集裝箱海鐵聯運運輸組織優化研究綜述

靳志宏,王小寒,易天培,左忠義

(1. 大連海事大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116026;2.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)

近年來我國交通運輸由單一運輸方式各自發展向各種運輸方式協同發展轉變,取得了長足的進步。隨著對外貿易的發展,集裝箱海鐵聯運因其集成了集裝箱運輸、水路運輸和鐵路運輸的運量大、成本低、安全性高、綠色高效、銜接便利等優勢,在多式聯運中的地位日益凸顯,是運輸結構調整的關鍵突破口。國務院辦公廳印發的《推進多式聯運發展優化調整運輸結構工作方案(2021—2025年)》提出,到2025年,多式聯運發展水平明顯提升,基本形成大宗貨物及集裝箱中長距離運輸以鐵路和水路為主的發展格局。由此可見,為提高綜合交通運輸體系的經濟效益、降低社會物流成本,集裝箱海鐵聯運未來仍是我國主要貨運發展方向。

海鐵聯運是指通過銜接、協調和轉換等方式將鐵路運輸和水路運輸有機地結合在一起,進出口貨物由船舶運輸至港口,經換裝設備轉運,與鐵路運輸相連,全程僅需“一次申報、一次查驗、一次放行”。海鐵聯運興起于西方國家,發達經濟體的海鐵聯運比例高達20%～40%,我國占比還不足3%,但是發展勢頭持續攀升,如圖1所示。后勁十足的海鐵聯運打開了現代物流發展新局面,連接內陸與沿海、國內與海外產業鏈,將不斷促進國內國際雙循環發展。

圖1 近五年我國海鐵聯運量、占比及增長情況

海鐵聯運的關鍵在于“聯”,提升水路運輸和鐵路運輸的銜接能力和協同水平,是海鐵聯運實現新突破亟待解決的重要問題。近年來,港口與鐵路間的“硬銜接”條件顯著改善,但其間的“軟銜接”嚴重滯后,“連而不暢、鄰而不接”問題仍然突出。集裝箱海鐵聯運陸港銜接主要包括基礎設施“硬銜接”和運輸組織“軟銜接”兩大方面?！坝层暯印笔菍b箱港口、鐵路集裝箱中心站、海鐵聯運港站等海鐵聯運基礎設施的配置與協同;“軟銜接”則是對港站堆場資源配置、換裝作業、班列開行方案優化等運輸組織方面的協同。

國內外對有關集裝箱海鐵聯運的綜述鮮有報道,僅秦磊[1]從發展對策和評價研究兩個角度對海鐵聯運相關文獻進行了系統性綜述,尚未有文獻對集裝箱海鐵聯運陸港銜接問題進行總結。鑒于此,本文從港站堆場資源配置協同、換裝作業協同、班列開行方案優化三個維度,對國內外海鐵聯運運輸組織優化問題進行整理和歸納,對研究現狀進行述評,并據此提出潛在研究方向。

1 研究現狀梳理

1.1 港站堆場資源配置協同研究現狀

海鐵聯運堆場包括共堆場和分堆場兩種空間布局。顧名思義,共堆場是指港口與鐵路共用堆場,海鐵聯運集裝箱堆存在港口堆場,鐵路裝卸線鋪設在碼頭前沿或港口后方。分堆場是指鐵路與港口分別擁有獨立堆場,鐵路裝卸線鋪設在港口后方,依據雙方合作和共享程度,海鐵聯運集裝箱可堆存在鐵路堆場與港口堆場的一方或雙方。

堆場資源配置協同問題主要包括兩個方面,其一是戰術層面的堆存空間分配問題,即為到達港站的集裝箱合理分配堆存區域位置,以及安排每個區域堆存的箱量。根據堆存區域的范圍,該問題可具體分為箱區分配和堆場分配兩個子問題。其二是操作層面的堆存位置指派問題,即為集裝箱分配具體的箱位,包括貝、排、層三個維度。

