碳排放的鐵路集裝箱多式聯運路徑優化研究

崔虎

摘 要：在鐵路中集裝箱運輸方式具有重要的發展意義，集裝箱多式聯運優勢較多，能夠提高貨物的運輸效率和效益，提高客戶的滿意度，而且還有助于降低環境污染，尤其是鐵路運輸方式的使用，相對于公路而言，能夠大幅度降低能源消耗和碳排放量。在我國不斷強調和提倡節能環保的理念下，降低鐵路運輸過程中的碳排放量有助于保護環境。于是文章主要研究考慮碳排放量下鐵路集裝箱多式聯運的路徑優化。在建模過程中主要以碳排放成本和運輸成本作為目標，使得兩者的綜合成本最低為最優運輸路徑。建模完成之后進行算例分析，將考慮碳排放和不考慮碳排放的總成本進行對比，結果表明，文章所研究的模型其碳排放量能夠降低40%左右。

關鍵詞：碳排放;集裝箱;多式聯運;路徑優化

中圖分類號：U116.2 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0193-04

Research on Optimization of Railway Container Multimodal Transportation Path Based on Carbon Emission

Cui Hu

（Shaanxi Railway Institute， Weinan 714000， China）

Abstract：Container transportation in railways has important development significance. Container multimodal transportation has many advantages， which can improve the efficiency and benefit of cargo transportation， increase customer satisfaction， and also help reduce environmental pollution， especially railway transportation. The use of transportation methods can greatly reduce energy consumption and carbon emissions compared to roads. With the continuous emphasis and promotion of energy conservation and environmental protection in our country， reducing carbon emissions during railway transportation will help protect the environment. Therefore， the paper mainly studies the route optimization of railway container multimodal transportation under the consideration of carbon emissions. In the modeling process， carbon emission cost and transportation cost are mainly used as targets， so that the lowest comprehensive cost of the two is the optimal transportation route. After the modeling is completed， a case study will be performed to compare the total cost with and without carbon emissions. The results show that the model studied in this paper can reduce carbon emissions by about 40%.

Key words：carbon emissions; container; multimodal transportation; route optimization

隨著我國鐵路的不斷發展和完善，鐵路集裝箱多式聯運運輸發展迅速，因為使用這種方式能夠對多種運輸方式進行綜合運用，能夠使得每一種運輸方式發揮其優勢和作用，較大程度上提高運輸經濟效益[1-2]。另外，在追求經濟化發展的同時，難免會對環境造成較大傷害，溫室效應、全球變暖、環境惡化使得人類不得不重視碳排放。各行各業已經向低碳化發展，有數據表明，交通運輸行業在溫室氣體（二氧化碳）排放量上占據總排放量的1/4，所以非常有必要降低交通運輸行業的碳排放量[3-4]。使用集裝箱多式聯運形式進行運輸就屬于一種綠色、高效的運輸方式，而且還有助于降低運輸成本，推進鐵路貨運市場化改革，實行多式聯運，對低碳運輸具有重要意義[5-8]。于是文章在考慮碳排放的基礎之上，對鐵路集裝箱多式聯運路徑優化，目的在于降低碳排放、降低運輸成本。

1 考慮碳排放的模型建立

1.1 問題描述及其基本假設

貨物運輸方面會消耗很多能源，并且增加碳排放量，使得環境惡化嚴重，雖然使用鐵路集裝箱多式聯運有助于降低碳排放量，但是為了進一步降低碳排放量，有必要進行路徑優化。在降低碳排放量的同時，還需要重視降低運輸成本，當然，在整個運輸過程中，需要考慮的因素非常多，不僅包含運輸成本和碳排放量，還有客戶滿意度、運輸可靠性、運輸時間等，由于文章主要研究碳排放量下的路徑優化問題，所以主要以運輸成本和碳排放這兩個成本作為目標，使其兩者成本之和達到最低化，構建運輸路徑優化模型。

基本假設如下：

（1）每種運輸方式在運輸過程中的速度保持不變;

（2）在節點處只能選擇一種運輸方式;

（3）節點到節點之間運輸方式不會發生改變;

（4）集裝箱貨物在等待運輸過程中的存儲時間不考慮在模型中;

（5）每個節點都能夠完成多有貨物的中轉工作。

1.2 碳排放量計算

計算碳排放量的常用方式有兩種，分別為自下而上和自上而下，由于自下而上這種計算方式需要收集很多數據，難度比較大，所以本文采用自上而下這種方式對碳排放量進行計算。在計算不同工具的碳排放量時，將會從節點之間和節點內這兩個方面分別計算碳排放量。

（1）節點之間運輸的碳排放量計算。計算碳排放量過程中，其中最重要的影響因素為碳排放因子EPk和能源消耗量。另外，燃燒消耗量主要由能耗系數Ek決定，又因為每種燃料會有不同的能耗系數，所以計算碳排放量時，統一使用柴油作為每種運輸方式的燃料。最后設計的碳排放量Wijk計算公式如下：

其中考慮了運輸距離dijk、耗能系數和運輸量qijk。

通過查表之后可以得知3種不同運輸方式的能源消耗系數如表1所示，使用柴油作為燃料的凈熱值Mk和碳排放因子分別為4.60×10-5TJ/kg和7.41×104TJ/kg。然后將相關數據代入到上述公式中能夠得到表2所示的3種不同運輸方式的單位能耗和單位碳排放量Tk。從表2中可以看出，鐵路運輸造成的碳排放量最少，其次為水路，碳排放量最嚴重的為公路運輸。所以在考慮碳排放的路徑優化過程中，應該盡可能的多使用鐵路和水路進行貨物運輸。

