戶佐安，孫 燕，薛 鋒

基于海鐵聯(lián)運(yùn)的港口集裝箱運(yùn)輸集卡路徑選擇

戶佐安1,2，孫 燕1，薛 鋒1,2

(1. 西南交通大學(xué), 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院, 成都 611756; 2. 綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 成都 611756)

為提高集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)在港換裝轉(zhuǎn)運(yùn)的作業(yè)效率, 對(duì)有鐵路專用線引入的集裝箱碼頭集卡路徑規(guī)劃問題進(jìn)行了研究。分析鐵路線進(jìn)港后的碼頭集卡作業(yè)模式, 以集卡完成運(yùn)輸總時(shí)間最短為目標(biāo), 建立了帶集裝箱運(yùn)輸時(shí)間窗約束的線性整數(shù)規(guī)劃模型, 并求解了集卡在鐵路裝卸線、港口堆場(chǎng)、碼頭泊位三處任務(wù)節(jié)點(diǎn)的作業(yè)路徑規(guī)劃問題。最后以集裝箱碼頭混合作業(yè)為例, 設(shè)計(jì)相關(guān)算例, 利用CPLEX12.0對(duì)模型進(jìn)行求解, 得到有鐵路線引入的港口內(nèi)集卡作業(yè)路徑選擇結(jié)果, 驗(yàn)證模型具有較好的可行性。

海鐵聯(lián)運(yùn); 內(nèi)集卡路徑; 線性整數(shù)規(guī)劃

0 引 言

海鐵聯(lián)運(yùn)的運(yùn)輸效率不僅受各種運(yùn)輸方式的影響，更取決于運(yùn)輸方式之間的銜接效率。集卡作為集裝箱在港口進(jìn)行換裝轉(zhuǎn)運(yùn)的主要水平運(yùn)輸工具，其工作效率極大地影響了集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)作業(yè)。但由于海鐵聯(lián)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施匹配不夠，聯(lián)運(yùn)實(shí)現(xiàn)無縫銜接較差?；诖耍?019年9月，國家發(fā)改委聯(lián)合交通運(yùn)輸部、國家鐵路局等提出《關(guān)于加快推進(jìn)鐵路專用線建設(shè)的指導(dǎo)意見》[1]，意見指出在充分利用既有鐵路設(shè)施基礎(chǔ)上，加快鐵路專用線建設(shè)，打通鐵路運(yùn)輸“最后一公里”，提高港口的鐵路專用線接入比例。集裝箱碼頭集卡的運(yùn)輸路徑也將從泊位—堆場(chǎng)演變?yōu)椴次弧a頭堆場(chǎng)—聯(lián)運(yùn)堆場(chǎng)，從而產(chǎn)生成新的、復(fù)雜的集卡混合作業(yè)模式。因此，綜合考慮鐵路和港口及船公司的運(yùn)輸計(jì)劃要求，對(duì)受作業(yè)模式變動(dòng)影響的港口集卡路徑進(jìn)行規(guī)劃成為海鐵聯(lián)運(yùn)亟待解決的新問題。