(1)海鐵聯運集裝箱堆場分配問題

分堆場是我國海鐵聯運港站常見布局,如大連港、寧波舟山港、欽州港等,是堆場分配問題決策海鐵聯運集裝箱選擇堆存的堆場。

基于共享堆場協議,靳志宏等[2]綜合考慮運輸、裝卸、堆存與短搗四項費用,構建以轉運總費用最低為目標的線性規劃模型,研究班輪到港時間與班列到站時間不一致情形下的堆場分配問題,并選取堆場容量、免費堆存期、轉運費用等因素進行靈敏度分析。以最小化集裝箱作業距離和超期堆存成本為目標,曾慶成等[3]建立海鐵聯運集裝箱堆場分配模型,并利用分支定界法求解鐵路堆場和港口堆場的堆存箱量。Xie等[4]首次研究海鐵聯運碼頭的集裝箱預堆存和動態裝卸問題,以在港總物流成本為目標構建隨機動態優化模型,決策裝卸時間窗前堆場至鐵路緩沖區的靜態預存箱量,卸載時間窗內列車至堆場、裝載時間窗內堆場(和/或鐵路緩沖區)至列車的動態箱流量。在研究中歐班列在運輸節點中轉操作問題時,Guo等[5]考慮了部分公路中轉箱可從港口堆場轉移至鐵路堆場而轉化為鐵路中轉箱的情形,結果表明,與未考慮轉移策略相比,考慮轉移策略的總收益較優?；阼F路、支線船、內河船、外集卡組成的港口集疏運系統,Schepler等[6]以最小化船舶和列車加權周轉時間為目標,探討集裝箱在港區多碼頭間的運輸問題。

(2)海鐵聯運集裝箱箱區分配問題

箱區是箱位的集合,堆場由多類型箱區組成。箱區分配是為到達港站的集裝箱分配堆存箱區。港口箱區分配問題研究起步早,成果較為豐富,如Carlo等[7]對其進行了比較深入的總結。箱區分配研究目標通常為均衡各箱區間作業量、最小化集裝箱移動、最小化運輸工具在港時間等。

海鐵聯運堆場箱區分配問題的研究遠滯后于港口,如表1的匯總。武慧榮等[8]將海鐵聯運混堆堆場作業箱分為6種類型,基于滾動計劃方法構建箱區分配模型,優化目標為各箱區作業量均衡,并設計模擬退火算法進行求解。Chang等[9]、曾慶成等[3]建立兩階段模型研究海鐵聯運堆場資源管理問題,其中Chang等[9]在第一階段決策了到場集裝箱的堆存箱區,優化目標為箱區作業量均衡, 曾慶成等[3]基于第一階段堆場分配結果,第二階段同時考慮箱區作業量均衡和縮短集裝箱作業總距離兩個目標,為到港集裝箱分配箱區?；诩榷ǖ牡诫x場時間,王力等[10]以各箱區作業量均衡為目標,決策鐵路堆場箱區分配問題,并設計啟發式算法進行求解,通過與隨機堆存策略對比驗證所提出模型與算法的有效性。針對鐵路集裝箱中心站主堆場多箱區,Zeng等[11]認為卸載箱區影響堆場作業效率,將箱區分配作為子問題來集成優化主堆場裝卸資源和空間資源。

表1 海鐵聯運集裝箱箱區分配文獻匯總

(3)海鐵聯運集裝箱箱位分配問題

集裝箱堆存位置不合理會導致二次翻箱甚至多次翻箱。從單貝位角度研究箱位分配問題時,學者們通常引入壓箱量或倒箱量來評價集裝箱堆存狀態,利用優先級描述集裝箱的屬性,如集裝箱離場時間、重量、目的港掛靠順序等。壓箱量為待作業箱上方不滿足優先級的集裝箱數量,屬于靜態指標;翻箱量細化了待作業箱上方阻礙箱的落箱位選擇不合理而導致的再翻箱,屬于相對動態指標。從多貝位角度,場橋作為堆場瓶頸資源,減少其在貝位間的移動是十分必要的。國內外學者對港口堆場箱位分配的研究較成熟,Lersteau等[12]給出了較全面的綜述,隨著海鐵聯運的發展,理論界開始關注海鐵聯運堆場和鐵路堆場箱位分配問題。

