基于鐵路貨運(yùn)的大型裝車(chē)點(diǎn)選址優(yōu)化研究

金小燕

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

1 概述

從 2006 年開(kāi)始，鐵道部要求將運(yùn)力資源，特別是新增運(yùn)力向大型裝車(chē)點(diǎn)傾斜，全面推進(jìn)大型裝車(chē)點(diǎn)建設(shè)。鐵路大型裝車(chē)點(diǎn)是以智能化的裝載系統(tǒng)，大容量的倉(cāng)儲(chǔ)能力，高效規(guī)?；墓ぷ鞣椒ǎ邆湔信滠?chē)、整列裝車(chē)、整列始發(fā)的能力，對(duì)全路 (或全鐵路局) 貨物發(fā)送和生產(chǎn)效率具有重要影響和重大意義的裝車(chē)點(diǎn)[1]。截至 2009 年7月底，全路己建成 444 個(gè)大型裝車(chē)點(diǎn)，覆蓋大部分煤礦、港口、煉油廠、鋼廠等發(fā)送量較大的貨運(yùn)作業(yè)點(diǎn)。鐵路大型裝車(chē)點(diǎn)對(duì)外加強(qiáng)貨運(yùn)營(yíng)銷(xiāo)，對(duì)內(nèi)挖掘運(yùn)輸潛力，在增運(yùn)補(bǔ)欠中發(fā)揮重要作用。

全國(guó)鐵路建設(shè)大型裝車(chē)點(diǎn)是根據(jù)鐵道部“兩整合、一建設(shè)”(對(duì)車(chē)站到發(fā)貨物品類(lèi)的整合、對(duì)業(yè)務(wù)量較小車(chē)站的整合，建設(shè)大型裝車(chē)點(diǎn)) 工作總體部署提出的。大型裝車(chē)點(diǎn)的建設(shè)方法要求靈活，以需求為基礎(chǔ)，1 站可以有多個(gè)大型裝車(chē)點(diǎn)，1個(gè)裝車(chē)點(diǎn)可建多條整列裝車(chē)線，每一個(gè)大型裝車(chē)點(diǎn)至少具備1條整列裝車(chē)線，裝車(chē)線可以是專(zhuān)用線、專(zhuān)用鐵路，或者車(chē)站貨場(chǎng)裝車(chē)線。大型裝車(chē)點(diǎn)必須能夠進(jìn)行高效作業(yè)、快速裝車(chē)，以煤、石油、焦炭、礦石、鋼鐵等大宗物資為主，具有較好的貨源基礎(chǔ)和較強(qiáng)的貨源吸引能力，貨源量原則上達(dá)到日均 1列以上[1]。

2 大型裝車(chē)點(diǎn)選址方法分析

2.1 大型裝車(chē)點(diǎn)選址的特點(diǎn)及原則

大型裝車(chē)點(diǎn)的選址在整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中占有非常重要的地位，屬于鐵路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)管理戰(zhàn)略層面的研究。大型裝車(chē)點(diǎn)位置的選擇將影響實(shí)際運(yùn)營(yíng)的效率與成本，并制約未來(lái)鐵路貨運(yùn)的發(fā)展方向。因此，鐵路局在決定大型裝車(chē)點(diǎn)的選址方案時(shí)，必須謹(jǐn)慎參考相關(guān)因素，不僅要考慮鐵路內(nèi)部效率的因素，還要考慮外部市場(chǎng)環(huán)境條件因素，按照相關(guān)物流園區(qū)或物流中心的規(guī)劃步驟進(jìn)行。選址決策就是確定所要分配設(shè)施的數(shù)量、位置及分配方案[2]。就單個(gè)企業(yè)而言，選址決策決定了整個(gè)物流系統(tǒng)及其他層次的結(jié)構(gòu)；反之，該物流系統(tǒng)其他層次 (庫(kù)存、運(yùn)輸) 的規(guī)劃又會(huì)影響選址決策。

