陳怡靜，謝童玲，黃麗霞

（成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730）

1 引言

隨著全球化進(jìn)程的加快和國(guó)際貿(mào)易的發(fā)展，跨國(guó)運(yùn)輸?shù)男枨笕找鏀U(kuò)大，多式聯(lián)運(yùn)能夠提高經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)節(jié)能減排，符合低碳發(fā)展的理念，近年來(lái)對(duì)多式聯(lián)運(yùn)的研究逐漸豐富，為開(kāi)展進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

效率評(píng)價(jià)和路線選擇是多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的關(guān)鍵，需要選擇不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模型構(gòu)建和優(yōu)化。目前的文獻(xiàn)主要關(guān)注運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益，運(yùn)輸路徑的選擇是通過(guò)衡量運(yùn)輸時(shí)間和成本。劉松等[1]在處理冷藏集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑網(wǎng)絡(luò)的選擇時(shí)主要關(guān)注的是費(fèi)用這一因素，包括運(yùn)輸費(fèi)用、轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用、冷藏費(fèi)用，其次考慮的是貨運(yùn)方案的匹配；Kabashkin等[2]主要考慮的是貨物的時(shí)效性，以此建立了基于時(shí)間價(jià)值的最優(yōu)路徑選擇；Woo等[3]在選擇運(yùn)輸方案時(shí)將各路線產(chǎn)生的總的物流成本作為首要的衡量標(biāo)準(zhǔn)；Resat H G等[4]建立了以運(yùn)輸時(shí)間和成本最小的雙目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型；Lam J S L等[5]在以上單一目標(biāo)的基礎(chǔ)上，考慮滿(mǎn)足成本、時(shí)間和環(huán)境指標(biāo)要求的多目標(biāo)路徑優(yōu)化模型。

關(guān)于多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇的方法也日漸豐富。李玉民等[6]將多式聯(lián)運(yùn)的多目標(biāo)選擇問(wèn)題簡(jiǎn)化為單目標(biāo)的處理問(wèn)題，在求解時(shí)使用的是遺傳算法的思想簡(jiǎn)化復(fù)雜路線的求解過(guò)程；任剛等[7]在遺傳算法基礎(chǔ)上又考慮到多周期、多產(chǎn)地以及時(shí)間窗等特征，建立了帶有混合時(shí)間窗的中歐集裝箱多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇優(yōu)化模型；胡輝等[8]考慮到多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇時(shí)可能面臨諸多不確定性及未知的環(huán)境，并融入了隨機(jī)模擬的理念，借助ELECTRE的基本思想尋找最優(yōu)的路徑；張煜等[9]考慮不同季節(jié)以及不同環(huán)境的影響，對(duì)多式聯(lián)運(yùn)的路徑選擇問(wèn)題轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整設(shè)計(jì)；就國(guó)外對(duì)于多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇的研究來(lái)看，Dotoli M 等[10]提出了一種多目標(biāo)、不確定性、高分辨能力的模糊交叉效率數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法，用于多式聯(lián)運(yùn)規(guī)劃；Yamada等[11]在處理實(shí)際大型區(qū)域間多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用基于遺傳局部搜索的啟發(fā)式方法求解，有效地改善了菲律賓的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。

