于雪嶠，葉 飛，丁小東，許植深

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

1 鐵路專用線網(wǎng)絡(luò)布局現(xiàn)狀

為優(yōu)化調(diào)整運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，鼓勵鐵路專用線發(fā)展，打通鐵路“最后一公里”，2019年9月，國家發(fā)展和改革委員會、中國國家鐵路集團(tuán)有限公司等單位聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)鐵路專用線建設(shè)的指導(dǎo)意見》(發(fā)改基礎(chǔ)[2019] 1445號)，該意見指出鐵路專用線是解決鐵路運(yùn)輸“最后一公里”問題、暢通“微循環(huán)”、促進(jìn)“公轉(zhuǎn)鐵”發(fā)展的重要設(shè)施，對減少公路短駁、發(fā)揮鐵路成網(wǎng)服務(wù)水平、提升經(jīng)濟(jì)社會效益具有重要作用。

鐵路專用線是鐵路大宗貨運(yùn)引流上線的重要渠道，也是有效提升鐵路市場競爭力的有效途徑，優(yōu)化取送車作業(yè)計劃、選取戰(zhàn)略裝車節(jié)點對加速取送車周轉(zhuǎn)和提升鐵路專用線使用效率具有重要意義。目前，我國鐵路專用線網(wǎng)絡(luò)布局主要存在鐵路專用線布局較為分散、經(jīng)營產(chǎn)品相對單一、貨運(yùn)作業(yè)效率不高和鐵路專用線規(guī)劃滯后的問題。

（1）鐵路專用線布局較為分散。改革開放初期大規(guī)模修建的鐵路專用線有效緩解了鐵路運(yùn)輸?shù)木o張局面，我國鐵路專用線的基礎(chǔ)布局由此逐漸形成。但由于在專用線修建時期沒有進(jìn)行區(qū)域范圍內(nèi)的綜合考量，導(dǎo)致鐵路專用線相對分散。近年來，隨著我國的綜合交通體系日趨完善，專用線的分散布局影響鐵路調(diào)車作業(yè)的順利進(jìn)行，浪費鐵路運(yùn)力資源，影響鐵路運(yùn)輸效率。

（2）經(jīng)營產(chǎn)品相對單一。由于受傳統(tǒng)思想、運(yùn)作制度及設(shè)備能力限制等因素的影響，鐵路專用線目前處于分散經(jīng)營的狀態(tài)，經(jīng)營產(chǎn)品相對單一，僅開展部分貨物的運(yùn)輸、倉儲、裝卸搬運(yùn)等業(yè)務(wù)，鐵路專用線專業(yè)化、規(guī)?；⒓苫潭容^低。在我國鐵路成網(wǎng)條件下，由于受到現(xiàn)行運(yùn)輸組織模式的制約，鐵路專用線尚未形成以鐵路專用線沿線企業(yè)，特別是以大中型廠礦企業(yè)專用線為中心的現(xiàn)代化延伸服務(wù)。

（3）貨運(yùn)作業(yè)效率不高。一是部分企業(yè)的專用線，尤其是國有企業(yè)的專用線，存在倉儲等物流設(shè)施配套不足的問題，不能滿足客戶全流程、零庫存需求。二是部分中小型企業(yè)專用線貨運(yùn)設(shè)施設(shè)備落后，裝卸作業(yè)效率不高，貨車占用時間較長，增加了企業(yè)運(yùn)輸成本。受市場環(huán)境影響，部分專用線沿線企業(yè)因經(jīng)營不善陷入倒閉的邊緣，不少企業(yè)專用線被迫停辦或拆除。

（4）鐵路專用線規(guī)劃滯后。一方面，部分鐵路專用線建設(shè)周期長，在鐵路專用線接軌需求意向清單中，有大量超過3年未開工的鐵路專用線，與新形勢下城市發(fā)展需求銜接不暢。另一方面，鐵路專用線建設(shè)與國家、地方政策導(dǎo)向相矛盾，城市規(guī)模化發(fā)展后，非城區(qū)的鐵路專用線逐漸演化成城區(qū)內(nèi)的鐵路專用線，對城市交通和區(qū)域切割嚴(yán)重，面臨較大的拆遷轉(zhuǎn)移風(fēng)險。