大型裝車(chē)點(diǎn)選址的過(guò)程涉及方方面面的因素，看似無(wú)規(guī)律可循，但在科學(xué)的選址決策過(guò)程中，一般遵循以下的評(píng)選原則[3]。

（1）規(guī)模經(jīng)濟(jì)性原則。大型裝車(chē)點(diǎn)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性比較明顯，在允許限度內(nèi)通過(guò)采用大規(guī)模生產(chǎn)方式可以降低單位產(chǎn)品的成本。但是制約大型裝車(chē)點(diǎn)規(guī)模的因素比較多，除受到一般工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)建設(shè)影響因素外，還受到客觀物流量和交通運(yùn)輸方式等條件的限制。

（2）費(fèi)用最小原則。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的當(dāng)今社會(huì)，經(jīng)濟(jì)成本最小就意味著有較大的利潤(rùn)空間，在競(jìng)爭(zhēng)中也肯定會(huì)占據(jù)有利地位。因此，應(yīng)將費(fèi)用最小作為大型裝車(chē)點(diǎn)選址的主要原則之一。

（3）能力彈性原則。由于企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中不斷的發(fā)展，在大型裝車(chē)點(diǎn)選址的過(guò)程中，應(yīng)考慮到市場(chǎng)變化、生產(chǎn)漲落等企業(yè)所處環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。因此，大型裝車(chē)點(diǎn)的選址及其能力設(shè)置也要有足夠的彈性，在一定程度上考慮到將來(lái)可能發(fā)生的變化，以適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境。

（4）簡(jiǎn)化作業(yè)流程原則。從企業(yè)到最終消費(fèi)者的過(guò)程中，涉及的業(yè)務(wù)流程越少，企業(yè)的利潤(rùn)空間越大，其競(jìng)爭(zhēng)力也越強(qiáng)。所以，在進(jìn)行大型裝車(chē)點(diǎn)的選址決策時(shí)，也要考慮盡量簡(jiǎn)化作業(yè)流程。

（5）適度原則。在進(jìn)行大型裝車(chē)點(diǎn)選址時(shí)，要考慮裝車(chē)點(diǎn)未來(lái)的興建費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，對(duì)于規(guī)模的大小及其運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，都應(yīng)有一個(gè)適度標(biāo)準(zhǔn)，既不能太浪費(fèi)，又要滿足各需求點(diǎn)的要求。

2.2 大型裝車(chē)點(diǎn)選址方法

選址的方法很多，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)有不同的方法。根據(jù)設(shè)施允許安置的空間對(duì)選址方法進(jìn)行分類(lèi)，可分為連續(xù)選址、網(wǎng)絡(luò)選址和離散選址。

（1）連續(xù)選址又稱(chēng)為平面選址，指的是在1條路徑或者1個(gè)區(qū)域里的任何位置都可以作為選址的1個(gè)選擇，允許在可行的連續(xù)空間的任何地方選址，多半采用解析方法，一般包括交叉中值模型和精確重心模型。

（2）離散選址指的是在有限的候選位置里面，選取最為合適的1個(gè)或者1組位置為最優(yōu)方案，與連續(xù)選址模型的最大區(qū)別在于只允許在指定的一些離散點(diǎn)集上選址。一般主要有2種模型可供選擇，分別是覆蓋模型和 P-中值模型。

（3）網(wǎng)絡(luò)選址的待選區(qū)域是一個(gè)被細(xì)分為許多相等面積的平面，候選地址的數(shù)量有限，但非常大，通常被允許在指定網(wǎng)絡(luò)的頂點(diǎn)與邊上選址，典型的應(yīng)用是倉(cāng)庫(kù)中不同貨物的存儲(chǔ)位置的分配。

一般后兩者主要用組合方法研究。另外，選址方法還可以分為單目標(biāo)選址與多目標(biāo)選址、受歡迎的設(shè)施選址與不受歡迎的設(shè)施選址等，以下對(duì)常用的2種選址方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.2.1 精確重心法