在分析影響多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇的因素方面，張小龍等[12]引入混合時(shí)間窗約束，建立了多目標(biāo)多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化模型，對(duì)決策者選擇運(yùn)輸方案有重要意義。然而，大部分研究并未采用科學(xué)、合理的方法解釋該指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇方案有效性的重要程度，更多的是各指標(biāo)效益的簡(jiǎn)單加總，由此建立的評(píng)價(jià)體系相對(duì)缺乏科學(xué)性和全面性。在分析多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇優(yōu)化時(shí)所采用的方法也更多的是考慮單一目標(biāo)或多目標(biāo)建立相關(guān)的算法和模型使各方效益最大化，而對(duì)于復(fù)合系統(tǒng)整體及其子系統(tǒng)的關(guān)系和相互作用研究較少，忽略了多式聯(lián)運(yùn)路徑復(fù)合系統(tǒng)整體和部分的演變趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者中也有站在協(xié)同組織優(yōu)化角度研究多式聯(lián)運(yùn)的，但這方面的研究依然較少。樸惠淑等[13]對(duì)多式聯(lián)運(yùn)的研究主要的切入點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同能力，從系統(tǒng)整體出發(fā)進(jìn)行協(xié)同力的評(píng)價(jià)，并用到了模糊理論、DEA 等理念進(jìn)行過(guò)程簡(jiǎn)化；Feng 等[14]將哈肯模型運(yùn)用到運(yùn)輸系統(tǒng)的協(xié)同演化中，研究了各種運(yùn)輸方式的協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

綜合現(xiàn)有研究來(lái)看，大多數(shù)是借助協(xié)同學(xué)理論研究多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的演化趨勢(shì)或運(yùn)輸方式之間的相互關(guān)系，還尚未見(jiàn)有研究將協(xié)同論的思想用于多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇與優(yōu)化的研究中。對(duì)此，本文將著重研究經(jīng)濟(jì)和環(huán)境子系統(tǒng)對(duì)于多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇的不同影響，探索多式聯(lián)運(yùn)路徑子系統(tǒng)的序參量，借助協(xié)同論站在系統(tǒng)整體演化的角度，構(gòu)造子系統(tǒng)的有序度模型和復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同度模型，評(píng)價(jià)不同運(yùn)輸方式組合下的運(yùn)輸方案的協(xié)同度，為多式聯(lián)運(yùn)參與者提供新的路徑選擇方法。同時(shí)將模型用于“蓉歐班列”南線成都至伊斯坦布爾段的多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇進(jìn)行實(shí)證研究。

2 模型構(gòu)建

2.1 協(xié)同學(xué)理論

20 世紀(jì)70 年代，聯(lián)邦德國(guó)著名物理學(xué)家哈肯教授首次提出了協(xié)同學(xué)理論，該理論主要研究協(xié)同系統(tǒng)在外參量的驅(qū)動(dòng)下和子系統(tǒng)之間的相互作用下，以自組織方式在宏觀尺度上形成空間、時(shí)間或功能有序結(jié)構(gòu)的條件、特點(diǎn)及其演化規(guī)律。其中，協(xié)同系統(tǒng)可由一組隨時(shí)間變化程度不同的狀態(tài)參量來(lái)表征，當(dāng)系統(tǒng)逐漸接近于狀態(tài)發(fā)生顯著變化的臨界點(diǎn)時(shí)，隨時(shí)間變化較慢的狀態(tài)參量會(huì)越來(lái)越少，最終這些慢狀態(tài)參量就完全決定了系統(tǒng)的宏觀行為，可表示系統(tǒng)的協(xié)同度，將其稱(chēng)為“序參量”。對(duì)于隨時(shí)間變化較快，狀態(tài)易發(fā)生變化的參量就由序參量支配，在演化過(guò)程中可絕熱近似消去，將該過(guò)程稱(chēng)為“支配原理”。

序參量隨時(shí)間變化所遵從的非線性方程稱(chēng)為序參量的演化方程，是協(xié)同學(xué)的基本方程。哈肯將復(fù)雜的非線性方程簡(jiǎn)化為幾個(gè)或一個(gè)序參量方程，也就是將系統(tǒng)的控制參數(shù)調(diào)整到臨界值，系統(tǒng)就可能出現(xiàn)性質(zhì)上的改變，在這些參數(shù)中有快變量和慢變量之分，慢變量絕對(duì)作用于復(fù)合系統(tǒng)，即序參量。哈肯將系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程描述為：

