卷煙運輸公鐵聯運方案研究
——以Y集團卷煙運輸集裝箱公鐵聯運為例

付子云

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

煙草行業作為我國國民經濟和社會發展過程中的支柱產業，是國家主要稅收源泉之一，其中煙草運輸是卷煙物流中非常重要的一部分。隨著Y煙草集團產銷規模的擴大，集團消費需求結構不斷向多批次、小批量、多品種以及個性化方向發展，導致中遠距離中小型貨車發貨量和頻次逐漸增加，形成了以長途公路運輸為主的高運輸成本現狀，成為煙草集團物流業務中一個迫切需要解決的問題。在我國極力倡導2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的背景下，促進國內煙草企業積極優化運輸結構，進行“公轉鐵”式結構調整，充分發揮鐵路在節能減排、安全集約、規模效應上的優勢，努力改變煙草運輸依賴長途汽運的局面，使得煙草企業實現降本增效，運輸業務朝著綠色、安全、集約方向發展成為必然趨勢。

國內對于煙草運輸方面的研究相對較少。高怡杰，等提出了一種求解煙草配送路徑規劃問題的新型智能優化算法ITLBO，在傳統教與學優化（TLBO）算法的框架基礎上，通過改進算法使其能適用于組合優化問題，實驗結果表明，所提出的算法能優化配送路線，降低配送成本；高正鵬主要以安徽省工業煙草物流為例研究了成品卷煙配送路徑規劃過程中存在的問題，首先重新設計了卷煙運輸計價規則，然后提出了集合分割數學模型，最后提出了改進的拉格朗日松弛優化算法，并設計了基于貪婪思想的上界求解方法，實現企業降本增效。龔亞琪針對A中煙工業公司卷煙物流網絡存在的問題，提出了其網絡優化的目標、原則及建立區域配送中心完善網絡結構的優化思路，并對區域配送中心建成后A中煙工業公司卷煙物流網絡運作模式進行了分析和優化。綜上查閱文獻可知，大部分研究集中在卷煙運輸末端的配送路徑優化和煙草營銷等方面。對于煙草運輸，還沒有將軸輻式網絡和公鐵聯運集裝化運輸結合應用到集團卷煙的整個系統構建及優化等方面的相關研究。

本文在對Y煙草集團的全國型生產網絡結構和訂單數據分析的基礎上，結合集團實際業務需求，建立不同運輸形式的精細化成本數學模型，以此為目標函數提出一種適用于煙草行業集裝箱公鐵聯運的優化解決方案，采用禁忌搜索算法和遺傳算法，選出最佳樞紐節點并得出最優運輸路徑分配。

1 卷煙公鐵聯運集裝化裝載方案及運輸組織設計

1.1 集裝化方案設計

從集團長遠發展考慮，為提高運作效率，本文引入單元化、集裝化作業，并分別從客戶訂單運作模式、成品卷煙包裝以及設施設備三方面進行全套集裝化設計。

（1）訂單運作模式集裝化。訂單運作模式集裝化是指為方便快速裝卸搬運，建議客戶訂貨量以托盤為單位來計數。目前Y煙草集團的訂單量大小參差不齊，在設施設備集裝化的基礎上，嘗試改變傳統訂貨量標準，與客戶協商訂單需求量以托盤為計數單位。以2018年1月1日部分訂單需求量統計為例，表1數據顯示了各個卷煙需求點以托盤為單位的訂單需求，單日訂單需求量已能夠滿足以整托盤運輸為單位。

表1 2018年1月1日部分訂單需求量

（2）產品包裝集裝化。我國成品煙包裝規格較為統一，每件的規格為458mm×245mm×570mm，1萬支/件。目前Y集團卷煙運輸包裝以件為獨立個體。單個托盤上可以放24件、28件、34件，裝卸時為保證貨物穩定性，需要大量裹膜固定。Y集團卷煙運輸以托盤為單位進行集裝箱公鐵聯運運輸時，依照客戶訂單匹配好每位客戶的訂單量（單位：托盤），結合紙滑托盤載重量限制，針對單個托盤的量采用最大化單元化包裝，卷煙出庫時以單托盤的量進行打碼包裝。一方面節約大量的薄膜，另一方面簡化了作業流程。

（3）設施設備集裝化。設施設備集裝化一方面指鐵路干線運輸使用集裝箱，集裝箱運輸使用標準托盤、紙滑托盤及專用推拉器。成品煙直接儲存在帶有紙滑托盤的標準托盤上，并借助專用的推拉器進行裝卸，實行單元化作業。同時集裝箱公鐵聯運作為最具代表性的多式聯運形式，具備公路運輸在中短途運輸中靈活的優勢和鐵路運輸批量大、經濟性好、可靠性高的特點，且以標準化的集裝箱作為單元載體能夠提高運輸的集約性，提高運輸效率。本文采用國際標準40英尺和20英尺集裝箱，其尺寸規格見表2。

