項(xiàng) 昀 王 煒 王 昊 李 燁 鄭敦勇 劉 兵

(1東南大學(xué)城市智能交通江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)(2南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌 330063)(3湖南科技大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201)

綜合運(yùn)輸體系下的貨運(yùn)方式分擔(dān)率

項(xiàng) 昀1，2王 煒1王 昊1李 燁1鄭敦勇3劉 兵1

(1東南大學(xué)城市智能交通江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)
(2南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，南昌 330063)
(3湖南科技大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201)

摘 要:為優(yōu)化貨運(yùn)交通結(jié)構(gòu)并合理配置貨運(yùn)交通資源，研究了綜合運(yùn)輸體系下基于運(yùn)距的貨運(yùn)方式分擔(dān)率.通過對(duì)國內(nèi)城市間不同貨運(yùn)量與運(yùn)距的集計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定貨運(yùn)量與運(yùn)距的函數(shù)關(guān)系式.隨后，構(gòu)建貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型，并獲取貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距曲線.研究結(jié)果表明，各貨運(yùn)方式分擔(dān)率隨運(yùn)距變化呈現(xiàn)出特定的分布規(guī)律.公路貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距曲線呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，在50～500 km運(yùn)距范圍內(nèi)的分擔(dān)率超過40%;鐵路貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距曲線呈先增后減趨勢(shì)，拐點(diǎn)出現(xiàn)在600～700 km之間;水路貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距曲線呈單調(diào)遞增趨勢(shì);航空貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距曲線在150～700 km運(yùn)距范圍內(nèi)呈緩慢遞增趨勢(shì)，700～1 900 km運(yùn)距范圍內(nèi)快速遞增，運(yùn)距超過1 900 km后趨于平緩.

關(guān)鍵詞:貨運(yùn)方式;分擔(dān)率;運(yùn)距;綜合運(yùn)輸體系;集計(jì)數(shù)據(jù)

面對(duì)我國貨物運(yùn)輸需求持續(xù)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，優(yōu)化交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，構(gòu)建公、鐵、水、航、管道協(xié)調(diào)發(fā)展、高效運(yùn)作的多方式貨運(yùn)交通體系已成為我國重要的交通發(fā)展戰(zhàn)略［1-2］.貨運(yùn)分擔(dān)率，即各交通方式所承擔(dān)的貨物運(yùn)輸比例，是優(yōu)化貨運(yùn)交通結(jié)構(gòu)及合理配置貨運(yùn)交通資源的重要依據(jù).

目前，貨運(yùn)方式分擔(dān)率模型主要包括以下3類:①運(yùn)輸成本最小化模型.文獻(xiàn)［3-5］量化或細(xì)化貨物運(yùn)輸費(fèi)用，以成本最小為目標(biāo)建模，確定不同交通方式所承擔(dān)的貨運(yùn)量.②基于效用理論的非集計(jì)模型.文獻(xiàn)［6-8］通過分析不同運(yùn)輸方式的影響因素，構(gòu)建效用函數(shù)，建立Logit模型以確定較優(yōu)的貨運(yùn)方式.③基于決策論的目標(biāo)優(yōu)化模型.文獻(xiàn)［9-11］通過建立多目標(biāo)決策模型或目標(biāo)規(guī)劃模型，以確定貨運(yùn)方式分擔(dān)率.這些模型的缺點(diǎn)在于定量研究不足且系統(tǒng)性與普適性較差，未進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，或僅采用某一特定運(yùn)輸通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定.鑒于此，本文在采集與分析了大量區(qū)域宏觀貨運(yùn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距模型并進(jìn)行模型標(biāo)定，獲取貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距曲線.

1 模型構(gòu)建

研究?jī)?nèi)容包括公路、鐵路、水路和航空四大貨物運(yùn)輸方式.

每種貨運(yùn)方式各自的特性集中體現(xiàn)在分擔(dān)率隨運(yùn)輸距離變化的分布規(guī)律上.因此，本文在統(tǒng)計(jì)分析城市間各貨運(yùn)方式運(yùn)距、運(yùn)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了各貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型.具體步驟如下:

①收集并統(tǒng)計(jì)某區(qū)域范圍內(nèi)各城市間不同貨運(yùn)方式的貨運(yùn)量和運(yùn)距數(shù)據(jù)，從而獲取不同運(yùn)距所對(duì)應(yīng)的分方式貨運(yùn)量數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)集{(xabi，vabi)}.其中，xabi，vabi分別表示城市a至城市b第i種貨運(yùn)方式的運(yùn)輸距離和承擔(dān)的貨運(yùn)量，a=1，2，…，n;b=1，2，…，n;i=1，2，3，4，且i=1 表示公路貨運(yùn)，i=2表示鐵路貨運(yùn)，i=3表示水路貨運(yùn)，i=4表示航空貨運(yùn).

