基于海鐵聯運的港口集裝箱運輸集卡路徑選擇

戶佐安，孫 燕，薛 鋒

基于海鐵聯運的港口集裝箱運輸集卡路徑選擇

戶佐安1,2，孫 燕1，薛 鋒1,2

(1. 西南交通大學, 交通運輸與物流學院, 成都 611756; 2. 綜合交通大數據應用技術國家工程實驗室, 成都 611756)

為提高集裝箱海鐵聯運在港換裝轉運的作業效率, 對有鐵路專用線引入的集裝箱碼頭集卡路徑規劃問題進行了研究。分析鐵路線進港后的碼頭集卡作業模式, 以集卡完成運輸總時間最短為目標, 建立了帶集裝箱運輸時間窗約束的線性整數規劃模型, 并求解了集卡在鐵路裝卸線、港口堆場、碼頭泊位三處任務節點的作業路徑規劃問題。最后以集裝箱碼頭混合作業為例, 設計相關算例, 利用CPLEX12.0對模型進行求解, 得到有鐵路線引入的港口內集卡作業路徑選擇結果, 驗證模型具有較好的可行性。

海鐵聯運; 內集卡路徑; 線性整數規劃

0 引 言

海鐵聯運的運輸效率不僅受各種運輸方式的影響，更取決于運輸方式之間的銜接效率。集卡作為集裝箱在港口進行換裝轉運的主要水平運輸工具，其工作效率極大地影響了集裝箱海鐵聯運作業。但由于海鐵聯運基礎設施匹配不夠，聯運實現無縫銜接較差。基于此，2019年9月，國家發改委聯合交通運輸部、國家鐵路局等提出《關于加快推進鐵路專用線建設的指導意見》[1]，意見指出在充分利用既有鐵路設施基礎上，加快鐵路專用線建設，打通鐵路運輸“最后一公里”，提高港口的鐵路專用線接入比例。集裝箱碼頭集卡的運輸路徑也將從泊位—堆場演變為泊位—碼頭堆場—聯運堆場，從而產生成新的、復雜的集卡混合作業模式。因此，綜合考慮鐵路和港口及船公司的運輸計劃要求，對受作業模式變動影響的港口集卡路徑進行規劃成為海鐵聯運亟待解決的新問題。

關于集卡路徑問題，國內外不少專家學者針對其在鐵路運輸、港口轉運及公路運輸中的作業模式進行過單方面或多種復雜條件下的路徑選擇、優化研究。對于港口集卡作業路徑的優化研究，文獻[2]基于時空網絡下的港口集卡作業路徑分析，建立以總運行成本最小為目標的路徑優化模型；文獻[3-5]分別以最小化集裝箱裝卸全過程作業時間及最小化港口集卡運輸時間為目標，設計混合粒子群及蟻群算法進行求解；文獻[6,7]以集裝箱簇為作業單位，考慮集卡運輸指派問題，分別研究了考慮集卡運營時間最少和空駛距離最短的路徑規劃問題，利用改進遺傳算法進行求解；文獻[8-10]研究了在集裝箱碼頭中集卡與岸橋、堆場機械之間的協調作業問題，考慮了岸橋等待時間以及集裝箱運輸軟時間窗、裝卸運輸設備工作效率等約束條件；文獻[11]以港口集卡消耗燃料成本最小和作業時間最短為目標建立雙層規劃模型，利用lingo和粒子群算法進行求解；文獻[12]以法國勒阿弗爾港為實例，從多式聯運角度出發，構建了考慮不確定性約束的RSRP模型。對于海鐵聯運中的港口集卡路徑研究，一部分側重針對鐵路運輸集卡路徑優化研究。文獻[13]研究了鐵路集裝箱中心站的空閑集卡路徑問題，利用模糊決策理論的方法進行求解；文獻[14]針對在鐵路集裝箱裝卸過程中的集卡空、重載問題進行了研究。另一部分則研究了海鐵聯運背景下鐵路裝卸線（場）在港口的布局，文獻[15]研究了鐵路裝卸線不同布置形式對港口集疏運的影響，并構建仿真優化模型。

綜上，當前港口集卡問題的研究主要在集裝箱碼頭中考慮泊位—堆場之間的短途作業，較少結合疏港鐵路線（場）的規劃進行延伸研究。既有研究側重于鐵路進行集卡問題研究或者考慮鐵路裝卸線的港內布置問題，而對有鐵路線引入的港口集卡路徑問題缺乏研究。隨著海鐵聯運不斷發展，尤其在大力倡導鐵路專用線進港的背景下，疏港鐵路線（場）對港口集卡短途運輸作業的影響亟待研究，而對該影響中的集卡路徑問題進行研究更具有重要的應用價值。因此，本文以聯運堆場、港口堆場、碼頭泊位三點為集卡往返運輸的主要節點，考慮集裝箱的運輸時間窗，以最小化集卡的總運輸時間為目標，建立集裝箱碼頭內集卡路徑選擇模型，并通過算例驗證模型的有效性。

