孫國(guó)棟

(重慶交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

重慶是我國(guó)西南地區(qū)的交通樞紐，隨著國(guó)際貿(mào)易的日益密切，重慶出口貨運(yùn)量也逐年攀升。不同于沿海地區(qū)，重慶的貨物通過(guò)公路、鐵路或水路運(yùn)輸才能到達(dá)沿?？诎丁８鶕?jù)3種運(yùn)輸方式的特點(diǎn)，合理地選擇運(yùn)輸方式成為物流降本增效的關(guān)鍵。集裝箱多式聯(lián)運(yùn)作為多種運(yùn)輸方式有機(jī)結(jié)合的組織模式，成為國(guó)際貨物運(yùn)輸?shù)睦硐脒x擇。近年來(lái)，我國(guó)頒布了多項(xiàng)政策支持多式聯(lián)運(yùn)的發(fā)展，2017年交通運(yùn)輸部等18個(gè)部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步鼓勵(lì)開(kāi)展多式聯(lián)運(yùn)工作的通知》(交運(yùn)發(fā)[2016]232號(hào))指出要進(jìn)一步完善基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，推廣先進(jìn)運(yùn)輸方式，培養(yǎng)多式聯(lián)運(yùn)經(jīng)營(yíng)企業(yè)，深化國(guó)際間運(yùn)輸交流。2018年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《推進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整三年行動(dòng)計(jì)劃(2018－2020年)》(國(guó)發(fā)辦[2018]91號(hào))提出進(jìn)一步提升鐵路運(yùn)力，推進(jìn)“公轉(zhuǎn)鐵”“公轉(zhuǎn)水”發(fā)展，建設(shè)具有多式聯(lián)運(yùn)功能的物流設(shè)施并大力推廣集裝箱運(yùn)輸。

國(guó)際集裝箱多式聯(lián)運(yùn)運(yùn)距長(zhǎng)，耗時(shí)多，能耗大，涉及環(huán)節(jié)多，如何科學(xué)有效地組織多式聯(lián)運(yùn)成為降本增效的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于多式聯(lián)運(yùn)的研究成果較多。李櫻燦等[1]闡述了公鐵聯(lián)運(yùn)的優(yōu)越性。母柏松等[2]考慮了影響集裝箱運(yùn)輸路徑選擇的因素，構(gòu)建了一個(gè)Petri網(wǎng)絡(luò)徑路優(yōu)化模型，并以單OD對(duì)間集裝箱多式聯(lián)運(yùn)為例，建立總成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，確定最優(yōu)的聯(lián)運(yùn)路徑。Shim等[3]認(rèn)為多式聯(lián)運(yùn)中的換裝時(shí)間和換裝成本不可忽視，并以運(yùn)輸成本和運(yùn)輸時(shí)間最小構(gòu)建雙目標(biāo)優(yōu)化模型，求解模型獲得最佳運(yùn)輸方案。Min[4]把風(fēng)險(xiǎn)與總運(yùn)輸成本最小作為優(yōu)化目標(biāo)，建立了包含機(jī)會(huì)約束的雙目標(biāo)路徑優(yōu)化模型。王清斌等[5]建立虛擬運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)并構(gòu)建以運(yùn)輸時(shí)間最短和客戶(hù)滿(mǎn)意度最優(yōu)為目標(biāo)的雙目標(biāo)優(yōu)化模型，使用Lingo軟件求解模型。楊光華[6]提出相比公路運(yùn)輸，鐵路和水路運(yùn)輸在碳排放方面更具優(yōu)勢(shì)，應(yīng)大力發(fā)展鐵水聯(lián)運(yùn)。柳培學(xué)等[7]建立了以運(yùn)輸費(fèi)用與碳排放總量最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，并運(yùn)用Dijkstra法求解最優(yōu)線路。呂學(xué)偉等[8]以混合時(shí)間窗為約束，建立了以運(yùn)輸總成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，并分析時(shí)間窗對(duì)于運(yùn)輸路徑選擇的影響。成耀榮等[9]從多式聯(lián)運(yùn)經(jīng)營(yíng)人的視角，建立基于多運(yùn)輸任務(wù)的運(yùn)輸路徑優(yōu)化模型，并使用貪婪算法求解，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)調(diào)整碳排放稅影響多式聯(lián)運(yùn)經(jīng)營(yíng)人對(duì)于運(yùn)輸路徑的選擇，從而減少碳排放量。

