吳培森

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環(huán)境保護技術交通行業(yè)重點實驗室 天津 300456）

1 引言

現代港口多式聯運的貨物集裝箱運輸網絡的優(yōu)化研究，在集裝箱這方面的業(yè)務經營里是難度比較高的問題。不僅要保證合理的運輸時間，節(jié)省運輸成本，還要兼顧一系列的社會成本，對于現代港口的貨物集裝箱運輸企業(yè)的影響較大，所以選擇最優(yōu)的運輸方案，對于企業(yè)來說是非常重要的，甚至可以直接影響企業(yè)未來的命運。本文將對現代港口多式聯運的貨物集裝箱運輸網絡的優(yōu)化進行探究，提出有參考價值的理論與方法，對其有一定的啟發(fā)作用。在現代化的物流業(yè)中集裝箱多式聯運是一種高級的組織形態(tài)，研究它的主要目的是為了從整體上提高貨物運輸的效率，從而達到運輸效益的最優(yōu)解。在多式聯運的過程之中，運輸經營人可以自由靈活的選擇多種集裝箱運輸方式進行排列組合，運用科學合理的方法探究出一種高效的運輸方法，整體提升整個行業(yè)的運輸水平，提高行業(yè)的競爭力。下面將就此問題進行探究，進一步提出多式聯運的貨物集裝箱運輸網絡優(yōu)化方案。

2 集裝箱多級聯運的問題描述

在多式聯運集裝箱運輸的過程當中，需要考慮很多影響因素，主要在以下三個方面：運輸時間、運輸成本、運輸社會效益。這幾個因素會在不同程度上對多式聯運集裝箱網絡造成影響，為了使所構建的網絡模型更加嚴密和合理，也便于展開后續(xù)的研究［1］，做出如下幾點描述：

1）在整個運輸過程中，貨物的質量M為恒定值，即在運輸過程中不存在丟失，損耗等情況。

2）在運輸的方式和路徑確定的前提下，運輸的的成本僅僅與運輸的數量，運輸的距離，運輸商品的單價這些因素有關。

3）在運輸的方式和路徑確定的前提下，運輸貨物的時間的影響因素只考慮運輸時間。

4）在整個運輸過程中，季節(jié)、氣候、地勢條件等因素對運輸成本及運輸時間的影響都忽略不計。

在現代化港口的多式聯運的優(yōu)化方案研究中采用上述假設，那么運輸方式的選擇、運輸貨物集裝箱、多式聯運方案選擇便成為了整個方案中最基本的三個要素。其中，多式聯運中通道及各種運輸方式的選擇便成為了它的軀干，而運輸貨物集裝箱便成為了它的血肉。此外，在多級式聯運中，其運輸方式和運送方案的選擇之間既有制約關系，也有促進關系。這三個要素對于多級式運輸的質量和效率有著決定性的影響。

集裝箱多式聯運系統(tǒng)三角形關系圖如圖1所示：

圖1 集裝箱多式聯運系統(tǒng)三角形關系圖

3 現代港口多式聯運的貨物集裝箱運輸成本分析

在集裝箱多級式聯運集裝箱的運輸過程中，經濟成本、時間成本及社會的綜合成本［2］成為了選擇高效運輸方式和和運輸方案的關鍵制約因素。所以通過多級式聯運的方式將貨物集裝箱從起始港口A運往目的地B的優(yōu)化運輸模型如下：

其中，F1為其運輸過程中的經濟成本；F2為其運輸過程中的時間成本；F3、F4均為其社會綜合成本（F3為能源消耗，F4為污染氣體的排放總量）。

3.1 經濟成本的分析

在集裝箱的運輸過程中，經濟成本可以從兩個角度出發(fā)來考慮成本：運輸和轉運。其數學表達式如下：

1）D1：集裝箱運輸過程中的基本運輸成本。其表達式如下：

其中，n為在集裝箱運輸的過程中，集裝箱經過的中轉站數目［3］，n個中轉站將會把整個運輸途徑劃分為n+1條，α,β,γ,λ分別表示公路、鐵路、水路、航空四種運輸方式（下面提及都是相同含義）；di為第i條路徑上集裝箱的運輸成本；N為運輸中集裝箱的總數目；m為集裝箱的單個重量；Uik為在第i條路徑上，選用K方式進行運輸的運輸成本；lk為在第i個路徑的運輸距離。

