石海平，陸 婧，楊忠振

（大連海事大學 交通運輸管理學院，遼寧 大連 116023）

1 背景

超級運輸網(wǎng)絡(luò)是指由多種運輸方式構(gòu)成的運輸網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)超級運輸網(wǎng)絡(luò)組織綜合運輸可以充分發(fā)揮各種運輸方式的優(yōu)勢，獲得最佳的運輸效果。其中，最具有代表性的是集裝箱多式聯(lián)運。因為它以集裝箱為運輸單元,將不同的運輸方式有機地組合在一起,構(gòu)成一體化運輸，通過單次的托運，計費，單證，保險，由各運輸區(qū)段的承運人共同完成貨物的整體運輸[1]。這種方式以集裝箱為媒介,把海路、鐵路、公路、內(nèi)河水路等多種運輸方式有機地結(jié)合,銜接為一體。

確定多式聯(lián)運的整體方案時，需要知道各種運輸方式的費用、所需的時間以及可靠性。因此，需要在超級網(wǎng)絡(luò)上分析兩點之間的最短路徑、分析這些最短路徑的方式構(gòu)成、貨物在不同運輸方式間轉(zhuǎn)換時發(fā)生的費用和時間等。因此在優(yōu)化綜合運輸方案時，必須在網(wǎng)絡(luò)上進行量化分析，所以需要建立一個計算機識別的超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型。

近年來有很多關(guān)于綜合運輸?shù)难芯?，但是，國?nèi)的研究多以定性描述和比較分析為主，構(gòu)建量化分析模型的研究很少。例如，有關(guān)集裝箱多式聯(lián)運的研究都比較宏觀，研究方法多采用定性描述，許多研究指出了綜合運輸中存在的問題，提出了改善措施。定量研究主要集中在碼頭或樞紐選址方面，例如郭子堅等的研究[2]。另外，王濤和王剛[3]在分析各種運輸方式的特征后，構(gòu)建了一個超級運輸網(wǎng)絡(luò)，但是其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復雜。魏航等[4]在計算最短路徑時考慮了時變網(wǎng)絡(luò)所導致的時間、費用和風險的變化，但是，模型和算法比較復雜，且忽略了樞紐的換裝能力。張建勇和郭耀煌[5]提供了一種構(gòu)建超級運輸網(wǎng)絡(luò)和交通量分配的想法，但是沒有進行算法設(shè)計和定量計算。

國內(nèi)的大多數(shù)研究沒有采用網(wǎng)絡(luò)分析的方法計算改善措施的效果，以及這些措施對多式聯(lián)運的敏感程度。大部分利用數(shù)學模型進行綜合運輸政策分析的研究出現(xiàn)在國外，例如，Nijkamp(2004)[6]利用Logit/Probit離散選擇模型和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，比較優(yōu)化模型和預測模型對超級運輸網(wǎng)絡(luò)上的物流優(yōu)化和預測的能力。Beuthe[7]研究鐵路、公路、水運三種運輸方式的直接和交叉的需求彈力系數(shù)，利用超級運輸網(wǎng)絡(luò)計算了巴爾干地區(qū)10種不同貨類的運輸費用。他開發(fā)的交通需求分配模型全面考慮了整個網(wǎng)絡(luò)的特征。Southworth(2000)[8]應(yīng)用單一的數(shù)字表現(xiàn)形式表達超級運輸和跨州際的貨運網(wǎng)絡(luò)。研究了運輸系統(tǒng)和物流系統(tǒng)對環(huán)境的影響，以及從運輸?shù)慕嵌瓤刂坪头乐刮廴镜姆桨傅?。Kozan[9]開發(fā)了一個網(wǎng)絡(luò)模型來分析系統(tǒng)中集裝箱的運輸過程，其模型可以被看作是一個投資多式聯(lián)運集裝箱樞紐港的決策支持系統(tǒng)。

目前，對于超級運輸網(wǎng)絡(luò)的研究多集中在網(wǎng)絡(luò)的最短路的算法上，而對于網(wǎng)絡(luò)模型的建立、轉(zhuǎn)運樞紐與轉(zhuǎn)運鏈接在網(wǎng)絡(luò)模型表現(xiàn)形式研究較少，這些給分析綜合運輸方案和政策帶來了困難。本文在各種運輸網(wǎng)絡(luò)的特征、結(jié)構(gòu)以及用戶在起終點間的路徑選擇行為的基礎(chǔ)上，提出構(gòu)建超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型方法，針對網(wǎng)絡(luò)模型中虛擬鏈接的涵義給出三種虛擬鏈接的建立方法，它們分別是基于屬性的虛鏈接建立、基于城市道路子網(wǎng)絡(luò)模型的虛鏈接建立以及基于多尺度表達的虛鏈接建立。最后根據(jù)三種虛聯(lián)接的表現(xiàn)方法，以三種方式構(gòu)建中國東北地區(qū)的超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型，然后比較三種網(wǎng)絡(luò)模型的效用，并利用高效的網(wǎng)絡(luò)模型分析一系列綜合運輸政策。

