張志磊

（神華集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京　100011）

神華集團(tuán)一體化調(diào)運(yùn)組織方案優(yōu)化研究

張志磊

（神華集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100011）

作者通過(guò)神華集團(tuán)實(shí)地調(diào)研，梳理了神華一體化調(diào)運(yùn)組織方案編制過(guò)程中存在的突出問(wèn)題，在對(duì)調(diào)運(yùn)各環(huán)節(jié)能力狀況分析對(duì)比的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備狀況、業(yè)務(wù)需求等約束條件，建立了一體化調(diào)運(yùn)利潤(rùn)最大化整數(shù)規(guī)劃模型，并運(yùn)用Excel規(guī)劃求解法對(duì)模型舉例求解。通過(guò)研究?jī)?yōu)化，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模方法編制調(diào)運(yùn)方案運(yùn)營(yíng)效率和效果均得到有效提高。

一體化調(diào)運(yùn)整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化

1　研究背景

2002年至2012年，隨著我國(guó)新一輪經(jīng)濟(jì)周期開(kāi)始，能源需求急劇增加，煤炭迎來(lái)了“價(jià)飛量增”的巨變，期間煤炭產(chǎn)量年平均增長(zhǎng)率超過(guò)11.0%，遠(yuǎn)高于同期GDP的增長(zhǎng)率。物極必反，受經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變、進(jìn)口煤沖擊、環(huán)境保護(hù)等多重因素影響，2013年以來(lái)國(guó)內(nèi)煤炭供大于求的矛盾日益加劇，煤炭?jī)r(jià)格持續(xù)下跌， 2014年超過(guò)70%的煤炭企業(yè)出現(xiàn)虧損，煤炭行業(yè)告別黃金十年進(jìn)入微利時(shí)代。

2　神華一體化調(diào)運(yùn)組織分析

神華集團(tuán)成立近30年來(lái)，創(chuàng)造了礦、電、路、港、航、化一體化，產(chǎn)、運(yùn)、銷、儲(chǔ)一條龍的經(jīng)營(yíng)模式。神華的一體化某種程度上說(shuō)就是煤炭供應(yīng)鏈的一體化，它的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)是由煤礦裝車站、自有及國(guó)有鐵路、自有及社會(huì)港口和直達(dá)銷售網(wǎng)點(diǎn)三部分構(gòu)成。其中，神東礦區(qū)、包神鐵路、神朔鐵路、朔黃鐵路、黃驊港這條主干線是神華一體化的核心內(nèi)容。

神華集團(tuán)日常生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)調(diào)運(yùn)指揮是以效益最大化為原則，需要科學(xué)制定計(jì)劃，需要執(zhí)行過(guò)程的嚴(yán)格管控，但目前神華集團(tuán)計(jì)劃制定、下達(dá)、監(jiān)督實(shí)施過(guò)程中的最主要手段還是業(yè)務(wù)人員的經(jīng)驗(yàn)操作和人為控制，面對(duì)日益復(fù)雜的調(diào)運(yùn)流程和龐大的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，要在日常生產(chǎn)調(diào)運(yùn)指揮中實(shí)現(xiàn)集團(tuán)效益最大化存在較大困難。

一是調(diào)運(yùn)組織方式落后，缺乏科學(xué)技術(shù)手段。神華一體化調(diào)運(yùn)組織業(yè)務(wù)流程相對(duì)粗放，僅以裝車數(shù)量來(lái)匹配煤源供應(yīng)、裝車能力、運(yùn)輸能力、接卸能力和銷售水平之間的不平衡問(wèn)題。沒(méi)有充分考慮成本、利潤(rùn)、周轉(zhuǎn)時(shí)間等重要運(yùn)營(yíng)指標(biāo)，同時(shí)缺乏科學(xué)的技術(shù)手段，不能結(jié)合客觀條件的變化準(zhǔn)確迅速地編制調(diào)運(yùn)方案。

二是調(diào)運(yùn)過(guò)程不透明，主觀因素影響大。一體化調(diào)運(yùn)組織過(guò)程復(fù)雜，涉及總部調(diào)度指揮部門、煤源供應(yīng)單位、裝車組織單位、運(yùn)輸組織單位、銷售單位等十幾個(gè)單位。然而調(diào)運(yùn)組織過(guò)程中人為判斷、憑經(jīng)驗(yàn)決策的情況較多，調(diào)運(yùn)組織效果受參與者的主觀因素影響大，增加調(diào)運(yùn)難度。