②將分方式的貨運(yùn)量、運(yùn)距數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別建立該區(qū)域范圍內(nèi)各貨運(yùn)方式的貨運(yùn)量-運(yùn)距函數(shù)關(guān)系式gi(x)，其中x為運(yùn)輸距離.

③建立各貨運(yùn)方式的分擔(dān)率-運(yùn)距模型，即

式中，fi(x)為第i種貨運(yùn)方式的分擔(dān)率.

2 模型標(biāo)定

2.1 數(shù)據(jù)的采集與分析

以2008年全國貨物運(yùn)輸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型進(jìn)行標(biāo)定.2008年，我國貨運(yùn)總量為 2.587×1010t，貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量為 1.103×1012t·km.其中，公路、鐵路、水運(yùn)、航空、管道貨運(yùn)量分別占貨運(yùn)總量的74.122%，12.775%，11.389%，0.016%，1.698%;貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量分別占貨運(yùn)周轉(zhuǎn)總量的29.799%，22.762%，45.569%，0.108%，1.762%.

采集了不同城市間公路、鐵路、水路、航空貨運(yùn)量-運(yùn)距數(shù)據(jù)集{(xabi，vabi)}，分別為 811，907，240，240個(gè).數(shù)據(jù)包含了貨物運(yùn)輸?shù)钠鹩欬c(diǎn)和貨運(yùn)量.

2.2 貨運(yùn)量-運(yùn)距函數(shù)關(guān)系式

2.2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及預(yù)處理

對(duì)所采集的貨運(yùn)量-運(yùn)距數(shù)據(jù)進(jìn)行分方式、分運(yùn)距歸類.考慮到我國各區(qū)域貨運(yùn)方式發(fā)展水平不均衡，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以減少統(tǒng)計(jì)誤差.具體步驟如下:

① 分方式.將貨運(yùn)量-運(yùn)距數(shù)據(jù)集{(xabi，vabi)}中的數(shù)據(jù)按照公路、鐵路、水運(yùn)、航空4種貨運(yùn)方式進(jìn)行分類，分別獲得4個(gè)數(shù)據(jù)集{(xab1，vab1)}，{(xab2，vab2)}，{(xab3，vab3)}，{(xab4，vab4)}.

②排序.分別將4個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)按照其運(yùn)輸距離的數(shù)值從小到大進(jìn)行排序.

③聚類.按照每一聚類中任意2個(gè)元素運(yùn)輸距離的差值不超過10 km的原則，分別將數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類.

④合并.分別對(duì)每個(gè)聚類中全部元素進(jìn)行合并，對(duì)全部元素的運(yùn)輸距離求平均值，對(duì)貨運(yùn)量求和，獲取代表該聚類類別的關(guān)鍵運(yùn)量-運(yùn)距數(shù)據(jù)集.經(jīng)合并后，公路、鐵路、水運(yùn)、航空的運(yùn)量-運(yùn)距數(shù)據(jù)集分別為 111，93，66，109 個(gè).

由于所收集的2008年貨運(yùn)量-運(yùn)距數(shù)據(jù)主要集中在50～3 000 km運(yùn)距范圍內(nèi)，故在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)只保留該區(qū)間以內(nèi)的數(shù)據(jù).

2.2.2 數(shù)據(jù)擬合

采用Matlab軟件對(duì)關(guān)鍵運(yùn)量-運(yùn)距數(shù)據(jù)集進(jìn)行擬合分析，經(jīng)過比選后，在50～3 000 km范圍內(nèi)，公路貨運(yùn)量-運(yùn)距函數(shù)關(guān)系式為

鐵路貨運(yùn)量-運(yùn)距函數(shù)關(guān)系式為

水路貨運(yùn)量-運(yùn)距函數(shù)關(guān)系式為

航空貨運(yùn)量-運(yùn)距函數(shù)關(guān)系式為

各貨運(yùn)方式貨運(yùn)量-運(yùn)距擬合曲線如圖1所示.

2.3 貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型

將式(2)～(5)代入式(1)，可獲取50～3 000 km運(yùn)距范圍內(nèi)貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型，適用于該運(yùn)距范圍內(nèi)公路、鐵路、水路、航空四大貨運(yùn)方式分擔(dān)率的計(jì)算.鑒于此模型為分段模型，繪制曲線時(shí)較為復(fù)雜，故在工程應(yīng)用時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，并獲取相應(yīng)的分擔(dān)率-運(yùn)距曲線.