表2 集裝箱尺寸規格

設施設備集裝化另一方面是指以托盤為基本運輸單位時，單位托盤件煙的擺放形式及數量。紙托盤選擇用牛皮紙做成的厚度1mm的臨邊雙翼板滑板托盤，承重300-900kg，內嵌RFID芯片，綜合考慮集裝箱的高度以及紙托盤的性能要求，計算后單個托盤可以堆放24件或者20件。以24件/盤為例，件煙在紙托盤上擺放方案如圖1所示。參考40英尺集裝箱尺寸，每40英尺集裝箱可裝載卷煙44托盤（包含22托盤規格為20件/盤和22托盤規格為24件/盤）共968件，即48 400條。集團設施設備集裝化改進前車輛容積利用率約為76%，改進后以40英尺集裝箱為例容積率提高至81%。

圖1 件煙在紙托盤上擺放三視圖

1.2 集裝箱公鐵聯運貨物運輸組織流程

本文確定門到門貨源組織類型，運輸環節涉及發貨地（中心庫和煙廠）、發站、到站、卷煙商業公司四個節點，公鐵聯運貨物運輸組織過程如圖2所示，包含三項基礎服務即（a）、（b）、（c）。在借閱參考文獻[4-5]的基礎上，集裝箱公鐵聯運貨物運輸全過程作業流程如圖3所示。

圖2 公鐵聯運貨物運輸組織過程示意圖

圖3 集裝箱公鐵聯運全過程作業流程

2 集裝化卷煙單分配混合軸輻式公鐵聯運網絡模型構建

本文在上述集裝化裝載方案與公鐵聯運運輸組織流程設計的基礎上，結合對集團實際業務數據的統計分析，根據不同區域的需求偏好、件煙的規格尺寸以及訂單物流信息等，找準迫切待研究的問題，充分考慮卷煙運輸公鐵聯運應用各種場景，建立符合實際訂單需求的公鐵聯運網絡模型，明確優化目標與約束條件，建立單分配混合軸輻式公鐵聯運模型。

單分配混合軸輻式網絡模型屬于LRP問題，此模型解決的核心問題即樞紐選址和路徑規劃，有效提高煙草運力、優化資源配置、降低物流成本。混合軸輻式網絡包含非樞紐節點之間直接聯通，在實際應用中即直達運輸，使得運輸具有柔性化，其路徑示意如圖4所示，其運輸路徑包括非樞紐節點之間直送和經過樞紐中心中轉到達兩種。假設共有n個區域，每個區域中包含多個節點城市，每兩個節點之間既可以滿足公路運輸條件也可以滿足鐵路運輸條件，如節點1、2、3、…、n。同時樞紐節點之間的鐵路運輸享有規模效應帶來的優惠折扣，折扣因子是變化的，不同的樞紐節點對以及不同的貨物流量都會影響折扣因子。

圖4 單分配混合軸輻式網絡公鐵聯運路徑示意圖

2.1 模型假設及變量設置

假設如下：（1）不同節點之間公鐵轉換時貨物換模單位成本、裝卸單位成本和裝卸單位時間相同；（2）貨物整批單向運輸，且只在節點處一次性裝卸完整批的貨物；（3）每個起訖點之間最多通過兩個樞紐節點且樞紐中心數量固定；（4）每一個節點都有被選為樞紐節點的機會；（5）本文假設樞紐節點的中轉能力無限制即容量無限；（6）不同運輸方式的單位運輸成本事先給定，且樞紐節點之間的折扣系數事先已知。

模型符號表示如下：

：卷煙需求節點集，n∈N，i和j表示具體的普通節點城市；

：樞紐節點集，樞紐節點個數，p∈P，和表示具體的樞紐中心，()表示樞紐節點數量集；

S：節點i，j之間的貨物流量，表示同一節點對之間的貨運量總和；

：運輸方式集合，{}，m∈M，表示公路運輸方式，表示鐵路運輸方式；

Q：節點被選為樞紐節點建立的固定費用；

R：節點i和j之間的運輸距離；

ST：運輸方式由轉換為的單位中轉成本；

:運輸方式由轉換為的單位換模成本；

:單位裝卸成本；

:集裝箱的單位裝箱、掏箱時間；

T:節點i到j的實際運輸總時間；

節點i到j采用運輸方式時所用的時間；

lt：節點i到j運輸時間上限，即最晚運輸時間；

：實際運輸時間大于最晚運輸時間的懲罰系數；

：公路末端配送車輛，(12)；

()：配送車輛的額定裝載量；

y：客戶在車輛上有數量的貨物。

2.2 目標函數及約束條件

根據問題描述，結合背景資料，發貨點和需求點之間的貨物運輸包含直達運輸、雙樞紐網絡運輸和單樞紐網絡運輸。由此建立模型如下：

…S，f∈(1)，表示貨物流量數值。

3 算法設計

本文將禁忌搜索算法和遺傳算法相結合，選出最佳樞紐節點并得出最優運輸路徑分配。算法實現流程如圖5所示。假設網絡模型中樞紐節點集合為,為個總節點的集合，的鄰域()()，為集合的長度，表示從中換出的點，表示從中換入的點。目標函數()表示樞紐節點為時的最低物流成本，()的大小由遺傳算法階段求出。()表示節點的禁忌狀態，比如()3表示再繼續迭代3代節點可以解禁。

