基于超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型的綜合運(yùn)輸政策效果分析

石海平，陸 婧，楊忠振

（大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸管理學(xué)院，遼寧 大連 116023）

1 背景

超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)是指由多種運(yùn)輸方式構(gòu)成的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)組織綜合運(yùn)輸可以充分發(fā)揮各種運(yùn)輸方式的優(yōu)勢(shì)，獲得最佳的運(yùn)輸效果。其中，最具有代表性的是集裝箱多式聯(lián)運(yùn)。因?yàn)樗约b箱為運(yùn)輸單元,將不同的運(yùn)輸方式有機(jī)地組合在一起,構(gòu)成一體化運(yùn)輸，通過單次的托運(yùn)，計(jì)費(fèi)，單證，保險(xiǎn)，由各運(yùn)輸區(qū)段的承運(yùn)人共同完成貨物的整體運(yùn)輸[1]。這種方式以集裝箱為媒介,把海路、鐵路、公路、內(nèi)河水路等多種運(yùn)輸方式有機(jī)地結(jié)合,銜接為一體。

確定多式聯(lián)運(yùn)的整體方案時(shí)，需要知道各種運(yùn)輸方式的費(fèi)用、所需的時(shí)間以及可靠性。因此，需要在超級(jí)網(wǎng)絡(luò)上分析兩點(diǎn)之間的最短路徑、分析這些最短路徑的方式構(gòu)成、貨物在不同運(yùn)輸方式間轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生的費(fèi)用和時(shí)間等。因此在優(yōu)化綜合運(yùn)輸方案時(shí)，必須在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行量化分析，所以需要建立一個(gè)計(jì)算機(jī)識(shí)別的超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型。

近年來有很多關(guān)于綜合運(yùn)輸?shù)难芯?，但是，?guó)內(nèi)的研究多以定性描述和比較分析為主，構(gòu)建量化分析模型的研究很少。例如，有關(guān)集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的研究都比較宏觀，研究方法多采用定性描述，許多研究指出了綜合運(yùn)輸中存在的問題，提出了改善措施。定量研究主要集中在碼頭或樞紐選址方面，例如郭子堅(jiān)等的研究[2]。另外，王濤和王剛[3]在分析各種運(yùn)輸方式的特征后，構(gòu)建了一個(gè)超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，但是其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。魏航等[4]在計(jì)算最短路徑時(shí)考慮了時(shí)變網(wǎng)絡(luò)所導(dǎo)致的時(shí)間、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)的變化，但是，模型和算法比較復(fù)雜，且忽略了樞紐的換裝能力。張建勇和郭耀煌[5]提供了一種構(gòu)建超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和交通量分配的想法，但是沒有進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和定量計(jì)算。

國(guó)內(nèi)的大多數(shù)研究沒有采用網(wǎng)絡(luò)分析的方法計(jì)算改善措施的效果，以及這些措施對(duì)多式聯(lián)運(yùn)的敏感程度。大部分利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合運(yùn)輸政策分析的研究出現(xiàn)在國(guó)外，例如，Nijkamp(2004)[6]利用Logit/Probit離散選擇模型和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，比較優(yōu)化模型和預(yù)測(cè)模型對(duì)超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)上的物流優(yōu)化和預(yù)測(cè)的能力。Beuthe[7]研究鐵路、公路、水運(yùn)三種運(yùn)輸方式的直接和交叉的需求彈力系數(shù)，利用超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)計(jì)算了巴爾干地區(qū)10種不同貨類的運(yùn)輸費(fèi)用。他開發(fā)的交通需求分配模型全面考慮了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特征。Southworth(2000)[8]應(yīng)用單一的數(shù)字表現(xiàn)形式表達(dá)超級(jí)運(yùn)輸和跨州際的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。研究了運(yùn)輸系統(tǒng)和物流系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，以及從運(yùn)輸?shù)慕嵌瓤刂坪头乐刮廴镜姆桨傅?。Kozan[9]開發(fā)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型來分析系統(tǒng)中集裝箱的運(yùn)輸過程，其模型可以被看作是一個(gè)投資多式聯(lián)運(yùn)集裝箱樞紐港的決策支持系統(tǒng)。

