楊菊花,劉林忠,李小靜,巴彩林

(蘭州交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

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鐵路行李車開展零散貨物快捷運輸優(yōu)化研究

楊菊花,劉林忠,李小靜,巴彩林

(蘭州交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

在小件貨物運輸需求迅猛增長的背景下，提出利用旅客列車行李車的剩余運能開展小件貨物快捷運輸?shù)脑O(shè)想。基于鐵路旅客列車開行密集、?？空军c覆蓋面廣的優(yōu)勢，建立了多維0-1背包模型，解決小件貨物多批次、少批量的快捷運輸需求；以“先開先裝”為原則，設(shè)計貪婪策略和算法，充分利用旅客列車站停時間和行李車剩余運能；并以蘭州站當(dāng)日發(fā)往隴海線方向的全部旅客列車為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計算例，研究結(jié)果表明：利用行李車剩余運能開展小件貨物快捷運輸?shù)脑O(shè)想具備可行性、必要性和現(xiàn)實意義。

零散貨物；快捷運輸；行李車；多維0-1背包模型；貪婪策略

我國鐵路部門通過開行多品類快運貨物列車，在快捷貨物運輸方面已經(jīng)取得了初步的成效。業(yè)內(nèi)也針對快捷貨運展開了廣泛的研究，為鐵路部門快捷貨物運輸?shù)陌l(fā)展提出了很多有借鑒和指導(dǎo)意義的措施。申月等[1]提出在城際間開展鐵路快捷貨物運輸，系統(tǒng)地闡述了快捷貨物運輸系統(tǒng)組織模式和時間模式、運輸組織計劃以及模式，李夏苗等[2]從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度出發(fā)，針對物資流通對高質(zhì)量運輸?shù)男枨蠹捌浠貓笞隽嗽敿?xì)的分析，論證了鐵路發(fā)展快捷貨物運輸系統(tǒng)的必要性和意義。輸送方案問題一直是快捷貨運領(lǐng)域研究的熱點和難點，主要包括列車開行和編組方案優(yōu)化、運輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。李夏苗等[3-7]從快捷貨物的特點和貨主的需求角度，建立了快捷貨物列車開行方案優(yōu)化模型，研究了快捷貨物運輸動態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，提出了相應(yīng)的求解算法和策略，并給出了實例說明研究成果在擴(kuò)大鐵路快捷貨運規(guī)模和效益等方面的實際效用。針對當(dāng)前鐵路快捷貨運客戶分類的不足，帥斌等[8-9]提出了一種基于改進(jìn)RFM模型的客戶分類方法，針對不同客戶的特征和行為價值采取相應(yīng)的客戶關(guān)系管理策略。此后在分析鐵路快捷貨運主要產(chǎn)品市場占有率和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，利用波士頓矩陣法對各產(chǎn)品進(jìn)行定位，并提出了相應(yīng)的產(chǎn)品營銷策略。在網(wǎng)購需求的進(jìn)一步拉動下，各國廣泛開展了高鐵快遞業(yè)務(wù)，Zhang等[10-12]詳細(xì)闡述了國內(nèi)外高鐵快遞的優(yōu)勢、資金來源、技術(shù)裝備、經(jīng)營模式和運輸組織等。以上針對快捷貨運展開的研究，需要以充足的貨源為前提，針對零散貨物[13-14]，尤其是小件貨物，需要更為靈活的運輸組織方式來滿足其時效性要求。袁明[15]等介紹了安徽省公路運輸中利用客車行李艙的剩余運能開展小件快運并取得的具體實效，對利用鐵路旅客列車行李車的剩余運能開展小件快運提供了寶貴的經(jīng)驗。

1　問題的提出

隨著人們出行行為的轉(zhuǎn)變，旅客隨身攜帶的行李越來越少，通過調(diào)研蘭州車站旅客行包的發(fā)送量發(fā)現(xiàn)，從蘭州站發(fā)往各地的旅客列車，除拉薩和烏魯木齊方向，其他方向行李車的使用率普遍較低，通常在40%左右，運力虛靡情況嚴(yán)重。