表1　煤炭供應(yīng)及裝車信息對(duì)照表

三是信息化程度不夠，經(jīng)營(yíng)分析難度較大。調(diào)運(yùn)組織涉及行業(yè)板塊多，各單位信息化程度不一致，信息復(fù)雜度增加，信息整合難度大。各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)手段落后，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)分析僅停留在增量對(duì)比方面，結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)分析薄弱。

3　一體化調(diào)運(yùn)組織方案優(yōu)化

3.1一體化調(diào)運(yùn)各環(huán)節(jié)能力分析

對(duì)一體化調(diào)運(yùn)組織方案進(jìn)行優(yōu)化，首先要全面掌握一體化調(diào)運(yùn)過(guò)程上游煤源供應(yīng)能力、裝車站裝車能力，中游鐵路運(yùn)輸能力，下游接卸能力等各環(huán)節(jié)的能力狀況及各環(huán)節(jié)能力之間的對(duì)比關(guān)系。

（1）煤炭供應(yīng)及裝車能力分析。包神鐵路管內(nèi)分布著14個(gè)裝車站點(diǎn)，神朔鐵路管內(nèi)分布著15個(gè)裝車站點(diǎn)，神東煤炭集團(tuán)、榆神能源公司、杭錦能源公司等7家單位在此區(qū)域供應(yīng)煤源，煤炭供應(yīng)及車站裝車能力如表1所示：

（2）鐵路運(yùn)輸能力分析：目前神華鐵路運(yùn)輸能力制約點(diǎn)有兩個(gè)：包神鐵路神東口和神朔鐵路神池南口。

結(jié)合神華鐵路機(jī)車、車輛、行車設(shè)備、供電及車站設(shè)備狀況等，經(jīng)測(cè)算得出包神鐵路神東站最大通過(guò)能力為80列，含25列萬(wàn)噸列車，合計(jì)105小列；神朔鐵路神池南口最大通過(guò)能力為112列，含84列萬(wàn)噸列車，合計(jì)196小列。

（3）下游接卸能力分析：神華集團(tuán)煤炭銷售主要分為兩種形式：港口下水銷售和鐵路沿線直達(dá)銷售。一體化調(diào)運(yùn)主要涉及的是神華自有的黃驊港和天津煤碼頭。黃驊港有翻車機(jī)13臺(tái)，其中C64型和C70型翻車機(jī)5臺(tái)，日卸車能力為40列；C80型翻車機(jī)8臺(tái)，日卸車能力為92列。天津煤碼頭有翻車機(jī)4臺(tái)，C64型和C70型翻車機(jī)1臺(tái)，日卸車能力為8列；C80型翻車機(jī)3臺(tái)，日卸車能力為24列。鐵路沿線直達(dá)銷售包括國(guó)鐵沿線和自有鐵路沿線銷售，由神華銷售公司負(fù)責(zé)，沿線直達(dá)銷售可根據(jù)歷年實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)為常數(shù)，大新口15列，王佐口15列，黃萬(wàn)線30列，朔黃沿線20列。

綜上，神華一體化調(diào)運(yùn)下游端日接卸總能力為219列，其中C80型列車最大接卸能力為142列，C70型和C64型列車最大接卸能力為105列。

（4）神華自有兩港裝船能力分析：黃驊港擁有煤炭專用泊位17個(gè)，均為萬(wàn)噸級(jí)以上泊位，煤炭泊位裝船能力為60萬(wàn)噸/日，大于卸車能力。天津煤碼頭擁有煤炭專用泊位3個(gè)，均為萬(wàn)噸級(jí)以上泊位，煤炭泊位裝船能力為18.2萬(wàn)噸/日，大于卸車能力。

（5）一體化調(diào)運(yùn)各環(huán)節(jié)能力比較：神華煤炭一體化調(diào)運(yùn)組織中的五個(gè)主要環(huán)節(jié)中，裝車能力、運(yùn)輸能力、卸車能力在一定時(shí)期內(nèi)能力狀況相對(duì)穩(wěn)定，可以直接確定三者間的大小關(guān)系。

