吳培森

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300456）

1 引言

現(xiàn)代港口多式聯(lián)運(yùn)的貨物集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化研究，在集裝箱這方面的業(yè)務(wù)經(jīng)營里是難度比較高的問題。不僅要保證合理的運(yùn)輸時(shí)間，節(jié)省運(yùn)輸成本，還要兼顧一系列的社會成本，對于現(xiàn)代港口的貨物集裝箱運(yùn)輸企業(yè)的影響較大，所以選擇最優(yōu)的運(yùn)輸方案，對于企業(yè)來說是非常重要的，甚至可以直接影響企業(yè)未來的命運(yùn)。本文將對現(xiàn)代港口多式聯(lián)運(yùn)的貨物集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化進(jìn)行探究，提出有參考價(jià)值的理論與方法，對其有一定的啟發(fā)作用。在現(xiàn)代化的物流業(yè)中集裝箱多式聯(lián)運(yùn)是一種高級的組織形態(tài)，研究它的主要目的是為了從整體上提高貨物運(yùn)輸?shù)男剩瑥亩_(dá)到運(yùn)輸效益的最優(yōu)解。在多式聯(lián)運(yùn)的過程之中，運(yùn)輸經(jīng)營人可以自由靈活的選擇多種集裝箱運(yùn)輸方式進(jìn)行排列組合，運(yùn)用科學(xué)合理的方法探究出一種高效的運(yùn)輸方法，整體提升整個(gè)行業(yè)的運(yùn)輸水平，提高行業(yè)的競爭力。下面將就此問題進(jìn)行探究，進(jìn)一步提出多式聯(lián)運(yùn)的貨物集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案。

2 集裝箱多級聯(lián)運(yùn)的問題描述

在多式聯(lián)運(yùn)集裝箱運(yùn)輸?shù)倪^程當(dāng)中，需要考慮很多影響因素，主要在以下三個(gè)方面：運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸成本、運(yùn)輸社會效益。這幾個(gè)因素會在不同程度上對多式聯(lián)運(yùn)集裝箱網(wǎng)絡(luò)造成影響，為了使所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型更加嚴(yán)密和合理，也便于展開后續(xù)的研究［1］，做出如下幾點(diǎn)描述：

1）在整個(gè)運(yùn)輸過程中，貨物的質(zhì)量M為恒定值，即在運(yùn)輸過程中不存在丟失，損耗等情況。

2）在運(yùn)輸?shù)姆绞胶吐窂酱_定的前提下，運(yùn)輸?shù)牡某杀緝H僅與運(yùn)輸?shù)臄?shù)量，運(yùn)輸?shù)木嚯x，運(yùn)輸商品的單價(jià)這些因素有關(guān)。

3）在運(yùn)輸?shù)姆绞胶吐窂酱_定的前提下，運(yùn)輸貨物的時(shí)間的影響因素只考慮運(yùn)輸時(shí)間。

4）在整個(gè)運(yùn)輸過程中，季節(jié)、氣候、地勢條件等因素對運(yùn)輸成本及運(yùn)輸時(shí)間的影響都忽略不計(jì)。

在現(xiàn)代化港口的多式聯(lián)運(yùn)的優(yōu)化方案研究中采用上述假設(shè)，那么運(yùn)輸方式的選擇、運(yùn)輸貨物集裝箱、多式聯(lián)運(yùn)方案選擇便成為了整個(gè)方案中最基本的三個(gè)要素。其中，多式聯(lián)運(yùn)中通道及各種運(yùn)輸方式的選擇便成為了它的軀干，而運(yùn)輸貨物集裝箱便成為了它的血肉。此外，在多級式聯(lián)運(yùn)中，其運(yùn)輸方式和運(yùn)送方案的選擇之間既有制約關(guān)系，也有促進(jìn)關(guān)系。這三個(gè)要素對于多級式運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量和效率有著決定性的影響。

