劉 璘， 朱小林

(1.上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院， 上海 201306； 2.上海海事大學(xué) 文理學(xué)院， 上海 201306)

考慮總成本的冷藏集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸路徑優(yōu)化

劉 璘1， 朱小林2*

(1.上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院， 上海 201306； 2.上海海事大學(xué) 文理學(xué)院， 上海 201306)

為了打造高效、便捷的國際物流通道，同時提高消費(fèi)者的生活水平，在“海運(yùn)+冷藏班列+公路短駁”多式聯(lián)運(yùn)新業(yè)務(wù)模式下，文章提出了基于海鐵聯(lián)運(yùn)的冷藏集裝箱路徑優(yōu)化模型.文章以普通集裝箱多式聯(lián)運(yùn)為基礎(chǔ)，以包括制冷成本、運(yùn)輸成本、轉(zhuǎn)運(yùn)成本在內(nèi)的總成本最小為目標(biāo)函數(shù)建立模型.在算法上提出改進(jìn)后的動態(tài)規(guī)劃算法，把每個節(jié)點視為一段虛擬路徑，通過算例分析得到在冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)和普通集裝箱多式聯(lián)運(yùn)兩種情況下所得到的最優(yōu)路徑各不相同，冷藏集裝箱在海鐵聯(lián)運(yùn)的運(yùn)輸模式下，制冷成本雖然增加了，但總成本有所降低.研究冷藏集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化問題對決策者在選擇運(yùn)輸路徑時提供了可靠的參考依據(jù).

冷藏集裝箱； 多式聯(lián)運(yùn)； 運(yùn)輸組合優(yōu)化； 動態(tài)規(guī)劃； 海鐵聯(lián)運(yùn)

隨著人們的生活水平不斷提高，對貨物運(yùn)輸質(zhì)量的要求也有所提高，尤其是食物方面，所以冷藏集裝箱的多式聯(lián)運(yùn)越來越受到人們的關(guān)注.冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)體系創(chuàng)新業(yè)務(wù)的開展促使國際物流通道進(jìn)一步便捷且高效.

之前，冷藏集裝箱貨物運(yùn)輸通常會選擇公路.由于公路運(yùn)輸難以滿足急劇增長的冷藏集裝箱運(yùn)輸在能耗、安全、服務(wù)等方面的要求，冷藏集裝箱班列逐漸開通，促進(jìn)了“一帶一路”沿線國家的互聯(lián)互通，打破了海運(yùn)、鐵路冷藏集裝箱標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一以及更好的運(yùn)輸銜接問題.隨著我國的近年來油價的上漲，交通壓力的逐日上漲，大量的長距離跨海運(yùn)輸業(yè)務(wù)開始使用多式聯(lián)運(yùn)解決冷藏集裝箱運(yùn)輸問題，這也是最近剛提出的創(chuàng)新業(yè)務(wù)之一.當(dāng)前國際上公認(rèn)的且最合適的冷鏈物流設(shè)備是冷藏集裝箱，其適合機(jī)械化以及自動化的物流作業(yè)方式，并且冷藏集裝箱設(shè)備可以適用于各種交通工具進(jìn)行聯(lián)運(yùn)，減少了中轉(zhuǎn)產(chǎn)生的裝卸、搬運(yùn)次數(shù)，從而提高了物流流通效率，滿足了現(xiàn)代物流的需求.冷藏集裝箱的最大優(yōu)勢是因冷藏集裝箱的靈活性、便捷性實現(xiàn)了“門到門”服務(wù)，更多保障了食品的完好性，降低了冷藏貨物在中轉(zhuǎn)、運(yùn)輸過程的質(zhì)量貨損.