綜上，現(xiàn)有對(duì)于集裝箱出口路徑的研究主要集中于江海聯(lián)運(yùn)或中歐班列上，如江海聯(lián)運(yùn)從上海港或?qū)幉ㄖ凵礁鄢隹?，從珠三角地區(qū)港口出口或者通過(guò)中歐班列出口。在此，以重慶—新加坡的集裝箱運(yùn)輸為例，梳理重慶—新加坡的主要運(yùn)輸路線，以運(yùn)輸成本、運(yùn)輸時(shí)間、碳排放量最小為目標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，運(yùn)用啟發(fā)式算法NSGA-2對(duì)模型求解，考慮運(yùn)輸費(fèi)用、運(yùn)輸時(shí)間以及碳排放量的不同需求，分析不同需求側(cè)重點(diǎn)對(duì)于模型求解結(jié)果的影響。

1 重慶—新加坡運(yùn)輸通道發(fā)展現(xiàn)狀

重慶地處長(zhǎng)江沿岸，自古交通發(fā)達(dá)，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，可供選擇的集裝箱出口路線不斷豐富。目前主要的重慶—新加坡的集裝箱出口路線如下。

（1）公路通道方面，主要有東盟專(zhuān)線。“重慶—新加坡線”班車(chē)路線，由重慶直達(dá)新加坡，途徑越南、泰國(guó)、老撾和馬來(lái)西亞等東盟國(guó)家的主要物流節(jié)點(diǎn)，全程約4 500 km，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)170 h。

（2）鐵公水聯(lián)運(yùn)通道方面，主要分為中線和東復(fù)線，其中中線經(jīng)由重慶南彭—云南磨憨—老撾萬(wàn)象—泰國(guó)曼谷，再?gòu)奶﹪?guó)曼谷出海運(yùn)往新加坡；東復(fù)線途經(jīng)重慶南彭、廣西欽州港，再由欽州港出海發(fā)往新加坡。

（3）鐵水通道方面，已投入日常運(yùn)營(yíng)的路線包括：①“渝黔桂新”鐵水聯(lián)運(yùn)通道，“渝黔桂新”線路于2017年9月首次常態(tài)化運(yùn)行，從重慶出發(fā)途經(jīng)貴陽(yáng)，到達(dá)欽州港，再由海運(yùn)發(fā)往新加坡，總運(yùn)距約4 230 km，運(yùn)行約128 h；②“渝深新”鐵水聯(lián)運(yùn)通道，“渝深新”線路于2010年5月開(kāi)始運(yùn)行，由重慶途經(jīng)懷化通過(guò)深圳鹽田港出海發(fā)往新加坡，總運(yùn)距約5 060 km，總耗時(shí)約144 h；③“渝甬鐵路”鐵水聯(lián)運(yùn)通道，“渝甬鐵路”線路于2018年1月開(kāi)通，從重慶團(tuán)結(jié)村出發(fā)，開(kāi)往寧波舟山港，是重慶向東出海的又一快速通道，相比傳統(tǒng)由長(zhǎng)江航運(yùn)至上海出海，時(shí)間大大縮短，只需57 h就能到達(dá)寧波舟山港。

（4）江海聯(lián)運(yùn)通道方面，江海聯(lián)運(yùn)線路為重慶—上?！录悠拢俏ㄒ蝗逃伤愤\(yùn)輸?shù)木€路，其中重慶至上海段沿長(zhǎng)江內(nèi)河運(yùn)行，上海至新加坡段為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，隨著國(guó)際航運(yùn)價(jià)格的快速增長(zhǎng)，海運(yùn)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)不再突出，運(yùn)輸全程耗時(shí)約15 d，如遇到閘口擁堵，運(yùn)輸時(shí)間可能增加到20 d。

2 問(wèn)題描述及模型建立

2.1 問(wèn)題描述

假設(shè)一個(gè)40 ft的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱需要從重慶發(fā)往新加坡，存在公路、鐵路、水路3種運(yùn)輸方式可供選擇，這3種運(yùn)輸方式可以自由組合成數(shù)種不同運(yùn)輸路線。已知各種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸速度、運(yùn)輸單位價(jià)格、運(yùn)輸時(shí)間、單位碳排放量，以及各節(jié)點(diǎn)城市之間的運(yùn)輸距離、轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用和轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間。