①裝車與運(yùn)輸：包神鐵路管內(nèi)各裝車站能力之和為120列，考慮到區(qū)域裝車能力限制，包神鐵路管內(nèi)裝車能力為108列，大于包神鐵路運(yùn)輸能力105列。神朔管內(nèi)各裝車站能力之和為107列，考慮到區(qū)域裝車能力限制，神朔鐵路管內(nèi)裝車能力為100列，包神、神朔裝車能力合計(jì)207列，大于神朔鐵路最大運(yùn)輸能力196列。

②運(yùn)輸與接卸：神朔鐵路運(yùn)輸能力為196列，其中C80型列車110列，C70型列車40列，C64型列車46列，小于下游端接卸能力的219列。

③運(yùn)輸和銷售：由于煤炭銷售情況受價(jià)格影響波動(dòng)較大，所以無(wú)法籠統(tǒng)的直接比較銷售和運(yùn)輸能力的大小，需要結(jié)合具體時(shí)段內(nèi)的銷售實(shí)際情況，加以分析判斷，但可以確定的是目前制約一體化調(diào)運(yùn)水平的因素為運(yùn)輸或者銷售。

3.2一體化調(diào)運(yùn)指標(biāo)體系建立

神華集團(tuán)一體化調(diào)運(yùn)的主要經(jīng)營(yíng)指標(biāo)包括煤炭車板成本、轉(zhuǎn)運(yùn)成本、銷售收入、綜合利潤(rùn)、煤炭調(diào)運(yùn)量等。

（1）車板成本。煤炭的車板成本是指將煤炭送到發(fā)運(yùn)站列車上產(chǎn)生的成本，含煤炭生產(chǎn)成本、短途運(yùn)輸成本和搬運(yùn)成本等。

（2）轉(zhuǎn)運(yùn)成本。轉(zhuǎn)運(yùn)成本是指煤炭從裝車站運(yùn)往港口所需要支付的費(fèi)用。煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)成本包括鐵路運(yùn)費(fèi)、回空費(fèi)、港雜費(fèi)等。轉(zhuǎn)運(yùn)成本與鐵路運(yùn)費(fèi)、運(yùn)輸距離等因素有關(guān)。

（3）銷售收入。銷售收入是指將煤炭所有權(quán)轉(zhuǎn)到客戶，收到貨款或取得索取價(jià)款憑證，而認(rèn)定的收入，它由煤炭銷售單價(jià)和銷售量決定。

（4）綜合利潤(rùn)。利潤(rùn)指標(biāo)是一體化調(diào)運(yùn)過(guò)程中最為關(guān)注的指標(biāo)，綜合利潤(rùn)由銷售收入減去車板成本和轉(zhuǎn)運(yùn)成本來(lái)確定，綜合利潤(rùn)又等于路港利潤(rùn)和銷售利潤(rùn)之和。

（5）煤炭調(diào)運(yùn)量。對(duì)于神華煤炭一體化調(diào)運(yùn)而言，每日每個(gè)裝車站的煤炭實(shí)際調(diào)運(yùn)量的分配決定著調(diào)運(yùn)組織的結(jié)果。在煤炭調(diào)運(yùn)總量確定的情況下，如何利用科學(xué)有效的方法，確定每個(gè)裝車站的調(diào)運(yùn)數(shù)量，編制最佳調(diào)運(yùn)方案，是想實(shí)現(xiàn)煤炭一體化調(diào)運(yùn)利潤(rùn)最大化的關(guān)鍵。

3.3一體化調(diào)運(yùn)優(yōu)化條件分析

（1）決策要素。一體化調(diào)運(yùn)的優(yōu)化實(shí)際上就是運(yùn)用運(yùn)輸規(guī)劃方法科學(xué)編制每日調(diào)運(yùn)計(jì)劃的問(wèn)題，包含三方面決策要素：?jiǎn)挝徽{(diào)運(yùn)周期內(nèi)煤炭調(diào)運(yùn)總量、每個(gè)裝車站調(diào)運(yùn)煤炭數(shù)量、所編制的調(diào)運(yùn)方案達(dá)到神華整體效益最優(yōu)。

（2）模型類型選擇。運(yùn)籌學(xué)中主要的模型包括線性規(guī)劃模型、整數(shù)規(guī)劃模型、動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型、非線性規(guī)劃模型和混合規(guī)劃模型等。本文采用整數(shù)規(guī)劃模型解決煤炭調(diào)運(yùn)優(yōu)化問(wèn)題。