集裝箱多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)三角形關(guān)系圖如圖1所示：

圖1 集裝箱多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)三角形關(guān)系圖

3 現(xiàn)代港口多式聯(lián)運(yùn)的貨物集裝箱運(yùn)輸成本分析

在集裝箱多級式聯(lián)運(yùn)集裝箱的運(yùn)輸過程中，經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本及社會的綜合成本［2］成為了選擇高效運(yùn)輸方式和和運(yùn)輸方案的關(guān)鍵制約因素。所以通過多級式聯(lián)運(yùn)的方式將貨物集裝箱從起始港口A運(yùn)往目的地B的優(yōu)化運(yùn)輸模型如下：

其中，F(xiàn)1為其運(yùn)輸過程中的經(jīng)濟(jì)成本；F2為其運(yùn)輸過程中的時(shí)間成本；F3、F4均為其社會綜合成本（F3為能源消耗，F(xiàn)4為污染氣體的排放總量）。

3.1 經(jīng)濟(jì)成本的分析

在集裝箱的運(yùn)輸過程中，經(jīng)濟(jì)成本可以從兩個(gè)角度出發(fā)來考慮成本：運(yùn)輸和轉(zhuǎn)運(yùn)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

1）D1：集裝箱運(yùn)輸過程中的基本運(yùn)輸成本。其表達(dá)式如下：

其中，n為在集裝箱運(yùn)輸?shù)倪^程中，集裝箱經(jīng)過的中轉(zhuǎn)站數(shù)目［3］，n個(gè)中轉(zhuǎn)站將會把整個(gè)運(yùn)輸途徑劃分為n+1條，α,β,γ,λ分別表示公路、鐵路、水路、航空四種運(yùn)輸方式（下面提及都是相同含義）；di為第i條路徑上集裝箱的運(yùn)輸成本；N為運(yùn)輸中集裝箱的總數(shù)目；m為集裝箱的單個(gè)重量；Uik為在第i條路徑上，選用K方式進(jìn)行運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸成本；lk為在第i個(gè)路徑的運(yùn)輸距離。

2）D2：在運(yùn)輸過程中轉(zhuǎn)運(yùn)的成本費(fèi)用。其公式如下：

其中，dj為集裝箱在運(yùn)輸過程中在j轉(zhuǎn)運(yùn)站上轉(zhuǎn)運(yùn)的費(fèi)用；為在第j個(gè)中轉(zhuǎn)站中，將單個(gè)集裝箱的運(yùn)輸方式的運(yùn)輸方式由轉(zhuǎn)化成需要支付的成本。

3.2 時(shí)間成本分析

在整個(gè)運(yùn)輸過程中也需要考慮如下兩個(gè)方面的時(shí)間成本：運(yùn)輸和裝運(yùn)，其公式如下：

其中，α為單位集裝箱的平均轉(zhuǎn)化時(shí)間。T為運(yùn)輸過程中運(yùn)輸總時(shí)間的最大極限。

1）T1：運(yùn)輸過程中的運(yùn)輸時(shí)間。其計(jì)算公式如下：

其中，ti為在運(yùn)輸過程中所需要的總時(shí)間。vik為在運(yùn)輸過程的第i條路徑上采取k運(yùn)輸方式下的運(yùn)輸速度。

2）T2為在其運(yùn)輸過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)成本。其具體的運(yùn)算表達(dá)式如下：

其中，tj為在運(yùn)輸過程中在第j個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站中所需的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間。為在第j個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)站中，運(yùn)輸方式由k轉(zhuǎn)換成所需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

3.3 社會綜合成本分析

在集裝箱運(yùn)輸?shù)倪^程中，社會綜合成本也需要考慮下面兩點(diǎn)：能源消耗和空氣污染［4］。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，β為能源在單位消耗中的轉(zhuǎn)換成本；γ為有害氣體單位整治成本。

1）Q1為其運(yùn)輸過程中的能源消耗。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中，qi為在運(yùn)輸過程中的第i條路徑上所消耗的能量?！蔾為在采用k運(yùn)輸方式時(shí)，在單位距離上運(yùn)輸單位貨物所消耗的能量。

2）Q2：集裝箱在運(yùn)輸?shù)倪^程中空氣污染的程度。其數(shù)學(xué)公式為

其中，cij為第i條運(yùn)輸路徑上，j污染氣體的排放量。Y為污染氣體的種類，a為二氧化碳，b為二氧化氮，c為二氧化硫。zkj為采用k運(yùn)輸方式的前提下，單位距離中貨物運(yùn)輸所排放的污染氣體總量。