又稱(chēng)精心中心法、網(wǎng)格法，適用于最簡(jiǎn)單的單一選址問(wèn)題。利用重心法解決選址問(wèn)題的指導(dǎo)思想是根據(jù)服務(wù)對(duì)象的地理位置，確定與這些服務(wù)對(duì)象之間的運(yùn)輸費(fèi)用達(dá)到最小的地址，將其作為選址的最優(yōu)解。利用重心法建模求解主要是以運(yùn)輸費(fèi)用為主的，而忽略了其他費(fèi)用。

用重心法得到的最優(yōu)解只有1個(gè)點(diǎn)，而不會(huì)是1條線段或者1個(gè)區(qū)域。重心法的使用前提是已知大型裝車(chē)點(diǎn)各貨源地的地理位置，尋找總運(yùn)輸費(fèi)用最小的地址作為大型裝車(chē)點(diǎn)的優(yōu)選地址。在使用重心法確定優(yōu)選地址時(shí)，首先應(yīng)注意貨源地的確定是否準(zhǔn)確。貨源地是大型裝車(chē)點(diǎn)的服務(wù)對(duì)象，貨源地位置是重心法的基礎(chǔ)資料，其準(zhǔn)確與否直接決定了選址的最終結(jié)果。服務(wù)對(duì)象的確定隨不同的城市而有所不同，這主要受該城市經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)、發(fā)展規(guī)劃及相關(guān)政策等因素制約。

2.2.2 P-中值模型

P-中值模型是指在一定數(shù)量的備選點(diǎn)集合下，從中找出 P 個(gè)位置進(jìn)行配送中心的修建，并為每一個(gè)需求點(diǎn)指派其中的1個(gè)設(shè)施，以滿足各需求點(diǎn)的需要。同時(shí)，要使從各配送點(diǎn)到需求點(diǎn)之間的運(yùn)輸費(fèi)用最低[4]。

對(duì)于P-中值模型的設(shè)施選址問(wèn)題，主要有兩大類(lèi)的方法：精確計(jì)算法和啟發(fā)式算法。在規(guī)模較小時(shí)，可以利用精確計(jì)算法求出精確的數(shù)值解；在大規(guī)模、多約束情況下時(shí)，一般采用啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。P-中值模型一般適用于工廠或者倉(cāng)庫(kù)的選址問(wèn)題，例如求它們與零售商或顧客之間的費(fèi)用最小。

3 大型裝車(chē)點(diǎn)選址模型建立及算法

3.1 大型裝車(chē)點(diǎn)選址描述

大型裝車(chē)點(diǎn)的總體布局是根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和運(yùn)輸需求的預(yù)測(cè)結(jié)果，利用運(yùn)輸理論對(duì)所規(guī)劃的大型裝車(chē)點(diǎn)的數(shù)量、大小和位置進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)調(diào)整裝車(chē)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸效率最大化[5]。

大型裝車(chē)點(diǎn)的布局和其他選址一樣，應(yīng)采用定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法。定性分析可研究城市規(guī)模形態(tài)、貨源發(fā)生地特征、城市內(nèi)道路設(shè)施狀況和裝車(chē)點(diǎn)的布局關(guān)系，定性分析裝車(chē)點(diǎn)的等級(jí)；定量計(jì)算則是根據(jù)數(shù)學(xué)選址模型來(lái)確定設(shè)施選定地址、數(shù)量和規(guī)模等。

這里討論的是多個(gè)大型裝車(chē)點(diǎn)選址，是指在一些已知的備選點(diǎn)中選出一定數(shù)目的地點(diǎn)設(shè)置為大型裝車(chē)點(diǎn)，使形成的貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)總費(fèi)用最少，這些已知的備選站點(diǎn)屬于鐵路局或者是車(chē)務(wù)段所涵蓋的區(qū)域范圍內(nèi)。其中，總費(fèi)用包括基本投資費(fèi)用、可變費(fèi)用、固定費(fèi)用，以及由于鐵路內(nèi)部運(yùn)輸組織程序而產(chǎn)生的成本費(fèi)用等。