從單貝位角度,計明軍等[13]運用滾動計劃方法構建動態箱位指派模型,以提箱時間作為優先級,目標函數為最小化壓箱量,優化“同卸同裝”模式下的海鐵聯運集裝箱堆存位置。綜合考慮海鐵聯運集裝箱的重量、離場時間、目的港掛靠順序等屬性,Chang等[9,14-15]構建多階段箱位指派模型,旨在降低堆場壓箱量。Li等[16]基于船舶配載計劃獲取海鐵聯運出口箱的目的港和重量屬性,以壓箱量最小為目標構建箱位分配模型,引入調車作業計劃中的解體問題來設計求解算法。基于已知的船舶配載計劃,常祎妹等[17]根據裝船順序屬性設定集裝箱優先級,考慮鐵路箱分批到達和公路箱隨機到達特點,以壓箱量最小為目標建立鐵路堆場箱位指派模型,并設計啟發式算法進行求解。武慧榮等[18]僅考慮集裝箱離場時間屬性,以最小化壓箱量為目標建立模型,設計基于滾動計劃的啟發式算法,解決“船舶-堆場-列車”換裝模式下混堆堆場箱位分配問題。段剛等[19]探討零散箱箱位分配問題,假設集裝箱到離站時間既定,以倒箱次數最小化為目標構建動態箱位分配模型,并設計遺傳算法求解。考慮提箱時間屬性,王力等[20-21]和Wang等[22]以壓箱量最小為目標建立模型,解決鐵路集裝箱堆場箱位分配問題。

從多貝位角度,Dotoli等[23]考慮離場時間和箱型屬性,以最大化堆存箱量為目標構建整數規劃模型,并提出決策支持系統求解最佳集裝箱堆存位置?；诘指郯嗔腥雸鲰樞蚝碗x港時間,任剛等[24]考慮最小化壓箱量和場橋移動貝位數,探討海鐵聯運進口箱箱位分配問題。王小寒等[25]將集裝箱貝位分配問題作為鐵路堆場資源分配與調度子問題,考慮最小化軌道吊移動成本和最大化軌道吊作業均衡率,建立雙目標優化模型,為“列車-堆場”流向的集裝箱分配堆存貝位?？紤]能耗和效率指標,Yang等[26]將影響場橋作業的海鐵聯運出口箱箱位分配作為子決策之一,研究海鐵聯運碼頭多設備集成調度與堆存位置分配問題。Wang等[27]考慮集裝箱到站和離站時間屬性,以及偏好堆存區域,研究鐵路集裝箱混堆堆場箱位分配問題,優化目標為最小化壓箱量和軌道吊移動距離。郭鵬等[28]在研究鐵路集裝箱中心站軌道吊調度問題時考慮了翻箱作業的影響,并提出用階梯惡化函數表示翻箱作業。

表2匯總了上述海鐵聯運集裝箱箱位分配的相關研究文獻。

表2 海鐵聯運集裝箱箱位分配文獻匯總

1.2 換裝作業協同研究現狀

海鐵聯運集裝箱換裝模式主要包括“水-公-鐵”、“水-堆場-鐵”(“船舶-堆場-鐵路”)、“車船直取”(“列車-船舶”)3種。不同運輸方式間的交接質量和效率與換裝設備的銜接密切相關。常用的換裝設備包括碼頭前沿岸橋、內集卡、堆場場橋、外集卡、鐵路堆場軌道吊、正面吊等。

(1)單一設備調度優化

區別于傳統海運集裝箱,海鐵聯運集裝箱特殊換裝設備為軌道吊。軌道吊是鐵路集裝箱中心站主堆場關鍵裝卸資源,橫跨主堆場、鐵路裝卸線、集卡通道,負責到離站集裝箱裝卸、堆存和倒箱作業。

