劉一凡，董 崗

（上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，上海 201306）

0 引言

近年來(lái)，面對(duì)歐亞地區(qū)市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)的需求，中歐班列開行數(shù)量穩(wěn)健增長(zhǎng)，在保障國(guó)際物流運(yùn)輸通暢中承擔(dān)著重要作用[1]。然而，中歐班列的快速發(fā)展也帶來(lái)了一系列問題，如運(yùn)輸線路重復(fù)、口岸擁堵和壓箱、境內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)貨源的競(jìng)爭(zhēng)激烈等[2-4]。因此，亟需研究如何優(yōu)化節(jié)點(diǎn)城市貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)布局，選擇合適的城市作為集結(jié)中心，合理地規(guī)劃運(yùn)輸路線和運(yùn)輸方式，提高中歐班列的運(yùn)輸效率。

節(jié)點(diǎn)城市的競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化上應(yīng)用范圍廣泛。王東方等[5]選擇已經(jīng)開行中歐班列的20個(gè)城市作為研究對(duì)象，分析了中歐班列節(jié)點(diǎn)城市物流網(wǎng)絡(luò)的特性。賈鵬等[6]選取全國(guó)110 個(gè)物流樞紐承載城市作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，刻畫了樞紐城市貨物聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)時(shí)空演化特征。李楠等提出評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)城市物流發(fā)展水平的指標(biāo)體系包括競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力、物流業(yè)產(chǎn)出水平、物流信息化等方面[7-9]。針對(duì)中歐班列運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題，Li等[10]構(gòu)建進(jìn)口糧食配送節(jié)點(diǎn)的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，利用中心度指標(biāo)對(duì)進(jìn)口糧食配送中心的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)。王廣翔等[11]建立了混合整數(shù)規(guī)劃模型，研究環(huán)境因素約束下中歐班列集結(jié)中心的選址與運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題。徐祥等[12]研究中歐班列集結(jié)中心選址問題時(shí)，考慮到運(yùn)輸成本最小化和用戶均衡問題的雙目標(biāo)規(guī)劃，借助MAS 模擬算法和機(jī)器學(xué)習(xí)，得出在烏魯木齊、蘭州和沈陽(yáng)建立集結(jié)中心。

通過對(duì)已有文獻(xiàn)的研究可知，關(guān)于集結(jié)中心選址的研究大致可以分為2 類。一是評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)城市的發(fā)展水平，將發(fā)展水平高的視為集結(jié)中心；其次是借助數(shù)學(xué)模型構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)求解成本最小化的集結(jié)中心選址方案。因此將兩種方法相結(jié)合，建立一個(gè)雙層規(guī)劃模型來(lái)確定中歐班列西通道集結(jié)中心的節(jié)點(diǎn)城市。上層模型使用熵權(quán)-TOPSIS評(píng)價(jià)各節(jié)點(diǎn)城市的競(jìng)爭(zhēng)力，確定集結(jié)中心的備選城市，下層模型探究中歐班列更經(jīng)濟(jì)、綠色的運(yùn)營(yíng)思路和方案，并基于上層選址結(jié)果構(gòu)建混合整數(shù)規(guī)劃模型，確定最終的集結(jié)中心并提供相關(guān)發(fā)展建議。

1 問題描述

目前中歐班列的運(yùn)營(yíng)模式大多數(shù)采取直達(dá)模式，這種開行模式組織運(yùn)營(yíng)方面用時(shí)少，方便快捷，但是會(huì)造成班列運(yùn)營(yíng)線路的重復(fù)，節(jié)點(diǎn)城市間對(duì)貨源的惡性競(jìng)爭(zhēng)，并且很難達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)。與直達(dá)模式相對(duì)比的是集結(jié)模式。中歐班列運(yùn)營(yíng)模式如圖1所示。

圖1 中歐班列運(yùn)營(yíng)模式Fig.1 Operation mode of China Railway Express

集結(jié)模式可以先將貨源地的貨物運(yùn)至集結(jié)中心，然后在集結(jié)中心根據(jù)貨物目的地進(jìn)行編組，最后再統(tǒng)一運(yùn)至出境口岸。因此集結(jié)中心可以解決相鄰城市之間向同一目的地運(yùn)輸?shù)膯栴}，減少貨物在貨源地等待滿載的時(shí)間，進(jìn)而減少中歐班列運(yùn)營(yíng)過程中的空箱率。為此，以中歐班列開行的節(jié)點(diǎn)城市為研究對(duì)象，選取中歐班列節(jié)點(diǎn)城市在運(yùn)輸通道的集結(jié)中心，對(duì)比2 種模式的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，進(jìn)而優(yōu)化節(jié)點(diǎn)城市的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。

