廣西自貿區綠色多式聯運路徑優化研究

方文凱 廖志高

摘? 要：伴隨著廣西自貿區的建立以及一帶一路的延伸，廣西與東盟各國物流運輸量逐漸增多。傳統的高耗能高污染運輸模式已無法滿足日益增長的需求，必須做出相應的改革，而發展綠色多式聯運則是解決問題的重要方式。以自貿區為背景建立多目標非線性規劃模型。不同于傳統研究以時間或成本為目標，研究如何在綠色環保狀態下使運輸達到低成本、按時達到以及高質量服務為目標。借助理想點法將多目標轉換成單目標模型，運用LINGO12軟件求解，驗證該模型的實用性，為廣西自貿區打造綠色高效多式聯運機制提供一定的借鑒性。

關鍵詞：綠色多式聯運;路徑優化;自貿區;多目標規劃

中圖分類號：U116.2? ? 文獻標識碼：A

Abstract： One belt， one road extension， is the establishment of Guangxi free trade zone， and the volume of logistics and transportation between Guangxi and ASEAN countries is increasing. The traditional transportation mode with high energy consumption and high pollution can not meet the growing demand， so corresponding reform must be made， and the development of green multimodal transport is an important way to solve the problem. Taking the free trade zone as the background， a multi-objective nonlinear programming model is established. Different from the traditional research， which takes time or cost as the goal， it studies how to make transportation achieve low cost， on time and high-quality service in the state of green and environmental protection. With the help of the ideal point method， the multi-objective model is transformed into a single objective model， which is solved by LINGO12 software to verify the practicability of the model and provide a certain reference for Guangxi free trade zone to build a green and efficient multimodal transport mechanism.

Key words： green multimodal transport; path optimization; free trade zone; multiobjective programming

0? 引? 言

伴隨著廣西經濟的不斷發展以及與東盟各國經濟往來日益頻繁，傳統單一運輸模式具有高污染低效益問題，已不能滿足現代物流發展需求。廣西自治區必須做出相應的運輸結構調整，以應對未來發展的機遇。而發展綠色多式聯運則是一種行之有效的運輸模式，也是解決當下運輸行業高污染低效益的關鍵，更是眾多學者研究的熱點問題。當下，廣西自治區以成立廣西自貿區為契機發展物流經濟，更在廣西十三五規劃發展中強調，抓住中國—東盟自由貿易區建設機遇，大力發展現代物流服務業，加快完成現代綜合交通運輸體系，統籌兼顧鐵路、公路、水運和民航等發展，逐漸提高廣西物流高效率服務水平，實現節能環保綠色物流運輸水平，從而更好地提升廣西經濟的發展。而本文也正是基于這樣的目的展開科學研究。

綜合目前的研究成果可以了解到物流路徑選擇問題仍是研究多式聯運的核心，既在不同的因素情況下構建模型進行優化分析。多式聯運路徑優化選擇一般會受到運輸成本、運輸時間、貨物量、運輸風險、運輸質量以及環境等因素的影響[1]。例如：Chang[2]首先對多式聯運構建數學模型，在模型中將時間問題作為約束條件來控制商品物流的分配。Cho[3]學者以運輸的總成本和總時間為多目標模型，借助具體的案例從釜山到鹿特港的實際距離展開研究分析，得到最優的路徑。Seo[4]學者以運輸的總成本、總時間以及信心指數研究從重慶到鹿特港的路徑，借助運輸貨物的貴重性建立信心指數模型。Xiong[5]學者在研究多式聯運過程中將減少碳排放作為目標規劃模型，首次分析在運輸過程中如何減少碳排放。而我國國內研究多式聯運起步相對較晚，主要有付新平[6]以運輸的總時間和總成本為目標模型，通過研究中歐班列集裝箱問題進行路徑優化。李玉民[7]等選擇以運輸的總成本、總時間以及碳排放量為目標模型，在結合具體的案例構建多式聯運路徑優化選擇，從而將國內研究多式聯運目光的人聚焦到環境因素上。萬杰[8]等人同樣以運輸總費用、運輸總時間以及物流服務質量為目標函數構建混合整數規劃模型，借助無量綱化的方法轉換成單目標模型進而優化路徑。賈葉子[9]等人以運輸總成本、時間和環境外部成本等目標模型展開研究，通過具體分析在運輸過程中環境因素對路徑造成的影響。李魁梅[10]等人通過研究在運輸過程中的綜合成本問題，建立以運輸成本最小化的模型從而進行路徑優化。