隨著現(xiàn)代物流企業(yè)越來越關(guān)注低成本高效率的運(yùn)輸方式，多式聯(lián)運(yùn)是多種運(yùn)輸方式的組合協(xié)調(diào)，旨在實現(xiàn)整個貨物運(yùn)輸?shù)男б鎯?yōu)化.根據(jù)遼寧日報報道[1]，2016年3月，大連港創(chuàng)新冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)，經(jīng)過大致3個月的時間試運(yùn)，相關(guān)溫度指標(biāo)、運(yùn)輸質(zhì)量、運(yùn)輸時間限制等均達(dá)到國際的標(biāo)準(zhǔn)，說明冷藏集裝箱運(yùn)輸將是現(xiàn)代物流發(fā)展的其中一種趨勢；根據(jù)冷水聯(lián)運(yùn)暨多式聯(lián)運(yùn)聯(lián)運(yùn)現(xiàn)場推進(jìn)會報道[2]，新時期冷藏集裝箱鐵水聯(lián)運(yùn)發(fā)展呈現(xiàn)出新的景象，在新型裝備的研發(fā)應(yīng)用上，冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)作為創(chuàng)新業(yè)務(wù)之一，促進(jìn)了國際物流通道的暢通性；孫金平，侯玉坤等[3]在分析鐵路冷藏集裝箱發(fā)展前景中表明冷藏集裝箱的靈活性、便捷性、以及“門到門”和“庫到庫”的運(yùn)輸，不僅給消費(fèi)者提供了高效的服務(wù)，還更多地保障了食品的完好性；TANNER[4]在冷藏運(yùn)輸中介紹全球食品運(yùn)輸發(fā)生了巨大變化主要是由于制冷，這開始于19世紀(jì)80年代的第一次從新西蘭成功的凍貨運(yùn)輸，且分別介紹了海陸空的冷藏集裝箱運(yùn)輸；陳雷，林伯梁等[5]研究了在碳排放政策下的多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化，運(yùn)用lingo實現(xiàn)求解，并驗證了模型的合理性；ZHANG等[6]把多式聯(lián)運(yùn)應(yīng)用到生物燃料的供應(yīng)鏈設(shè)計中，設(shè)計了多級整數(shù)規(guī)劃模型，通過運(yùn)用多式聯(lián)運(yùn)各種運(yùn)輸方式優(yōu)點的結(jié)合，多式運(yùn)輸模型能夠獲得高效的成本，而冷藏集裝箱運(yùn)輸產(chǎn)生的制冷成本會影響整個冷藏多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸路徑優(yōu)化的結(jié)果；繆小紅，周新年等[7]研究了冷鏈物流配送路徑優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)為運(yùn)輸成本，懲罰成本，貨損成本之間的總成本最小化，最后運(yùn)用matlab驗證了模型的有效性；韓駿，徐奇等[8]運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化模型研究了集裝箱多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)優(yōu)化，考慮了集裝箱運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用、時間以及運(yùn)輸質(zhì)量，但沒有考慮冷藏集裝箱運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的額外成本.

對于集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的優(yōu)化問題，國內(nèi)外學(xué)者做了較多的研究，目前多式聯(lián)運(yùn)研究主要在普通集裝箱方面較多，并作了定量以及定性的分析，而冷藏集裝箱的研究是在理論技術(shù)方面或者鐵路冷藏集裝箱運(yùn)輸方向的研究較多，本文從定量的方向研究冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸路徑優(yōu)化問題，考慮了冷藏集裝箱在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的相關(guān)成本(運(yùn)輸成本、中轉(zhuǎn)成本、制冷成本等).并通過算例分析比較，得出文章提出的基于海鐵聯(lián)運(yùn)冷藏集裝箱路徑優(yōu)化模型的重要性.

與上述文獻(xiàn)不同之處在于本文是在普通集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的基礎(chǔ)上，在海鐵聯(lián)運(yùn)的環(huán)境下對冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，降低整個冷藏集裝運(yùn)輸過程的貨損和能源消耗.為實現(xiàn)國際物流通道高效性和促進(jìn)冷鏈產(chǎn)業(yè)成本的最優(yōu)化的目標(biāo)，本文應(yīng)用多式聯(lián)運(yùn)的方式，合理結(jié)合各種運(yùn)輸模式的優(yōu)勢，在滿足消費(fèi)者需求的基礎(chǔ)上，以冷藏集裝箱在運(yùn)輸過程和中轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相關(guān)成本(包括時間成本、懲罰成本、運(yùn)輸和中轉(zhuǎn)過程中因消耗能源而產(chǎn)生的制冷成本等)構(gòu)建了路徑優(yōu)化模型，并根據(jù)多式聯(lián)運(yùn)的多階級性運(yùn)用了改進(jìn)后的動態(tài)規(guī)劃算法，之前運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃算法研究的多式聯(lián)運(yùn)是把兩個節(jié)點之間的運(yùn)輸過程視為動態(tài)規(guī)劃的一個階級.本文首先通過廣度優(yōu)先研究算法找到所有可能的路徑，然后運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃算法找到成本最低的運(yùn)輸系統(tǒng)，把所找到的運(yùn)輸路徑中每個城市相當(dāng)于動態(tài)規(guī)劃的一個階級，把兩座城市節(jié)點之間的路徑視為實際路徑，而把每個中轉(zhuǎn)城市節(jié)點視為虛擬的路徑，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的成本.最后通過Matlab優(yōu)化軟件驗證該模型的合理性.

1冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)問題描述

隨著經(jīng)濟(jì)全球化，國際間的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，導(dǎo)致貨物運(yùn)輸方式得到重大的變化.目前，我國的運(yùn)輸方式有5種，不同運(yùn)輸方式組合下會帶來不一樣經(jīng)濟(jì)效應(yīng).由于條件限制文章考慮的冷藏貨物運(yùn)輸方式有3種，在滿足客戶需求的情況下，實現(xiàn)冷藏貨物運(yùn)輸成本低且效率高.為了體現(xiàn)在多種運(yùn)輸模式網(wǎng)絡(luò)中不同運(yùn)輸方式組合帶來的不同效果，運(yùn)用了運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D來解決冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸路徑優(yōu)化問題，如圖1所示.

圖1 運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Transportation network

假設(shè)一批貨物由O點運(yùn)到D點，一條路上有2個中轉(zhuǎn)點M，各點之間有3種運(yùn)輸方式可以選擇，從圖2可以看出若要完成貨物的運(yùn)輸可以有多種運(yùn)輸路徑可以選擇，而每條路徑都是由多種運(yùn)輸方式組合而成，而文章的中心則是如何在規(guī)定的貿(mào)易時間內(nèi)以最小的成本完成運(yùn)輸任務(wù).

圖2 運(yùn)輸路徑圖Fig.2 Transportatin routes

1.1問題假設(shè)

1) 冷藏集裝箱在任何兩個節(jié)點之間只能選擇一種運(yùn)輸方式.

2) 冷藏集裝箱在各節(jié)點有鐵路、公路、水路3種運(yùn)輸方式可進(jìn)行選擇.

3) 各種運(yùn)輸方式的轉(zhuǎn)換只發(fā)生在節(jié)點上，除O/D外，且在中轉(zhuǎn)節(jié)點貨物運(yùn)輸量不能分開由多種運(yùn)輸方式來完成運(yùn)輸.

4) 冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)不僅要追求成本最小化，同時也要追求時間最短，所以存在一個指定時間確保運(yùn)輸任務(wù)在該時間內(nèi)完成，否則會導(dǎo)致企業(yè)的信譽(yù)度降低.

5) 冷藏集裝箱運(yùn)輸在運(yùn)輸過程中存在貨損，如整個運(yùn)輸過程中內(nèi)外溫度差異變化，在裝卸過程集裝箱內(nèi)貨物的位置移動等因素所致.

6) 考慮某些地區(qū)開通了“海運(yùn)+冷藏集裝箱班列運(yùn)輸+公路短駁”冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)業(yè)務(wù).

1.2冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)成本分析

冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)過程中產(chǎn)生了運(yùn)輸成本和貨損成本，在中轉(zhuǎn)點冷藏集裝箱運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變過程產(chǎn)生了中轉(zhuǎn)成本和貨損成本，同時在整個運(yùn)輸過程中產(chǎn)生了時間價值成本.而冷藏集裝箱運(yùn)輸相對于普通集裝箱運(yùn)輸會產(chǎn)生制冷成本.

1) 在途運(yùn)輸成本和貨損成本

冷藏集裝箱在多式聯(lián)運(yùn)過程中產(chǎn)生的成本C1由2部分組成，分別是運(yùn)輸成本A1和貨損成本B1.假設(shè)冷藏集裝箱貨損成本產(chǎn)生由時間的積累所致.則：

(1)

(2)

2) 中轉(zhuǎn)成本和貨損成本

冷藏集裝箱在多式聯(lián)運(yùn)在中轉(zhuǎn)點產(chǎn)生的成本C2由兩部分組成，分別為中轉(zhuǎn)成本A2和貨損成本B2，同樣的假設(shè)冷藏集裝箱在中轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的貨損成本由時間決定.則：

(3)

(4)

3) 制冷成本

冷藏集裝箱與普通集裝箱主要區(qū)別在于冷藏

集裝箱需要消耗額外的能源成本，冷藏集裝箱在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的能耗成本主要是制冷劑成本，其取決于箱體的內(nèi)外表面積、箱體內(nèi)部溫度，外界的溫度、箱體裂化程度和熱傳率等相關(guān)因素，假設(shè)冷藏集裝箱運(yùn)輸在整個運(yùn)輸過程中不允許拆箱，則.