首先，根據(jù)貨運(yùn)量-運(yùn)距函數(shù)關(guān)系式分別計(jì)算x=50，60，…，3 000 km 時(shí)的公路、鐵路、水運(yùn)、航空的貨運(yùn)量;然后，將不同運(yùn)距下各貨運(yùn)方式貨運(yùn)量除以總貨運(yùn)量，獲得各貨運(yùn)方式分擔(dān)率，從而得出貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距散點(diǎn)圖.經(jīng)擬合后便可獲取簡(jiǎn)化后第i種貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型.

公路貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距簡(jiǎn)化模型為

圖1 貨運(yùn)量-運(yùn)距擬合曲線

鐵路貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距簡(jiǎn)化模型為

水路貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距簡(jiǎn)化模型為

航空貨運(yùn)分擔(dān)率-運(yùn)距簡(jiǎn)化模型為

據(jù)此便可繪制出貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距擬合曲線(見圖2).雖然簡(jiǎn)化模型(6)～(9)較原模型(1)～(5)精度略有下降，但由于其擬合度均大于0.98，故認(rèn)為該簡(jiǎn)化模型有效.在工程實(shí)踐中，可依據(jù)精度要求及實(shí)際情況，選擇采用原模型或簡(jiǎn)化模型.

由圖2可知，公路貨運(yùn)分擔(dān)率曲線呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，在0～500 km運(yùn)距范圍分擔(dān)率均超過40%，說明公路貨運(yùn)適合于中短途運(yùn)距，尤其是短途運(yùn)距;在600 km處出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后分擔(dān)率下降趨勢(shì)變緩.鐵路貨運(yùn)分擔(dān)率曲線呈先增后減的趨勢(shì)，拐點(diǎn)出現(xiàn)在600～700 km之間;當(dāng)運(yùn)距為500～1 200 km時(shí)，其分擔(dān)率明顯大于其他3種方式的分擔(dān)率，表明其適合于中長(zhǎng)途運(yùn)距.水路貨運(yùn)分擔(dān)率曲線呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，且運(yùn)距大于1 200 km時(shí)分擔(dān)率超過40%.航空貨運(yùn)方式由于運(yùn)價(jià)高昂，故相比其他3種貨運(yùn)方式，其分擔(dān)率較低;實(shí)際上，由圖2(d)可知，航空貨運(yùn)分擔(dān)率曲線在150～700 km運(yùn)距范圍內(nèi)緩慢遞增，700～1 900 km運(yùn)距范圍內(nèi)快速增加，然后呈平緩趨勢(shì)，并伴有上下波動(dòng)，這一方面是由于航空貨運(yùn)成本高昂，導(dǎo)致運(yùn)價(jià)極低的水路貨運(yùn)優(yōu)勢(shì)更為明顯，另一方面也可能是由于統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)來自全國不同區(qū)域，存在各種運(yùn)輸方式發(fā)展不平衡的情況，導(dǎo)致結(jié)果存在一定誤差.

3 實(shí)例分析

圖2 貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距擬合曲線

以遼寧-山海關(guān)綜合運(yùn)輸通道為例，開展公路、鐵路、水運(yùn)、航空多方式交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下貨運(yùn)方式分擔(dān)率的實(shí)證研究.對(duì)該通道的規(guī)劃年(2020年)貨運(yùn)方式分擔(dān)率進(jìn)行預(yù)測(cè)，作為未來新建和改擴(kuò)建運(yùn)輸通道項(xiàng)目的依據(jù).

以現(xiàn)有行政區(qū)劃為基礎(chǔ)，共劃分101個(gè)交通小區(qū)，其中直接影響區(qū)30個(gè)，間接影響區(qū)27個(gè)，外部影響區(qū)44個(gè).通過調(diào)查獲得研究區(qū)域的貨運(yùn)現(xiàn)狀OD矩陣，其發(fā)生總量或吸引總量為1.640×1010t.采用Fratar模型預(yù)測(cè)2020年的貨運(yùn)OD矩陣，其發(fā)生總量或吸引總量為 2.509 ×1010t［12］.采用Visual C++編程，可獲得計(jì)算結(jié)果.以3個(gè)交通小區(qū)為例，任選編號(hào)為1，51，73的交通小區(qū)進(jìn)行計(jì)算，已知其貨運(yùn)OD矩陣如表1所示.

表1 2020年貨運(yùn)OD 106t

計(jì)算步驟如下:

①測(cè)算各小區(qū)之間的運(yùn)輸距離，結(jié)果見表2.