? 根據文獻研究發現，在研究多式聯運路徑優化的過程中，大部分學者都是以運輸總成本、總時間或者碳約束中的一個或者兩個等為目標模型，而缺乏全面地分析多式聯運在運輸過程中所受到的影響因素。基于此，本文在已有的研究基礎上，通過系統性分析多式聯運在運輸過程中所受到的影響因素，建立綠色多式聯運多目標規劃模型，借助模糊優化中的理想點轉換法，處理多目標之間的單位差異以及其數量級差異，并轉換為單目標模型進行求解。從而可以較好地平衡三個目標規劃的權重。同時在結合廣西自貿區的具體案例，可以為廣西自貿區更好地規劃路徑，為今后的發展實現高效環保的目的。

1? 多式聯運路徑優化模型構建

1.1? 問題描述

? 在某個貨運轉運處有一批貨物需從某地區（假設A）運送到目的地（假設B），并且需要在規定的時間內送到，不然就會產生額外的存儲費用或者懲罰費用。在按照路徑運輸的過程中會通過若干個轉運節點，轉運節點之間可以通過鐵路、公路以及水運三種運輸方式進行轉運，同時考慮到每個節點城市都可以按照已有的路徑轉換運輸方式。在運輸過程將會產生運輸成本、運輸時間、運輸服務質量、碳排放、空氣污染物以及空氣噪音等因素。通過綜合考慮上述因素的影響，從而確定該批貨物最優的運輸方案，實現高效環保的目的。

1.2? 模型假設

假設1：在貨物運輸的過程中只能按照已有的路徑線路進行運輸;

? 假設2：在運輸過程中兩個城市節點之間最多并且只能選擇一種運輸方式進行運輸，相鄰城市之間節點只能轉載一次;

? 假設3：在運輸過程中不發生運輸貨物的增加，保持貨物的完整性;

? 假設4：在運輸過程中只能以整體為單位運輸，并且保證單次運輸過程中總能滿足貨運量的上限;

? 假設5：不考慮運輸過程中遇到特殊情況例如天氣等因素的影響，不考慮運輸過程中的貨物以及運輸工具的耗損;

? 假設6：不考慮在中轉節點的環境外部因素的影響。

1.3? 符號說明（見表1）

1.4? 模型的建立

? 依據上面的假設分析，通過文獻[11]的描述在模型中考慮到碳排放值、空氣污染值及噪音污染值等因素而建立綠色約束模型。同時本文使用物流服務質量系數來衡量各城市以及城市之間節點轉載服務能力，對于不同的城市節點，其自身的資源及發展水平越好，則提供的物流服務質量水平就越高。因此，在綜合考慮到運輸過程中的各種因素和參考文獻[12]選取區位條件、班列密度、裝卸效率、信息服務水平、班列準點率及通關效率為評價因素，考慮以上的因素建立多目標綠色多式聯運路徑優化模型。

V=T=mint×X+t×y（1）

M=d×c×x×q? ? ?（2）

M=c×y×q? ? ? ? （3）

M=max

T-T，0·P·q+max

T-T，0

·P·q

V=minM

+M

+M

（5）

V=min-Lsq

=maxLsq，其中：

Lsq=β

S

-E×? ? ?（6）

ca+

cb+

cc×d×x≤R? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

x=n+1， y≤n， 其中k∈Z? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

x=1， y=1， x，y∈0，1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

模型中，式（1）表示多式聯運運輸過程中的總時間，包括運輸過程中時間及轉載的時間。式（2）和式（3）表示貨物在運輸過程中的費用及轉載的費用，式（4）表示貨物未按時送達產生的倉儲費用及懲罰費用，式（5）表示多式聯運運輸過程中的總運輸成本。式（6）表示在多式聯運過程中運輸服務質量。式（7）表示在多式聯運運輸的過程中需要將環境因素控制到數值R以內。式（8）表示決策變量在取值的過程中保障正常運輸。式（9）表示決策變量的取值為0～1變量。

1.5? 模型求解

? 借助上面的分析可以得到的目標函數為多目標規劃問題，而多目標規劃問題存在多種問題的影響，無法求得最優的解，同時，在研究多目標的過程中各目標級的權重單位也不盡相同，為便于求解，本文則借助模糊優化中的理想點法，將求解的多目標規劃問題進行無量綱化處理，使得各目標模型處于同一單位，具體的操作步驟如下：

步驟1：首先計算出在約束條件下各目標規劃模型問題的最優解，既最優解所組成的向量V=V

，V

，V

，…，表示為多目標規劃的正理想點。

? 步驟2：其次求解出在約束條件下各目標規劃模型問題的最劣解，既最劣解所組成的向量V=V

，V

，V

，…，表示為多目標規劃的負理想點。

? 步驟3：確定單目標規劃問題中任一可行解的求解范圍值為V=V

，V

。

? 步驟4：然后進行單目標規劃的歸一化處理，既由于各目標值的量綱不同，需要統一各目標規劃的單位進行歸一化處理，歸一化公式可表示為V=×100%，經過歸一化處理，目標值變為V=