式中，q1、q2是系統(tǒng)的內(nèi)部影響因素，且q2受q1控制；γ1、γ2為阻尼系數(shù)；a、b 表示q1與q2之間的協(xié)同影響程度。在求解序參量方程時(shí)，哈肯用到的是絕熱消去法，當(dāng)=0時(shí)，q2的阻力相較于q1更小，對(duì)q2做假設(shè)使其作用力不存在，即消去q1，此時(shí)另外一個(gè)力q2=0 處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。則可將方程絕熱處理為：

結(jié)合公式（1）～（3）可解出序參量演化方程，也即整個(gè)系統(tǒng)的演化方程：

此時(shí)q2受q1控制，q1為系統(tǒng)的序參量。

通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程和序參量可以構(gòu)造勢(shì)函數(shù)方程，借由勢(shì)函數(shù)能判別系統(tǒng)的變化和發(fā)展趨勢(shì)。在公式（4）中，進(jìn)一步對(duì)的相反數(shù)求積分可以得到勢(shì)函數(shù)方程，即：

系統(tǒng)在某一節(jié)點(diǎn)所處的狀態(tài)則由該節(jié)點(diǎn)到系統(tǒng)均衡點(diǎn)的距離決定，在、b、γ1、γ2均為正的情況下，方程僅有唯一解，則系統(tǒng)在某一點(diǎn)的狀態(tài)由該節(jié)點(diǎn)到方程零點(diǎn)的距離決定；在、b、γ1、γ2均為負(fù)的情況下，方程有三個(gè)解，將解代回系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可以求解出穩(wěn)定點(diǎn)（μ），系統(tǒng)在某一點(diǎn)的狀態(tài)由該節(jié)點(diǎn)到方程穩(wěn)定點(diǎn)（μ）的距離決定。則評(píng)價(jià)系統(tǒng)狀態(tài)的協(xié)同度d可以表示為：

d越大則系統(tǒng)協(xié)同度越高，反之則越低。由于所選取序參量的正向和負(fù)向作用不同，通常需要進(jìn)行正向化和負(fù)向化的處理，如做正向化處理可以得到協(xié)同度的表達(dá)式為：

2.2 多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇評(píng)價(jià)模型

本研究在協(xié)同學(xué)理論下對(duì)多式聯(lián)運(yùn)路徑系進(jìn)行子系統(tǒng)的劃分，并確定影響系統(tǒng)發(fā)展的序參量，多式聯(lián)運(yùn)路徑子系統(tǒng)及復(fù)合系統(tǒng)的有序度與協(xié)同度模型，旨在選擇協(xié)同度最高的運(yùn)輸路徑。對(duì)多式聯(lián)運(yùn)路徑的選擇，運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸成本、服務(wù)質(zhì)量等一直是參與主體共同考慮的主要因素，考慮碳排放量等能耗損失是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)期要求。文中將前者歸于經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)，后者歸于環(huán)境子系統(tǒng)，符合系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系，如圖1所示。

圖1 復(fù)合系統(tǒng)及子系統(tǒng)間的相互作用關(guān)系圖

2.2.1 序參量選擇

本文涉及的時(shí)間、成本及碳排放量均有相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)計(jì)算方式，為了后續(xù)計(jì)算的方便，此部分對(duì)序參量中涉及的符號(hào)進(jìn)行總體說(shuō)明，并采用熵權(quán)法分別確定兩個(gè)子系統(tǒng)的序參量權(quán)重。相關(guān)符號(hào)含義如下：

因此，時(shí)間序參量可以表示為：

成本序參量可以表示為：

碳排放序參量可以表示為：

2.2.2 子系統(tǒng)的有序度模型

令各子系統(tǒng)的序參量為qij=（qi1，qi2，qi3，……，qin），n≥1。對(duì)于各個(gè)子系統(tǒng)的序參量而言，其值均有一定的范圍，將φij設(shè)為qij的最大值，設(shè)ψij為qij的最小值，由此可將序參量的取值限定為ψij≤qij≤φij，j∈[1，n]。本文所選序參量對(duì)各子系統(tǒng)有序度起阻礙作用，即負(fù)向指標(biāo)。