目前，對(duì)于超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的研究多集中在網(wǎng)絡(luò)的最短路的算法上，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)模型的建立、轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐與轉(zhuǎn)運(yùn)鏈接在網(wǎng)絡(luò)模型表現(xiàn)形式研究較少，這些給分析綜合運(yùn)輸方案和政策帶來了困難。本文在各種運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的特征、結(jié)構(gòu)以及用戶在起終點(diǎn)間的路徑選擇行為的基礎(chǔ)上，提出構(gòu)建超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型方法，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型中虛擬鏈接的涵義給出三種虛擬鏈接的建立方法，它們分別是基于屬性的虛鏈接建立、基于城市道路子網(wǎng)絡(luò)模型的虛鏈接建立以及基于多尺度表達(dá)的虛鏈接建立。最后根據(jù)三種虛聯(lián)接的表現(xiàn)方法，以三種方式構(gòu)建中國(guó)東北地區(qū)的超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型，然后比較三種網(wǎng)絡(luò)模型的效用，并利用高效的網(wǎng)絡(luò)模型分析一系列綜合運(yùn)輸政策。

2 超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型的概念

超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)包含公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)、內(nèi)河／遠(yuǎn)洋航線網(wǎng)、空中航線網(wǎng)等多種運(yùn)輸子網(wǎng)絡(luò)，它把不同的運(yùn)輸方式有機(jī)地結(jié)合起來。超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型中有代表鐵路、公路或水路通道的實(shí)鏈接，還要有代表兩種運(yùn)輸方式間銜接關(guān)系的虛鏈接。實(shí)鏈接具有通行時(shí)間、通行費(fèi)用、通行能力等屬性，虛鏈接具有轉(zhuǎn)運(yùn)所需費(fèi)用、轉(zhuǎn)運(yùn)所需時(shí)間等屬性。實(shí)鏈接表示實(shí)際存在的運(yùn)輸通道。虛鏈接的運(yùn)輸阻抗可以體現(xiàn)各方式之間的銜接效果，例如，港口建設(shè)表現(xiàn)為與該港口相關(guān)的實(shí)鏈接之間銜接的改善。因此，虛鏈接結(jié)構(gòu)的難易程度對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜程度影響大，如果虛鏈接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)模型的難度會(huì)增加；但虛鏈接結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單，則難以準(zhǔn)確反映兩種運(yùn)輸方式間的轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)系。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型，它包含公路子網(wǎng)絡(luò)、鐵路子網(wǎng)絡(luò)、虛鏈接以及轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐。建立超級(jí)交通網(wǎng)絡(luò)模型的主要工作就是研究虛鏈接的表現(xiàn)和制作方法，下面以公路子網(wǎng)絡(luò)和鐵路子網(wǎng)絡(luò)為例來予以研究。