V，

V，

V，…。

? 步驟5：建立如上面所述的單位統一的多目標規劃模型，使得多目標規劃問題轉化成單目標模型求解，即可min=λ

×V， 其中λ代表幾個目標權重的值，體現出承運人對目標函數的敏感度。

? 通過上面的具體操作步驟，可以將多目標規劃問題轉化為單位統一的、以加權歐氏距離最小化目標的單目標規劃問題，在借助優化求解器LINGO12軟件進行具體求解。

2? 算例模擬分析

2.1? 案例說明

? 假定有一批貨物需要從廣西南寧運往到越南河內市，使用標準TEU集裝箱10個進行裝運，在將貨物運往越南河內市的路徑中，根據目前了解可以得知有三條路徑可以運輸，在每條道路運輸的過程中會途經不同的中轉站，在途經中轉站時可以改變運輸方式，而在運輸的過程中運輸的成本、時間以及環境污染程度等各不相同。其中多式聯運網絡圖見圖1，具體數據見表2至表5。首先從多式聯運承運人的視角出發，更多地考慮運輸成本及物流服務對運輸路徑的影響，時間因素所占比重較少，既各目標的權重值λ=0.3， λ=0.3， λ=0.4， 同時后面也會對權重變化產生的影響作具體的分析。最后，在具體分析三條路徑的差異。

2.2? 案例數據

? 在將貨物從廣西自貿區南寧片區運往越南首都河內市時，目前共有三條路徑可以運輸，按照地理位置可以分為上路、中路以及下路。

首先，碳排放主要集中在二氧化碳的排放上，根據借鑒W. M. TO的研究，公路，鐵路以及水路運輸二氧化碳排放因子分別為：11.91、0.227、0.121（g/km）。而空氣污染物的排放量主要是集中在一氧化碳、碳化氫、某氧化氮和PM的值，上述的測量值以避免成本法計算得來，而噪聲的污染值是與歐盟的研究類比計算出的，通過人口密度以及人均GDP指標計算得來，另一方面因水運一般遠離人群而運輸，故噪音污染值為零，各單位具體數據如表6所示。

2.3? 案例求解

? 通過上面的具體數據及綠色多式聯運模型，運用LINGO12軟件中的分支定界原理對上路（既第一條運輸線路）運輸的總時間、運輸的總成本及運輸的服務質量為目標的單個目標函數規劃問題進行分別求解，可以得到各目標的最優解及最劣解，如表7所示：

其次，通過前理想點法將多目標轉換成單目標模型后進行歸一化處理，根據加權歐式距離為目標的單目標規劃模型，可以整理得到最終目標函數為：

min=λ·V+λ·V+λ·V? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

最后，在借助LINGO12可以對上述的單目標規劃模型進行求解，同時，為驗證本文建立的模型有效性，將以運輸總成本以及運輸總時間為目標函數的多式聯運模型進行求解，在與本文所建立模型求解進行對比分析，可以看到運輸的方案如表8所示：

由表8可以了解到，本文研究能更好地兼顧對環境的影響，實現節能減排的目的，為我國的生態環境做出一定的貢獻。在考慮到外部環境因素的情況下，控制服務質量模型的參數，目標函數的運輸路線并未發生改變，加入服務質量模型可以提高服務質量水平，但是也會帶來目標函數總時間的增加。特別是在改變不同的權重值時路線就會發生相應的變動，根據承運人對權重的敏感度不同，可以逐次改變敏感系數，從而可以得到最優的路徑，為自貿區的綠色多式聯運發展提供可行性方案。各權重的最優路徑如表9所示。

2.4? 案例對比分析

為研究南寧片區到越南河內市的最優路徑，可以了解到有三條路徑可供選擇，具體的路徑見圖1所示，三條路徑各有其優劣勢，結合具體的數據模型可以進行對比分析：

（1）上路路徑

在分析上路的過程中，可以了解到當權重系數為（0.3，0.3，0.4）時設定此時的最優解的值為單位1，不斷改變敏感系數可以了解到當敏感系數為（0.1，0.6，0.3）時，既先水運、鐵運、水運的運輸方式是最優的路徑，比對比值優化45%，優化的主要來源是全程依托鐵路和水運的運載能力，而鐵路和水運的運載相對于公路而言比較廉價。