設(shè)δi（qij）表示子系統(tǒng)各序參量負(fù)向指標(biāo)的有序度，則：

采用線性加權(quán)法評(píng)價(jià)子系統(tǒng)的有序度，則子系統(tǒng)的有序度δi（qi）可表示為：

公式（12）中的wij為權(quán)重，表示了兩大子系統(tǒng)中各個(gè)序參量對(duì)其對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)有序度的作用程度，且δi（qij）∈[0，1]。

2.2.3 復(fù)合系統(tǒng)的有序度模型

在復(fù)合系統(tǒng)中需要考慮時(shí)間的變化，假設(shè)初始時(shí)刻為t0，此時(shí)子系統(tǒng)I1的有序度為（qi），在多式聯(lián)運(yùn)路徑復(fù)合系統(tǒng)演變的過(guò)程中，到達(dá)t1時(shí)刻時(shí)系統(tǒng)的子系統(tǒng)I1的有序度為（qi），則多式聯(lián)運(yùn)路徑復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同度可以表示如下：

3 算例分析

3.1 基本參數(shù)

本文將實(shí)證研究對(duì)象選定為目前中歐班列中運(yùn)行最穩(wěn)定的班列“蓉歐班列”南線成都至伊斯坦布爾段的多式聯(lián)運(yùn)情況。選取該線路中成都、西安、霍爾果斯、阿克套、巴庫(kù)、波季、重慶、上海、伊斯坦布爾等9個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，并分別以字母A、B、C、D、E、F、J、I、G 符號(hào)替代。節(jié)點(diǎn)間可形成48條“蓉歐班列”南線的路徑及1條傳統(tǒng)水運(yùn)的路徑，總共49條路徑，如圖2所示。查閱中國(guó)鐵路12306、必應(yīng)地圖、奧維互動(dòng)地圖等，可得節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)輸距離。參考Wang等[15]的文獻(xiàn)，選用運(yùn)輸相關(guān)參數(shù)、碳排放相關(guān)參數(shù)及中轉(zhuǎn)相關(guān)參數(shù)。

圖2 成都至伊斯坦布爾運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)

3.2 計(jì)算過(guò)程

本文旨在對(duì)多式聯(lián)運(yùn)復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度進(jìn)行研究，此處為簡(jiǎn)化計(jì)算并結(jié)合國(guó)際多式聯(lián)運(yùn)實(shí)際，從49 條路徑中選取4 條公鐵聯(lián)運(yùn)及1 條公水聯(lián)運(yùn)線路做協(xié)同度研究，5條路線信息見(jiàn)表1。

表1 成都至伊斯坦布爾的運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)及路線信息

采用公式（8）（9）（10）計(jì)算可整理出2016年～2020年“蓉歐”班列南線成都至伊斯坦布爾段經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中時(shí)間和成本指標(biāo)，以及環(huán)境子系統(tǒng)中碳排放量指標(biāo)。節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)輸距離見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離表

文中為統(tǒng)一參量單位，依據(jù)IPCC 出臺(tái)的《2016 年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》的計(jì)算方法，將經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)中的時(shí)間和成本指標(biāo)按照相應(yīng)的碳排放量系數(shù)折算為碳排放量指標(biāo)，各運(yùn)輸方式相關(guān)參數(shù)信息見(jiàn)表3。

表3 運(yùn)輸方式相關(guān)參數(shù)信息表

將所處理的數(shù)據(jù)帶入前文所闡述的多式聯(lián)運(yùn)路徑系統(tǒng)子系統(tǒng)的有序度模型和復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同度模型，計(jì)算出2016年～2020年經(jīng)濟(jì)和環(huán)境子系統(tǒng)的有序度及“蓉歐”班列成都至伊斯坦布爾段多式聯(lián)運(yùn)復(fù)合系統(tǒng)的協(xié)同度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 “蓉歐”班列南線2016年～2020年多式聯(lián)運(yùn)路徑系統(tǒng)子系統(tǒng)有序度及復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度