關(guān)于集卡路徑問題，國內(nèi)外不少專家學(xué)者針對(duì)其在鐵路運(yùn)輸、港口轉(zhuǎn)運(yùn)及公路運(yùn)輸中的作業(yè)模式進(jìn)行過單方面或多種復(fù)雜條件下的路徑選擇、優(yōu)化研究。對(duì)于港口集卡作業(yè)路徑的優(yōu)化研究，文獻(xiàn)[2]基于時(shí)空網(wǎng)絡(luò)下的港口集卡作業(yè)路徑分析，建立以總運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的路徑優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[3-5]分別以最小化集裝箱裝卸全過程作業(yè)時(shí)間及最小化港口集卡運(yùn)輸時(shí)間為目標(biāo)，設(shè)計(jì)混合粒子群及蟻群算法進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[6,7]以集裝箱簇為作業(yè)單位，考慮集卡運(yùn)輸指派問題，分別研究了考慮集卡運(yùn)營時(shí)間最少和空駛距離最短的路徑規(guī)劃問題，利用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[8-10]研究了在集裝箱碼頭中集卡與岸橋、堆場(chǎng)機(jī)械之間的協(xié)調(diào)作業(yè)問題，考慮了岸橋等待時(shí)間以及集裝箱運(yùn)輸軟時(shí)間窗、裝卸運(yùn)輸設(shè)備工作效率等約束條件；文獻(xiàn)[11]以港口集卡消耗燃料成本最小和作業(yè)時(shí)間最短為目標(biāo)建立雙層規(guī)劃模型，利用lingo和粒子群算法進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[12]以法國勒阿弗爾港為實(shí)例，從多式聯(lián)運(yùn)角度出發(fā)，構(gòu)建了考慮不確定性約束的RSRP模型。對(duì)于海鐵聯(lián)運(yùn)中的港口集卡路徑研究，一部分側(cè)重針對(duì)鐵路運(yùn)輸集卡路徑優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[13]研究了鐵路集裝箱中心站的空閑集卡路徑問題，利用模糊決策理論的方法進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[14]針對(duì)在鐵路集裝箱裝卸過程中的集卡空、重載問題進(jìn)行了研究。另一部分則研究了海鐵聯(lián)運(yùn)背景下鐵路裝卸線（場(chǎng)）在港口的布局，文獻(xiàn)[15]研究了鐵路裝卸線不同布置形式對(duì)港口集疏運(yùn)的影響，并構(gòu)建仿真優(yōu)化模型。

綜上，當(dāng)前港口集卡問題的研究主要在集裝箱碼頭中考慮泊位—堆場(chǎng)之間的短途作業(yè)，較少結(jié)合疏港鐵路線（場(chǎng)）的規(guī)劃進(jìn)行延伸研究。既有研究側(cè)重于鐵路進(jìn)行集卡問題研究或者考慮鐵路裝卸線的港內(nèi)布置問題，而對(duì)有鐵路線引入的港口集卡路徑問題缺乏研究。隨著海鐵聯(lián)運(yùn)不斷發(fā)展，尤其在大力倡導(dǎo)鐵路專用線進(jìn)港的背景下，疏港鐵路線（場(chǎng)）對(duì)港口集卡短途運(yùn)輸作業(yè)的影響亟待研究，而對(duì)該影響中的集卡路徑問題進(jìn)行研究更具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因此，本文以聯(lián)運(yùn)堆場(chǎng)、港口堆場(chǎng)、碼頭泊位三點(diǎn)為集卡往返運(yùn)輸?shù)闹饕?jié)點(diǎn)，考慮集裝箱的運(yùn)輸時(shí)間窗，以最小化集卡的總運(yùn)輸時(shí)間為目標(biāo)，建立集裝箱碼頭內(nèi)集卡路徑選擇模型，并通過算例驗(yàn)證模型的有效性。

1 海鐵聯(lián)運(yùn)下港口集卡作業(yè)模式

當(dāng)前鐵路專用線進(jìn)港主要有兩種布置：一種是直接橫向延伸到碼頭前沿；另一種是縱向延伸至碼頭前沿。大部分港口由于聯(lián)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后，基本選擇在碼頭后方堆場(chǎng)引入鐵路專用線。