綜上所述，鐵路專用線規(guī)劃布局亟需一套科學(xué)合理的決策方法，實現(xiàn)鐵路專用線資源的整合利用。鐵路專用線布局優(yōu)化問題的本質(zhì)是提升鐵路專用線貨源吸引范圍的組合優(yōu)化問題，通過優(yōu)化運(yùn)力資源與貨運(yùn)需求的耦合關(guān)系，以貨流集中化組織模式為表現(xiàn)形式，充分利用鐵路專用線能力并進(jìn)一步緩解鐵路專用線接軌站的作業(yè)壓力。在鐵路專用線布局規(guī)劃領(lǐng)域，大部分學(xué)者以優(yōu)化接軌站取送車作業(yè)效率為突破口，以雙層規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃，啟發(fā)式算法求解、精確算法求解等為方法多維度實現(xiàn)取送車作業(yè)的最優(yōu)化，以提升專用線運(yùn)用效率[1-8]。然而在既有研究中，不同種運(yùn)輸方式對專用線作業(yè)效率與運(yùn)輸總成本的影響沒有納入考慮范圍，且對需求與供給在時間維度的耦合特征考慮不夠充分。因此，在全面分析鐵路專用線的基礎(chǔ)上，考慮供給與需求時空資源的匹配關(guān)系，構(gòu)建基于貨流集中化的鐵路專用線布局規(guī)劃模型，為我國鐵路專用線的發(fā)展提供理論支撐。

2 基于貨流集中化的鐵路專用線布局規(guī)劃模型構(gòu)建

2.1 問題描述

由于鐵路專用線需求企業(yè)分布較為分散，造成接軌站取送車作業(yè)壓力較大，同時增加了鐵路運(yùn)輸成本，并增加了鐵路專用線企業(yè)在施工建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)等方面的成本投入。基于貨流集中化的鐵路專用線布局規(guī)劃，以專用線共用模式為基礎(chǔ)，可以充分發(fā)揮專用線效能，將布局分散、需求較小的鐵路專用線企業(yè)整合集中，從貨流路徑優(yōu)化角度，構(gòu)建包括公路或皮帶短駁與鐵路專用線組成的集疏運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，從取送車作業(yè)次數(shù)與專用線貨流運(yùn)輸總成本2個維度進(jìn)行優(yōu)化，最終確定基于貨流集中化的鐵路專用線服務(wù)網(wǎng)絡(luò)布局方案，提升鐵路專用線輻射范圍，達(dá)到鐵路專用線布局優(yōu)化的效果。鐵路專用線優(yōu)化效果示意圖如圖1所示。

圖1 鐵路專用線優(yōu)化效果示意圖Fig.1 Upgraded layout of the dedicated railway lines

2.2 模型構(gòu)建

為實現(xiàn)貨流集中化，緩解接軌站作業(yè)壓力，構(gòu)建以取送車作業(yè)成本與運(yùn)輸總成本最小為目標(biāo)的多目標(biāo)整數(shù)規(guī)劃模型。通過將取送車作業(yè)成本單獨作為目標(biāo)優(yōu)化，可進(jìn)一步保證貨流的集中化，將運(yùn)輸總成本作為優(yōu)化目標(biāo)，可保證貨流組織方案的最優(yōu)化。在計算過程中，假設(shè)專用線企業(yè)貨運(yùn)需求不可拆分，為便于計算，僅考慮專用線企業(yè)的發(fā)送需求，綜合考慮取送車次數(shù)與運(yùn)輸總成本，基于取送車作業(yè)時間窗的鐵路專用線服務(wù)網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型為