2 超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型的概念

超級運輸網(wǎng)絡(luò)包含公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)、內(nèi)河／遠洋航線網(wǎng)、空中航線網(wǎng)等多種運輸子網(wǎng)絡(luò)，它把不同的運輸方式有機地結(jié)合起來。超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型中有代表鐵路、公路或水路通道的實鏈接，還要有代表兩種運輸方式間銜接關(guān)系的虛鏈接。實鏈接具有通行時間、通行費用、通行能力等屬性，虛鏈接具有轉(zhuǎn)運所需費用、轉(zhuǎn)運所需時間等屬性。實鏈接表示實際存在的運輸通道。虛鏈接的運輸阻抗可以體現(xiàn)各方式之間的銜接效果，例如，港口建設(shè)表現(xiàn)為與該港口相關(guān)的實鏈接之間銜接的改善。因此，虛鏈接結(jié)構(gòu)的難易程度對網(wǎng)絡(luò)模型的復雜程度影響大，如果虛鏈接結(jié)構(gòu)復雜，網(wǎng)絡(luò)模型的難度會增加；但虛鏈接結(jié)構(gòu)過于簡單，則難以準確反映兩種運輸方式間的轉(zhuǎn)運關(guān)系。圖1是一個簡單的超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型，它包含公路子網(wǎng)絡(luò)、鐵路子網(wǎng)絡(luò)、虛鏈接以及轉(zhuǎn)運樞紐。建立超級交通網(wǎng)絡(luò)模型的主要工作就是研究虛鏈接的表現(xiàn)和制作方法，下面以公路子網(wǎng)絡(luò)和鐵路子網(wǎng)絡(luò)為例來予以研究。

2.2 基于屬性的虛鏈接制作方法

由于公路子網(wǎng)絡(luò)和鐵路子網(wǎng)絡(luò)處于不同的網(wǎng)絡(luò)中，因此超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型需要利用虛鏈接將它們連接起來。圖2是基于屬性的虛鏈接的制作方法，該方法把貨物在兩個子網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)運時產(chǎn)生的耗時、費用、可靠性等事件記錄為虛鏈接的屬性。

如果一個節(jié)點銜接宏觀上鐵路和公路網(wǎng)絡(luò)，其不一定是同一個地點，而可能是同一個城市的兩個樞紐，因此需要利用兩樞紐間的公路和鐵路樞紐間來轉(zhuǎn)運貨物。例如，集裝箱經(jīng)由高速公路運抵城市A后再利用鐵路進行下一程的運輸時，要經(jīng)A市的城市道路將集裝箱運送到鐵路貨站，然后在貨站內(nèi)編組后開始鐵路運輸。因此這種虛鏈接的屬性就是在城市道路網(wǎng)上兩點間路徑的屬性。由于很難結(jié)合城市交通的實際狀況實施動態(tài)分析，因此一般來說這種方法將兩個樞紐間城市道路上的最短路徑作為虛鏈接屬性的主要部分。而貨物在樞紐內(nèi)的裝卸費用和時間、存貯費用和時間成為虛鏈接屬性的另一部分。這種虛鏈接的屬性代表的是一個轉(zhuǎn)運過程。

由于貨物的目的地不同，其走行時間、距離、費用也就不同。另外，由于鐵路發(fā)車時刻不同，貨物的等待時間、費用也不同，因此需制作不同的虛鏈接來表示。例如，在運輸大連→沈陽或者大連→哈爾濱的集裝箱時，需進行轉(zhuǎn)運，再由鐵路運輸至目的地。由于列車的發(fā)車時刻不一致，貨物在轉(zhuǎn)運樞紐的等待時間、存貯費用會不同，因此要制作不同的虛鏈接。