2）D2：在運輸過程中轉運的成本費用。其公式如下：

其中，dj為集裝箱在運輸過程中在j轉運站上轉運的費用；為在第j個中轉站中，將單個集裝箱的運輸方式的運輸方式由轉化成需要支付的成本。

3.2 時間成本分析

在整個運輸過程中也需要考慮如下兩個方面的時間成本：運輸和裝運，其公式如下：

其中，α為單位集裝箱的平均轉化時間。T為運輸過程中運輸總時間的最大極限。

1）T1：運輸過程中的運輸時間。其計算公式如下：

其中，ti為在運輸過程中所需要的總時間。vik為在運輸過程的第i條路徑上采取k運輸方式下的運輸速度。

2）T2為在其運輸過程中的轉運成本。其具體的運算表達式如下：

其中，tj為在運輸過程中在第j個轉運站中所需的轉運時間。為在第j個轉運站中，運輸方式由k轉換成所需要的轉換時間。

3.3 社會綜合成本分析

在集裝箱運輸的過程中，社會綜合成本也需要考慮下面兩點：能源消耗和空氣污染［4］。其數學表達式如下：

其中，β為能源在單位消耗中的轉換成本；γ為有害氣體單位整治成本。

1）Q1為其運輸過程中的能源消耗。其數學表達式為

其中，qi為在運輸過程中的第i條路徑上所消耗的能量?！蔾為在采用k運輸方式時，在單位距離上運輸單位貨物所消耗的能量。

2）Q2：集裝箱在運輸的過程中空氣污染的程度。其數學公式為

其中，cij為第i條運輸路徑上，j污染氣體的排放量。Y為污染氣體的種類，a為二氧化碳，b為二氧化氮，c為二氧化硫。zkj為采用k運輸方式的前提下，單位距離中貨物運輸所排放的污染氣體總量。

4 實驗例證分析

假設現有一批集裝箱貨物要從始發(fā)港口O運往目的地G［5］，在此運輸過程中，有多個運輸方式、運輸路徑及運輸方案組合方案可以進行選擇。在綜合考慮上問所提及的三個基本成本的基礎上，承運人要選擇最優(yōu)的運輸方案進行集裝箱運輸。

針對以上的討論，下面就以一個常見的六節(jié)點集裝箱港口多式級聯運輸網絡圖來進行模擬分析?，F有一批數量為N的貨物集裝箱，從起始港口Q運往目的地G，運輸過程中可能經過的城市或者港口為 S1、S2、S3、S4，其中的每一個都可以宣威運輸途中的中轉站，上述4個中轉站可以選擇的運輸方式如下圖2所示。在上路的多式集裝箱運輸網絡圖中，兩個城市或者港口之間的運輸方式以及其可以進行選擇的運輸方式都用線段來表示。整個網絡中包含18條路徑，涉及鐵路和公路、海運、航空等運輸方式，可以根據需要進行靈活的調整和搭配［6］。

圖2 運輸網絡圖

表2～表3就運輸途中中轉站及各種運輸方式的基本數據給出了詳細的數值。其中表2給出了采取不同方式進行運輸時的運輸速度、污染氣體的排放比例系數、能演消耗系數；表3給出了各個中轉站之間的運輸距離和采用不同方式進行運輸時的單位價格；表4給出了在運輸過程中，選擇在不同港口進行貨物轉運的時間及價格。

表2 采取不同運輸方式的基本參數

表3 各轉運點之間的路徑參數

表4 各中轉站的中轉時間/中轉費用

利用本文構建的現代港口多式聯運的貨物集裝箱運輸網絡模型，下面利用遺傳算法在Matlab上進行代碼編寫求解。下面對遺傳算法進行簡單的介紹：該算法有四個基本的要素分別為參數編碼、適應度函數設計、遺傳算子的設計、算法控制參數的設定［7］。

