FARRUKH Ibodov，馬曉旦

（上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

0 引言

當(dāng)今環(huán)境問(wèn)題已成為影響一國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政治秩序的重要因素，而其中的溫室效應(yīng)也逐漸成為了阻礙全球發(fā)展的共同環(huán)境問(wèn)題：全球平均氣溫上升，不僅對(duì)人類健康不利，還使得夏季用電量增加，造成更多的資源消耗[1]。因此，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展成為一項(xiàng)緊迫而艱巨的任務(wù)。

交通運(yùn)輸行業(yè)是能源消耗型行業(yè)，其消耗能源的同時(shí)也釋放出大量的溫室氣體，對(duì)環(huán)境造成了很大影響[2]?！毒┒甲h定書(shū)》把市場(chǎng)機(jī)制作為解決溫室氣體減排問(wèn)題的新路徑，把溫室氣體排放權(quán)當(dāng)作商品，從而形成了碳交易[3]。

本文正是在碳交易政策背景下考慮多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于低碳多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化的研究有利于促進(jìn)能源高效利用，推動(dòng)減排技術(shù)創(chuàng)新，并改變?nèi)藗兊陌l(fā)展理念，承擔(dān)起保護(hù)環(huán)境的責(zé)任并為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展作出自己的貢獻(xiàn)[4]。在碳交易政策的背景下優(yōu)化多式聯(lián)運(yùn)路徑，將實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保與高效運(yùn)輸?shù)挠袡C(jī)結(jié)合，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義與研究?jī)r(jià)值。

1 理論與模型構(gòu)建

1.1 理論分析

1.1.1 多式聯(lián)運(yùn)的含義。貨物從一個(gè)地點(diǎn)運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)地點(diǎn)，至少使用兩種運(yùn)輸方式，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的無(wú)縫運(yùn)輸，稱之為聯(lián)運(yùn)[5]。

對(duì)于多式聯(lián)運(yùn)，《聯(lián)合國(guó)國(guó)際貨物多式聯(lián)運(yùn)公約》的定義是：按照國(guó)際多式聯(lián)運(yùn)合同，以至少兩種不同的運(yùn)輸方式，由多式聯(lián)運(yùn)經(jīng)營(yíng)人把貨物從一國(guó)境內(nèi)接管地點(diǎn)運(yùn)至另一國(guó)境內(nèi)指定交付地點(diǎn)的貨物運(yùn)輸[6]。中國(guó)交通運(yùn)輸部2016年發(fā)布的《貨物多式聯(lián)運(yùn)術(shù)語(yǔ)》中對(duì)于多式聯(lián)運(yùn)的定義是:“貨物由一種且不變的運(yùn)載單元裝載，相繼以兩種及以上運(yùn)輸方式運(yùn)輸，并且在快速轉(zhuǎn)換運(yùn)輸方式的過(guò)程中不對(duì)貨物本身進(jìn)行操作的運(yùn)輸形式”[7]。

本文參考李進(jìn)，等[8]對(duì)低碳路徑問(wèn)題（Low-carbon Routing Problem，LCRP）的定義，將低碳多式聯(lián)運(yùn)定義為：在傳統(tǒng)多式聯(lián)運(yùn)基礎(chǔ)上考慮低碳環(huán)境的多式聯(lián)運(yùn)問(wèn)題。

1.1.2 多式聯(lián)運(yùn)的特點(diǎn)。多式聯(lián)運(yùn)除了具有跨方式、跨行業(yè)、跨區(qū)域、跨國(guó)境等特點(diǎn)外，還具有高投入、高效率、高協(xié)作、高效益的特點(diǎn)[9-10]。多式聯(lián)運(yùn)中常見(jiàn)運(yùn)輸方式的特點(diǎn)見(jiàn)表1[11]。

表1 多式聯(lián)運(yùn)中常見(jiàn)運(yùn)輸方式的特點(diǎn)

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 模型特征。本文所采用的模型包括4個(gè)特征：（1）單商品流；（2）時(shí)間窗約束；（3）單目標(biāo)費(fèi)用最優(yōu)；（4）遺傳算法求解。

1.2.2 符號(hào)與變量。本文中符號(hào)與變量見(jiàn)表2。

表2 符號(hào)與變量

1.2.3 目標(biāo)函數(shù)

1.2.4 約束條件

（1）流量守恒約束，起點(diǎn)凈流量為1，終點(diǎn)凈流量為-1，其他節(jié)點(diǎn)流量守恒，即：

（2）運(yùn)輸方式約束，同一運(yùn)輸方式在兩點(diǎn)之間只可選擇一種方式運(yùn)輸，即：

（3）中轉(zhuǎn)次數(shù)約束，表示貨物在任一中轉(zhuǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)換運(yùn)輸方式不超過(guò)1次，從而避免迂回運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)生，確保運(yùn)輸?shù)暮侠硇?，即?/p>

（4）運(yùn)輸方式的連續(xù)性約束，表示貨物在節(jié)點(diǎn)j由運(yùn)輸方式k裝換為運(yùn)輸方式f，則通過(guò)運(yùn)輸方式k到達(dá)j，然后通過(guò)運(yùn)輸方式f離開(kāi)j，即：