2 模型構(gòu)建

2.1 中歐班列節(jié)點(diǎn)城市競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

中歐班列節(jié)點(diǎn)城市的競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)是以評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)城市的物流能力為目的。城市物流流通的物質(zhì)包括生產(chǎn)活動(dòng)所需的原材料、生產(chǎn)資料和人們?nèi)粘Ｉ畹南M(fèi)品等，因此物流產(chǎn)業(yè)規(guī)模決定了物流對(duì)象[13]。在參考以往研究成果的基礎(chǔ)上，選取了物流需求規(guī)模、物流規(guī)模水平、城市信息化度、城市發(fā)展?jié)摿统鞘杏绊懥ψ鳛樵u(píng)價(jià)指標(biāo)[7-9]。并且考慮到集結(jié)中心可以作為中歐班列國(guó)際運(yùn)輸?shù)闹匾?jié)點(diǎn)，將城市的樞紐等級(jí)和節(jié)點(diǎn)城市到出境口岸的距離也作為研究對(duì)象。中歐班列節(jié)點(diǎn)城市競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。

表1 中歐班列節(jié)點(diǎn)城市競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Index system for competitiveness evaluation of node cities for China Railway Express

其中，為了評(píng)價(jià)城市影響力方面的城市物流樞紐等級(jí)，將屬于國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)公布的5 個(gè)中歐班列“集結(jié)中心”示范工程建設(shè)城市、發(fā)展規(guī)劃中被列為內(nèi)陸主要貨源地節(jié)點(diǎn)、《全國(guó)流通節(jié)點(diǎn)城市布局規(guī)劃(2015—2020 年)》中被規(guī)劃為國(guó)家級(jí)流通節(jié)點(diǎn)的城市各計(jì)1分。

2.2 節(jié)點(diǎn)城市競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)模型

節(jié)點(diǎn)城市競(jìng)爭(zhēng)力評(píng)價(jià)模型為上層規(guī)劃模型。節(jié)點(diǎn)城市的競(jìng)爭(zhēng)力涉及多方面的指標(biāo)，全方位地展現(xiàn)出一個(gè)城市綜合的物流水平。熵權(quán)-TOPSIS法是信息熵和TOPSIS 法的結(jié)合，可以有效地解決多目標(biāo)決策問題。因此選用熵權(quán)-TOPSIS模型評(píng)價(jià)中歐班列節(jié)點(diǎn)城市的競(jìng)爭(zhēng)力水平。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估矩陣

（1）構(gòu)造初始矩陣。該矩陣設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象(中歐班列節(jié)點(diǎn)城市)n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：yij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)；i為評(píng)價(jià)對(duì)象次序；j為評(píng)價(jià)指標(biāo)次序；Y為初始矩陣。

（2）歸一化處理。由于指標(biāo)的量綱并不相同，為了使指標(biāo)在同一范圍內(nèi)進(jìn)行比較，對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，得到規(guī)范的判斷矩陣。歸一化處理后的標(biāo)準(zhǔn)判斷矩陣Z為

式中：zij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

2.2.2 熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重

（1）計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵值ej。

（2）由熵值ej確定第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重wj。

（3）將權(quán)重與指標(biāo)的數(shù)值對(duì)應(yīng)相乘得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣P。

式中：pij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)加權(quán)值。

2.2.3 計(jì)算相對(duì)貼近度

（1）加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣的正負(fù)最大值。

式中：A+為所在列的正最大值；A-為所在列的負(fù)最大值。

（2）i到正負(fù)最大值的貼近度。

式中：為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象到正最大值的接近度；為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象到負(fù)最大值的接近度。2.2.4 確定最終得分

式中：ci是第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與正負(fù)最大值的貼近度，ci介于0和1之間，值越貼近1，重要度越高。

2.3 混合整數(shù)規(guī)劃模型

混合整數(shù)規(guī)劃模型為下層規(guī)劃模型?？紤]到政府的預(yù)算限制以及環(huán)境因素，將上層規(guī)劃模型確定的集結(jié)中心備選城市使用混合整數(shù)規(guī)劃確定最終的集結(jié)中心。中歐班列集結(jié)中心運(yùn)營(yíng)模式如圖2所示。

圖2 中歐班列集結(jié)中心運(yùn)營(yíng)模式Fig.2 Operation mode of assembly center of China Railway Express