表2 運(yùn)輸距離 km

②基于貨運(yùn)交通網(wǎng)絡(luò)布設(shè)情況，明確小區(qū)之間4種貨運(yùn)方式的連通情況.若小區(qū)A至小區(qū)B缺少第i種貨運(yùn)方式時(shí)，則認(rèn)為小區(qū)A，B之間的此種貨運(yùn)方式分擔(dān)率為0.在實(shí)例中的3個(gè)交通小區(qū)之間，航空運(yùn)輸方式僅在交通小區(qū)51與小區(qū)73之間存在，其他運(yùn)輸方式在各交通小區(qū)間均連通.

③將各小區(qū)間的運(yùn)輸距離代入模型(6)～(9)中，計(jì)算各小區(qū)間公路、鐵路、水運(yùn)、航空4種貨運(yùn)方式的分擔(dān)率，結(jié)果見表3.需要指出的是，當(dāng)運(yùn)距小于50 km時(shí)，根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)刎涍\(yùn)方式選擇的補(bǔ)充調(diào)研，取公路、鐵路、水運(yùn)、航空貨運(yùn)方式分擔(dān)率分別為 0.95，0.025，0.025，0.

④將2020年的貨運(yùn)OD矩陣分別乘以4種貨運(yùn)方式的分擔(dān)率，計(jì)算出各小區(qū)間貨運(yùn)方式的分擔(dān)量，結(jié)果見表4.

4 結(jié)論

1)在綜合運(yùn)輸一體化的背景下，依據(jù)國內(nèi)各城市間貨運(yùn)量、運(yùn)輸距離數(shù)據(jù)，構(gòu)建了區(qū)域貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型，并進(jìn)行了標(biāo)定.

2)建立了貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型，提出了該模型的簡(jiǎn)化形式，并獲取了相應(yīng)曲線，直觀、形象地呈現(xiàn)各貨運(yùn)方式所承擔(dān)貨運(yùn)量比例隨運(yùn)輸距離變化的分布規(guī)律.

表3 貨運(yùn)方式分擔(dān)率

表4 貨運(yùn)方式分擔(dān)量106t

3)貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型的輸入變量為貨物運(yùn)距，由此可確定50～3 500 km運(yùn)距范圍內(nèi)各貨運(yùn)方式的分擔(dān)率，有效解決了在多方式交通網(wǎng)絡(luò)中貨運(yùn)分擔(dān)率在區(qū)域范圍內(nèi)的量化問題.

4)貨運(yùn)方式分擔(dān)率-運(yùn)距模型可以為優(yōu)化區(qū)域未來運(yùn)輸結(jié)構(gòu)提供合理的決策依據(jù)，也有助于從總體上較為真實(shí)、客觀地把握未來區(qū)域運(yùn)輸可能產(chǎn)生的交通運(yùn)輸負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸資源的合理配置.

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Mode split rate of freight transportation in comprehensive transportation system

Xiang Yun1，2Wang Wei1Wang Hao1Li Ye1Zheng Dunyong3Liu Bing1
(1Jiangsu Key Laboratory of Urban ITS，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)
(3National-Local Joint Engineering Laboratory of Geo-Spatial Information Technology，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China)

Abstract:In order to optimize the structure of the freight mode and reasonably allocate transportation resource，the mode split rate of freight transportation based on the transport distance in the comprehensive transportation system is studied.By statistically analyzing the aggregate data of different inter-city freight volumes and transport distances in China，the functional relationship between the freight volume and the transport distance is determined.Then，the mode split rate of the freight transportation-transport distance(MSRFT-TD)model is constructed，and the corresponding MSRFT-TD curve is obtained.The results show that there is specific distribution of the mode split rate of freight transportation with the change of the transport distance.The highway MSRFT-TD curve decreases monotonically and stays over 40%when the transport distance ranges from 50 to 500 km.The railway MSRFT-TD curve first increases and then decreases with a inflection point between 600 and 700 km.The waterway MSRFT-TD curve monotonicall y increases.The airway MSRFT-TD curve increases slowly with the transport distance from 150 to 700 km，and rises rapidly from 700 to 1 900 km;when the transport distance is over 1 900 km，the curve gradually levels off.

Key words:freight transportation;mode split rate;transportation distance;comprehensive transportation system;aggregate data

中圖分類號(hào):U113

A

1001－0505(2015)06-1197-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2015.06.031

收稿日期:2015-06-14.

項(xiàng)昀(1983—)，女，博士生，講師;王煒(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，wangwei@seu.edu.cn.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51338003)、國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478113)、江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX15_0154).

項(xiàng)昀，王煒，王昊，等.綜合運(yùn)輸體系下的貨運(yùn)方式分擔(dān)率［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，45(6):1197-1202.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2015.06.031］