2.2 基于屬性的虛鏈接制作方法

由于公路子網(wǎng)絡(luò)和鐵路子網(wǎng)絡(luò)處于不同的網(wǎng)絡(luò)中，因此超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型需要利用虛鏈接將它們連接起來。圖2是基于屬性的虛鏈接的制作方法，該方法把貨物在兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)間轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的耗時(shí)、費(fèi)用、可靠性等事件記錄為虛鏈接的屬性。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)銜接宏觀上鐵路和公路網(wǎng)絡(luò)，其不一定是同一個(gè)地點(diǎn)，而可能是同一個(gè)城市的兩個(gè)樞紐，因此需要利用兩樞紐間的公路和鐵路樞紐間來轉(zhuǎn)運(yùn)貨物。例如，集裝箱經(jīng)由高速公路運(yùn)抵城市A后再利用鐵路進(jìn)行下一程的運(yùn)輸時(shí)，要經(jīng)A市的城市道路將集裝箱運(yùn)送到鐵路貨站，然后在貨站內(nèi)編組后開始鐵路運(yùn)輸。因此這種虛鏈接的屬性就是在城市道路網(wǎng)上兩點(diǎn)間路徑的屬性。由于很難結(jié)合城市交通的實(shí)際狀況實(shí)施動(dòng)態(tài)分析，因此一般來說這種方法將兩個(gè)樞紐間城市道路上的最短路徑作為虛鏈接屬性的主要部分。而貨物在樞紐內(nèi)的裝卸費(fèi)用和時(shí)間、存貯費(fèi)用和時(shí)間成為虛鏈接屬性的另一部分。這種虛鏈接的屬性代表的是一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過程。

由于貨物的目的地不同，其走行時(shí)間、距離、費(fèi)用也就不同。另外，由于鐵路發(fā)車時(shí)刻不同，貨物的等待時(shí)間、費(fèi)用也不同，因此需制作不同的虛鏈接來表示。例如，在運(yùn)輸大連→沈陽(yáng)或者大連→哈爾濱的集裝箱時(shí)，需進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，再由鐵路運(yùn)輸至目的地。由于列車的發(fā)車時(shí)刻不一致，貨物在轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐的等待時(shí)間、存貯費(fèi)用會(huì)不同，因此要制作不同的虛鏈接。

2.3 基于城市道路網(wǎng)的虛鏈接制作方法

在邏輯結(jié)構(gòu)上，超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型由鐵路子網(wǎng)絡(luò)、公路子網(wǎng)絡(luò)、城市道路子網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐和虛鏈接組成。在該網(wǎng)絡(luò)中，鐵路子網(wǎng)絡(luò)與公路子網(wǎng)絡(luò)處于平等地位，其信息表示的詳細(xì)程度大致相當(dāng)，屬于宏觀層次網(wǎng)絡(luò)。而城市道路子網(wǎng)絡(luò)表達(dá)的是城市內(nèi)部的道路信息，屬于微觀層次網(wǎng)絡(luò)。圖3中的實(shí)線是虛鏈接，虛線表示的是兩條道路直接相連，中間不存在阻礙，這是因?yàn)槌鞘械缆吠c城際公路直接相連，即卡車可由高速公路直接進(jìn)入城市，然后經(jīng)城市道路到達(dá)鐵路貨運(yùn)站。

與之前介紹的虛鏈接相比，這一節(jié)中的虛鏈接表示貨物的轉(zhuǎn)運(yùn)過程，轉(zhuǎn)運(yùn)線路在城市道路網(wǎng)絡(luò)上表現(xiàn)出來。將城市內(nèi)部原有的交通流與運(yùn)輸貨物的卡車同時(shí)分配到城市道路網(wǎng)中，以便反映卡車的走行狀態(tài)、路徑選擇以及阻抗等。由于網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)因?yàn)閰^(qū)域的變大而增加其規(guī)模，因此需簡(jiǎn)化城市道路網(wǎng)。

2.4 基于多尺度表達(dá)的虛鏈接表示方法

尺度是指數(shù)據(jù)表達(dá)的空間范圍的相對(duì)大小和時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)短，不同尺度所表達(dá)的信息密度不同[10]。不同的尺度導(dǎo)致不同的幾何外形。我們采用兩種尺度表現(xiàn)超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4所示。這兩個(gè)尺度上的虛鏈接分兩層存儲(chǔ)，第一層是宏觀的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，包括鐵路子網(wǎng)絡(luò)、公路子網(wǎng)絡(luò)以及虛鏈接。第二層是微觀的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，包括城市內(nèi)部的道路網(wǎng)絡(luò)和表示轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐信息的虛鏈接。宏觀和微觀層次間通過索引鏈接。