在以上條件下，建立以總運(yùn)輸費(fèi)用最小、總運(yùn)輸時(shí)間最短、碳排放量最低為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，以求解重慶—新加坡的集裝箱多式聯(lián)運(yùn)最優(yōu)路徑。

2.2 模型假設(shè)

為保證模型的可行性，建立以下假設(shè)。

（1）貨物在運(yùn)輸過(guò)程中不可拆分。

（2）貨物在一個(gè)節(jié)點(diǎn)城市最多換裝1次。

（3）貨物單向運(yùn)輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多經(jīng)過(guò)1次。

（4）所有節(jié)點(diǎn)均具有足夠的換裝能力。

2.3 集裝箱多式聯(lián)運(yùn)模型建立

定義一個(gè)多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)G(N，A，M），其中N為網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)集合，A為網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)輸弧集合，M為運(yùn)輸方式集合。

建立以總運(yùn)輸費(fèi)用最小，總運(yùn)輸時(shí)間最短，碳排放量最低為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型如下。

公式 ⑴ 表示總運(yùn)輸成本最小函數(shù)；公式 ⑵ 表示總運(yùn)輸時(shí)間最小函數(shù)；公式 ⑶ 表示總碳排放量最小函數(shù)；公式 ⑷ 表示同一條運(yùn)輸路徑上，只能存在一種運(yùn)輸方式；公式 ⑸ 表示在同一運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)上貨物至多換裝1次；公式 ⑹ 表示決策變量的取值范圍；公式 ⑺ 保證貨物運(yùn)輸方式的連續(xù)性。

3 實(shí)例分析

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)重慶—新加坡集裝箱多式聯(lián)運(yùn)主要通道布局情況，該通道共設(shè)置15個(gè)運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，重慶—新加坡集裝箱多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，其中運(yùn)輸弧上的數(shù)字代表可選的運(yùn)輸方式，1代表公路運(yùn)輸，2代表鐵路運(yùn)輸，3代表水路運(yùn)輸。

數(shù)據(jù)方面，國(guó)內(nèi)鐵路集裝箱貨運(yùn)單價(jià)來(lái)源于鐵路95306貨運(yùn)網(wǎng)。目前上海—漢堡航線單程40 ft集裝箱的運(yùn)價(jià)為91 000元，結(jié)合航線運(yùn)輸距離，得出單位國(guó)際海運(yùn)價(jià)格；內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定；東盟班車(chē)單價(jià)取值以南彭—河內(nèi)的東盟班車(chē)為例，總運(yùn)輸費(fèi)用為12 500元/TEU，結(jié)合南彭—河內(nèi)距離得出運(yùn)輸單價(jià)。單位運(yùn)輸碳排放量依據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)出臺(tái)的《IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》及交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》中相關(guān)數(shù)據(jù)得出。此外，假設(shè)40 ft集裝箱載貨為30 t。各種運(yùn)輸方式基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取值如表1所示。各運(yùn)輸方式之間轉(zhuǎn)換的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.2 算法選擇與結(jié)果分析

重慶—新加坡的集裝箱出口路徑選擇屬于多目標(biāo)路徑優(yōu)化問(wèn)題，目前學(xué)者們主要采用啟發(fā)式算法來(lái)解決此類(lèi)問(wèn)題，如蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法等。采用NSGA-2算法[10]對(duì)多式聯(lián)運(yùn)多目標(biāo)路徑優(yōu)化模型進(jìn)行求解。NSGA-2是通過(guò)非支配排序中的支配與非支配關(guān)系，將解集劃分為不同的等級(jí)，處于第一等級(jí)位置的解為帕累托最優(yōu)解。NSGA-2算法具有以下特點(diǎn)：①提出的快速非支配排序算法不但降低了計(jì)算的復(fù)雜度，而且通過(guò)將父代與子代合并產(chǎn)生下一代種群，使得優(yōu)秀的個(gè)體保留下來(lái)；②采用精英策略擴(kuò)大了采樣空間，使優(yōu)良的個(gè)體可以繼續(xù)遺傳下去，從而提高了求解結(jié)果的精度；③采用擁擠度比較算子，可以有效克服人為指定共享參數(shù)的影響，并對(duì)種群間個(gè)體進(jìn)行比較，使個(gè)體均勻分布在帕累托域中，從而豐富了種群的多樣性。綜上所述，NSGA-2在尋找最優(yōu)解的過(guò)程中不僅能夠保證算法的性能，而且可以得到一系列帕累托最優(yōu)解，對(duì)各個(gè)目標(biāo)進(jìn)行折衷。

