重慶—新加坡集裝箱多式聯運路徑選擇研究

孫國棟

(重慶交通大學 經濟與管理學院，重慶 400074)

0 引言

重慶是我國西南地區的交通樞紐，隨著國際貿易的日益密切，重慶出口貨運量也逐年攀升。不同于沿海地區，重慶的貨物通過公路、鐵路或水路運輸才能到達沿海口岸。根據3種運輸方式的特點，合理地選擇運輸方式成為物流降本增效的關鍵。集裝箱多式聯運作為多種運輸方式有機結合的組織模式，成為國際貨物運輸的理想選擇。近年來，我國頒布了多項政策支持多式聯運的發展，2017年交通運輸部等18個部門聯合發布的《關于進一步鼓勵開展多式聯運工作的通知》(交運發[2016]232號)指出要進一步完善基礎設施網絡，推廣先進運輸方式，培養多式聯運經營企業，深化國際間運輸交流。2018年國務院印發的《推進運輸結構調整三年行動計劃(2018－2020年)》(國發辦[2018]91號)提出進一步提升鐵路運力，推進“公轉鐵”“公轉水”發展，建設具有多式聯運功能的物流設施并大力推廣集裝箱運輸。

國際集裝箱多式聯運運距長，耗時多，能耗大，涉及環節多，如何科學有效地組織多式聯運成為降本增效的關鍵。目前國內外學者對于多式聯運的研究成果較多。李櫻燦等[1]闡述了公鐵聯運的優越性。母柏松等[2]考慮了影響集裝箱運輸路徑選擇的因素，構建了一個Petri網絡徑路優化模型，并以單OD對間集裝箱多式聯運為例，建立總成本最小為目標的優化模型，確定最優的聯運路徑。Shim等[3]認為多式聯運中的換裝時間和換裝成本不可忽視，并以運輸成本和運輸時間最小構建雙目標優化模型，求解模型獲得最佳運輸方案。Min[4]把風險與總運輸成本最小作為優化目標，建立了包含機會約束的雙目標路徑優化模型。王清斌等[5]建立虛擬運輸網絡并構建以運輸時間最短和客戶滿意度最優為目標的雙目標優化模型，使用Lingo軟件求解模型。楊光華[6]提出相比公路運輸，鐵路和水路運輸在碳排放方面更具優勢，應大力發展鐵水聯運。柳培學等[7]建立了以運輸費用與碳排放總量最小為目標的優化模型，并運用Dijkstra法求解最優線路。呂學偉等[8]以混合時間窗為約束，建立了以運輸總成本最小為目標的優化模型，并分析時間窗對于運輸路徑選擇的影響。成耀榮等[9]從多式聯運經營人的視角，建立基于多運輸任務的運輸路徑優化模型，并使用貪婪算法求解，發現可以通過調整碳排放稅影響多式聯運經營人對于運輸路徑的選擇，從而減少碳排放量。

綜上，現有對于集裝箱出口路徑的研究主要集中于江海聯運或中歐班列上，如江海聯運從上海港或寧波舟山港出口，從珠三角地區港口出口或者通過中歐班列出口。在此，以重慶—新加坡的集裝箱運輸為例，梳理重慶—新加坡的主要運輸路線，以運輸成本、運輸時間、碳排放量最小為目標建立多目標優化模型，運用啟發式算法NSGA-2對模型求解，考慮運輸費用、運輸時間以及碳排放量的不同需求，分析不同需求側重點對于模型求解結果的影響。

1 重慶—新加坡運輸通道發展現狀

重慶地處長江沿岸，自古交通發達，隨著交通基礎設施的不斷完善，可供選擇的集裝箱出口路線不斷豐富。目前主要的重慶—新加坡的集裝箱出口路線如下。

（1）公路通道方面，主要有東盟專線。“重慶—新加坡線”班車路線，由重慶直達新加坡，途徑越南、泰國、老撾和馬來西亞等東盟國家的主要物流節點，全程約4 500 km，運行時長170 h。