（3）一體化調(diào)運(yùn)優(yōu)化模型建立。神華煤炭一體化調(diào)運(yùn)業(yè)務(wù)可簡(jiǎn)述為：煤炭在內(nèi)蒙古西部、陜西北部、陜西西部等區(qū)域生產(chǎn)或收購(gòu)，在包神鐵路和神朔鐵路各個(gè)裝車站裝車，經(jīng)包神鐵路、神朔鐵路、朔黃鐵路運(yùn)送到黃驊港、天津煤碼頭及鐵路沿線直達(dá)接卸站，此問(wèn)題是裝車站i到卸車站j的多到多的運(yùn)輸線路整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。但結(jié)合當(dāng)前神華煤炭調(diào)運(yùn)業(yè)務(wù)實(shí)際，調(diào)度指揮部門負(fù)責(zé)一體化裝車運(yùn)輸計(jì)劃的下達(dá)和實(shí)施，銷售部門（單位）根據(jù)煤炭裝車運(yùn)輸日班計(jì)劃，安排煤炭分流和具體銷售工作。此問(wèn)題可簡(jiǎn)化為由多個(gè)裝車車站i到一個(gè)卸車車站j的多到一的整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。

①?zèng)Q策變量。決策變量是通過(guò)煤炭調(diào)運(yùn)優(yōu)化模型運(yùn)輸確定的變量，即優(yōu)化調(diào)運(yùn)方案。本文優(yōu)化決策變量設(shè)為Xi，表示一個(gè)煤炭調(diào)運(yùn)周期內(nèi)第i個(gè)裝車站的裝車列數(shù)。建立優(yōu)化模型之前，我們要先確定一體化調(diào)運(yùn)總量，即包神鐵路和神朔鐵路各裝車站裝車總列數(shù)，它是由一體化調(diào)運(yùn)各環(huán)節(jié)中最薄弱環(huán)節(jié)確定的。

當(dāng)煤炭銷售水平大于等于鐵路運(yùn)輸能力時(shí)，裝車總列數(shù)由鐵路運(yùn)輸能力決定。包神鐵路和神朔鐵路裝車總列數(shù)不大于神朔鐵路運(yùn)輸能力，包神鐵路裝車列數(shù)不大于包神鐵路運(yùn)輸能力，有：

注：A1-包神鐵路裝車列數(shù)，A2-神朔鐵路裝車列數(shù)。

當(dāng)煤炭銷售水平小于鐵路運(yùn)輸能力時(shí)，下游分流數(shù)量必須按照銷售數(shù)量確定，裝車總列數(shù)由銷售水平?jīng)Q定，包神鐵路和神朔鐵路裝車總列數(shù)不大于下游總銷售水平，有：

注：B-下游總分流列數(shù)，B1-大新口分流列數(shù)，B2-王佐口分流列數(shù)，B3-黃萬(wàn)線分流列數(shù)，B4-朔黃沿線分流列數(shù)，B5-黃驊港分流列數(shù)。

②優(yōu)化指標(biāo)。綜合利潤(rùn)是一體化調(diào)運(yùn)過(guò)程中最為關(guān)注的指標(biāo)，同時(shí)也是模型的優(yōu)化指標(biāo)，一體化調(diào)運(yùn)綜合利潤(rùn)等于所有裝車站煤炭調(diào)運(yùn)利潤(rùn)之和。

注：Zt-一體化調(diào)運(yùn)綜合利潤(rùn)。

3.4約束條件

模型約束條件是根據(jù)煤炭一體化調(diào)運(yùn)過(guò)程中業(yè)務(wù)需求、設(shè)備情況和能力狀況等因素進(jìn)行設(shè)置的，體現(xiàn)模型建立與調(diào)運(yùn)實(shí)際緊密結(jié)合，從而更好地應(yīng)用于調(diào)運(yùn)組織。