基于多尺度下虛鏈接構(gòu)建的超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型把前兩種虛鏈接結(jié)合起來，把不同層面的城市道路網(wǎng)、公路網(wǎng)與鐵路網(wǎng)銜接起來。這樣的綜合網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建相關(guān)和互動(dòng)機(jī)制將不同的子網(wǎng)絡(luò)相互鏈接，一方面避免了因節(jié)點(diǎn)過多而造成的超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型過于龐大；另一方面又能反映出貨物在轉(zhuǎn)運(yùn)城市內(nèi)部的走行狀態(tài)。

3 各種網(wǎng)絡(luò)模型的效績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

這里從網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和對(duì)最短路徑算法的適應(yīng)性來檢驗(yàn)三種超級(jí)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)劣。

3.1 最短路徑算法分析

用基于屬性的虛鏈接構(gòu)建的超級(jí)網(wǎng)絡(luò)與用基于城市道路子網(wǎng)絡(luò)的虛鏈接構(gòu)建的超級(jí)網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)完全相同，只是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不同，可以直接在這兩種網(wǎng)絡(luò)上使用Dijsktra算法。用基于多尺度表達(dá)的虛鏈接構(gòu)建超級(jí)網(wǎng)絡(luò)在物理結(jié)構(gòu)上分為了兩層，因此在搜索最短路徑時(shí)需要進(jìn)行分步求解，具體步驟如下：

第一步，在宏觀層次的網(wǎng)絡(luò)上，用Dijsktra算法求解最短路徑。如果該路徑中包括運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換，那么得到的最短路徑中會(huì)包括經(jīng)過某換裝節(jié)點(diǎn)的虛鏈接，記錄這些虛連接，然后轉(zhuǎn)入第二步；若不存在運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換，則結(jié)束計(jì)算獲得最短路徑。

第二步，搜索最短路徑中所有經(jīng)過的虛鏈接，利用虛鏈接的索引獲取城市道路子網(wǎng)絡(luò)的信息，在城市道路子網(wǎng)絡(luò)中，以進(jìn)入城市道路子網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)為起始點(diǎn)，以轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐為終點(diǎn)，再次運(yùn)用Dijsktra算法，求解在城市道路子網(wǎng)絡(luò)中的最短路徑。

第三步，基于比例尺和索引把兩個(gè)最短路徑綜合在一起，得到多尺度網(wǎng)絡(luò)中兩點(diǎn)間的最短路徑。

3.2 實(shí)例分析

為了比較三種網(wǎng)絡(luò)的效率，本文以大連港為中心，把東北地區(qū)作為整個(gè)研究對(duì)象，以大連、沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、哈爾濱和滿洲里為樞紐，建立海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)包括公路子網(wǎng)絡(luò)、鐵路子網(wǎng)絡(luò)、虛鏈接以及轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鏈接見表1?？梢钥闯龅谝环N超級(jí)網(wǎng)絡(luò)最簡(jiǎn)單，第三種超級(jí)網(wǎng)絡(luò)最復(fù)雜。

針對(duì)同一個(gè)起終點(diǎn)（大連-哈爾濱），在三種網(wǎng)絡(luò)上Dijsktra算法的時(shí)間分別為0.30s、0.62s和0.47s(CUP=Pentium 2.2G)。也就是說第一種網(wǎng)絡(luò)需要的時(shí)間最少，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)和鏈接數(shù)量少。第三種網(wǎng)絡(luò)盡管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是計(jì)算時(shí)間要比第二種短很多。

4 基于超級(jí)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸政策評(píng)價(jià)