(5)

(6)

4) 時間價值成本

在冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)過程中，時間價值成本的影響因素主要有貨物價值，集裝箱的占用費(fèi)，貨物在轉(zhuǎn)運(yùn)期間的存儲費(fèi)用等.

2模型建立

模型參數(shù)設(shè)計如表1所示.

表1 模型參數(shù)設(shè)計

其中目標(biāo)函數(shù)為：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

i1，i2∈i.

(16)

目標(biāo)函數(shù)共由5個部分組成，第1部分是整個運(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的運(yùn)輸成本(包括實際運(yùn)輸成本和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的貨損成本)；第2部分是在轉(zhuǎn)運(yùn)節(jié)點上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)運(yùn)成本(包括實際轉(zhuǎn)運(yùn)成本和在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中產(chǎn)生的貨損成本)；第3部分是制冷成本；第4部分為時間價值成本；第5部分為懲罰成本.

3算法設(shè)計

將上述問題轉(zhuǎn)化成階級性的網(wǎng)絡(luò)問題來解決，首先通過廣度優(yōu)先研究算法找到所有可能的路徑，然后針對一條路徑運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃算法找到成本最低的運(yùn)輸路徑，把兩個節(jié)點之間的路徑視為實際路徑，把每個中轉(zhuǎn)節(jié)點視為虛擬的路徑，該虛擬路徑也會產(chǎn)生相應(yīng)的成本.把找到的所有可能路徑中的每個節(jié)點視為動態(tài)規(guī)劃的一個階級，因此，如果該路徑有個節(jié)點，就有個階級.

在尋找最優(yōu)路徑過程中，由于在節(jié)點處存在轉(zhuǎn)運(yùn)成本，所以假設(shè)每個城市節(jié)點(除起始節(jié)點)為一段虛擬路程，這段路程產(chǎn)生的成本為轉(zhuǎn)運(yùn)總成本和制冷成本，從而獲得一個更大的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，然后運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃算法解決最短路徑問題.

算法設(shè)計如下：

1) 對于城市n，總成本為fn=0，總時間Tn=0；

2) 對于城市n-1，總運(yùn)輸成本可以表示為:

4) 從城市到城市，總成本可以表示為:

5) 總時間表示為:

6) 從城市到城市，總運(yùn)輸成本表示為:

7) 總時間表示為:

通過運(yùn)算，可以選擇最好的運(yùn)輸模式.在模型中時間因素具有重要的作用，便于在指定的時間內(nèi)選擇總成本最低的運(yùn)輸模式.

4算例分析

假設(shè)發(fā)貨人有20箱標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱，其鐵路運(yùn)費(fèi)之發(fā)到基價為149.5 元/箱，運(yùn)行基價為0.6 603 元/箱公里；水路運(yùn)輸運(yùn)行價為950 元/箱；公路運(yùn)費(fèi)之運(yùn)行基價為6 元/(箱?公里).貨物運(yùn)輸規(guī)定的時間期限為4 d，貨物價值為400 000元，每個集裝箱占用的費(fèi)用36.5元/d.貨物需要從哈爾濱運(yùn)輸?shù)匠啥?如圖3所示)，經(jīng)過北京，天津，大連，濟(jì)南，上海，鄭州，武漢，西安，重慶等地區(qū).總共可走路徑超過10種選擇.通過Matlab進(jìn)行求解，可以找到最優(yōu)路徑為：哈爾濱—長春—通遼市—大連—上?！錆h—重慶—成都，最優(yōu)的多式運(yùn)輸模式組合為：鐵路—鐵路—鐵路—水路—鐵路—鐵路—鐵路，總成本為164 832.03元，其中制冷成本為92 343.82元，總時間為70 h.

從表2～表6可以看出從哈爾濱到成都冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)和普通集裝箱多式聯(lián)運(yùn)所走路徑各不相同，普通集裝箱運(yùn)輸方式都是鐵路，而冷藏集裝箱運(yùn)輸方式是海鐵聯(lián)運(yùn)，這說明制冷成本的存在將會影響運(yùn)輸路徑的選擇；同時也可以看出在冷藏集裝箱考慮海鐵聯(lián)運(yùn)時比不考慮海鐵聯(lián)運(yùn)制冷成本雖然提高了10 657.56元，但總成本卻降低了7%.