圖1?重慶—新加坡集裝箱多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Multimodal container transport network from Chongqing to Singapore

表1?各種運(yùn)輸方式基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取值?Tab.1 Basic data values of various transport modes

表2?各運(yùn)輸方式之間轉(zhuǎn)換的相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.2 Converted data among transport modes

設(shè)置初始種群數(shù)量為100，最大迭代次數(shù)30，交叉概率為0.9，變異概率為0.1。運(yùn)行此算法對(duì)優(yōu)化模型求解。

先求解多目標(biāo)優(yōu)化模型，再分別以運(yùn)輸費(fèi)用最小、運(yùn)輸時(shí)間最短、運(yùn)輸碳排放量最小為目標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，得到重慶—新加坡集裝箱多式聯(lián)運(yùn)最優(yōu)路徑。①多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果與以碳排放量為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果一致，重慶—新加坡集裝箱多式聯(lián)運(yùn)最優(yōu)路徑都是由重慶通過(guò)鐵路運(yùn)輸經(jīng)貴陽(yáng)至廣西欽州港，出海運(yùn)至新加坡，全程運(yùn)費(fèi)為35 674.3元，耗時(shí)128.1 h，碳排放4 209.6 t。此外無(wú)論是多目標(biāo)優(yōu)化還是以碳排放量為目標(biāo)的優(yōu)化，運(yùn)輸組織方式都是鐵路、公路、水路，表明鐵路運(yùn)輸作為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式，滿(mǎn)足運(yùn)輸效率的同時(shí)還能兼顧節(jié)能減排的目標(biāo)。②以運(yùn)輸費(fèi)用為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果為重慶經(jīng)鐵路運(yùn)至貴陽(yáng)，轉(zhuǎn)為公路運(yùn)輸方式運(yùn)至廣西欽州港，運(yùn)費(fèi)35 674.3元，耗時(shí)111.54 h，碳排放5 298.7 t。③以運(yùn)輸時(shí)間為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果為重慶通過(guò)公路運(yùn)輸經(jīng)貴陽(yáng)運(yùn)至廣西欽州港，從欽州港海運(yùn)至新加坡，運(yùn)費(fèi)37 048元，耗時(shí)109.8 h，碳排放6 084.7 t。以運(yùn)輸時(shí)間為目標(biāo)的優(yōu)化相較于多目標(biāo)優(yōu)化，運(yùn)輸時(shí)間減少了183 h，但碳排放量大幅提升。

優(yōu)化結(jié)果表明：在我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)與東盟國(guó)家的跨境運(yùn)輸中，傳統(tǒng)的江海聯(lián)運(yùn)或者從珠三角港口出海，運(yùn)輸距離長(zhǎng)，運(yùn)輸耗時(shí)大，逐漸失去了優(yōu)勢(shì)。而西部陸海新通道在運(yùn)輸距離、運(yùn)輸時(shí)效、碳排放等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，西部陸海新通道可以成為內(nèi)陸地區(qū)貨物出口的理想路徑選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

以運(yùn)輸費(fèi)用、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸碳排放為目標(biāo)建立了多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)綜合考慮了傳統(tǒng)江海聯(lián)運(yùn)通道、西部陸海新通道、渝貴深通道等運(yùn)輸通道，基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)通過(guò)班車(chē)運(yùn)營(yíng)公司、貨代公司等渠道獲取，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，采用NSGA-2算法，對(duì)于算例中的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題具有良好的效果，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，研究結(jié)果具有一定的實(shí)用價(jià)值。研究結(jié)果表明，在目前的國(guó)際航運(yùn)大環(huán)境下，傳統(tǒng)的江海國(guó)際聯(lián)運(yùn)模式已不具備明顯優(yōu)勢(shì)，相比之下，西部陸海新通道在運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)費(fèi)等方面都具有明顯的比較優(yōu)勢(shì)。隨著通道各節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，西部陸海新通道在未來(lái)內(nèi)陸地區(qū)貨物出口中將成為更多貨主的選擇，并帶動(dòng)整個(gè)西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。