圖5 禁忌搜索算法和遺傳算法實現流程

4 數值實驗與案例分析

4.1 參數設置

為驗證上述模型的有效性，以河北省內和云南省內共19個節點城市某年某月的訂單數據為基礎進行算法計算，假設選擇的運輸方式只有公路和鐵路兩種，通過構建模型進行樞紐選擇和路徑分配，得出整個軸輻式集裝箱公鐵聯運運輸網絡最優成本下最佳樞紐節點和最優的路徑選擇。并將該最優成本和公路運輸進行對比分析，進一步從實踐上驗證集裝箱公鐵聯運的成本優勢和服務水平上的可行性。

首先部分貨源點到需求點的鐵路運輸距離矩陣見表3。其他有關運輸成本參數、公路鐵路運價率均參照最新市場數據。假設公鐵聯運服務時間上限定為三天。MATLAB中通過UT（時間上限）=ones(19,19)*72進行時間上限賦值。

表3 部分貨源點到需求點的鐵路運輸距離矩陣 單位：km

4.2 結果分析

通過MATLAB多次運行求得最優樞紐中心節點和相對應的最優路徑選擇。其中禁忌搜索算法在10代左右算法收斂，收斂速度較快，整個運輸網絡成本從1 835 000元收斂至1 760 000元。若采用長途汽車進行卷煙運輸，通過計算成本為1 801 100元，節省運輸成本開支41 100元。上述汽車成本未考慮車輛折舊和維護、職工福利、過橋費和養路費等費用，因此實際上汽車直送的費用要大于1 801 100元，而且隨著公鐵聯運網絡的完善，鐵路的折扣系數會繼續降低，軸輻式集裝箱公鐵聯運將會更有優勢。軸輻式公鐵聯運運輸網絡中O-D圖如圖6所示。

圖6 集裝箱公鐵聯運運輸網絡O-D圖

由圖6可知，建立節點城市4和節點城市12為樞紐點，完成從省內卷煙廠到目標銷售地區的卷煙運輸，由于節點城市4與節點城市7距離較近，所以編號4未標出，以7共同表示樞紐城市4和節點城市7。在整個卷煙運輸網絡中，運輸方式主要有公鐵聯運、鐵路直送、汽車直送和公路接駁四種路線。公路接駁對應同市內煙廠間轉運存儲。公路直送節點對為市內短距離運輸，鐵路直送多為發貨點距離樞紐站較遠且運量較大的節點城市。節點城市2、節點城市3和節點城市1均有一定運量通過樞紐點進行軸輻式公鐵聯運。同時省內各點之間的移庫作業均為汽車直送形式。從節點城市2運往節點城市12和節點城市9的運輸方式為汽車直送，節點城市2位于省內最北方，距離樞紐點4的距離較遠，但節點對之間的運量相對較少，為避免繞行增加額外成本以及受運量限制，鐵路運行成本優勢不足以抵消火車的開行費用；且其貨運量加入到鐵路樞紐節點間干線運輸不能產生更優惠的折扣系數，因此采用汽車直送運輸。

由于河北省地形限制，各個需求點較為分散，在河北省內只選用一個樞紐節點運輸成本降低幅度不大，在一定范圍內增加樞紐節點數目，軸輻式集裝箱公鐵聯運的成本優勢會更加明顯。

5 結語

本文首先對集裝箱公鐵聯運集裝化裝載及運輸組織進行設計，構建了單分配混合軸輻式公鐵聯運網絡模型，運用禁忌搜索和遺傳算法，充分考慮多方面因素，在最短的時間內得出近似最優解。實驗結果表明，此公鐵聯運方案能夠達到降本增效的目的。同時提出以下三點建議：

（1）針對部分區域實際情況，一定程度上繼續發揮集團現有的汽運優勢，卷煙運輸公鐵聯運規模需由小及大，逐步積累經驗，并要積極與當地政府和鐵路部門溝通協調，進一步改善貨車通行條件，做好現有站場的基礎改造工作。并積極進行揀選、存儲、裝卸搬運作業的技術改造，與有條件的商業公司合作，積極落實，為公鐵聯運的具體實施提供保障。

（2）實現集裝化。一方面需要升級現有樞紐節點的配套設施，根據各個樞紐節點的需求量和需求密度增設集裝箱吊裝設備，提升裝卸搬運能力和作業效率。另外需要各個煙草公司和生產廠倉庫配備相應的紙滑托盤、叉車等基礎設施，提高整個公鐵聯運過程中的集裝化服務水平。

（3）加強物流信息化建設，縮短集結時間。由算法計算過程中知，集裝箱集結時間占總時間比例較大。在具體實施中，應該加強公鐵聯運網絡的信息化建設，增加每個樞紐節點的覆蓋范圍，形成規模效應，減少公鐵聯運成本，提高公鐵聯運網絡的運輸效率。