（2）節點內運輸方式轉換的碳排放量計算。由于節點內會存在不同的運輸方式轉換，在這個轉換過程中就會產生碳排放量，所以有必要對該部分的碳排放量進行計算，其排放量公式如下：

表3即為4種不同運輸方式之間的轉換所設計到的碳排放系數表。

1.3 碳排放成本計算

碳稅制度屬于一種對碳排放進行征稅的制度，相比于碳排放權交易制度實施更加容易，通過計算碳排放量，然后適當收取費用，使用這種方式將會更加有助于集裝箱運輸碳排放量向碳成本的轉化。有研究表明，在短期之內碳稅率在10%～20%比較合適，然后本文將基礎碳稅設置為20元/t。于是就可以通過節點間和節點內的碳排放總量轉化為碳排放成本，集裝箱多式聯運的碳排放總成本E公式如下：

式（4）中，ω表示的是碳稅價格;M為節點城市集合;N為運輸方式集合;xijk和yijk表示01變量。當兩個節點i和j之間存在k運輸方式時，xijk=1，否則為0;當在節點i內時，運輸方式從k轉換為s時，則yijk=1，否則為0。

1.4 運輸費用成本計算

計算運輸費用成本包含兩個方面，首先為節點之間的在途運輸成本，然后還包含節點內的中轉成本。下面將對這兩種不同的運輸費用進行分別分析。

（1）在途運輸成本。在途運輸成本會因為運輸方式的不同而不同，首先針對于公路運輸成本，該成本與很多因素都存在關聯，其中最重要的與集裝箱運輸數量q、單位基本運價c1、運輸里程d公、運輸箱次數c2等因素有關，所以通過綜合考慮之后，集裝箱公路運輸成本的公式如下：

鐵路運輸成本的公式如下所示，其中只考慮了運價和電氣附加費對成本的影響。其中基價1和基價2如表4所示。

式（6）中，c鐵1和c鐵2分別表示基價1和基價2，fdh為鐵路運輸電氣化附加費費率，d鐵表示運輸里程。

集裝箱的水路運輸成本通過航線運價進行計算，其公式如下所示：

式（7）中，c航線表示的水運單價;cf表示的水路運輸附加費。

通過上述對3種不同運輸方式的在途運輸成本進行分析，從而可以得出在途運輸成本Cijk計算公式：

式（8）中，，當且僅當1，否則為0。

（2）轉換成本。在節點內進行運輸方式轉換時涉及的費用比較多，比如裝卸費、等待運輸、管理費等;另外，還會涉及到換裝成本，該成本與集裝箱量成正比關系。一般情況下，在節點內的成本還涉及到短途公路運輸，因為需要將集裝箱貨物運到集裝箱作業站，如果具有無縫銜接的鐵水聯運能力，則可以將該短途運輸費用省去。最后轉換成本Ci公式如下：

式（9）中，Hiks為節點i內的運輸方式發生改變，由k轉變為s的單位換裝成本;pk1為公路集卡運輸單價;liks表示短途運輸距離。

通過上述對節點之間和節點內的運輸成本進行分析，可以得到聯運過程中的運輸總成本公式：

1.5 路徑優化模型建立

通過上述分析，建立了運輸成本公式，還建立了碳排放成本公式，集裝箱多式聯運路徑優化本來就屬于一種多目標優化問題，本文僅僅只對兩個目標進行優化，這兩個目標之間屬于一個相互制約和排斥的關系。在運輸過程中，并不能使得每個目標函數達到最優，而只能達到一個綜合最優的方式，即整體系統最優。所以本文將多目標函數變為一個單目標問題，即使得碳排放成本和運輸成本這兩個方面的綜合成本最小，于是碳排放的鐵路集裝箱多式聯運路徑優化模型如下所示：

約束條件如下：

2 算例分析

鐵路集裝箱多式聯運網絡拓撲結構如圖1所示，其中網絡弧斷信息如表5所示，裝卸效率設置為45TEU/h，換裝效率為15TEU/h，c1=6元/km，c2=30元/（TEU·km），fdh=0.192元/（TEU·km），c鐵1=440元/（TEU·km），c鐵2=3.185元/（TEU·km）。然后，將相關的數據代入到上述鐵路集裝箱多式聯運路徑優化模型中。為了突出模型在碳排放量上有降低作用，算例中還分析了不考慮碳排放量時的成本，即只考慮運輸成本。得到如表6所示的結果。

從表6中可以看出，是否考慮碳排放量在綜合成本和最優路徑結果上存在不同，當不考慮碳排放時，其綜合運輸成本小于考慮碳排放的總成本，但是考慮碳排放量的模型在貨物運輸過程中，其碳排放量明顯低于不考慮碳排放的運輸過程。并且通過計算之后考慮碳排放量的模型降低碳的能力能夠達到41%左右。在節能環保的今天，雖然綜合運輸成本略有增加，但是能夠很大程度上降低碳排放量，所以本文的分析對低碳環保具有重要意義。

3 結語

低碳環保理念深入到各個行業中，企業不能為了經濟最大化而以環境為代價，交通運輸行業屬于碳排放量比較多的行業，在該行業中進行碳排放控制非常有必要。通過上文考慮碳排放對鐵路集裝箱多式聯運路徑進行優化，從結果可知考慮碳排放之后，能夠降低貨物運輸過程中40%多的碳排放量，雖然綜合成本會有所提高，我國可以提出相關政策和策略降低該部分成本，從而使得貨物運輸中不僅能夠降低碳排放，而且不會提高運輸綜合成本。

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