多軌道吊協同調度優化涉及任務分配和作業順序兩個子問題。軌道吊任務分配實質上可理解為軌道吊作業范圍的劃分,包括固定作業范圍和柔性作業范圍。關于固定作業范圍,王力等[29]基于等分作業范圍將裝卸任務分配給軌道吊,以裝卸完工時間最小為目標構建多軌道吊調度優化模型。王小寒等[25,30]和Ren等[31]綜合考慮軌道吊重載和空載移動,以最大化軌道吊總移動距離均衡率為目標建立模型,探討軌道吊動態作業區域問題。針對柔性作業范圍,劉勇等[32]引入允許作業時間概念,研究了軌道吊數量配置和柔性調度優化問題,同時考慮軌道吊運營成本、作業時間、作業量,建立多目標規劃模型,并設計基于使用權分配的遺傳算法進行求解。周勇等[33]考慮多軌道吊間的干擾和安全距離約束,以最小化裝卸完工時間為目標建立模型,解決多軌道吊協同調度問題,通過與固定作業范圍下的順序裝卸模式相比,驗證其提出的柔性調度模式的優越性。Guo等[34]和郭鵬等[28]引入最小時間距離概念來處理多軌道吊間的非交叉和安全距離約束,研究多軌道吊調度問題。

(2)兩種設備間的協同調度

兩種設備間的協同調度主要針對軌道吊與集卡間的協同調度?；凇败嚧比　焙汀按?堆場-列車”兩種換裝模式,李舒儀等[35]以卸車作業完工時間最小化為目標建立軌道吊與集卡協同調度模型,結果表明,車船直取箱占比較高時應增加軌道吊數量以提高裝卸效率。王小寒等[25,30]和Ren等[31]提出在鐵路主堆場采用“軌道吊-集卡”裝卸工藝,考慮成本、作業效率和能耗等指標,探討軌道吊與集卡協同調度問題。Jeong等[36]研究集裝箱轉運問題,決策進出口集裝箱匹配、集卡?？课恢煤蛙壍赖跽{度三個子問題?；凇败壍赖?集卡”裝卸工藝,Li等[37]構建軌道吊和集卡協同調度優化模型,優化目標為最小化裝卸完工時間、設備空駛時間和能耗,并設計人工蜂群算法求解問題。Tsch?ke等[38]為提高公鐵集裝箱轉運效率,研究 “軌道吊-多拖車”裝卸工藝下集卡?？课恢煤蛙壍赖跽{度協同優化問題,并與單AGV(智能導引車, Automatic Guided Vehicle)運輸模式和不同集裝箱分配方案進行了對比試驗。

(3)多種設備間的協同調度

考慮軌道吊、集卡、正面吊在卸車作業中的競爭性因素,王清斌等[39]構建非合作博弈的協同調度模型,并設計遺傳算法進行求解,結果表明,考慮競爭因素可顯著提高作業任務間的公平性。蔣惠園等[40]分別以最小化完工時間和最大化邊際效益為目標建立兩階段模型,研究雙高集裝箱列車到發時的軌道吊、AGV、場橋、空箱堆垛機與智能舉升機的協同調度與最優配置問題。常祎妹等[41]考慮裝卸設備走行速度和提放箱時間變化等不確定因素,以裝卸完工時間最小為目標構建優化模型,探討“車船直取”模式下岸橋、集卡、軌道吊的集成調度問題,并在多層遺傳算法中引入蒙特卡羅法確定隨機變量的取值。劉文茜等[42]研究“鐵路-堆場”換裝流程下軌道吊、集卡與場橋的協同調度問題,以最小化作業完工時間和設備空駛時間為目標建立模型,在約束中考慮了集裝箱作業順序的優先級,并且設計基于析取圖的變鄰域禁忌搜索算法求解問題。Chang等[43]考慮集卡堵塞、軌道吊干擾等現實約束,研究“鐵路-堆場”換裝模式下軌道吊、集卡和場橋的協同調度問題,并在數值試驗中給出了特定算例下3種設備的最佳配比?；诨旌狭魉囬g調度思想,楊宜佳等[44]以作業完工時間最短和能耗最低為目標建立岸橋、集卡、正面吊協同調度模型。Liu等[45]提出鐵路箱和公路箱均堆存在港口堆場,以最小化完工時間、設備等待時間和內集卡空駛時間為目標,建立多目標優化模型,解決軌道吊、集卡、場橋的集成調度問題,并結合仿真技術和自適應大鄰域搜索算法求解問題。針對“軌道吊-內集卡-正面吊”裝卸工藝,Yan等[46]以最小化裝卸完工時間和設備等待時間為目標構建模型,對多設備協同調度問題進行優化。基于動態固定作業區域,Li等[47]研究U型自動化碼頭堆場與鐵路間軌道吊、AGV和雙懸臂場橋間的集成調度問題,以集裝箱運輸時間最小為目標建立模型,并設計基于ADMM框架的啟發式算法對模型進行重構和分解。Liu等[48]構建U型自動化海鐵聯運碼頭的場橋、AGV和集卡的雙層協同調度模型,考慮場橋裝卸完工時間、AGV和集卡等待時間、AGV運輸時間,決策場橋作業順序、AGV任務分配和AGV運輸路徑。