3.2 建立大型裝車(chē)點(diǎn)選址優(yōu)化模型

針對(duì)鐵路運(yùn)輸企業(yè)的選址要求，以鐵路運(yùn)輸企業(yè)整個(gè)貨物運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本最低化為目標(biāo)，在假設(shè)供需平衡條件下，增加考慮固定運(yùn)營(yíng)成本和以鐵路貨運(yùn)站場(chǎng)為特點(diǎn)的大型裝車(chē)點(diǎn)的可變運(yùn)營(yíng)成本等因素，構(gòu)建大型裝車(chē)點(diǎn)選址模型。

假設(shè)有 n 個(gè)貨源地，m 個(gè)備選站點(diǎn)，從這 m 個(gè)備選站點(diǎn)中組合優(yōu)選出若干個(gè)大型裝車(chē)點(diǎn)。

所建立的目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：xij表示從貨源點(diǎn)到備選大型裝車(chē)點(diǎn)的貨運(yùn)量；cij表示從貨源點(diǎn)到備選大型裝車(chē)點(diǎn)的單位運(yùn)輸成本費(fèi)用，鐵路的運(yùn)輸費(fèi)用一般采用鐵道部制定的有關(guān)費(fèi)用；bij表示承運(yùn)貨物的單位價(jià)值，用價(jià)格表示，實(shí)際中可以貨物保價(jià)價(jià)格為準(zhǔn)；δj表示備選大型裝車(chē)點(diǎn)的1次貨物作業(yè)時(shí)間與一晝夜時(shí)間比率，反映備選站點(diǎn)的工作效率及設(shè)備使用效率；Ej表示備選大型裝車(chē)點(diǎn)擴(kuò)建至最小作業(yè)處理能力的擴(kuò)建費(fèi)用；Kj表示關(guān)閉備選站點(diǎn)將節(jié)省的費(fèi)用；Zj為離散變量，當(dāng) Zj=1 時(shí)，表示第 j 個(gè)備選大型裝車(chē)點(diǎn)被選中，否則 Zj=0；Ai表示考察期內(nèi)貨源 i 所能提供的貨物量；Di表示對(duì)產(chǎn)自貨源地 i 的產(chǎn)品需求量；Wj表示站點(diǎn) j 發(fā)出的貨運(yùn)量；Qj表示大型裝車(chē)點(diǎn)所要求的最小處理能力，考慮大型裝車(chē)點(diǎn)的裝車(chē)作業(yè)能力、倉(cāng)儲(chǔ)容量、空車(chē)供給及點(diǎn)線通過(guò)能力等因素，并預(yù)留儲(chǔ)備能力。

一般地，貨運(yùn)站點(diǎn)的1次貨物作業(yè)時(shí)間是衡量車(chē)站運(yùn)輸組織工作質(zhì)量的1項(xiàng)綜合性指標(biāo)。1 次貨物作業(yè)時(shí)間越短，則貨車(chē)周轉(zhuǎn)效率越高、客戶滿意度越大，也意味著備選大型裝車(chē)點(diǎn)的潛力越大、經(jīng)濟(jì)效益越高、總成本越低。因此，以 δj與承運(yùn)貨物價(jià)值的乘積衡量某一備選大型裝車(chē)點(diǎn)的改造潛力，當(dāng) δj越小，對(duì)承運(yùn)貨物價(jià)值的損失越小，客戶越滿意，則總成本越低，改造的潛力也就越大，反之，則改造的潛力也就越小。

約束條件中，公式⑵表示貨源供給能力約束，以保證貨源點(diǎn)發(fā)送到大型裝車(chē)點(diǎn)的貨運(yùn)量不能超過(guò)其供貨力；公式⑶確保滿足大型裝車(chē)點(diǎn)的貨物量需求；公式⑷表示大型裝車(chē)點(diǎn)的貨物進(jìn)出總量要平衡；公式⑸表示站點(diǎn)受理作業(yè)能力約束，大型裝車(chē)點(diǎn)的受理貨物作業(yè)量受到裝卸作業(yè)能力、空車(chē)配送水平、貨物存儲(chǔ)能力等一系列因素的限制；公式⑹表示站點(diǎn)總數(shù)約束，即優(yōu)化數(shù)目要小于等于備選站點(diǎn)總數(shù)；公式⑺表示如果站點(diǎn)沒(méi)有被選擇，那么貨物將不會(huì)從此站點(diǎn)經(jīng)過(guò)，其中，M 是1個(gè)無(wú)限大的數(shù)。