1）參數編碼

由于這種算法不具備處理空間問題的能力，所以在對相應問題的處理時，首先要對其進行一定的轉化。這里的轉化指的是將其轉化成空間染色體組，因為染色體具有一定的序列組合，故把這個過程稱之為編碼［8］，這是應用該算法解決問題的第一要務。而具體的編碼方法也有很多，選擇一種合適的即可。

2）適應度函數設計

適應度函數在遺傳算法里具體指的是所研究個體的適應度函數。經過適應度函數的刪選可以對研究物體的優(yōu)劣進行一定的認識，從而可以制定出更加具有針對性的問題解決方案，并且具有任意性。其需要滿足的也是唯一需要滿足的要求就是使目標函數非負，主要目的就是為了在計算中更加有利于排序［9］。

3）遺傳算子的設計

此處的遺傳算子主要有三部分：選擇、交叉及變異。其中第一個選擇算子以優(yōu)勝劣汰的選擇對群體中的個體進行選擇，這個過程可以有效地解決組合優(yōu)化的問題。第二個交叉算子是將兩個父體的個體部分進行一定的調整重組［10］，從而得到新的個體。第三種變異算子是將其群體內的某一個體進行整體改變或者進行基因移植，從而生成新的個體。

4）算法控制參數的設定

關鍵參數的選擇也有很多種，例如：交叉概率、編碼串長度等。這些參數的選擇會直接影響遺傳算法的執(zhí)行時的性能［11］，因此必須有一個系統(tǒng)性的方案［12］。

算法流程圖3如下：

圖3 遺傳算法流程圖

設單位貨物集裝箱的質量m為15噸，貨物集裝箱的數量N分別為50、60、70，其運輸的時間分別為 12h、25h、16h，α、β、γ所對應的值分別為 104、10-4、1的前提下，對其進行模擬估算，并把種群的規(guī)模和迭代次數分別設置為30個、150次。據此由網絡圖3得到符合本設計方案的最優(yōu)運輸方案［13］如下：

當集裝箱的數量為70個時，所花費的經濟成本為474558元，所花費的的總運輸時間為14.975h，能源消耗的總量為48.77*108kJ，二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫的排放量依次為358370.5kg、1798.285kg、235.097kg，具體運輸方案為：從起始港口O出發(fā)，經過中轉港口或者城市S2最終到達目的地G。并且從O到S2采用公路運輸，由S2到G采用航空運輸。

5 結語

伴隨著現代化信息技術迅速發(fā)展，交通運輸業(yè)也得到了很大的改善。港口多式級聯集裝箱運輸的應用也越來越廣泛。特別是在經濟效益和運輸效率這兩個方面，其作用顯而易見，已經成了現代化港口運輸的大趨勢?；谶@個前提，我國港口運輸應該結合我國自身的實際情況，積極進行探索，從而找到運輸方式組合的最優(yōu)解，進一步推動港口多式級聯集裝箱運輸的發(fā)展，實現其效益的最大化。在對國內外港口集裝箱多式級聯運輸研究的進行基礎上，對其模型的優(yōu)化進行了更深入的研究［14］。具體的成果如下：

1）針對港口多式集聯運輸理論進行了系統(tǒng)性的概述，其主要包括它在不斷發(fā)展過程中所存在的問題、運輸流程、多式級聯運輸的定義、特征以及其所具備的優(yōu)勢。以上述內容為背景簡單地闡述了港口多式級聯運輸的組成要素，以便更好地進行其模型優(yōu)化方案的探究。

2）在確定運輸的方式的基礎上，從其存在的優(yōu)缺點，所需要的成本及經濟成本等方面對其進行分析和比較。根據運輸成本、時間、數量等制約因素，構建一個運輸網絡模型。

3）根據上文敘述，對運輸過程中的經濟成本、時間成本、社會綜合成本進行綜合考慮，把總體運輸時間作為網絡優(yōu)化方案中的制約因素，建立現代港口多式級聯集裝箱運輸網絡優(yōu)化模型，然后運用遺傳算法對其進行模擬運算，構建了具體的運算案例。

參考文獻

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