（1）模型假設(shè)。中歐班列在組織運(yùn)營(yíng)過程中影響因素較多，為了方便計(jì)算和分析，假設(shè)如下：①所選的集結(jié)中心備選城市為上層規(guī)劃模型中選出的集結(jié)中心備選城市；②假設(shè)一個(gè)城市只能選擇一個(gè)集結(jié)中心轉(zhuǎn)運(yùn)貨物，一個(gè)集結(jié)中心只能選擇一個(gè)出境口岸；③從貨源地到集結(jié)中心的運(yùn)輸方式可以選擇公路或鐵路運(yùn)輸，從集結(jié)中心到出境口岸的運(yùn)輸方式只選鐵路運(yùn)輸；④集結(jié)中心和出境口岸有處理貨物能力的限制；⑤運(yùn)輸產(chǎn)生的碳成本以碳稅的形式向中歐班列運(yùn)營(yíng)商征收；⑥考慮集結(jié)中心備選城市間的橫向運(yùn)輸，即未選為集結(jié)中心的城市貨源可以向已選為集結(jié)中心的城市運(yùn)輸。

（2）模型符號(hào)及定義。混合整數(shù)規(guī)劃模型中集合、參數(shù)和變量的符號(hào)及含義如表2所示。

表2 符號(hào)及含義Tab.2 Symbols and definitions

（3）模型建立。混合整數(shù)規(guī)劃的目標(biāo)是使經(jīng)濟(jì)成本與環(huán)境成本之和最小。模型中函數(shù)Z1是經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，代表了在節(jié)點(diǎn)城市建立集結(jié)中心時(shí)中歐班列的運(yùn)營(yíng)成本，包括運(yùn)輸?shù)脑谕境杀?、時(shí)間價(jià)值成本、集結(jié)中心處理貨物的成本和出境成本。函數(shù)Z2是環(huán)境目標(biāo)，代表了中歐班列在運(yùn)營(yíng)過程中所產(chǎn)生的碳排放量，包括運(yùn)輸過程中的碳排放和貨物在集結(jié)中心由于等待、換軌等所產(chǎn)生的碳排放。有關(guān)約束中歐班列碳排放的政策尚未成熟，因此將碳排放轉(zhuǎn)化為向運(yùn)營(yíng)商征收碳稅的問題。

約束條件⒁表示若被選為集結(jié)中心，到達(dá)已選集結(jié)中心的貨運(yùn)量等于從已選集結(jié)中心到出境口岸的貨運(yùn)量。約束條件⒂表示運(yùn)往集結(jié)中心貨運(yùn)量不可超過集結(jié)中心的最大處理能力。約束條件⒃表示貨源地只能選擇一個(gè)備選集結(jié)中心城市。約束條件⒄表示集結(jié)中心備選城市中未被選為集結(jié)中心的城市只能選擇一個(gè)已選集結(jié)中心。約束條件⒅表示集結(jié)中心的貨物只能從一個(gè)出境口岸出境。約束條件⒆表示集結(jié)中心到出境口岸的貨運(yùn)量小于出境口岸的處理能力。

3 實(shí)證分析

3.1 中歐班列西部通道節(jié)點(diǎn)城市的選取

中歐班列共有西、中、東3 條運(yùn)輸通道。通過西通道阿拉山口和霍爾果斯口岸出境的中歐班列數(shù)量占5 個(gè)出境口岸數(shù)量的60%，因此選擇西通道的節(jié)點(diǎn)貨源城市作為研究對(duì)象。鑒于西通道涉及城市較多，根據(jù)以下原則篩選出研究的節(jié)點(diǎn)城市：①已經(jīng)開行中歐班列的城市，如鄭州、西安等；②規(guī)劃開行中歐班列的城市，如昆明、貴陽(yáng)等；③在《全國(guó)流通節(jié)點(diǎn)城市布局規(guī)劃(2015—2020 年)》中被規(guī)劃為國(guó)家級(jí)流通節(jié)點(diǎn)的城市，以及中歐班列中、西通道共同吸引的節(jié)點(diǎn)城市，如長(zhǎng)沙、廣州等；④在《國(guó)家物流樞紐布局和建設(shè)規(guī)劃》中陸港型國(guó)家物流樞紐承載的城市，如遵義、安陽(yáng)等。綜上所述，共篩選出42 個(gè)城市作為中歐班列西通道物流網(wǎng)絡(luò)的境內(nèi)備選節(jié)點(diǎn)。