2.3 基于城市道路網(wǎng)的虛鏈接制作方法

在邏輯結(jié)構(gòu)上，超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型由鐵路子網(wǎng)絡(luò)、公路子網(wǎng)絡(luò)、城市道路子網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)運樞紐和虛鏈接組成。在該網(wǎng)絡(luò)中，鐵路子網(wǎng)絡(luò)與公路子網(wǎng)絡(luò)處于平等地位，其信息表示的詳細程度大致相當，屬于宏觀層次網(wǎng)絡(luò)。而城市道路子網(wǎng)絡(luò)表達的是城市內(nèi)部的道路信息，屬于微觀層次網(wǎng)絡(luò)。圖3中的實線是虛鏈接，虛線表示的是兩條道路直接相連，中間不存在阻礙，這是因為城市道路往往與城際公路直接相連，即卡車可由高速公路直接進入城市，然后經(jīng)城市道路到達鐵路貨運站。

與之前介紹的虛鏈接相比，這一節(jié)中的虛鏈接表示貨物的轉(zhuǎn)運過程，轉(zhuǎn)運線路在城市道路網(wǎng)絡(luò)上表現(xiàn)出來。將城市內(nèi)部原有的交通流與運輸貨物的卡車同時分配到城市道路網(wǎng)中，以便反映卡車的走行狀態(tài)、路徑選擇以及阻抗等。由于網(wǎng)絡(luò)模型會因為區(qū)域的變大而增加其規(guī)模，因此需簡化城市道路網(wǎng)。

2.4 基于多尺度表達的虛鏈接表示方法

尺度是指數(shù)據(jù)表達的空間范圍的相對大小和時間的相對長短，不同尺度所表達的信息密度不同[10]。不同的尺度導致不同的幾何外形。我們采用兩種尺度表現(xiàn)超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4所示。這兩個尺度上的虛鏈接分兩層存儲，第一層是宏觀的存儲結(jié)構(gòu)，包括鐵路子網(wǎng)絡(luò)、公路子網(wǎng)絡(luò)以及虛鏈接。第二層是微觀的存儲結(jié)構(gòu)，包括城市內(nèi)部的道路網(wǎng)絡(luò)和表示轉(zhuǎn)運樞紐信息的虛鏈接。宏觀和微觀層次間通過索引鏈接。

基于多尺度下虛鏈接構(gòu)建的超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型把前兩種虛鏈接結(jié)合起來，把不同層面的城市道路網(wǎng)、公路網(wǎng)與鐵路網(wǎng)銜接起來。這樣的綜合網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建相關(guān)和互動機制將不同的子網(wǎng)絡(luò)相互鏈接，一方面避免了因節(jié)點過多而造成的超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型過于龐大；另一方面又能反映出貨物在轉(zhuǎn)運城市內(nèi)部的走行狀態(tài)。

3 各種網(wǎng)絡(luò)模型的效績評價

這里從網(wǎng)絡(luò)的復雜性和對最短路徑算法的適應(yīng)性來檢驗三種超級網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣。

3.1 最短路徑算法分析

用基于屬性的虛鏈接構(gòu)建的超級網(wǎng)絡(luò)與用基于城市道路子網(wǎng)絡(luò)的虛鏈接構(gòu)建的超級網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)完全相同，只是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的個數(shù)不同，可以直接在這兩種網(wǎng)絡(luò)上使用Dijsktra算法。用基于多尺度表達的虛鏈接構(gòu)建超級網(wǎng)絡(luò)在物理結(jié)構(gòu)上分為了兩層，因此在搜索最短路徑時需要進行分步求解，具體步驟如下：

第一步，在宏觀層次的網(wǎng)絡(luò)上，用Dijsktra算法求解最短路徑。如果該路徑中包括運輸方式轉(zhuǎn)換，那么得到的最短路徑中會包括經(jīng)過某換裝節(jié)點的虛鏈接，記錄這些虛連接，然后轉(zhuǎn)入第二步；若不存在運輸方式轉(zhuǎn)換，則結(jié)束計算獲得最短路徑。

第二步，搜索最短路徑中所有經(jīng)過的虛鏈接，利用虛鏈接的索引獲取城市道路子網(wǎng)絡(luò)的信息，在城市道路子網(wǎng)絡(luò)中，以進入城市道路子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點為起始點，以轉(zhuǎn)運樞紐為終點，再次運用Dijsktra算法，求解在城市道路子網(wǎng)絡(luò)中的最短路徑。

第三步，基于比例尺和索引把兩個最短路徑綜合在一起，得到多尺度網(wǎng)絡(luò)中兩點間的最短路徑。

3.2 實例分析

為了比較三種網(wǎng)絡(luò)的效率，本文以大連港為中心，把東北地區(qū)作為整個研究對象，以大連、沈陽、長春、哈爾濱和滿洲里為樞紐，建立海鐵聯(lián)運運輸網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)包括公路子網(wǎng)絡(luò)、鐵路子網(wǎng)絡(luò)、虛鏈接以及轉(zhuǎn)運樞紐，整個網(wǎng)絡(luò)的鏈接見表1?？梢钥闯龅谝环N超級網(wǎng)絡(luò)最簡單，第三種超級網(wǎng)絡(luò)最復雜。