表4 “蓉歐”班列南線2016年～2020年多式聯(lián)運(yùn)路徑系統(tǒng)子系統(tǒng)有序度及復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度（續(xù)表）

3.3 結(jié)果分析

①經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)有序度分析。研究期內(nèi)，各線路經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)有序度數(shù)據(jù)顯示，線路1的有序度均高于其他線路，而線路5的有序度均低于均值。這是由于受經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的主要指標(biāo)成本及時(shí)間的影響，傳統(tǒng)水運(yùn)（線路5）雖運(yùn)輸成本較低，但運(yùn)輸時(shí)間較公鐵聯(lián)運(yùn)（線路1）更長(zhǎng)。線路4 作為目前“蓉歐”班列南線所采用的運(yùn)輸方式，即從成都至伊斯坦布爾全程采用鐵路運(yùn)輸，其有序度在余下3 條多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸方案中依然為最低。這說(shuō)明采用多式聯(lián)運(yùn)的方式相較于全程采用現(xiàn)有班列的鐵路運(yùn)輸在經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)上的有序度更高，對(duì)多式聯(lián)運(yùn)復(fù)合系統(tǒng)的積極作用更大。

②環(huán)境子系統(tǒng)有序度分析。研究期內(nèi)，各線路環(huán)境子系統(tǒng)有序度數(shù)據(jù)顯示，線路4的有序度均高于其他線路，而線路5的有序度均低于其他線路。由于環(huán)境子系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)是碳排放量，鐵路運(yùn)輸方式所產(chǎn)生的碳排放量較水運(yùn)所產(chǎn)生的碳排放量更低，對(duì)復(fù)合系統(tǒng)的負(fù)面影響更小，所以有序度更高。

③多式聯(lián)運(yùn)路徑復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度分析。研究期內(nèi)，線路2 與線路4 復(fù)合協(xié)同度高于其他線路，且二者接近，線路5復(fù)合協(xié)同度最低。各線路復(fù)合系統(tǒng)協(xié)同度普遍偏低，屬于[-0.05，0.4]區(qū)間，處于低度協(xié)同的發(fā)展水平[16]。從協(xié)同論的角度可以看出聯(lián)合運(yùn)輸與傳統(tǒng)水運(yùn)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是鐵路運(yùn)輸占比最大的線路2，協(xié)同度最高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于協(xié)同學(xué)理論框架，提出多式聯(lián)運(yùn)協(xié)同度模型，并以2016 年～2020 年成都到伊斯坦布爾段路徑系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)證分析，得出了以下主要研究結(jié)論：

①成都到伊斯坦布爾段多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸方案協(xié)同水平整體偏低，后期還具有較大的協(xié)同優(yōu)化提升空間。4條多式聯(lián)運(yùn)路徑系統(tǒng)均處于低協(xié)同水平，1條處于不協(xié)同水平。

②貨運(yùn)量作為序參量對(duì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)有序度的影響比對(duì)環(huán)境子系統(tǒng)有序度的影響更為明顯。在貨運(yùn)量較小的年份，經(jīng)濟(jì)與環(huán)境子系統(tǒng)的有序度相差無(wú)幾，隨著貨運(yùn)量的增加，同樣的增量，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的有序度明顯高于環(huán)境子系統(tǒng)的有序度。

③成都到伊斯坦布爾段班列運(yùn)輸更具有協(xié)同優(yōu)勢(shì)。研究表明，傳統(tǒng)以水運(yùn)為主的運(yùn)輸路徑系統(tǒng)協(xié)同度為負(fù)值，而以鐵路為主的聯(lián)運(yùn)方案協(xié)同度較好，且鐵路運(yùn)輸比例越大其協(xié)同度越高。

本研究建議通過(guò)重組運(yùn)輸路線，建立大型集裝箱集散中心來(lái)改革經(jīng)營(yíng)模式，降低經(jīng)營(yíng)成本，可推動(dòng)中歐貨物運(yùn)輸向低碳節(jié)能模式轉(zhuǎn)型。