本文針對當(dāng)前小件貨物運量迅猛增長的現(xiàn)狀，借鑒公路運輸中利用客車行李艙的剩余運能開展小件快運取得的成效，利用當(dāng)前旅客列車行李車的運能未能充分利用的現(xiàn)狀，在不影響旅客列車正常開行的前提下，車站通過提前備貨、集裝化包裝、機(jī)械化裝卸等措施配合旅客列車的站停時間，使貨物能在規(guī)定的站停時間內(nèi)完成裝卸作業(yè)。簡而言之，行李車開展小件貨物快捷運輸優(yōu)化問題就是利用旅客列車的站停時間和行李車的剩余運能，組織小件貨物的快捷運輸，在不額外增加運輸成本的基礎(chǔ)上，利用旅客列車定點、定線、定時的特點，考慮行李車載重能力和內(nèi)部容積、站停時間、裝卸作業(yè)效率，以及發(fā)到站，單件貨重及體積等因素，以期在規(guī)定的時間內(nèi)盡可能高效的完成小件貨物的快捷運輸。

這種利用行李車剩余運能開展快捷貨運的設(shè)想，其辦理方式可參照當(dāng)前鐵路行包快運的各項規(guī)定，僅限普通貨物，但在辦理時限和具體操作方法上有所區(qū)別。為了使辦理站和承運車輛之間能夠更好地協(xié)調(diào)配合，滿足小件貨物時效性的要求，貨物需提前托運，受理站根據(jù)貨物具體到站、各車次途經(jīng)?？空尽⒄就r分和車輛剩余運能，編制本站小件貨物裝卸車方案，選擇適當(dāng)?shù)穆每土熊囓嚧?，并在旅客列車到達(dá)本站前做好進(jìn)貨準(zhǔn)備，將貨物堆放至行李車?？刻?。

此外，鑒于小件貨物單件貨重和體積均較小，在裝卸作業(yè)過程中難以快速點件交接和實現(xiàn)機(jī)械化裝卸，為了充分利用行李車的剩余運能，應(yīng)根據(jù)貨物自身特性和具體到站，將貨物性質(zhì)不相抵觸且到站相同的貨物，利用托盤等集裝器具實現(xiàn)集裝化，以便使用叉車進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)。

2　所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的確定

2.1車輛技術(shù)參數(shù)的確定[16]

全路共有客車行李車兩千余輛，主要車型為25T、25K、25G、25B和22型， 其中25T型容積126m3，標(biāo)記載重17噸，運行速度160km/h；25K型容積126m3，標(biāo)記載重17.7t，運行速度140km/h；25G型容積126m3，標(biāo)記載重17.7t，運行速度120km/h；25B型容積126m3，標(biāo)記載重17.7t，運行速度120km/h；22型容積114m3，標(biāo)記載重17.7t，運行速度120km/h。

2.2貨物包裝方式及載重量約束的確定[17]

鐵路貨場常用托盤為1 100mm×1 100mm的方形塑料托盤，將小件貨物碼放在托盤上集裝成集裝件后配合叉車進(jìn)行機(jī)械化裝卸。根據(jù)鐵路運輸對集裝化運輸集裝件的定義可知，小件貨物集裝后其規(guī)格需滿足體積不小于1m3或重量不小于1t的基本要求。由于各型行李車容積都在114m3以上，而載重量為17t左右，故在計算行李車剩余運能可裝載的貨物件數(shù)時，主要考慮載重量約束。

通過對比各類行李車的技術(shù)參數(shù)可知，25T型行李車的標(biāo)記載重量最小，因此，在后續(xù)的算例中可以25T型行李車的技術(shù)參數(shù)為計算依據(jù)。

2.3叉車裝卸作業(yè)效率的計算[18]

叉車是目前鐵路貨場裝卸作業(yè)中常用的一種機(jī)械，其作業(yè)效率直接影響辦理站在有限的站停時間內(nèi)可供裝卸的次數(shù)。因此，需計算叉車搬運一次貨物往返所需的時間(T叉車)，計算公式如式1所示。