（2）中路路徑

? 在分析中路的過程中，當與上路進行對比時，將各自的權重系數也調整為（0.3，0.3，0.4）時，運輸的總費用會降低（91.7735-80.5325）

/91.7735*100%=12%的費用。降低的主要原因在于運輸過程中水運的增加，相對而言在成本略下降。通過逐次修改敏感系數發現中路的狀況比上路相對較好。

（3）下路路徑

? 在分析下路的過程中，同樣為與二者形成對比說明，也將各自的目標權重系數調整為（0.3，0.3，0.4），發現與上路運輸進行對比時運輸費用會下降許多，通過計算可得相對值（91.7735-73.0975）/91.7735*100%=20%的費用，與上中路對比分析可得，這條道路是最優的路徑。其主要的原因是在運輸的過程中大部分都為水運的方式，水運相對而言既比較廉價又節能環保。

? 根據我國發展規劃需要在2030年時碳排放達到峰值，這就需要我國各個行業共同努力去實現，對于物流運輸而言更需要節能減排。通過上面的研究可以了解到我國不單單需要在碳排放上作出規定，還需要在各種環境污染物等排放上作出全面性規定。針對廣西自貿區而言，需要狠抓水運基礎設施項目的建設，著力提升服務能力水平，力爭到2030年西部陸海新通道水運設施基本建成，這樣才能在東盟以及輻射“一帶一路”沿線國家和地區時展現出巨大的發展潛力。

3? 結束語

? 本文在研究的過程中通過考慮碳排放、空氣污染以及噪聲污染等產生的外部環境因素對多式聯運運輸方式和路徑選擇的影響，也結合考慮到以運輸總成本、運輸總時間及運輸服務質量作為優化目標模型而建立多目標規劃模型。在模型求解上，借助模糊優化中的理想點法將多目標規劃模型轉化為以歐式距離最小為目標的單目標規劃模型，借助LINGO12軟件進行求解。在求解的過程中通過相互對比分析較好地平衡運輸總成本、運輸總時間及運輸服務質量水平目標。該研究既符合我國實現節能減排的目的，又能幫助廣西自貿區建立最優路徑。但在研究的過程中，沒有深入研究貨物在運輸過程中對環境的具體影響以及動態運輸過程，這將是未來研究的方向。

? 通過對廣西自貿區的具體分析，了解到目前廣西自貿區需要大力推進水運基礎設施建設，逐漸提升對運輸行業的投資力度，構建四位一體的綜合立體交通格局，完善綜合交通運輸網絡體系，為實現廣西自貿區的碳達峰、碳中和目標而作出新改革，推進廣西交通運輸的高質量發展。

參考文獻：

[1] 伍轉青. 物流企業多式聯運運輸線路選擇研究[J]. 鐵路采購與物流，2011，6（2）：52-54.

[2]? CHANG T S. Best routes selection in international intermodal networks[J]. Computers & Operation Research， 2008，35（9）：2877

-2891.

[3]? Cho J H， Kim H S， Choi H R. An intermodal transport network planning algorithm using dynamic programming——A case study： From Busan to Rotterdam in intermodal freig-ht routing[J]. Applied Intelligence， 2012，36（3）：529-541.

[4]? Seo Y J， Chen F， Roh S Y. Multimodal transportation： The case of laptop from Chong-qing in China to Rotterdam in Europe[J]. Asian Journal of Ship-ping & Logistics， 2017，33（3）：155-165.

[5]? XIONG G， WANG Y. Best routes selectionin multimodal networks using multi-objective genetic algorithm[J]. Journal of Combinatorial Optimization， 2014，28（3）：655-673.

[6] 付新平，何瑜莎，鄒敏，等. 國際集裝箱多式聯運線路選擇研究[J]. 鐵道運輸與經濟，2017，39（12）：12-17.

[7] 李玉民，郭曉燕，楊露. 考慮多目標的中歐集裝箱多式聯運路徑選擇[J]. 鐵道科學與工程學報，2017，14（10）：2239-2248.

[8] 萬杰，魏爽. 基于混合算法的多目標多式聯運路徑選擇問題研究[J]. 天津大學學報（自然科學與工程技術版），2019，52（3）：285-292.

[9] 賈葉子，李博威. 考慮環境外部成本的多式聯運路徑優化研究[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2020，44（3）：541

-546.

[10] 李魁梅，鄭波. 考慮綜合運輸成本的多式聯運路徑優化問題[J]. 工業工程，2020，23（5）：67-74.

[11] 蔡銘，周展鴻. 道路交通外部成本評估研究綜述[J]. 中山大學學報（自然科學版），2015，54（4）：1-7.

[12] 付新平，張雪，鄒敏，等. 基于價值量模型的中歐班列經濟性比較分析[J]. 鐵道運輸與經濟，2016，38（11）：1-5，11.