約束1：一體化裝車總列數(shù)小于等于銷售水平限制下的下游分流總列數(shù)。

約束2：各裝車站日裝車數(shù)量小于等于裝車能力。

約束3：每個(gè)裝車站裝車列數(shù)等于該站各種車型列車裝車列數(shù)之和。

約束4：鐵路車站區(qū)域裝車數(shù)量小于等于車站作業(yè)能力。

約束5：鐵路區(qū)段裝車總列數(shù)小于等于該鐵路最大通過(guò)能力。

約束6：鐵路區(qū)段各車型列車最大通過(guò)能力限制。

約束7：裝車站設(shè)備條件限制其裝車車型。

當(dāng)裝車站i不具備某車型裝車條件時(shí)，該車型在裝車站i的裝車列數(shù)為0。

約束8：決策變量為自然數(shù)。

注：A-裝車總列數(shù)，B-下游分流總列數(shù)，Xi-裝車站i的日裝車數(shù)量，Li-裝車站i的日裝車能力，Xa-裝車站i裝C80型車列數(shù)，Xb-裝車站i裝C70型車列數(shù)，Xc-裝車站i裝C64型車列數(shù)，Xq-鐵路車站i的區(qū)域裝車數(shù)量，Lq-鐵路車站i的車站作業(yè)能力，A1-包神管內(nèi)裝車列數(shù)，A2-神朔鐵路管內(nèi)裝車列數(shù)，C1-包神鐵路通過(guò)能力，C2-神朔鐵路通過(guò)能力，Da-包神管內(nèi)C80型車裝車列數(shù)，Db-包神管內(nèi)C70型車裝車列數(shù)，Dc-包神管內(nèi)C64型車裝車列數(shù)，Ea-神朔管內(nèi)C80型車裝車列數(shù)，Eb-神朔管內(nèi)C70型車裝車列數(shù)，Ec-神朔管內(nèi)C64型車裝車列數(shù)。

3.5建立模型

集團(tuán)利潤(rùn)最大化模型：綜合考慮神華煤炭的車板成本、轉(zhuǎn)運(yùn)成本和銷售收入等經(jīng)營(yíng)指標(biāo)，在業(yè)務(wù)需求、設(shè)備能力等約束條件下，使得集團(tuán)煤炭一體化調(diào)運(yùn)利潤(rùn)最大化的調(diào)運(yùn)優(yōu)化模型，一體化調(diào)運(yùn)總利潤(rùn)等于所有裝車站調(diào)運(yùn)利潤(rùn)之和：

s.t.約束1～約束8

注：Pi-從裝車站i到黃驊港調(diào)運(yùn)1噸煤炭集團(tuán)獲得的利潤(rùn)，Wi-裝車站所裝列車的平均載重，Xi-裝車站i的裝車列數(shù)。

3.6模型舉例求解

在運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域，整數(shù)規(guī)劃模型的求解算法有很多，比如分支定界法、割平面法、匈牙利法、Excel規(guī)劃求解法等，本文采用的方法為Excel規(guī)劃求解法。

例：神華集團(tuán)自有港口、相關(guān)社會(huì)港口以及各直達(dá)銷售點(diǎn)庫(kù)存均處于正常水平，預(yù)測(cè)某日神華煤炭銷售量為150萬(wàn)噸，其中下水銷量為80萬(wàn)噸，下游各交口預(yù)計(jì)銷售量均大于鐵路運(yùn)輸能力。編制當(dāng)日一體化裝車效益最優(yōu)調(diào)運(yùn)方案？

運(yùn)用Excel規(guī)劃求解方法對(duì)該模型進(jìn)行求解得出最佳調(diào)運(yùn)方案下集團(tuán)可獲得最大利潤(rùn)maxZ=6080.9萬(wàn)元，較人工方案利潤(rùn)高78萬(wàn)元。

調(diào)運(yùn)方案為：一體化裝車安排196列，其中包神管內(nèi)105列，神朔管內(nèi)91列。

4　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)神華集團(tuán)實(shí)地走訪調(diào)研和座談?dòng)懻?，在?duì)神華一體化調(diào)運(yùn)組織模式認(rèn)真研究和深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前調(diào)運(yùn)實(shí)際建立了易于操作的運(yùn)籌學(xué)整數(shù)規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)日常調(diào)運(yùn)組織方案從人工編制到計(jì)算機(jī)編制的轉(zhuǎn)變。有效提升了一體化調(diào)運(yùn)效率和效果。根據(jù)本文的舉例求解情況，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模編制一體化調(diào)運(yùn)組織方案從確定調(diào)運(yùn)總量、添加約束條件、建立模型到模型求解確定最終方案用時(shí)較以往的人工編制方法節(jié)約75%，利潤(rùn)提高1.3%。

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