T叉車=t取+3t轉(zhuǎn)+2t行+t升+t降+t放

(1)

其中t取表示叉車叉取貨物所需時間，t轉(zhuǎn)表示轉(zhuǎn)向時間，t行表示搬運貨物(單程)所需時間，t升(降)表示貨物起升(下降)所需時間，t放表示放下貨物所需時間，單位為s。

搬運貨物所需時間t行可按式2計算。

(2)

其中:S表示搬運貨物走行的距離，v行表示叉車運行速度，t加減表示起停附加時間。

貨物起升(下降)所需時間t升(降)可用式3計算：

(3)

其中:H升(降)表示起升高度，v升(降)表示起升(下降)速度。

由于采取提前備貨、提前進(jìn)貨的組織原則，故t取可取10s，令t加減=0，參照鐵路貨場常用電瓶叉車的技術(shù)參數(shù)，可知t行=6s，t升(降)=10s，則T叉車=55s。

3　模型的建立

由于側(cè)重點不同，國內(nèi)外針對快捷貨運建立的模型各異[19-21]。在本文中為了充分利用行李車剩余運能，需綜合考慮貨物自身特性、集裝化后的規(guī)格、站停時分、裝卸機(jī)械效率等諸多因素。由于行李車剩余運能既定，當(dāng)從n個待發(fā)送集裝貨件中選擇裝入其中一部分，使這些集裝貨件的總重不超過行李車剩余運能，并使貨物等待時間最少，可選擇使用多維背包模型來建立該問題的數(shù)學(xué)模型。

3.1參數(shù)和變量設(shè)置

3.2模型的建立

3.2.1目標(biāo)函數(shù)分析

利用行李車剩余運能開展小件貨物的快捷運輸，應(yīng)從兩方面進(jìn)行考慮：一是不影響旅客列車的正常開行，二是能充分利用行李車剩余運能，盡可能快速有效地裝運貨物。即發(fā)送每噸貨物需要的時間最少，建立目標(biāo)函數(shù)如式(4)所示。

(4)

3.2.2約束條件分析

1)載重量約束

由于行李車剩余運能的限制，列車節(jié)點間實際裝貨量和卸貨量之差不能大于行李車剩余允許載重量，建立載重量約束如式(5)所示。

(5)

2) 站停時間約束

由于裝卸作業(yè)必須在站停時間內(nèi)完成，所以同批次貨物的件數(shù)不得大于叉車來回作業(yè)的次數(shù)，建立站停時間約束如式(6)所示。

(6)

3)先卸后裝約束

由于站停時間內(nèi)可完成的裝卸作業(yè)次數(shù)有限，因此，必須先完成貨物的卸車作業(yè)，剩余時間再完成貨物的裝車作業(yè)，建立先卸后裝約束如式(7)所示。

(7)

4) 集裝貨件發(fā)送作業(yè)時間約束

為了保證快捷貨物運輸?shù)臅r效性，所有辦理站承運的貨物必須在24小時以內(nèi)完成發(fā)送作業(yè)，建立第j個集裝貨件發(fā)送作業(yè)時間約束如式(8)所示。

(Tj發(fā)-Tj承)≤24

(8)

3.2.3模型建立

綜上分析，可構(gòu)建小件貨物快捷貨運站車協(xié)調(diào)優(yōu)化模型如下。

3.3貪婪算法設(shè)計

利用行李車剩余運能開展小件貨物快捷貨運問題屬于0-1背包問題，也是NP完全問題[22]，直接的枚舉搜索可以遍歷所有的可行解。而鐵路旅客列車開行車次多，停靠站和站停時間各異的實際情況提高了求解問題的復(fù)雜度，因此，需要設(shè)計簡潔實用的算法來降低求解問題龐雜的計算量[23-24]。考慮模型的目標(biāo)函數(shù)，為了盡可能在最短的等待時間內(nèi)裝運盡可能多的貨物，可以采用貪婪策略解決該問題。雖然鐵路旅客列車開行情況復(fù)雜，但每日開行情況固定，可以考慮“先開先裝”，即將所有每日開行的旅客列車按時間進(jìn)行排序，最先出發(fā)的列車滿足貨物到站停車要求、先卸后裝約束和站停時間約束后，則以裝滿該趟旅客列車行李車剩余運能為原則安排貨物的發(fā)送作業(yè)。