式中:niD為從接軌站發(fā)出的取送車次數(shù)；cs為單次取送車的作業(yè)成本；k，l為運(yùn)輸方式；均為0-1變量，其中，表示在運(yùn)輸弧(i，j)上選擇k運(yùn)輸方式則為1，否則為0同理；為在運(yùn)輸弧(i，j)上選擇k運(yùn)輸方式的成本；q為運(yùn)輸需求量；為節(jié)點i由k運(yùn)輸方式是否換裝到l運(yùn)輸方式，如果是則為1，否則為0；為在節(jié)點i由k種運(yùn)輸方式換裝到l種運(yùn)輸方式的單位成本；O為運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的起點；D為運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的訖點；Tr為運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中除起訖點以外的節(jié)點；ti為貨物到達(dá)節(jié)點i的時間；為節(jié)點i的作業(yè)時間窗，其與接軌站的組織方案、貨物裝卸作業(yè)時間有關(guān)；M為無窮大的自然數(shù)；Q為整列車的運(yùn)輸能力。

基于取送車作業(yè)時間窗的鐵路專用線服務(wù)網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型的各公式意義如下。公式 ⑴ 表示取送車作業(yè)成本最小，通過作業(yè)成本約束取送車次數(shù)；公式 ⑵ 表示貨流總成本最小，包括運(yùn)輸成本及在專用線企業(yè)的中轉(zhuǎn)換裝成本，通過貨流總成本約束專用線的使用效率，即實現(xiàn)專用線的合并共用；公式 ⑶表示節(jié)點的貨流平衡約束；公式 ⑷ 表示同一批貨物僅能選擇同一次運(yùn)輸弧；公式 ⑸ 表示同一批貨物在同一個節(jié)點僅能換裝1次；公式 ⑹ 表示貨物到達(dá)專用線企業(yè)的時間應(yīng)滿足作業(yè)時間與取送車到發(fā)時間的要求；公式 ⑺ 表示貨物具體到達(dá)節(jié)點j的時間，是非線性約束；公式 ⑻ 表示如果專用線企業(yè)自身需求已達(dá)到開行整列的需求，則不需要考慮到其他專用線企業(yè)換裝；公式 ⑼ 表示取送車次數(shù)應(yīng)與所選專用線企業(yè)相同，保證所選貨流集中的企業(yè)能夠有取送車服務(wù)；公式 ⑽ 表示決策變量間的相互關(guān)系，即如果在某一個節(jié)點發(fā)生換裝，則一定存在一條被選擇的運(yùn)輸弧，反之不成立；公式 ⑾，⑿ 表示決策變量的可變域約束。

2.3 線性化表達(dá)

基于貨流集中化的鐵路專用線網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃模型為非線性模型，在應(yīng)用精確求解軟件進(jìn)行求解時，難以求得全局最優(yōu)解從而失去應(yīng)用精確算法求解的優(yōu)勢，因而應(yīng)先對模型中的公式 ⑺ 做線性化處理。

運(yùn)輸弧(i，j)上是否選用l種運(yùn)輸方式即xkij的取值存在2種情況，當(dāng)xkij= 1時，公式 ⑺ 可表示為

同理，當(dāng)xkij= 0時，公式 ⑺ 可表示為

因而可將公式 ⑺ 線性化表示為

3 實證分析

3.1 參數(shù)取值

假設(shè)公路服務(wù)網(wǎng)絡(luò)均采用新能源汽車運(yùn)輸，其成本包括平均固定成本24.24元/輛，和與距離相關(guān)的可變成本為1.73元/ (km·輛)，鐵路專用線取送車費為9元/車公里；鐵路裝卸作業(yè)費為11.2元/t；運(yùn)輸煤炭鐵路貨車的靜載重為70 t/車；公路裝卸費為6.9元/t。為驗證鐵路專用線布局規(guī)劃模型的有效性，構(gòu)建由接軌站K和與其接軌的10個專用線企業(yè)組成的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，集疏運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示，各節(jié)點間運(yùn)距如表1所示，各專用線企業(yè)平均日運(yùn)輸需求與作業(yè)時間要求如表2所示。

