐵快遞準時到達率非常高、時效性強且具有成本優勢，因而具有較強的競爭力.我國高鐵使用的動車組列車車型主要有:CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6［3］.本文主要研究適用于CRH1，CRH2，CRH5系列的托盤標準，這三種列車類型的使用數量較多，分別為115、80、136列;分布廣泛，覆蓋面涉及東西，南北各專線.

2.2 高鐵快運周轉箱(箱式托盤)的標準化設計

周轉箱也被稱為物流箱，是在托盤基本型式基礎之上開發出來的特種集裝容器.周轉箱的使用有利于物流的標準化管理，提高工作效率和降低成本［4］.由于周轉箱具有完整的側壁與端壁，甚至有帶有鎖閉裝置的頂蓋，對于內裝物的保護作用更強，因此在成件物品的流通領域較普通托盤具有更大發展空間.

目前在鐵路貨物運輸中主要使用平托盤，經由箱內裝載率的計算，可得出最適合鐵路車輛載運的托盤尺寸標準為1 200 mm×1 000 mm或1200 mm×800 mm.利用組合分割和整數分割相結合的方法可知周轉箱的底面尺寸600 mm×400mm 、600 mm ×500 mm 較為合理［5］，載盤效率的高低是選用周轉箱的關鍵指標，從運載工具載盤效率角度來考慮高鐵周轉箱標準的選擇，是一種科學合理的方法.

表1 常見高鐵車型對二種周轉箱標準的載盤效率

由表1可知:對于三種不同的高鐵車型來說，使用600 mm×400 mm周轉箱載運，載盤效率最高，均在93%以上.由載盤效率分析可以看出600mm×400 mm為最優周轉箱的底面標準尺寸.

高鐵快運的周轉箱標準應該適應未來的托盤國家標準，基于對600 mm×400 mm標準模數的考慮，可與鐵路托盤標準相配合，便于實現高鐵與普通鐵路的無縫銜接.考慮到高鐵快運貨物種類繁多，尺寸規格差異性較大等因素，為實現快速裝卸、車廂內周轉箱多層堆碼以及物聯網鋪設成本優化、及與鐵路標準化托盤配套使用，推薦使用塑料周轉箱［6］.

3 高鐵周轉箱(箱式托盤)標準化設計

3.1 遞階優化算法描述

高鐵優化裝車的目標是有效地利用高鐵的裝載容積，在高鐵容積和箱式周轉箱長寬高尺寸一定的情況下，實現在高鐵車廂內部達到裝載效率最優.周轉箱的尺寸應盡可能符合可交換、可重復使用的主流周轉箱尺寸，同時高鐵對集裝單元尺寸的要求是集裝單元的長寬高總和不得超過1600 mm.國內流通的以600 mm×400 mm為底面尺寸的主流周轉箱主要有600 mm×400 mm×240mm、600 mm×400 mm×280 mm及600 mm×400 mm×335 mm三種尺寸的周轉箱，以上三種周轉箱都是以物料標準尺寸模數為基數進行設計，同時又達到了周轉箱的大小與托盤適配的原則.因此本節將選用這三種國內主流的周轉箱來利用遞階優化算法進行論證，擇優.

設

可以設 lij和rij的下標，當下標i=1，2，3時，1，2，3分別表示高鐵車廂的長、寬、高，用字母表示為X，Y，Z，而當下標j=1，2，3時，1，2，3分別表示周轉箱的長、寬、高，用字母表示為 a，b，c，“［］”可以定義為取整數部分，“%”可以定義為取余數部分.通過以上的分析:lij可以表示為周轉箱的最多箱數，擺放方向是沿著高鐵車廂i方向擺放周轉箱j邊，rij表示的含義則是擺放周轉箱后剩余的長度，擺放方向是沿著高鐵車廂i方向擺放周轉箱j邊的最多箱數lij后，最后在高鐵車廂i方向的剩余長度［7］.

在遞階優化算法中的最終目的是要讓車廂的剩余空間最少，要找出高鐵車廂邊上最小的rij，只有當高鐵車廂達到剩余空間最少時就越接近最優解.算法的具體步驟如下:

(1)如果周轉箱的三條邊a，b，c在高鐵車廂的三條邊X，Y，Z中的至少一條無法擺放時，此時，就停止計算，否則，按照以下步驟繼續計算.

(2)取 min{riji，j∈［1，2，3］}，假設 r11為長度中最小的值，r11代表的是高鐵車廂的剩余長度，擺放方向是在高鐵車廂的長X方向上擺放l11個周轉箱邊a后的剩余長度.根據lij的定義可知，定有r11＜a，且有r11=X-a×l11.若在矩陣R中存在兩個或兩個以上的rij為最小者時，則優先選取rij對應高鐵車廂的邊最短的擺放.

(3)取 min{riji，j∈［2，3］}，假設 r22為剩余長度中最小的，r22代表的是高鐵車廂的剩余長度，擺放方向是在高鐵車廂的寬Y方向上擺放l22個周轉箱邊b后的剩余長度.根據定義可知定有r22＜b和r22=Y-b×l22.若在矩陣R中存在兩個或兩個以上的rij為最小者時，則優先選取對應高鐵車廂邊中最短的擺放.