針對同一個起終點（大連-哈爾濱），在三種網(wǎng)絡(luò)上Dijsktra算法的時間分別為0.30s、0.62s和0.47s(CUP=Pentium 2.2G)。也就是說第一種網(wǎng)絡(luò)需要的時間最少，因為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和鏈接數(shù)量少。第三種網(wǎng)絡(luò)盡管結(jié)構(gòu)復雜，但是計算時間要比第二種短很多。

4 基于超級網(wǎng)絡(luò)的運輸政策評價

這里歸納了11項改善集裝箱運輸?shù)恼呋蚣夹g(shù)，他們分別是：(1)開通集裝線班列，大連←→沈陽、大連←→哈爾濱、沈陽←→滿洲里；(2)使用雙層的集裝箱車輛；(3)增加班列的發(fā)車頻率，將大連←→沈陽的發(fā)車頻率由每周2班增加到每周3班，將沈陽←→滿洲里的發(fā)車頻率由不定期改為每周兩班;(4)將列車的運行速度由60km/h提高到80km／h；(5)修建鐵路貨運專線；(6)優(yōu)惠鐵路的運價85%；(7)修建連接大連港口和鐵路樞紐的高速公路；(8)在沈陽和哈爾濱建設(shè)集裝箱場站；(9)使用先進的裝卸設(shè)備；(10)為綜合運輸提供信息平臺；(11)所有場站管理數(shù)字化。通過組合這些政策與技術(shù)，我們提出如下運輸改善措施：

方案A=不做任何改善；方案B=(7)+(8)+(9)+(10)+(11)；方案C=(4)+(5)+(6);方案 D=(1)+(2)+(3);方案 E=(1)+(4)+(7);方案F=(1)+(2)+(4)+(5)+(7)+(8)+(9);方案G=(1)+(2)+(3)+(4)+(5)+(6)+(7)+(8)+(9)+(10)+(11)。

把大連、沈陽、長春、哈爾濱和滿洲里設(shè)為5個運輸小區(qū)如圖5所示。由于無法直接知道5個小區(qū)間的集裝箱OD流量，故利用從網(wǎng)站和城市統(tǒng)計年鑒上獲得的零散集裝箱運輸量數(shù)據(jù)，配合重力模型估計得到每兩周的集裝箱O-D流量，見表2。根據(jù)最小費用原則把這個OD流量分配到與七個措施相對應(yīng)的超級網(wǎng)絡(luò)上，得到如表3所示的運輸費用情況。

可以看出與不采取任何改善措施相比，方案B節(jié)約運輸費用123萬元，方案C節(jié)約運輸費用200萬元，方案D節(jié)約運輸費用227萬元。方案C和方案D比方案B比更加明顯，是因為鐵路能力增加了，這說明目前鐵路的需求是旺盛的，但是供應(yīng)能力達不到要求。由于方案B只改善了轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)的設(shè)施和設(shè)備，因此雖然轉(zhuǎn)運費用有所下降，但是轉(zhuǎn)運量沒有增加。方案E、方案F和方案G采用了一系列的政策和技術(shù)，其效果更加明顯。通過比較可以知道單一的政策和技術(shù)的效果要比系列政策和技術(shù)的效果差，也就是說綜合運輸是一個大系統(tǒng)，只有各方面的全面合作，才能改善運輸效率，節(jié)約運輸成本。

5 結(jié)論

本文研究了超級運輸網(wǎng)絡(luò)中虛鏈接的概念和抽象方法，以及基于不同的虛鏈接構(gòu)建超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型的方法。在超級運輸網(wǎng)絡(luò)模型中轉(zhuǎn)運樞紐被抽象為虛鏈接，文中提出三種形式的虛鏈接，并對用這三種虛鏈接構(gòu)建的超級網(wǎng)絡(luò)進行了性能評價。通過對最短路徑算法的測試，我們發(fā)現(xiàn)用基于多尺度的虛鏈接構(gòu)建的超級網(wǎng)絡(luò)模型具有最好的性能，能夠真實地反映網(wǎng)絡(luò)中的換裝行為。

我們還利用基于對尺度的虛鏈接的超級網(wǎng)絡(luò)模型測試了改善綜合運輸效率與費用的政策與技術(shù)的實施效果。測試結(jié)果顯示，鐵路運輸能力的增加可以節(jié)約運輸成本，一系列的綜合政策與技術(shù)要比單一的改善措施具有更大的效果。

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