海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱到港作業(yè)按運(yùn)輸計(jì)劃主要分為兩類：一類是集裝箱實(shí)現(xiàn)“車船直取”作業(yè)；另一類是在港堆存后再離港，即“船舶—堆場(chǎng)—列車”作業(yè)模式。集卡作業(yè)模式分為單獨(dú)作業(yè)和裝卸協(xié)同作業(yè)，假設(shè)集裝箱碼頭裝卸同時(shí)進(jìn)行，前者集卡固定負(fù)責(zé)進(jìn)口或出口的集裝箱運(yùn)輸；后者在泊位、堆場(chǎng)、鐵路裝卸線處重復(fù)往返運(yùn)輸。當(dāng)卸箱船到達(dá)碼頭后，經(jīng)由岸橋卸船，再由碼頭內(nèi)集卡運(yùn)輸?shù)蕉褕?chǎng)進(jìn)口箱區(qū)堆存，或運(yùn)至聯(lián)運(yùn)堆場(chǎng)進(jìn)行鐵路疏港，接著集卡前往堆場(chǎng)出口箱區(qū)裝載出口集裝箱運(yùn)至裝船泊位，或者在聯(lián)運(yùn)堆場(chǎng)裝上出口集裝箱運(yùn)至碼頭泊位，再由岸橋裝載到出口船上，完成一次集卡行走循環(huán)。然而到港集裝箱無論進(jìn)行“車船直取”還是“船舶—堆場(chǎng)—列車”作業(yè)，均包含上述兩種集卡作業(yè)模式，如圖1、圖2所示。

圖1 “列車—船舶直取”模式下的集裝箱到港作業(yè)

圖2 “船舶—堆場(chǎng)—列車”模式下的集卡作業(yè)路徑

2 問題描述

有鐵路線引入的集裝箱碼頭集卡作業(yè)路徑情況復(fù)雜，為清楚描述集卡在碼頭泊位和堆場(chǎng)及聯(lián)運(yùn)堆場(chǎng)之間的作業(yè)關(guān)系，對(duì)問題界定如下：① 一艘待卸船舶和一艘待裝船舶分別停靠在碼頭的泊位1和泊位2上，裝卸同步進(jìn)行；② 假設(shè)每輛集卡一次僅能運(yùn)輸一個(gè)40英尺集裝箱，其裝載狀況僅為滿載或空載；③ 集卡單獨(dú)作業(yè)過程簡單，故以集卡裝卸協(xié)同作業(yè)為例，考慮一部分卸船集裝箱進(jìn)行“車船直取”作業(yè)，集卡需從泊位1裝上卸船箱運(yùn)至聯(lián)運(yùn)進(jìn)口堆場(chǎng)區(qū)，接著空駛至聯(lián)運(yùn)出口堆場(chǎng)區(qū)提取一個(gè)裝船箱運(yùn)至泊位2，集卡的主要作業(yè)路徑見表1；④ 余下卸船集裝箱進(jìn)行“船舶—堆場(chǎng)—列車”作業(yè)，集卡需要在碼頭泊位、堆場(chǎng)及聯(lián)運(yùn)堆場(chǎng)之間往返運(yùn)輸，其主要作業(yè)路徑見表2。

表1 集裝箱“車船直取”作業(yè)模式下集卡作業(yè)路徑

表2 集裝箱“船舶—堆場(chǎng)—列車”作業(yè)模式下集卡作業(yè)路徑

3 模型建立

3.1 基本假設(shè)

為簡化問題方便建模和求解，做出以下假設(shè)：

（1）集卡在岸橋裝卸處不計(jì)等待時(shí)間；

（2）同一堆場(chǎng)的貝位之間的距離忽略不計(jì)；

（3）集裝箱貨物的信息已知，包括到港貨物計(jì)劃、運(yùn)輸時(shí)間窗等；

（4）集卡一次僅能裝載一個(gè)40英尺的集裝箱；

（5）集卡在運(yùn)輸過程中行駛速度不變。

3.2 符號(hào)說明

其他變量及相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：

為集卡行駛速度；

為一足夠大的常數(shù)；

為集裝箱的計(jì)劃疏港時(shí)間。

定義決策變量：

3.3 模型描述

第輛集卡完成運(yùn)輸任務(wù)所花費(fèi)的時(shí)間可表示為：

故，考慮集卡完成任務(wù)總時(shí)間最短的目標(biāo)函數(shù)如下：

約束條件：

4 數(shù)值算例分析

4.1 算例描述

表3 箱區(qū)與箱區(qū)、箱區(qū)與泊位之間的距離（單位：m）

假定集卡行駛速度不變，故求解集卡完成運(yùn)輸任務(wù)的總時(shí)間最短的路徑問題可轉(zhuǎn)換為用節(jié)點(diǎn)間距離所代表的時(shí)間花費(fèi)，從而方便問題求解。海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱具有運(yùn)輸時(shí)限要求，算例中各運(yùn)輸任務(wù)點(diǎn)處集裝箱運(yùn)輸時(shí)間及運(yùn)輸時(shí)間窗要求見表4。