這里歸納了11項(xiàng)改善集裝箱運(yùn)輸?shù)恼呋蚣夹g(shù)，他們分別是：(1)開通集裝線班列，大連←→沈陽(yáng)、大連←→哈爾濱、沈陽(yáng)←→滿洲里；(2)使用雙層的集裝箱車輛；(3)增加班列的發(fā)車頻率，將大連←→沈陽(yáng)的發(fā)車頻率由每周2班增加到每周3班，將沈陽(yáng)←→滿洲里的發(fā)車頻率由不定期改為每周兩班;(4)將列車的運(yùn)行速度由60km/h提高到80km／h；(5)修建鐵路貨運(yùn)專線；(6)優(yōu)惠鐵路的運(yùn)價(jià)85%；(7)修建連接大連港口和鐵路樞紐的高速公路；(8)在沈陽(yáng)和哈爾濱建設(shè)集裝箱場(chǎng)站；(9)使用先進(jìn)的裝卸設(shè)備；(10)為綜合運(yùn)輸提供信息平臺(tái)；(11)所有場(chǎng)站管理數(shù)字化。通過組合這些政策與技術(shù)，我們提出如下運(yùn)輸改善措施：

方案A=不做任何改善；方案B=(7)+(8)+(9)+(10)+(11)；方案C=(4)+(5)+(6);方案 D=(1)+(2)+(3);方案 E=(1)+(4)+(7);方案F=(1)+(2)+(4)+(5)+(7)+(8)+(9);方案G=(1)+(2)+(3)+(4)+(5)+(6)+(7)+(8)+(9)+(10)+(11)。

把大連、沈陽(yáng)、長(zhǎng)春、哈爾濱和滿洲里設(shè)為5個(gè)運(yùn)輸小區(qū)如圖5所示。由于無(wú)法直接知道5個(gè)小區(qū)間的集裝箱OD流量，故利用從網(wǎng)站和城市統(tǒng)計(jì)年鑒上獲得的零散集裝箱運(yùn)輸量數(shù)據(jù)，配合重力模型估計(jì)得到每?jī)芍艿募b箱O-D流量，見表2。根據(jù)最小費(fèi)用原則把這個(gè)OD流量分配到與七個(gè)措施相對(duì)應(yīng)的超級(jí)網(wǎng)絡(luò)上，得到如表3所示的運(yùn)輸費(fèi)用情況。

可以看出與不采取任何改善措施相比，方案B節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用123萬(wàn)元，方案C節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用200萬(wàn)元，方案D節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用227萬(wàn)元。方案C和方案D比方案B比更加明顯，是因?yàn)殍F路能力增加了，這說明目前鐵路的需求是旺盛的，但是供應(yīng)能力達(dá)不到要求。由于方案B只改善了轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)的設(shè)施和設(shè)備，因此雖然轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用有所下降，但是轉(zhuǎn)運(yùn)量沒有增加。方案E、方案F和方案G采用了一系列的政策和技術(shù)，其效果更加明顯。通過比較可以知道單一的政策和技術(shù)的效果要比系列政策和技術(shù)的效果差，也就是說綜合運(yùn)輸是一個(gè)大系統(tǒng)，只有各方面的全面合作，才能改善運(yùn)輸效率，節(jié)約運(yùn)輸成本。

5 結(jié)論

本文研究了超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中虛鏈接的概念和抽象方法，以及基于不同的虛鏈接構(gòu)建超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型的方法。在超級(jí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型中轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐被抽象為虛鏈接，文中提出三種形式的虛鏈接，并對(duì)用這三種虛鏈接構(gòu)建的超級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。通過對(duì)最短路徑算法的測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)用基于多尺度的虛鏈接構(gòu)建的超級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型具有最好的性能，能夠真實(shí)地反映網(wǎng)絡(luò)中的換裝行為。

我們還利用基于對(duì)尺度的虛鏈接的超級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型測(cè)試了改善綜合運(yùn)輸效率與費(fèi)用的政策與技術(shù)的實(shí)施效果。測(cè)試結(jié)果顯示，鐵路運(yùn)輸能力的增加可以節(jié)約運(yùn)輸成本，一系列的綜合政策與技術(shù)要比單一的改善措施具有更大的效果。

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