（5）換裝約束，表示在起點(diǎn)、終點(diǎn)不進(jìn)行換裝，即：

（6）決策變量取整約束，即：

2 算法

本文采用遺傳算法來(lái)求解上海運(yùn)輸至重慶的最優(yōu)路徑與最小成本。

2.1 參數(shù)設(shè)置

相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

種群規(guī)模（取偶數(shù)） GA.popsize=200

最大迭代次數(shù) GA.MaxCycles=500

交叉概率 GA.pc=0.7

變異概率 GA.pm=0.3

2.2 流程

遺傳算法的流程如圖1所示。

圖1 遺傳算法的流程

3 貨物運(yùn)輸路徑優(yōu)化實(shí)例——上海至重慶

3.1 貨物運(yùn)輸現(xiàn)實(shí)路徑

從上海至重慶經(jīng)過(guò)的樞紐城市如圖2所示。將這些城市作為聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，共計(jì)15個(gè)節(jié)點(diǎn)，56條運(yùn)輸弧，各運(yùn)輸弧均符合現(xiàn)實(shí)運(yùn)輸路徑。相關(guān)數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表3-表6。

圖2 上海至重慶集裝箱多式聯(lián)運(yùn)算例網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

表3 各運(yùn)輸弧中不同運(yùn)輸方式的運(yùn)距

表6 各種運(yùn)輸方式的速度

3.2 不考慮與考慮碳排放成本兩種情況下的最優(yōu)路徑

3.2.1 不考慮碳排放成本情況下的最優(yōu)路徑。通過(guò)Matlab得到不考慮碳排放成本情況下的運(yùn)輸成本迭代收斂曲線，如圖3所示。結(jié)果顯示，最優(yōu)運(yùn)輸路徑為：上海經(jīng)鐵路到南京—南京經(jīng)鐵路到合肥—合肥經(jīng)鐵路到漢口—漢口經(jīng)鐵路到荊州—荊州經(jīng)鐵路到宜昌—宜昌經(jīng)水路到云陽(yáng)—云陽(yáng)經(jīng)水運(yùn)到重慶。最低總成本為11 603.4元，總行駛距離為1 864.0km，運(yùn)輸成本為11 355.1元，總運(yùn)輸時(shí)間為50.0h，時(shí)間成本為248.3元。

圖3 運(yùn)輸成本的迭代收斂曲線（不考慮碳排放成本情況）

表4 各種運(yùn)輸方式的碳排放量

表5 各種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸價(jià)格與中轉(zhuǎn)價(jià)格

3.2.2 考慮碳排放成本情況下的最優(yōu)路徑?？紤]碳排放成本情況下的運(yùn)輸成本迭代收斂曲線如圖5所示。Matlab求解結(jié)果顯示，最優(yōu)運(yùn)輸路徑、最低運(yùn)輸成本和最低時(shí)間成本與不考慮碳排放情況下相同，但多了一項(xiàng)碳排放成本，為57.6元（碳排放量為1 047.4kg），從而使得總最低成本為11 661.0元。分析其中的原因?yàn)椋海?）公路運(yùn)輸方式無(wú)論是運(yùn)輸單價(jià)還是碳排放量都遠(yuǎn)高于鐵路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸方式，因此在兩種情況下都沒(méi)有被選擇；（2）水路運(yùn)輸方式雖然運(yùn)輸單價(jià)略小于鐵路運(yùn)輸方式，但因?yàn)橐恍┏鞘泄?jié)點(diǎn)之間（如漢口到荊州、荊州到宜昌）的水路運(yùn)輸繞行距離要長(zhǎng)于鐵路運(yùn)輸方式，因此在這些城市節(jié)點(diǎn)之間鐵路運(yùn)輸方式要優(yōu)于水路運(yùn)輸方式，而對(duì)于水路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸距離相差不大的城市（例如宜昌到云陽(yáng)、云陽(yáng)到重慶），水路運(yùn)輸相較于鐵路運(yùn)輸有著很大的成本優(yōu)勢(shì)；（3）水路運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕看笥阼F路運(yùn)輸，而運(yùn)輸單價(jià)小于鐵路運(yùn)輸，但因?yàn)樘寂欧懦杀鞠噍^于運(yùn)輸成本而言較小，從而沒(méi)有改變考慮碳排放成本后的最優(yōu)運(yùn)輸路徑，在水路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸距離相差不大的城市之間水路運(yùn)輸仍然是最低成本路線。

圖5 運(yùn)輸成本的迭代收斂曲線（考慮碳排放成本情況）

圖4 采用遺傳算法求得的最優(yōu)運(yùn)輸路徑（不考慮碳排放成本情況）

圖6 采用遺傳算法求得的最優(yōu)運(yùn)輸路徑（考慮碳排放成本情況）

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用遺傳算法求解了從上海運(yùn)輸至重慶不考慮碳排放成本與考慮碳排放成本兩種情況下的最優(yōu)路徑與最小成本。得到的結(jié)論主要有：（1）公路運(yùn)輸因?yàn)槠溥\(yùn)輸成本和碳排放量都遠(yuǎn)高于水路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸，從而不適用于集裝箱的運(yùn)輸；（2）當(dāng)兩個(gè)城市之間的水運(yùn)距離和鐵路運(yùn)輸距離相差不大時(shí)，往往優(yōu)先選擇水運(yùn)方式，因?yàn)槠涑杀緝?yōu)勢(shì)更突出；（3）碳排放成本較低，因此并不必然影響最低成本運(yùn)輸路徑的選擇，未來(lái)或許可以適當(dāng)提高碳排放的稅率。

另外，因?yàn)檫z傳算法的模擬結(jié)果具有一定的隨機(jī)性，本文在模擬過(guò)程中多次運(yùn)行并取了其中成本最小且穩(wěn)定的解。