（2）鐵公水聯運通道方面，主要分為中線和東復線，其中中線經由重慶南彭—云南磨憨—老撾萬象—泰國曼谷，再從泰國曼谷出海運往新加坡；東復線途經重慶南彭、廣西欽州港，再由欽州港出海發往新加坡。

（3）鐵水通道方面，已投入日常運營的路線包括：①“渝黔桂新”鐵水聯運通道，“渝黔桂新”線路于2017年9月首次常態化運行，從重慶出發途經貴陽，到達欽州港，再由海運發往新加坡，總運距約4 230 km，運行約128 h；②“渝深新”鐵水聯運通道，“渝深新”線路于2010年5月開始運行，由重慶途經懷化通過深圳鹽田港出海發往新加坡，總運距約5 060 km，總耗時約144 h；③“渝甬鐵路”鐵水聯運通道，“渝甬鐵路”線路于2018年1月開通，從重慶團結村出發，開往寧波舟山港，是重慶向東出海的又一快速通道，相比傳統由長江航運至上海出海，時間大大縮短，只需57 h就能到達寧波舟山港。

（4）江海聯運通道方面，江海聯運線路為重慶—上海—新加坡，是唯一全程由水路運輸的線路，其中重慶至上海段沿長江內河運行，上海至新加坡段為遠洋運輸，隨著國際航運價格的快速增長，海運的價格優勢不再突出，運輸全程耗時約15 d，如遇到閘口擁堵，運輸時間可能增加到20 d。

2 問題描述及模型建立

2.1 問題描述

假設一個40 ft的標準集裝箱需要從重慶發往新加坡，存在公路、鐵路、水路3種運輸方式可供選擇，這3種運輸方式可以自由組合成數種不同運輸路線。已知各種運輸方式的運輸速度、運輸單位價格、運輸時間、單位碳排放量，以及各節點城市之間的運輸距離、轉運費用和轉運時間。

在以上條件下，建立以總運輸費用最小、總運輸時間最短、碳排放量最低為目標的多目標優化模型，以求解重慶—新加坡的集裝箱多式聯運最優路徑。

2.2 模型假設

為保證模型的可行性，建立以下假設。

（1）貨物在運輸過程中不可拆分。

（2）貨物在一個節點城市最多換裝1次。

（3）貨物單向運輸，每個節點最多經過1次。

（4）所有節點均具有足夠的換裝能力。

2.3 集裝箱多式聯運模型建立

定義一個多式聯運網絡G(N，A，M），其中N為網絡中運輸節點集合，A為網絡中運輸弧集合，M為運輸方式集合。

建立以總運輸費用最小，總運輸時間最短，碳排放量最低為目標的多目標優化模型如下。

公式 ⑴ 表示總運輸成本最小函數；公式 ⑵ 表示總運輸時間最小函數；公式 ⑶ 表示總碳排放量最小函數；公式 ⑷ 表示同一條運輸路徑上，只能存在一種運輸方式；公式 ⑸ 表示在同一運輸節點上貨物至多換裝1次；公式 ⑹ 表示決策變量的取值范圍；公式 ⑺ 保證貨物運輸方式的連續性。

3 實例分析

3.1 數據來源

根據重慶—新加坡集裝箱多式聯運主要通道布局情況，該通道共設置15個運輸節點，重慶—新加坡集裝箱多式聯運網絡如圖1所示，其中運輸弧上的數字代表可選的運輸方式，1代表公路運輸，2代表鐵路運輸，3代表水路運輸。

數據方面，國內鐵路集裝箱貨運單價來源于鐵路95306貨運網。目前上海—漢堡航線單程40 ft集裝箱的運價為91 000元，結合航線運輸距離，得出單位國際海運價格；內河集裝箱運輸價格相對穩定；東盟班車單價取值以南彭—河內的東盟班車為例，總運輸費用為12 500元/TEU，結合南彭—河內距離得出運輸單價。單位運輸碳排放量依據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)出臺的《IPCC國家溫室氣體清單指南》及交通運輸部發布的《2020年交通運輸行業發展統計公報》中相關數據得出。此外，假設40 ft集裝箱載貨為30 t。各種運輸方式基礎數據取值如表1所示。各運輸方式之間轉換的相關數據如表2所示。