圖3 算例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 The topology graph of structure for the case study

城市公路/km鐵路/km水路/km哈爾濱-通遼市50175148———哈爾濱-長春26472492———哈爾濱-大連97258725———哈爾濱-吉林35963301———長春-通遼市25712675———長春-沈陽31382815———通遼市-北京70926654———通遼市-大連71148173———吉林-大連72084777———沈陽-北京6883703———沈陽-天津6637666———沈陽-大連3900383———大連-上海20000223810689北京-西安1900001199———北京-鄭州72406890———北京-濟(jì)南42684060———天津-上海192001196012964天津-濟(jì)南32532840———濟(jì)南-武漢84269360———濟(jì)南-鄭州43956680———上海-武漢833980701125武漢-重慶888287608882鄭州-西安47945050———鄭州-重慶1153713610———西安-成都71118420———重慶-成都31433130———

表3 每種運(yùn)輸模式的平均速度

表4 不同運(yùn)輸模式之間的轉(zhuǎn)運(yùn)時間

表5 各種運(yùn)輸模式的轉(zhuǎn)運(yùn)成本

表6 算例結(jié)果

5總結(jié)

1) 國內(nèi)外學(xué)者對普通集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化的問題研究較多，冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)體系作為創(chuàng)新業(yè)務(wù)之一，卻沒有一篇文章對冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化問題進(jìn)行研究，文章提出了基于海鐵聯(lián)運(yùn)冷藏集裝箱運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型，并通過算例分析對冷藏集裝箱和普通集裝箱的最優(yōu)運(yùn)輸組合模式以及路徑進(jìn)行比較，體現(xiàn)出文章提出的冷藏集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化模型的重要性.

2) 文章運(yùn)用了廣度優(yōu)先研究算法、動態(tài)規(guī)劃算法、運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、求最短路、Matlab編程等方法建立該模型并求之.之前研究多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)用的動態(tài)規(guī)劃算法是把兩節(jié)點之間視為動態(tài)規(guī)劃的一個階級，而本文首先通過廣度優(yōu)先研究算法找到所有可能的路徑，從選擇的路徑中針對一條路徑進(jìn)行分析，視每個節(jié)點相當(dāng)于動態(tài)規(guī)劃的一個階級，找到成本最低的運(yùn)輸系統(tǒng).在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多時，考慮到廣度優(yōu)先算法過程中會出現(xiàn)指數(shù)爆炸的現(xiàn)象，所以建議運(yùn)用智能算法求解.

3) 通過算例結(jié)果分析得出，冷藏集裝箱和普通集裝箱最優(yōu)運(yùn)輸路徑以及運(yùn)輸模式各不同.冷藏集裝箱在海鐵聯(lián)運(yùn)的運(yùn)輸模式下制冷成本提高了，但是總成本降低了.

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Optimizing the sea-railway combined transportation route of refrigerated containers based on total cost

LIU Lin1， ZHU Xiaolin2

(1.Academy of sciences， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306; 2.School of arts and sciences， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306)

In order to create an efficient and convenient international logistics channel， and to meet the consumer’s living standardsat the same time， in the realization of "maritime+refrigerated trains+highway short split" new multimodal transport mode， this paper presents an optimization model of multimodal transportation path for refrigerated containers. Based on the multimodal transport of ordinary container， the optimization model is established by minimizing the cost composed of refrigeration cost， transportation cost and transshipment cost as the objective function. The dynamic programming algorithm is proposed， and each city node is regarded as a virtual path. Through calculation， the optimal path of the two models is different by solving the multimodal transport of refrigerated containers and the multimodal transport of ordinary containers. Under the mode of sea-railway combined transport of refrigerated containers，whilerefrigeration cost is increasing，but the total cost is decreasing. And the necessity of studying multimodal transport of refrigerated containers and the problem of sea-rail transport is obtained for transport managers．

refrigerated container multimodal transport combined optimization dynamic programming sea-rail transport

2017-01-23.

國家自然科學(xué)基金項目(11301334)；上海市科委計劃項目(14DZ2280200).

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.04.015

1000-1190(2017)04-0504-06

N945

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: xlzhu@bdc.shmtu.edu.cn.