1 海鐵聯運下港口集卡作業模式

當前鐵路專用線進港主要有兩種布置：一種是直接橫向延伸到碼頭前沿；另一種是縱向延伸至碼頭前沿。大部分港口由于聯運基礎設施建設落后，基本選擇在碼頭后方堆場引入鐵路專用線。

海鐵聯運集裝箱到港作業按運輸計劃主要分為兩類：一類是集裝箱實現“車船直取”作業；另一類是在港堆存后再離港，即“船舶—堆場—列車”作業模式。集卡作業模式分為單獨作業和裝卸協同作業，假設集裝箱碼頭裝卸同時進行，前者集卡固定負責進口或出口的集裝箱運輸；后者在泊位、堆場、鐵路裝卸線處重復往返運輸。當卸箱船到達碼頭后，經由岸橋卸船，再由碼頭內集卡運輸到堆場進口箱區堆存，或運至聯運堆場進行鐵路疏港，接著集卡前往堆場出口箱區裝載出口集裝箱運至裝船泊位，或者在聯運堆場裝上出口集裝箱運至碼頭泊位，再由岸橋裝載到出口船上，完成一次集卡行走循環。然而到港集裝箱無論進行“車船直取”還是“船舶—堆場—列車”作業，均包含上述兩種集卡作業模式，如圖1、圖2所示。

圖1 “列車—船舶直取”模式下的集裝箱到港作業

圖2 “船舶—堆場—列車”模式下的集卡作業路徑

2 問題描述

有鐵路線引入的集裝箱碼頭集卡作業路徑情況復雜，為清楚描述集卡在碼頭泊位和堆場及聯運堆場之間的作業關系，對問題界定如下：① 一艘待卸船舶和一艘待裝船舶分別停靠在碼頭的泊位1和泊位2上，裝卸同步進行；② 假設每輛集卡一次僅能運輸一個40英尺集裝箱，其裝載狀況僅為滿載或空載；③ 集卡單獨作業過程簡單，故以集卡裝卸協同作業為例，考慮一部分卸船集裝箱進行“車船直取”作業，集卡需從泊位1裝上卸船箱運至聯運進口堆場區，接著空駛至聯運出口堆場區提取一個裝船箱運至泊位2，集卡的主要作業路徑見表1；④ 余下卸船集裝箱進行“船舶—堆場—列車”作業，集卡需要在碼頭泊位、堆場及聯運堆場之間往返運輸，其主要作業路徑見表2。

表1 集裝箱“車船直取”作業模式下集卡作業路徑

表2 集裝箱“船舶—堆場—列車”作業模式下集卡作業路徑

3 模型建立

3.1 基本假設

為簡化問題方便建模和求解，做出以下假設：

（1）集卡在岸橋裝卸處不計等待時間；

（2）同一堆場的貝位之間的距離忽略不計；

（3）集裝箱貨物的信息已知，包括到港貨物計劃、運輸時間窗等；

（4）集卡一次僅能裝載一個40英尺的集裝箱；

（5）集卡在運輸過程中行駛速度不變。

3.2 符號說明

其他變量及相關參數設定如下：

為集卡行駛速度；

為一足夠大的常數；

為集裝箱的計劃疏港時間。

定義決策變量：

3.3 模型描述

第輛集卡完成運輸任務所花費的時間可表示為：

故，考慮集卡完成任務總時間最短的目標函數如下：

約束條件：

4 數值算例分析

4.1 算例描述

表3 箱區與箱區、箱區與泊位之間的距離（單位：m）

假定集卡行駛速度不變，故求解集卡完成運輸任務的總時間最短的路徑問題可轉換為用節點間距離所代表的時間花費，從而方便問題求解。海鐵聯運集裝箱具有運輸時限要求，算例中各運輸任務點處集裝箱運輸時間及運輸時間窗要求見表4。

表4 各運輸任務點的集裝箱運輸時間及時間窗

Tab.4 Transport time and time window of containers at the nodes

4.2 結果分析

利用CPLEX12.0對算例進行求解，集卡路徑分配結果見表5，將計算結果進一步分析得到集卡完成運輸任務所產生的空駛距離和重載距離，見表6。

根據表5的計算結果可知，完成算例中的運輸任務需要使用4輛集卡。每輛集卡在滿足時限約束條件下，完成了集裝箱碼頭進出口集裝箱的運輸任務。通過對計算結果的進一步分析得到集卡完成集裝箱運輸所行駛的距離，從而計算出其空、重載比見表6。4輛集卡完成運輸任務的空、重載比均小于等于1，保證了集卡運能的有效利用。此外，綜合表5、表6的結果進行分析，考慮集裝箱運輸的時限要求，有鐵路線引入的集裝箱碼頭普遍采用集卡“作業線”運輸模式，即單獨作業，集卡較單一、固定地為碼頭卸箱或裝箱作業服務。