3.2 算法選擇與結果分析

重慶—新加坡的集裝箱出口路徑選擇屬于多目標路徑優化問題，目前學者們主要采用啟發式算法來解決此類問題，如蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法等。采用NSGA-2算法[10]對多式聯運多目標路徑優化模型進行求解。NSGA-2是通過非支配排序中的支配與非支配關系，將解集劃分為不同的等級，處于第一等級位置的解為帕累托最優解。NSGA-2算法具有以下特點：①提出的快速非支配排序算法不但降低了計算的復雜度，而且通過將父代與子代合并產生下一代種群，使得優秀的個體保留下來；②采用精英策略擴大了采樣空間，使優良的個體可以繼續遺傳下去，從而提高了求解結果的精度；③采用擁擠度比較算子，可以有效克服人為指定共享參數的影響，并對種群間個體進行比較，使個體均勻分布在帕累托域中，從而豐富了種群的多樣性。綜上所述，NSGA-2在尋找最優解的過程中不僅能夠保證算法的性能，而且可以得到一系列帕累托最優解，對各個目標進行折衷。

圖1?重慶—新加坡集裝箱多式聯運網絡Fig.1 Multimodal container transport network from Chongqing to Singapore

表1?各種運輸方式基礎數據取值?Tab.1 Basic data values of various transport modes

表2?各運輸方式之間轉換的相關數據Tab.2 Converted data among transport modes

設置初始種群數量為100，最大迭代次數30，交叉概率為0.9，變異概率為0.1。運行此算法對優化模型求解。

先求解多目標優化模型，再分別以運輸費用最小、運輸時間最短、運輸碳排放量最小為目標進行單獨優化，得到重慶—新加坡集裝箱多式聯運最優路徑。①多目標優化結果與以碳排放量為目標的優化結果一致，重慶—新加坡集裝箱多式聯運最優路徑都是由重慶通過鐵路運輸經貴陽至廣西欽州港，出海運至新加坡，全程運費為35 674.3元，耗時128.1 h，碳排放4 209.6 t。此外無論是多目標優化還是以碳排放量為目標的優化，運輸組織方式都是鐵路、公路、水路，表明鐵路運輸作為經濟的運輸方式，滿足運輸效率的同時還能兼顧節能減排的目標。②以運輸費用為目標的優化結果為重慶經鐵路運至貴陽，轉為公路運輸方式運至廣西欽州港，運費35 674.3元，耗時111.54 h，碳排放5 298.7 t。③以運輸時間為目標的優化結果為重慶通過公路運輸經貴陽運至廣西欽州港，從欽州港海運至新加坡，運費37 048元，耗時109.8 h，碳排放6 084.7 t。以運輸時間為目標的優化相較于多目標優化，運輸時間減少了183 h，但碳排放量大幅提升。

優化結果表明：在我國內陸地區與東盟國家的跨境運輸中，傳統的江海聯運或者從珠三角港口出海，運輸距離長，運輸耗時大，逐漸失去了優勢。而西部陸海新通道在運輸距離、運輸時效、碳排放等方面具有顯著優勢，西部陸海新通道可以成為內陸地區貨物出口的理想路徑選擇。

4 結束語

以運輸費用、運輸時間、運輸碳排放為目標建立了多目標優化函數，運輸網絡綜合考慮了傳統江海聯運通道、西部陸海新通道、渝貴深通道等運輸通道，基礎研究數據通過班車運營公司、貨代公司等渠道獲取，具有較強的現實意義，采用NSGA-2算法，對于算例中的多目標優化問題具有良好的效果，結合實際數據，研究結果具有一定的實用價值。研究結果表明，在目前的國際航運大環境下，傳統的江海國際聯運模式已不具備明顯優勢，相比之下，西部陸海新通道在運輸時間、運費等方面都具有明顯的比較優勢。隨著通道各節點基礎設施建設的不斷完善，西部陸海新通道在未來內陸地區貨物出口中將成為更多貨主的選擇，并帶動整個西南地區的經濟發展。