圖2 集疏運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Collection and distribution service network

表1 各節(jié)點間運(yùn)距 kmTab.1 Haul distance between connections

表2 各專用線企業(yè)平均日運(yùn)輸需求與作業(yè)時間要求Tab.2 Daily average transport demand for dedicated lines and their operation time requirement

3.2 模型求解

應(yīng)用Lingo12.0求解軟件對模型進(jìn)行求解得出優(yōu)化后的貨流組織方案，優(yōu)化后的貨流組織優(yōu)化方案如表3所示。

表3 優(yōu)化后的貨流組織優(yōu)化方案Tab.3 Upgraded cargo fl ow organization plan

通過計算結(jié)果可知，基于貨流集中化的鐵路專用線布局優(yōu)化方案，從運(yùn)輸組織、建設(shè)運(yùn)營、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)3個方面進(jìn)行以下優(yōu)化。

（1）從運(yùn)輸組織方面，專用線企業(yè)1的運(yùn)輸需求通過公路整合至專用線企業(yè)2，專用線企業(yè)4和7的運(yùn)輸需求通過公路整合至專用線企業(yè)6，專用線企業(yè)8的運(yùn)輸需求由公路整合至專用線企業(yè)9。將優(yōu)化后的結(jié)果與鐵路專用線既有組織方案進(jìn)行比較，鐵路專用線既有組織方案需要10次取送車作業(yè)才能完成單日專用線作業(yè)任務(wù)，而采用基于貨流集中化的專用線運(yùn)輸組織方案可將專用線取送車次數(shù)降低到6次，有效緩解鐵路專用線接軌站的作業(yè)壓力。

（2）從建設(shè)運(yùn)營方面，基于貨流集中化的鐵路專用線布局方案，減少了專用線企業(yè)1，4，7，8的建設(shè)運(yùn)營投入，提升了鐵路整體運(yùn)輸組織效率。如果專用線企業(yè)1，4，7，8僅為有鐵路專用線運(yùn)輸需求還未建設(shè)鐵路專用線的企業(yè)，則可以通過專用線共用模式分別與專用線企業(yè)2，6，9共用，進(jìn)一步顯著降低鐵路專用線的建設(shè)及運(yùn)維成本。

（3）從服務(wù)網(wǎng)絡(luò)方面，通過使用新能源汽車+專用線企業(yè)貨流集中的組織模式，鐵路專用線的取送車次數(shù)有所減少，達(dá)到降低社會物流成本的效果。在實際運(yùn)營中，部分企業(yè)距鐵路專用線相對較近，對于上述企業(yè)，可選取合適的品類通過皮帶運(yùn)輸方式實現(xiàn)貨流集中，將進(jìn)一步降低社會物流成本，提升鐵路運(yùn)輸服務(wù)水平與效能。

4 結(jié)束語

鐵路專用線運(yùn)輸在鐵路貨運(yùn)增量行動中具有重要支撐作用，通過對專用線組織模式的頂層設(shè)計、中觀操作層面的布局優(yōu)化，以及微觀運(yùn)營層面的組織優(yōu)化可以顯著提升鐵路專用線運(yùn)輸組織效率，緩解接軌站運(yùn)輸組織能力不足的問題，有效提升鐵路集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)能力。通過推廣專用線共用模式，可進(jìn)一步吸引其他沒有專用線接軌的企業(yè)轉(zhuǎn)向鐵路運(yùn)輸，進(jìn)一步發(fā)揮專用線為鐵路“第二貨場”的職能，提升專用線企業(yè)的能力利用率?；谪浟骷谢蔫F路專用線布局優(yōu)化可為鐵路在大宗貨物集疏運(yùn)領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展、精細(xì)化管理提供理論支撐。