表5 集卡路徑及完成進出口箱量

Tab.5 Work path of container trucks and total import and export containers

表6 集卡行駛距離統計表

Tab.6 Statistics of container truck’s travel distance

5 結 論

本文提出并針對有鐵路專用線引入的集裝箱碼頭集卡路徑問題進行研究，以最小化集卡運輸總時間為目標函數，建立了考慮集裝箱碼頭混合作業的集卡路徑選擇模型，并設計算例對模型進行求解。最終結果表明，該模型能夠有效求解考慮鐵路線引入的港口集卡行走路徑，且能較好保證集卡的運能得到充分利用。本研究可用于幫助已接入鐵路專用線的港口進行集卡路徑規劃決策，并為后續港口布置鐵路裝卸線提供研究基礎。本文研究的不足在于沒有考慮集卡運輸的能耗，在保證集卡盡量重載前提下，結合最小化運輸能耗目標進行集卡路徑規劃將是進一步研究的方向。

[1] 國家發展改革委. 關于加快推進鐵路專用線建設的指導意見[Z]. 北京：國家發展改革委, 2019.

[2] TSAI F M, LU C C, CHANG Y M. A network model for solving the yard truck routing and scheduling problem[J]. The International Journal of Logistics Management, 2016, 27 (2): 353-370.

[3] LIU Y, FENG M, SHAHBAZZADE S. The container truck route optimization problem by the hybrid PSO- ACO algorithm[C]//International Conference on Intelligent Computing. Cham: Springer, 2017: 640-648.

[4] ZHEN L, YU S, WANG S, et al. Scheduling quay cranes and yard trucks for unloading operations in container ports[J]. Annals of Operations Research, 2019, 273 (1-2): 455-478.

[5] 俞濤. 集裝箱碼頭集卡作業組織優化研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2013.

[6] HU X, GUO J, ZHANG Y. Optimal strategies for the yard truck scheduling in container terminal with the consideration of container clusters[J]. Computers & Industrial Engineering, 2019, 137: 106083.

[7] 梁承姬, 賈帥帥. 考慮集裝箱簇邊裝邊卸的港口集卡調度模型求解[J]. 計算機應用研究, 2017, 34 (2): 413-418.

[8] CAO J X, LEE D H, CHEN J H, et al. The integrated yard truck and yard crane scheduling problem: Benders’ decomposition-based methods[J]. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2010, 46 (3): 344-353.

[9] 計明軍, 劉豐碩, 李郭記, 等. 基于裝卸協同作業的集裝箱碼頭集卡調度及配置優化[J]. 大連海事大學學報, 2010, 36 (1): 47-50.

[10] 王錚, 陸游, 張景玲, 等. 面向港口集裝箱運輸的共享式集卡動態調度[J]. 計算機集成制造系統, 2013, 19 (10): 2607-2614.

[11] 趙金樓, 黃金虎, 劉馨, 等. 考慮燃料成本的集裝箱碼頭集卡路徑優化[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2017, 38 (12): 1985-1990.

[12] ROUKY N, BOUKACHOUR J, BOUDEBOUS D, et al. A robust metaheuristic for the rail shuttle routing problem with uncertainty: a real case study in the le havre port[J]. The Asian Journal of Shipping and Logistics, 2018, 34 (2): 171-187.

[13] 丁海濤, 朱曉寧. 基于“作業面”的鐵路集裝箱中心站集卡路徑優化研究[J]. 武漢理工大學學報: 交通科學與工程版, 2013, 37 (2): 334-338.

[14] 朱江洪, 肖靈芝, 何山. 鐵路集裝箱中心站集卡路徑優化研究[J]. 物流技術, 2013, 32 (23): 295-298.

[15] 張涌昊. 集裝箱港區鐵路裝卸線/場布置仿真優化研究[D]. 大連: 大連理工大學; 2017.

Path Planning of Container Trucks in Ports Based on Sea-rail Transport

HU Zuo-an1, 2，SUN Yan1，XUE Feng1, 2

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. National Engineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology, Chengdu 611756, China)

The path planning problems of container trucks for container terminals with railway lines is investigated to improve the operational efficiency of containers during sea-rail transport reloading and transshipment in ports. In this study, the operational modes of container trucks in a port with railway lines is initially analyzed. Subsequently, a linear overall planning model considering the container transportation time window constraints was established to minimize the total transportation time of container trucks. The model can be used to plan a container truck’s work path among three loading points: the railway line, port yard, and dock berth. Finally, an experimental example of the mixed operation environment of a container terminal was designed and solved using CPLEX12.0, and the results demonstrate that the model is feasible.

sea-rail transport; container truck path; linear integer programming

1672-4747（2020）02-0068-07

U169.6

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.02.008

2019-11-18

中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大項目（2018X003）

戶佐安（1979—），男，湖北黃梅人，副教授，碩士生導師，研究方向：運輸組織理論及系統優化，E-mail：huzuoan@home. swjtu.edu.cn

薛鋒（1981—）男，山東鄒城人，副教授，碩士生導師，研究方向：運輸組織理論及系統優化，E-mail：xuefeng.7@163.com

戶佐安，孫燕，薛鋒. 基于海鐵聯運的港口集裝箱運輸集卡路徑選擇[J]. 交通運輸工程與信息學報，2020，18（2）：68-74.

（責任編輯：李愈）