表3匯總了上述海鐵聯運換裝設備銜接的相關研究文獻。

表3 海鐵聯運換裝設備銜接文獻匯總

1.3 班列開行方案優化研究現狀

國內外對海鐵聯運集裝箱列車開行方案的研究主要從“點”和“線”兩個維度展開。

(1)基于“點”視角

“點”可理解為集裝箱海鐵聯運港站?；凇包c”的視角,Yan等[49-50]基于既定的到港集裝箱數量和列車編組,為提高車船直取進口箱量、降低進口箱在港停留時間,研究列車開行時間和集裝箱轉運方案。在此基礎上,以最小化堆存成本、轉運成本和延遲成本在內的聯運集裝箱作業成本為目標建立模型,綜合決策列車開行時間、運行方向和轉運方案問題。鄧夕貴等[51]運用列車開行時間推算卸船時間,考慮最小化海鐵聯運集裝箱在港滯留時間和班列開行成本,建立雙層規劃模型,優化集裝箱卸船順序、列車編組數量、列車在始發港的開行時間等問題。針對海鐵聯運集疏運系統,Ng等[52]考慮重箱和空箱,以最大化雙層列車利用率為目標,建立模型,提出列車流向和裝載方案。

(2)基于“線”視角

基于“線”視度,江雨星等[53-54]基于貨物時間和數量特征,考慮集裝箱與班列間的匹配關系,將列車編成箱數和發車間隔作為約束條件,分別以集裝箱在始發站總停留時間最小和送達終點站總延誤最小為目標,構建優化模型,決策班列始發時刻和沿線開行時刻。基于公鐵聯運網絡,Khobotov等[55]考慮列車開行時間窗,運用機器調度理論決策列車到離沿線各站的時間。Crainic等[56]從戰術規劃角度,構建海港與干港間的時空網絡模型,綜合考慮列車運營成本、運輸成本、裝卸成本、集裝箱堆存成本以及增值服務成本,決策列車開行路徑和開行時間。Newman 等[57]綜合考慮堆存、運輸和裝卸成本,研究集裝箱與沿線直達和集結班列的匹配問題。Hu等[58]構建時空網絡模型討論多碼頭間列車調度問題,決策列車運輸路徑、?？繒r刻以及貨運量等子問題。為評估潛在貨物與班列開行間的適配度,張家瑞等[59]通過運輸時效特征來量化潛在貨流預期收益函數,綜合考慮確定貨流和潛在貨流,以最大化運輸收益為優化目標,構建多商品流模型來反映班列和貨流網絡間的映射關系?？紤]海鐵聯運網絡繁忙度和排隊模式兩種不確定擁堵因素,Yuan等[60]以最小化總運輸成本和重分配成本建立列車重分配隨機優化模型,通過嵌入超立方體空間排隊模型預估隊列長度和等待時間,并提出近似超立方體迭代算法進行求解。張小強等[61]以最大化鐵路企業運輸收益為目標函數,建立班列沿線開行方案和定價的綜合時變優化模型,并設計積壓控制與價格優化BCPO算法,將時變網絡離散為單一時隙。