4 實(shí)驗(yàn)例證分析

假設(shè)現(xiàn)有一批集裝箱貨物要從始發(fā)港口O運(yùn)往目的地G［5］，在此運(yùn)輸過程中，有多個(gè)運(yùn)輸方式、運(yùn)輸路徑及運(yùn)輸方案組合方案可以進(jìn)行選擇。在綜合考慮上問所提及的三個(gè)基本成本的基礎(chǔ)上，承運(yùn)人要選擇最優(yōu)的運(yùn)輸方案進(jìn)行集裝箱運(yùn)輸。

針對以上的討論，下面就以一個(gè)常見的六節(jié)點(diǎn)集裝箱港口多式級聯(lián)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖來進(jìn)行模擬分析?，F(xiàn)有一批數(shù)量為N的貨物集裝箱，從起始港口Q運(yùn)往目的地G，運(yùn)輸過程中可能經(jīng)過的城市或者港口為 S1、S2、S3、S4，其中的每一個(gè)都可以宣威運(yùn)輸途中的中轉(zhuǎn)站，上述4個(gè)中轉(zhuǎn)站可以選擇的運(yùn)輸方式如下圖2所示。在上路的多式集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖中，兩個(gè)城市或者港口之間的運(yùn)輸方式以及其可以進(jìn)行選擇的運(yùn)輸方式都用線段來表示。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中包含18條路徑，涉及鐵路和公路、海運(yùn)、航空等運(yùn)輸方式，可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活的調(diào)整和搭配［6］。

圖2 運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)圖

表2～表3就運(yùn)輸途中中轉(zhuǎn)站及各種運(yùn)輸方式的基本數(shù)據(jù)給出了詳細(xì)的數(shù)值。其中表2給出了采取不同方式進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)的運(yùn)輸速度、污染氣體的排放比例系數(shù)、能演消耗系數(shù)；表3給出了各個(gè)中轉(zhuǎn)站之間的運(yùn)輸距離和采用不同方式進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)的單位價(jià)格；表4給出了在運(yùn)輸過程中，選擇在不同港口進(jìn)行貨物轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間及價(jià)格。

表2 采取不同運(yùn)輸方式的基本參數(shù)

表3 各轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)之間的路徑參數(shù)

表4 各中轉(zhuǎn)站的中轉(zhuǎn)時(shí)間/中轉(zhuǎn)費(fèi)用

利用本文構(gòu)建的現(xiàn)代港口多式聯(lián)運(yùn)的貨物集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型，下面利用遺傳算法在Matlab上進(jìn)行代碼編寫求解。下面對遺傳算法進(jìn)行簡單的介紹：該算法有四個(gè)基本的要素分別為參數(shù)編碼、適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)、遺傳算子的設(shè)計(jì)、算法控制參數(shù)的設(shè)定［7］。

1）參數(shù)編碼

由于這種算法不具備處理空間問題的能力，所以在對相應(yīng)問題的處理時(shí)，首先要對其進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化。這里的轉(zhuǎn)化指的是將其轉(zhuǎn)化成空間染色體組，因?yàn)槿旧w具有一定的序列組合，故把這個(gè)過程稱之為編碼［8］，這是應(yīng)用該算法解決問題的第一要務(wù)。而具體的編碼方法也有很多，選擇一種合適的即可。

2）適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)

適應(yīng)度函數(shù)在遺傳算法里具體指的是所研究個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)。經(jīng)過適應(yīng)度函數(shù)的刪選可以對研究物體的優(yōu)劣進(jìn)行一定的認(rèn)識，從而可以制定出更加具有針對性的問題解決方案，并且具有任意性。其需要滿足的也是唯一需要滿足的要求就是使目標(biāo)函數(shù)非負(fù)，主要目的就是為了在計(jì)算中更加有利于排序［9］。

3）遺傳算子的設(shè)計(jì)