(4)取 min{riji，j∈［3］}，按上述步驟當 r22為剩余長度中最小時，即再在矩陣R中再劃掉第2行和第2列，此時剩下的只有r33唯一元素.r33代表的是在高鐵車廂的剩余長度，擺放方向是在高鐵車廂的高Z邊上擺放l33個周轉箱c邊后的剩余長度，根據定義可知定有r33＜c和r33=Z-c×l33.綜上所述，在高鐵車廂中已擺放完成的周轉箱數為l11×l22×l33.

(5)進行切割高鐵車廂中剩余的未擺放空間，返回第1步開始繼續進行優化，最后優化到無法再裝入任何周轉箱為止，此時，把幾次的裝箱數進行累加，最后累加的結果即為最優裝箱數［8］.

3.2 實例論證

例1:已知高鐵CRH5車型的中間車廂的長寬高 (x，y，z)分別為 25 000 mm ×3 200 mm ×3730 mm，周轉箱的長寬高 (a，b，c)尺寸為600mm×400 mm×335 mm，車內空間利用率100%時不超重，現利用以上介紹的遞階優化算法計算:

第一次優化:計算 lij和rij(i，j=1，2，3)

取R中的最小元素r22=0，相應的邊y擺放b邊，l12=8，然后劃去第二行第二列，在剩余的元素中最小者為r33=45，相應的邊z擺放c邊，l33=11，剩余的元素中只有r11=400，故在邊x擺放a邊，l11=41.

第一次優化裝車數n1=41×8×11=3 608.

剩下的高鐵車箱容積尚有3部分:其中只有一部分的余量x=400，y=3 200，z=3 730滿足優化條件，故進行二次優化.

第二次優化:計算 lij和rij(i，j=1，2，3)

由于R中r12=r22=0均為最小元素，但r12相應的車廂邊x=400最短，故取x邊擺放b邊，r12=0，l12=1.然后劃去第一行第二列，在剩余的元素中最小者為r33=45，相應的邊z擺放c邊，l33=11，剩余的元素中只有r21=200，故在邊y擺放a邊，l21=5.

第二次優化裝車數n2=1×5×11=55.

在余下的容積因三邊均不能擺放，故停止計算.

n=n1+n2=3 608+55=3 663(箱)，高鐵容積有效利用率達98.69%.如果周轉箱長寬高(a，b，c)分別是600 mm ×400 mm ×280 mm，則 n=4 272.高鐵容積有效利用率達96.21%.當周轉箱長寬高(a，b，c)分別是600 mm×400 mm×240 mm，則n=4992，高鐵容積有效利用率達96.36% .

例2:已知高鐵CRH2車型的中間車廂的長寬高 (x，y，z)分別為 25 000 mm ×3 380 mm ×3700 mm，周轉箱的長寬高 (a，b，c)尺寸為600mm×400 mm×335 mm，經過遞階優化算法得n=3663，高鐵容積有效利用率為94.2%.如果周轉箱長寬高(a，b，c)分別為600 mm×400 mm×280 mm，則n=4464，高鐵容積有效利用率達95.95%.當周轉箱長寬高(a，b，c)分別是 600mm×400 mm×240 mm，則n=4992，高鐵容積有效利用率達95.95%.

例3:已知高鐵CRH1車型的中間車廂的長寬高 (x，y，z)分別為 26 600 mm ×3 328 mm ×4040 mm，周轉箱的長寬高 (a，b，c)尺寸為600mm×400 mm×335 mm，經過遞階優化算法得n=4 224，高鐵容積有效利用率為94.96%.如果周轉箱長寬高(a，b，c)分別為600 mm×400 mm×280 mm，則n=4 750，高鐵容積有效利用率達89.25%.當周轉箱長 寬 高 (a，b，c)分別是600mm×400 mm×240 mm，則n=5 720，高鐵容積有效利用率達92.12%.

表2 高鐵車型最優托盤選取比較分析 mm×mm×mm

由表2可知，最適合高鐵快運的箱式托盤尺寸是600 mm×400 mm×335 mm，其載箱個數和載箱效率都達到了最優，載箱個數較少，可以節省時間，減少物流成本，節省了人力和物力，同時其載箱效率也相對較高，都在94%以上，最大化的利用了高鐵的車廂空間，減少了不必要的浪費.

4 結論

本文利用遞階優化算法，并結合高鐵車型的實際尺寸，推薦了一個最優化的周轉箱，對于高鐵快運的3種車型達到了利用效率最高，作業次數最少，適合人工搬運，減少物流成本的目標.高鐵的車門尺寸限制了集裝單元尺寸的制定，還有待高鐵進行實踐的操作，來論證此周轉箱標準化的合理性，對于2014年高鐵快運的實施，周轉箱標準化的設定對將來高鐵快運的發展起到了很大的推動作用，有利于其實現規模化操作.

目前，高速鐵路的快速發展對中國鐵路的影響全面而深刻，中國鐵路貨物運輸迎來歷史性發展的黃金機遇.現今高鐵主要還是以旅客運輸為主，在車廂進行小范圍的貨物運輸，運輸區域分散，不規則.高鐵整車運輸現已有在小范圍路段運行，高鐵整車運輸是可行而且必要的，是改變高速鐵路發展模式、提高運輸效率、提升服務質量、促進鐵路物流現代化發展的一種重要思路.

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