近幾年,中歐班列逐漸成了研究熱點。薛峰等[62]考慮直達班列和集結班列,構建混合軸輻式中歐班列運輸網絡,以班列運營成本最小化為目標建立中歐班列開行方案優化模型,結果表明,與全直達運輸模式相比,混合軸輻式網絡可大幅度節省運輸時間。胡夢影等[63]構建中歐班列運營質量評價體系,以最大化綜合運營收益為目標,建立中歐班列動態開行方案模型,決策開行樞紐、開行頻率和運量。針對中歐班列運輸路徑重疊問題,張琦等[64]考慮貨物時間價值和運輸時效性,建立中歐班列服務網絡優化模型,決策樞紐點選擇和貨運量。魏玉光等[65]研究中歐班列運輸組織優化問題,基于直達運輸和集結運輸兩種模式,以綜合運輸費用和站場改建費用最小化為目標,建立模型,優化路徑選擇、樞紐選址、列車開行頻率和貨運量等問題。王臻杰等[66]考慮運輸規模和擁堵效應,探討中歐班列集散中心選址與流量分配問題,基于直達與集結混合開行模式,構建雙層規劃模型,上層模型以最大化社會福利為目標決策選址問題,下層考慮運輸成本建立隨機用戶均衡的網絡配流模型決策運輸路徑問題,結果表明,新增集散中心可緩解擁堵。為解決中歐班列在阿拉山口存在進出境列車不平衡和銜接不暢等困境,Liu等[67]以最小化口岸總集裝箱小時數為目標,建立模型,決策去回程列車匹配和列車開行時刻。Yin等[68]考慮時間成本、運輸成本和碳排放,建立中歐班列開行方案模型,決策運營路徑、開行頻率和收貨方式,并設計模擬退火算法進行求解。

表4匯總了上述班列開行方案優化研究現狀。

表4 班列開行方案優化相關文獻匯總

2 研究現狀述評

2.1 關于港站堆場資源配置協同

相較于港口,海鐵聯運起步晚、發展較緩慢,海鐵聯運港站堆場資源配置協同方面的研究遠不如港口成熟。分析上述港站堆場資源配置協同的研究現狀,具有如下特點:

(1)針對堆場分配問題,多數文獻關注共堆場布局,將港口堆場和鐵路堆場視為一個整體。我國大多數海鐵聯運港站采用分堆場布局,港口堆場和鐵路堆場是分離的,分屬于不同的經營主體。隨著聯合協作意識加強,港方與鐵方開始建立資源開放共享的合作關系,催生了堆場分配問題,以破解因一方空間資源緊張而無法及時滿足客戶需求的困境?，F有文獻對不同經營主體堆存空間共享問題的關注度不高,僅有的幾篇文獻集中于成本指標,忽略了轉運設備的影響,研究缺乏一定的全局性。

(2)針對箱區分配問題,多數文獻直接套用海運集裝箱堆場管理理論和方法,在挖掘海鐵聯運集裝箱自身屬性方面稍有欠缺。部分文獻采用兩階段思路研究箱區分配和箱位分配兩個子問題,第一階段研究箱區分配問題,基于第一階段的既定箱區,第二階段決策箱位分配問題。

(3)針對箱位分配問題,多數文獻都是從靜態角度展開研究,優化目標多是最小化壓箱量,很少從動態角度考慮阻礙箱落箱位的滯后影響;研究角度更加深入,從單貝位逐漸深入至多貝位;研究目標也更加多元化,不僅考慮了堆場堆存狀態目標,還考慮減少作業設備移動目標;由于箱位分配問題屬于NP-hard問題,文獻多采用啟發式規則或者智能算法求解。

2.2 關于換裝作業協同

(1)固定作業范圍可簡化裝卸橋調度問題,柔性作業范圍下,裝卸橋移動靈活,但需持續關注裝卸橋的干擾約束,調度方式更加復雜?，F有文獻中,固定作業范圍的衡量指標過于單一,要么僅考慮任務數量均衡,要么僅考慮裝卸橋移動距離均衡?；谌嵝宰鳂I范圍的裝卸橋調度多以裝卸效率作為優化目標,忽略了裝卸橋作業均衡目標。