此處的遺傳算子主要有三部分：選擇、交叉及變異。其中第一個(gè)選擇算子以優(yōu)勝劣汰的選擇對群體中的個(gè)體進(jìn)行選擇，這個(gè)過程可以有效地解決組合優(yōu)化的問題。第二個(gè)交叉算子是將兩個(gè)父體的個(gè)體部分進(jìn)行一定的調(diào)整重組［10］，從而得到新的個(gè)體。第三種變異算子是將其群體內(nèi)的某一個(gè)體進(jìn)行整體改變或者進(jìn)行基因移植，從而生成新的個(gè)體。

4）算法控制參數(shù)的設(shè)定

關(guān)鍵參數(shù)的選擇也有很多種，例如：交叉概率、編碼串長度等。這些參數(shù)的選擇會直接影響遺傳算法的執(zhí)行時(shí)的性能［11］，因此必須有一個(gè)系統(tǒng)性的方案［12］。

算法流程圖3如下：

圖3 遺傳算法流程圖

設(shè)單位貨物集裝箱的質(zhì)量m為15噸，貨物集裝箱的數(shù)量N分別為50、60、70，其運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間分別為 12h、25h、16h，α、β、γ所對應(yīng)的值分別為 104、10-4、1的前提下，對其進(jìn)行模擬估算，并把種群的規(guī)模和迭代次數(shù)分別設(shè)置為30個(gè)、150次。據(jù)此由網(wǎng)絡(luò)圖3得到符合本設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)運(yùn)輸方案［13］如下：

當(dāng)集裝箱的數(shù)量為70個(gè)時(shí)，所花費(fèi)的經(jīng)濟(jì)成本為474558元，所花費(fèi)的的總運(yùn)輸時(shí)間為14.975h，能源消耗的總量為48.77*108kJ，二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫的排放量依次為358370.5kg、1798.285kg、235.097kg，具體運(yùn)輸方案為：從起始港口O出發(fā)，經(jīng)過中轉(zhuǎn)港口或者城市S2最終到達(dá)目的地G。并且從O到S2采用公路運(yùn)輸，由S2到G采用航空運(yùn)輸。

5 結(jié)語

伴隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)也得到了很大的改善。港口多式級聯(lián)集裝箱運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用也越來越廣泛。特別是在經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)輸效率這兩個(gè)方面，其作用顯而易見，已經(jīng)成了現(xiàn)代化港口運(yùn)輸?shù)拇筅厔??；谶@個(gè)前提，我國港口運(yùn)輸應(yīng)該結(jié)合我國自身的實(shí)際情況，積極進(jìn)行探索，從而找到運(yùn)輸方式組合的最優(yōu)解，進(jìn)一步推動港口多式級聯(lián)集裝箱運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，實(shí)現(xiàn)其效益的最大化。在對國內(nèi)外港口集裝箱多式級聯(lián)運(yùn)輸研究的進(jìn)行基礎(chǔ)上，對其模型的優(yōu)化進(jìn)行了更深入的研究［14］。具體的成果如下：

1）針對港口多式集聯(lián)運(yùn)輸理論進(jìn)行了系統(tǒng)性的概述，其主要包括它在不斷發(fā)展過程中所存在的問題、運(yùn)輸流程、多式級聯(lián)運(yùn)輸?shù)亩x、特征以及其所具備的優(yōu)勢。以上述內(nèi)容為背景簡單地闡述了港口多式級聯(lián)運(yùn)輸?shù)慕M成要素，以便更好地進(jìn)行其模型優(yōu)化方案的探究。

2）在確定運(yùn)輸?shù)姆绞降幕A(chǔ)上，從其存在的優(yōu)缺點(diǎn)，所需要的成本及經(jīng)濟(jì)成本等方面對其進(jìn)行分析和比較。根據(jù)運(yùn)輸成本、時(shí)間、數(shù)量等制約因素，構(gòu)建一個(gè)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型。

3）根據(jù)上文敘述，對運(yùn)輸過程中的經(jīng)濟(jì)成本、時(shí)間成本、社會綜合成本進(jìn)行綜合考慮，把總體運(yùn)輸時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案中的制約因素，建立現(xiàn)代港口多式級聯(lián)集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，然后運(yùn)用遺傳算法對其進(jìn)行模擬運(yùn)算，構(gòu)建了具體的運(yùn)算案例。

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