3.2 節(jié)點(diǎn)城市競(jìng)爭(zhēng)力水平分析

為提升備選城市評(píng)價(jià)的公平性和可比性，選擇2016、2018、2020 和2021 年的指標(biāo)數(shù)據(jù)。物流需求規(guī)模、物流規(guī)模水平、城市信息化度和城市發(fā)展?jié)摿χ笜?biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于各節(jié)點(diǎn)城市統(tǒng)計(jì)年鑒；城市影響力指標(biāo)數(shù)據(jù)通過中國(guó)鐵路95306 網(wǎng)獲取各城市鐵路運(yùn)輸線路狀況。將數(shù)據(jù)帶入到模型中得到基于熵權(quán)-TOPSIS節(jié)點(diǎn)城市排名結(jié)果如表3所示。

表3 基于熵權(quán)-TOPSIS節(jié)點(diǎn)城市排名結(jié)果Tab.3 Node city ranking results based on entropy weight-TOPSIS method

由表3 可知，重慶在2020 年和2021 年的競(jìng)爭(zhēng)力排名中均位居第一。重慶不但是首個(gè)開行中歐班列的節(jié)點(diǎn)城市，也是西部陸海新通道的核心樞紐，在綜合交通體系中承擔(dān)著重要的作用。另外，重慶、成都、鄭州、西安和烏魯木齊作為中歐班列集結(jié)中心示范工程建設(shè)的節(jié)點(diǎn)城市，在鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)著重要的樞紐作用，成為實(shí)現(xiàn)歐亞大陸互聯(lián)互通的重要支撐點(diǎn)。南京和義烏等在2020 年和2021年競(jìng)爭(zhēng)力排名有所上升，這些城市具有穩(wěn)定的進(jìn)出口貿(mào)易，可以促進(jìn)經(jīng)營(yíng)環(huán)境的良好發(fā)展，保障節(jié)點(diǎn)城市的樞紐經(jīng)濟(jì)。然而，鷹潭、格爾木和武威等城市地處偏遠(yuǎn)或交通不便利的地區(qū)，物流需求規(guī)模和物流設(shè)施的完善存在一定的局限性，導(dǎo)致其排名較低。綜上所述，選取2020 年和2021 年節(jié)點(diǎn)城市競(jìng)爭(zhēng)力水平均在排名前十五的城市作為集結(jié)中心的備選城市。符合條件的共有14 個(gè)城市，分別是重慶、廣州、東莞、成都、鄭州、南京、天津、西安、武漢、青島、長(zhǎng)沙、合肥、廈門和烏魯木齊。

3.3 確定最終的集結(jié)中心

3.3.1 確定最終集結(jié)中心指標(biāo)的數(shù)據(jù)來(lái)源

對(duì)節(jié)點(diǎn)城市的競(jìng)爭(zhēng)力水平分析可知，重慶、廣州等14 個(gè)城市作為集結(jié)中心的備選城市，其余的28個(gè)城市作為貨源地城市。并根據(jù)2020年和2021年中歐班列的貨運(yùn)量預(yù)測(cè)出節(jié)點(diǎn)城市向歐洲運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)量，各節(jié)點(diǎn)城市的貨運(yùn)需求量如表4所示。

表4 各節(jié)點(diǎn)城市的貨運(yùn)需求量Tab.4 Freight demand of each node city

根據(jù)Zhao 等[14]的研究，設(shè)置中歐班列集結(jié)中心的建設(shè)成本為3 億元，每噸貨物的單位時(shí)間價(jià)值為37.5。阿拉山口和霍爾果斯口岸每周的通關(guān)能力為60 列和67 列，假設(shè)每列車的核載量為2 000 t，由此可以得出每天的通貨能力。每單位貨物在運(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的碳排放量計(jì)算借助了歐洲環(huán)境署認(rèn)定的溫室氣體排放計(jì)算器EcoTransIT World，該工具根據(jù)消耗的能源和使用的燃料，基于自下而上的方法確定排放量。各個(gè)節(jié)點(diǎn)城市到備選集結(jié)中心的公路和鐵路距離分別使用百度地圖和百度百科鐵路里程表查詢得到。貨物在阿拉山口口岸和霍爾果斯口岸平均的通關(guān)時(shí)間分別為6 h和8 h，因此貨物在口岸的出境成本為每噸貨物的單位時(shí)間價(jià)值與口岸每天的平均通關(guān)時(shí)間的乘積[15]。參數(shù)的具體取值如表5所示。