(2)多數文獻研究傳統的海鐵聯運碼頭換裝設備調度、列車裝卸工藝和運輸技術也缺乏新意。在綠色低碳政策引領下,智慧型海鐵聯運碼頭的建設勢在必行。雖然文獻[47]和[48]研究了自動化海鐵聯運碼頭換裝設備調度問題,但是美中不足,文獻[47]忽略了與船舶的銜接,文獻[48]中忽略了與列車的銜接。

(3)聚焦于鐵路集裝箱中心站主堆場,大多數文獻認為僅由軌道吊負責列車裝卸和集裝箱中轉操作,僅有4篇文獻從節約成本、提高裝卸效率角度出發,提出采用“軌道吊-集卡”聯合裝卸方案。

(4)現有文獻多集中于海鐵聯運換裝設備調度問題,而較少關注設備配置問題,僅有的幾篇文獻,且多是運用靈敏度分析方法展開淺層次討論。

2.3 關于班列開行方案優化

班列開行方案設計的研究具有如下特點:

(1)從“線”角度展開的研究主要是決策列車運輸路徑、開行時刻表、開行頻率和貨運量等問題,更多地關注集裝箱的鐵路運輸屬性,而難以體現海運屬性。與“線”的角度相比,聚焦于“點”的文獻相對較少,而“點”的角度更能反映海鐵聯運系統對班列開行方案的影響,尤其是換裝模式。本文總結的幾篇集中于“點”的班列開行方案優化的文獻,對船舶和列車間有效銜接的研究層次不夠,例如,文獻[49]和文獻[50]忽略了船舶和列車運輸批量的銜接,文獻[51]有悖于列車為港口提供集疏運服務的初衷,文獻[52]忽略了與海運端的銜接。

(2)海鐵聯運集裝箱具有數量、時間和流向三大特征。數量特征與列車開行頻率和裝載方案密切相關,時間特征影響著列車開行時間,列車流向與集裝箱流向一致是硬性約束?，F有文獻大多關注一種或者兩種特征,對三大特征的刻畫和提煉缺位。

(3)多數研究均考慮確定性需求,然而,實際業務中,到港集裝箱可能選擇公、鐵、水三種集疏運方式,同時,鐵路運營商需提前制定列車開行方案,因此,海鐵聯運集裝箱三大特征均具有動態性和不確定性。不確定需求前提下的海鐵聯運列車開行方案中,優化模型的構建、求解算法的設計、不確定需求的轉換等方面均有待深入探索。

(4)關于中歐班列開行方案優化的研究主要解決運輸路徑、列車開行頻率和樞紐選址問題;另外,研究層次逐漸深入,除?？紤]的成本因素外,擁堵、時效性、碳排放已吸引了眾多學者關注。直達班列與集結班列混合組織模式也逐漸成為研究焦點。

3 研究展望

3.1 關于港站堆場資源配置協同

基于對港站堆場資源配置協同研究現狀的把握,本文提出以下幾個潛在研究方向與領域。

(1)海鐵聯運堆場動態堆存。動態翻箱問題復雜性較高,提箱過程中,阻礙箱落箱位選擇不合理可能導致多次翻箱,翻箱屬于無效作業,因而,在研究箱位分配問題時,不拘泥于待提箱,將研究視角擴展至為阻礙箱選擇最佳落箱位。同時,列車和船舶到離站時間不確定是箱位分配問題的外部干擾因素,基于干擾管理理論,對海鐵聯運集裝箱堆存方案進行動態調整具備潛在研究意義。

(2)海鐵聯運箱位分配與換裝設備調度集成優化。海鐵聯運集裝箱具有運輸批量大、集中性強的特征。業界做法通常是同一貨主集裝箱同時到離站,同一船舶或者同一列車集裝箱集中分布,這是區別于海運集裝箱最明顯的特征。屬性相同集裝箱集中分布雖可降低場橋移動,但是難免導致堆場擁堵,因此,集成考慮集卡擁堵、場橋移動和集裝箱貝位層面的分配問題更具備應用價值。

(3)考慮?？糠桨傅暮ｈF聯運集裝箱箱區分配。海鐵聯運集裝箱兩端分別連接著船舶和列車,比傳統海運集裝箱多一個環節。在優化箱區分配問題時,除常用的箱區作業量均衡之外,考慮船舶靠泊位置和列車停靠股道,優化目標權衡海鐵聯運集裝箱在船舶、堆場和列車間的移動。