表4 各運(yùn)輸任務(wù)點(diǎn)的集裝箱運(yùn)輸時(shí)間及時(shí)間窗

Tab.4 Transport time and time window of containers at the nodes

4.2 結(jié)果分析

利用CPLEX12.0對(duì)算例進(jìn)行求解，集卡路徑分配結(jié)果見表5，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步分析得到集卡完成運(yùn)輸任務(wù)所產(chǎn)生的空駛距離和重載距離，見表6。

根據(jù)表5的計(jì)算結(jié)果可知，完成算例中的運(yùn)輸任務(wù)需要使用4輛集卡。每輛集卡在滿足時(shí)限約束條件下，完成了集裝箱碼頭進(jìn)出口集裝箱的運(yùn)輸任務(wù)。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的進(jìn)一步分析得到集卡完成集裝箱運(yùn)輸所行駛的距離，從而計(jì)算出其空、重載比見表6。4輛集卡完成運(yùn)輸任務(wù)的空、重載比均小于等于1，保證了集卡運(yùn)能的有效利用。此外，綜合表5、表6的結(jié)果進(jìn)行分析，考慮集裝箱運(yùn)輸?shù)臅r(shí)限要求，有鐵路線引入的集裝箱碼頭普遍采用集卡“作業(yè)線”運(yùn)輸模式，即單獨(dú)作業(yè)，集卡較單一、固定地為碼頭卸箱或裝箱作業(yè)服務(wù)。

表5 集卡路徑及完成進(jìn)出口箱量

Tab.5 Work path of container trucks and total import and export containers

表6 集卡行駛距離統(tǒng)計(jì)表

Tab.6 Statistics of container truck’s travel distance

5 結(jié) 論

本文提出并針對(duì)有鐵路專用線引入的集裝箱碼頭集卡路徑問題進(jìn)行研究，以最小化集卡運(yùn)輸總時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)，建立了考慮集裝箱碼頭混合作業(yè)的集卡路徑選擇模型，并設(shè)計(jì)算例對(duì)模型進(jìn)行求解。最終結(jié)果表明，該模型能夠有效求解考慮鐵路線引入的港口集卡行走路徑，且能較好保證集卡的運(yùn)能得到充分利用。本研究可用于幫助已接入鐵路專用線的港口進(jìn)行集卡路徑規(guī)劃決策，并為后續(xù)港口布置鐵路裝卸線提供研究基礎(chǔ)。本文研究的不足在于沒有考慮集卡運(yùn)輸?shù)哪芎?，在保證集卡盡量重載前提下，結(jié)合最小化運(yùn)輸能耗目標(biāo)進(jìn)行集卡路徑規(guī)劃將是進(jìn)一步研究的方向。

[1] 國家發(fā)展改革委. 關(guān)于加快推進(jìn)鐵路專用線建設(shè)的指導(dǎo)意見[Z]. 北京：國家發(fā)展改革委, 2019.

[2] TSAI F M, LU C C, CHANG Y M. A network model for solving the yard truck routing and scheduling problem[J]. The International Journal of Logistics Management, 2016, 27 (2): 353-370.

[3] LIU Y, FENG M, SHAHBAZZADE S. The container truck route optimization problem by the hybrid PSO- ACO algorithm[C]//International Conference on Intelligent Computing. Cham: Springer, 2017: 640-648.