從模型可以看出，最優(yōu)方案必須是在大型裝車(chē)點(diǎn)吸引貨源量滿足需求的前提下，使目標(biāo)值最小。因此，在求解之前可通過(guò)核心約束條件去除不滿足的解，并結(jié)合集約化原則，得到可行方案。具體步驟如下：首先，對(duì)各方案計(jì)算所含候選裝車(chē)點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)的貨源；其次，根據(jù)大型裝車(chē)點(diǎn)選址所遵循的集約性原則，確定最佳大型裝車(chē)點(diǎn)選址數(shù)；最后，由方案子集 S 確定最佳大型裝車(chē)點(diǎn)中候選裝車(chē)點(diǎn)數(shù)目的最小值。經(jīng)過(guò)處理后，對(duì)應(yīng)每一個(gè)可行性方案子集 S 均存在相應(yīng)的大型裝車(chē)點(diǎn)選址子問(wèn)題，可直接利用算法對(duì)其進(jìn)行求解。通過(guò)對(duì)比各子集的優(yōu)化結(jié)果，最終獲得大型裝車(chē)點(diǎn)最優(yōu)方案選址。

4 算例

假設(shè)有5個(gè)貨源地，5 個(gè)大型裝車(chē)點(diǎn)，裝車(chē)量都滿足客戶需要。貨運(yùn)量矩陣和運(yùn)輸成本矩陣如下。其中，xij表示從貨源地 i 發(fā)往大型裝車(chē)點(diǎn) j 的貨運(yùn)量。cij表示從貨源地 i 發(fā)往大型裝車(chē)點(diǎn) j 的運(yùn)輸成本。貨源地的供給量如表1所示。對(duì)貨源地產(chǎn)品的需求量如表 2所示。大型裝車(chē)點(diǎn)最小處理能力如表3所示。各參數(shù)賦值如表4所示。

表1 貨源地的供給量 萬(wàn)t

表2 對(duì)貨源地產(chǎn)品的需求量 萬(wàn)t

表3 大型裝車(chē)點(diǎn)最小處理能力 萬(wàn)t

表4 參數(shù)賦值

依照上述模型公式和約束條件，2 號(hào)裝車(chē)點(diǎn)不滿足約束條件公式⑵；3號(hào)裝車(chē)點(diǎn)不滿足約束條件公式⑷；5 號(hào)裝車(chē)點(diǎn)不滿足約束條件公式⑸。因此，裝車(chē)點(diǎn) 2、3、5 不滿足要求，應(yīng)淘汰。裝車(chē)點(diǎn) 1、4 滿足上述所有建模公式和約束條件，予以保留。對(duì)于5個(gè)貨源點(diǎn)來(lái)說(shuō)，最少量地保留1個(gè)裝車(chē)點(diǎn)不一定是實(shí)現(xiàn)成本最小的方案，因?yàn)樯婕柏浽吹刂裂b車(chē)點(diǎn)的運(yùn)輸成本、各裝車(chē)點(diǎn)的運(yùn)輸效率及裝車(chē)點(diǎn)的資源利用等因素。保留其中2個(gè)最符合需求的裝車(chē)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)成本最小、裝車(chē)點(diǎn)的利用效率最高，是最優(yōu)方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析鐵路貨運(yùn)物流化的發(fā)展趨勢(shì)，構(gòu)建了大型裝車(chē)點(diǎn)的選址優(yōu)化模型，并通過(guò)算例驗(yàn)證了大型裝車(chē)點(diǎn)選址優(yōu)化模型的可行性。研究鐵路大型裝車(chē)點(diǎn)布局規(guī)劃具有重要意義，有關(guān)問(wèn)題值得深入研究。

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