綜上設(shè)計貪婪算法步驟如下：

1)初始化。根據(jù)當(dāng)日貨物承運情況將貨物按重量降序排序后建立貨物信息數(shù)據(jù)庫，將旅客列車按發(fā)車時間升序排序后建立列車信息數(shù)據(jù)庫；

2)若貨物已全部發(fā)送完畢，算法停止，否則轉(zhuǎn)3；

6)將該最先出發(fā)車次剔除，更新車次信息數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)2。

4　算例分析

需要說明的是，由于鐵路客運站等級不同，站停時間不同，可完成小件貨物裝卸作業(yè)的件數(shù)各異，因此各客運站在按批受理時，每批貨物的件數(shù)不得超過旅客列車在該站的停車時間，件數(shù)較多時，可按多批貨物辦理，否則會造成票貨分離。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，蘭州站發(fā)往隴海線方向的旅客列車行李車載重量利用率不超過50%，25T行李車的標(biāo)記載重為17t，為簡化計算，將其載重量的50%設(shè)為該方向行李車剩余運能的初始值。

蘭州站當(dāng)日承運小件貨物數(shù)據(jù)庫包括成藥、文化用品和食品等17種貨物，按重量降序排序后的具體信息如表1所示。

表1　蘭州站當(dāng)日承運小件貨物數(shù)據(jù)庫

從貨物到站分析，由于定西甘谷站的站停時間較短，為2～3min，而叉車往返作業(yè)一次的時間為55s，因此發(fā)往這兩個站一批貨物的件數(shù)不得超過3件。其余各站雖然站停時間較長，由于載重量約束，一批貨物的總重不得超過8.5t。

查閱列車時刻表，將蘭州站發(fā)往隴海線方向的旅客列車按發(fā)車時間升序排序后建立列車信息數(shù)據(jù)庫。根據(jù)模型約束條件和貪婪算法，編程可得蘭州站當(dāng)日承運小件貨物的發(fā)送方案如表2所示。

表2　蘭州站小件貨物發(fā)送方案

從表2中可以看出，K1662次列車8點55分從蘭州站出發(fā)，到達(dá)寶雞時間當(dāng)日16點08分，區(qū)間里程503km，途中運行時長7小時13分；最遠(yuǎn)到達(dá)鄭州的K596次列車11點整從蘭州站出發(fā)，到達(dá)鄭州站時間次日03點44分，區(qū)間里程1 536km，途中運行時長16小時44分；K2188次列車11點13分從蘭州站出發(fā)，區(qū)間里程653km，到達(dá)咸陽時間為21點06分，運行時長9小時53分，可見蘭州站當(dāng)日承運的17件貨物上午12點前可以全部發(fā)送完畢?？紤]高速公路對于貨車的區(qū)間限速以及司機(jī)途中休息時間，鐵路旅客列車開展小件貨物的快捷運輸相較高速公路快捷貨物運輸在時效性方面具有一定的優(yōu)勢，且隨著運輸距離的增加這種優(yōu)勢越明顯。

在算例中所用到的8趟旅客列車，加裝小件貨物后前5趟行李車的載重量利用率最小可達(dá)82%，最大可達(dá)99%，行李車載重量利用率提高效果明顯。

為了更好的說明中間站在各次旅客列車行李車剩余運能不定的情況下如何開展小件貨物的快捷運輸，選取站停時間較短的隴西站進(jìn)行說明。當(dāng)日隴西站承運的小件貨物包括服飾、鞋靴、食品等6種，按重量降序排序后的具體信息如表3所示。

根據(jù)蘭州站各次旅客列車行李車?yán)檬Ｓ嗲闆r，只選取表3中所列到站，依據(jù)模型約束條件和貪婪算法，編程可得隴西站當(dāng)日承運小件貨物到發(fā)方案如表4所示。