[4] ZHEN L, YU S, WANG S, et al. Scheduling quay cranes and yard trucks for unloading operations in container ports[J]. Annals of Operations Research, 2019, 273 (1-2): 455-478.

[5] 俞濤. 集裝箱碼頭集卡作業(yè)組織優(yōu)化研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2013.

[6] HU X, GUO J, ZHANG Y. Optimal strategies for the yard truck scheduling in container terminal with the consideration of container clusters[J]. Computers & Industrial Engineering, 2019, 137: 106083.

[7] 梁承姬, 賈帥帥. 考慮集裝箱簇邊裝邊卸的港口集卡調(diào)度模型求解[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2017, 34 (2): 413-418.

[8] CAO J X, LEE D H, CHEN J H, et al. The integrated yard truck and yard crane scheduling problem: Benders’ decomposition-based methods[J]. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2010, 46 (3): 344-353.

[9] 計(jì)明軍, 劉豐碩, 李郭記, 等. 基于裝卸協(xié)同作業(yè)的集裝箱碼頭集卡調(diào)度及配置優(yōu)化[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 36 (1): 47-50.

[10] 王錚, 陸游, 張景玲, 等. 面向港口集裝箱運(yùn)輸?shù)墓蚕硎郊▌?dòng)態(tài)調(diào)度[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2013, 19 (10): 2607-2614.

[11] 趙金樓, 黃金虎, 劉馨, 等. 考慮燃料成本的集裝箱碼頭集卡路徑優(yōu)化[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 38 (12): 1985-1990.

[12] ROUKY N, BOUKACHOUR J, BOUDEBOUS D, et al. A robust metaheuristic for the rail shuttle routing problem with uncertainty: a real case study in the le havre port[J]. The Asian Journal of Shipping and Logistics, 2018, 34 (2): 171-187.

[13] 丁海濤, 朱曉寧. 基于“作業(yè)面”的鐵路集裝箱中心站集卡路徑優(yōu)化研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào): 交通科學(xué)與工程版, 2013, 37 (2): 334-338.

[14] 朱江洪, 肖靈芝, 何山. 鐵路集裝箱中心站集卡路徑優(yōu)化研究[J]. 物流技術(shù), 2013, 32 (23): 295-298.

[15] 張涌昊. 集裝箱港區(qū)鐵路裝卸線/場(chǎng)布置仿真優(yōu)化研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué); 2017.

Path Planning of Container Trucks in Ports Based on Sea-rail Transport

HU Zuo-an1, 2，SUN Yan1，XUE Feng1, 2

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. National Engineering Laboratory of Integrated Transportation Big Data Application Technology, Chengdu 611756, China)

The path planning problems of container trucks for container terminals with railway lines is investigated to improve the operational efficiency of containers during sea-rail transport reloading and transshipment in ports. In this study, the operational modes of container trucks in a port with railway lines is initially analyzed. Subsequently, a linear overall planning model considering the container transportation time window constraints was established to minimize the total transportation time of container trucks. The model can be used to plan a container truck’s work path among three loading points: the railway line, port yard, and dock berth. Finally, an experimental example of the mixed operation environment of a container terminal was designed and solved using CPLEX12.0, and the results demonstrate that the model is feasible.

sea-rail transport; container truck path; linear integer programming

1672-4747（2020）02-0068-07

U169.6

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.02.008

2019-11-18

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（2018X003）

戶佐安（1979—），男，湖北黃梅人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：運(yùn)輸組織理論及系統(tǒng)優(yōu)化，E-mail：huzuoan@home. swjtu.edu.cn

薛鋒（1981—）男，山東鄒城人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：運(yùn)輸組織理論及系統(tǒng)優(yōu)化，E-mail：xuefeng.7@163.com

戶佐安，孫燕，薛鋒. 基于海鐵聯(lián)運(yùn)的港口集裝箱運(yùn)輸集卡路徑選擇[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2020，18（2）：68-74.

（責(zé)任編輯：李愈）