表5 參數(shù)的具體取值Tab.5 Parameter values

3.3.2 結(jié)果分析

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入到模型中，求解出42個(gè)節(jié)點(diǎn)城市中最終被選為集結(jié)中心的節(jié)點(diǎn)城市為烏魯木齊、重慶、鄭州、武漢、東莞和合肥。進(jìn)一步觀察分析結(jié)果可以得出非集結(jié)中心的節(jié)點(diǎn)城市向集結(jié)中心運(yùn)輸貨物的線路及方式。中歐班列最終集結(jié)中心選址結(jié)果及貨物流向如圖3所示。

圖3 中歐班列最終集結(jié)中心選址結(jié)果及貨物流向Fig.3 Final site selection of assembly center of China Railway Express and cargo flow

由圖3可知，6個(gè)集結(jié)中心分別位于華東、西北、華南、華北以及中部等地區(qū)，地理位置分布較分散，可以很好地集結(jié)中歐班列西通道貨源。其中，烏魯木齊位于西北地區(qū)，是阿拉山口和霍爾果斯通道的必經(jīng)之地。烏魯木齊可以集結(jié)西北和華北地區(qū)的貨源，在集結(jié)中心重新編組運(yùn)輸，減少通往出境口岸運(yùn)輸線路重復(fù)的問題。重慶作為西南地區(qū)重要的交通樞紐，可以集結(jié)成都、昆明和貴陽(yáng)等地區(qū)的貨物，以便提高中歐班列的運(yùn)輸效率與靈活性。東莞可以整合來(lái)自廣州、廈門和南寧等地區(qū)的貨源，實(shí)現(xiàn)貨物的高效集散。武漢集結(jié)了湖南和江西等地區(qū)的貨源，減少了相鄰城市向境外同一節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸貨物的列車，可以降低空箱返運(yùn)率。合肥可以集中運(yùn)輸江浙地區(qū)的貨物，可以整合優(yōu)化利用物流資源，降低物流成本，減少碳排放。鄭州位于中部地區(qū)，河南、河北和山東地區(qū)的貨物可以運(yùn)至鄭州，由鄭州的集結(jié)中心進(jìn)行重新編組，開行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直達(dá)國(guó)外城市的班列，從而增強(qiáng)城市的競(jìng)爭(zhēng)力。

中歐班列西通道各節(jié)點(diǎn)城市在優(yōu)化運(yùn)輸線路前，各開行城市均提供直達(dá)班列至國(guó)外目的地城市。優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)城市可以選擇對(duì)應(yīng)的集結(jié)中心，在一定程度上減少了運(yùn)輸線路重復(fù)和資源浪費(fèi)的情況。為了更直觀地對(duì)比優(yōu)化前后的結(jié)果，假設(shè)優(yōu)化前各節(jié)點(diǎn)城市不考慮節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)運(yùn)成本，鐵路運(yùn)輸直達(dá)出境口岸；假設(shè)優(yōu)化后集結(jié)中心的使用周期為20 a，建設(shè)成本均攤到年度。由運(yùn)算結(jié)果可知，優(yōu)化后的運(yùn)營(yíng)成本為415.23億元，相比優(yōu)化前的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)值408.03 億元上升了1.8%；優(yōu)化后碳排放所承擔(dān)的成本為5 133.5 萬(wàn)元，相比優(yōu)化前的碳成本10 726 萬(wàn)元下降了52.1%；優(yōu)化后的總成本為415.74 億元，相比優(yōu)化前的總成本409.1 億元上升了1.6%；這意味著集結(jié)中心的建立會(huì)使成本小幅度上升，碳排放量大幅度下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

中歐班列集結(jié)中心可以加快“干支結(jié)合、樞紐集散”的班列組織方式，并促進(jìn)節(jié)點(diǎn)城市間的協(xié)調(diào)運(yùn)作。以中歐班列西通道貨源吸引區(qū)的節(jié)點(diǎn)城市為研究對(duì)象，建立雙層規(guī)劃模型，選出烏魯木齊、重慶、鄭州、武漢、東莞和合肥為中歐班列西通道貨源吸引區(qū)的集結(jié)中心。各個(gè)集結(jié)中心之間應(yīng)著力提升集結(jié)中心的運(yùn)輸能力，實(shí)現(xiàn)周邊城市的資源共享，以提高中歐班列的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。然而，中歐班列運(yùn)輸貨物種類繁多且有中西東三大通道，因此，下一步計(jì)劃研究基于貨運(yùn)品類的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)布局。