表3　隴西站當(dāng)日承運小件貨物數(shù)據(jù)庫

表4　隴西站小件貨物到發(fā)方案

從表4可以看出，由于受列車開行區(qū)間、站停時間、載重量和先卸后裝四重約束，表2中的前5趟旅客列車只有K1662次旅客列車行李車可加裝至天水的藥材一件；K596次、K2188次和T115次旅客列車由于站停時間較短，為2min,2min和6min，雖然載重量剩余運能較多，但只能各加裝一批貨物。盡管受諸多條件限制，隴西站辦理完當(dāng)日承運的6批12.2t貨物總用時3小時10分鐘，辦理效率良好。

綜合分析表2和表4，如果列車開行區(qū)間滿足貨物到站要求，則后續(xù)車站承運的小件快捷貨物可地一步提高行李車的載重量，如表4中K1662次列車，加裝到達(dá)天水的藥材后，行李車載重量利用率可從85%提高到94%。

5　結(jié)論

1)從算例可以看出，鐵路大提速后，普速旅客列車運行速度可與高速公路貨車運行速度相當(dāng)，在途中運行時間上存在可競爭能力，且隨著運輸距離遞增，優(yōu)勢越明顯。其次，從發(fā)車間隔看，鐵路旅客列車發(fā)車密集，在站停時間內(nèi)每分鐘可裝卸貨物1件，完全可以做到隨到隨承運，完成集裝化作業(yè)后即可裝車，極大的減少了貨物的集結(jié)等待時間。因此，在運輸時間方面利用旅客列車行李車剩余運能開展小件貨物快捷運輸具備可行性。

2)為完成小件貨物的快捷運輸，車站只需一次性投入購買叉車的費用，以及集裝化等人員組織費用，途中運輸費用沒有額外支出。如果所有行李車載重量有剩余的鐵路客運站全部開展此項業(yè)務(wù)，通過算例分析可知，旅客列車行李車的載重量利用率將得到很大的提高，并由此帶來可觀的運輸收益。因此，利用旅客列車行李車剩余運能開展小件貨物快捷運輸具備必要性。

3)當(dāng)前鐵路總公司為參與白貨市場快捷運輸，相繼開發(fā)了電商專列、高鐵快遞等貨運新產(chǎn)品，這些專列的開行必須以充足的貨源保障為前提，但在西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對落后，貨源得不到充分保障的條件下，充分利用現(xiàn)有產(chǎn)品的剩余運能開展白貨快捷運輸，具有很好的現(xiàn)實意義。

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Optimization research on bulk cargo express transport using railway baggage car

YANG Juhua, LIU Linzhong, LI Xiaojin, BA Cailin

(SchoolofTrafficandTransportation,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Underthesettingofsharpdevelopmentofpackagequantity,theutilizationofremainingcapacityofbaggagecarinexpresstransportwasproposed.Basedonthesuperioritiesofrailwaypassengertrains,suchassmalloperationtimeintervalandwidecoverageinterritory,akindofmultidimensional0-1knapsackmodelwasestablishedsoastosolvetherequirementsofbulkcargothatareofmulti-batchesandlimitedquantities.Also,thegreedyalgorithmwasdesignedbasedonthe‘FirstDepartureFirstLoading’principleinordertomoreeffectivelyusetheremainingcapacityofbaggagecaranddwelltime.Lastly,anexamplewasdesignedbasedonthedataofrailwaypassengertrainsdepartingformLanzhoustationalongLonghaidirectioninoneday,theoutcomeexplainsthattheutilizationofremainingcapacityofbaggagecarinexpresstransporthasthefeasibility,necessityandrealisticsignificance.

bulkcargo;expresstransport;railwaybaggagecar;multidimensional0-1knapsackmodel;greedystrategy

2015-11-26

教育部人文社科基金資助項目(15YJCZH200)；甘肅省自然科學(xué)基金資助項目(1506RJZA079)

楊菊花(1978-)，女，甘肅甘谷人，副教授，博士研究生，從事交通運輸規(guī)劃與管理研究；E-mail:yangjuhua@mail.lzjtu.cn

U294.4

A

1672-7029(2016)07-1426-07