(4)基于博弈論的海鐵聯運堆場分配。針對分堆場布局,資源共享和合作是大趨勢,堆場分配問題是未來研究熱點。除成本指標外,運輸工具的周轉效率同樣影響海鐵聯運服務質量,充分考慮港口堆場和鐵路堆場間的合作和博弈關系,解決堆場分配問題是一個值得探索的研究方向。

3.2 關于換裝作業協同

(1)考慮多元化指標的裝卸橋作業均衡評估。無論是固定作業范圍,或是柔性作業范圍,評估裝卸橋作業均衡有助于提高裝卸橋利用率,減少裝卸橋無效作業。此外,衡量指標多元化更具合理性,諸如裝卸橋移動、任務數量、完工時間等。多裝卸橋作業區域的劃分與港口腹地劃分存在一定的相似性,從裝卸效率或者成本角度出發,即使是柔性作業范圍,存在裝卸橋在某個作業區域內擁有絕對優勢,而在另一作業區域內沒有明顯優勢的情況,這種獨立作業區域和交叉作業區域的劃分是一個有趣的研究領域。

(2)新型海鐵聯運碼頭下換裝設備銜接。廣西欽州港U形海鐵聯運碼頭揭開了我國海鐵聯運自動化碼頭的帷幕,青島港空中智軌實現港口與鐵路聯運的“零換乘”,雙層集裝箱鐵路運輸緩解了鐵路運力受限難題。在新型的布局規劃、資源類型和作業組織下,換裝設備銜接的研究必然需要開拓新視角。

3.3 關于班列開行方案優化

根據上述分析,本文認為海鐵聯運集裝箱班列開行方案優化的未來研究方向有:

(1)班輪與班列銜接模式設計與聯合調度優化。一直以來,無論是產業界還是理論界,集裝箱海運的班輪運輸與鐵路的班列運輸之間缺乏有效銜接、兩個調度子系統缺乏溝通協調。以班輪運輸網絡和鐵路集疏運網絡為平臺,區別于以往海上班輪運輸、鐵路班輪運輸獨立的運作模式設計,針對兩種運輸模式之間在運輸批量、發班頻率、班次周期等方面的固定差異,班輪與班列銜接模式設計和聯合調度優化等領域尚存在許多可探索的空間。

(2)不確定需求下的海鐵聯運列車開行方案設計。運輸需求的不確定性是現實業務的真實寫照,考慮動態需求來制定海鐵聯運列車開行方案更具有現實意義。將實際場景中的不確定需求抽象為數學表達是解決問題至關重要的一步,常用的不確定性轉化方法包括機會約束、隨機規劃、魯棒優化、靈敏度分析等。結合問題自身特點,選擇合適的理論方法衡量不確定性特征值得深入探索。

(3)多元化中歐班列服務模式。首先,貨源分配不當是中歐班列運費高漲和擁堵的根本原因,依據貨源價值和時效要求,將貨源合理地分配至海運和中歐班列,在一定程度上能突破中歐班列運力緊張瓶頸。其次,抓住西部陸海新通道開通這一機遇,研究中歐班列海鐵聯運服務模式是一個有趣的研究方向。最后,受俄烏沖突等地緣政治影響,中歐班列傳統干線遭受一定沖擊,運輸線路的探索和增加是一個潛在研究方向。

4 結論

海鐵聯運在我國綜合交通運輸體系占據十分重要地位,港口與鐵路間的“軟銜接”不足是制約海鐵聯運發展的瓶頸。本文從港站堆場資源配置協同、換裝作業協同、班列開行方案優化等三個維度對國內外研究現狀進行歸納整理。經梳理發現,大多數文獻套用傳統港口相關理論來研究海鐵聯運系統,存在研究角度靜態化、單一化等特點?；趯ρ芯楷F狀的把握,提出動態化、多元化、集成化的研究方向。此外,還應關注班輪與班列班期協同、運輸批量協同、空箱調運協同、“一帶”與“一路”協同以及海鐵聯運大數據應用等。