我國(guó)鐵路集裝箱空箱調(diào)配模式優(yōu)化研究

阮海濤，徐建光，黎浩東

（1.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 辦公廳，北京 100844；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸調(diào)度指揮中心，北京 100844；3.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

0 引言

集裝箱作為現(xiàn)代物流的重要載體，具有管理便利、裝卸效率高、適用于多種運(yùn)輸方式的優(yōu)點(diǎn)。近年來，在“一帶一路”倡議、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整、鐵路貨物運(yùn)輸供給側(cè)改革等政策措施的推動(dòng)下，我國(guó)鐵路集裝箱運(yùn)輸呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。截至2020年底，鐵路集裝箱保有量79萬余只，包含20 ft箱、40 ft箱、敞頂箱等多個(gè)型號(hào)。2018年與2019年集裝箱運(yùn)量同比增速都超過了30%；2020年上半年，集裝箱貨物發(fā)送量1.95億t，同比增長(zhǎng)32.3%，單日裝車最高達(dá)到33 628車。根據(jù)《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》，我國(guó)鐵路將大力發(fā)展集裝箱運(yùn)輸，進(jìn)一步優(yōu)化集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建集約高效的貨運(yùn)物流體系。

我國(guó)鐵路集裝箱運(yùn)輸快速發(fā)展的同時(shí)，集裝箱運(yùn)用管理問題，特別是空箱調(diào)配運(yùn)用計(jì)劃不合理、調(diào)配效率不高等問題逐漸凸顯。我國(guó)幅員遼闊，區(qū)域間自然條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、貨源貨流分布差異大，決定了集裝箱箱流在空間、時(shí)間上的不平衡，空箱調(diào)配不可避免。國(guó)內(nèi)外關(guān)于集裝箱空箱調(diào)配的應(yīng)用研究較少，美國(guó)鐵路系統(tǒng)在其空車調(diào)配方面開展了深入的理論研究與實(shí)踐探索，先后經(jīng)歷4個(gè)階段：一是空車固定使用，即給托運(yùn)人調(diào)配特定的運(yùn)輸車輛；二是研發(fā)專家支持系統(tǒng)、設(shè)計(jì)特定的規(guī)則來調(diào)配空車；三是實(shí)現(xiàn)固定周期(如一個(gè)星期)內(nèi)基于優(yōu)化的空車調(diào)配；四是研發(fā)動(dòng)態(tài)車輛調(diào)配優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空車調(diào)配方案滾動(dòng)編制。例如，CSX，BNSF等美國(guó)鐵路貨運(yùn)公司積極實(shí)踐動(dòng)態(tài)空車調(diào)配優(yōu)化，在20世紀(jì)90年代就研發(fā)了空車調(diào)配支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空車的動(dòng)態(tài)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)調(diào)配[1-2]。

從運(yùn)輸企業(yè)的角度，不同客戶運(yùn)輸需求的穩(wěn)定性、不同品類貨物運(yùn)輸效益的差異各不相同，需要優(yōu)化空箱調(diào)配的空間粒度，降低空箱走行距離，提升空箱運(yùn)用效率與效益；從客戶的角度，要求更加精確的空箱供應(yīng)措施，需要優(yōu)化空箱調(diào)配的時(shí)間粒度，以便及時(shí)滿足貨物裝箱需求。因此，優(yōu)化集裝箱空箱調(diào)配模式，研究與之相適應(yīng)的集裝箱空箱調(diào)配技術(shù)，不僅具有理論意義，也符合我國(guó)鐵路集裝箱運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)實(shí)需求。

1 鐵路集裝箱空箱調(diào)配模式分析

1.1 既有模式分析

目前我國(guó)鐵路集裝箱空箱調(diào)配采用兩級(jí)管理模式。其中，第一層級(jí)為鐵路局集團(tuán)公司之間的空箱調(diào)配，由中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵集團(tuán)”)運(yùn)輸調(diào)度指揮中心集裝箱調(diào)度完成。國(guó)鐵集團(tuán)基于各鐵路局集團(tuán)公司空箱保有量統(tǒng)計(jì)、提報(bào)的空箱需求，制定鐵路局集團(tuán)公司之間的空箱調(diào)配方案，力求實(shí)現(xiàn)區(qū)域之間集裝箱供需平衡。第二層級(jí)為鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)部的空箱調(diào)配，由鐵路局集團(tuán)公司集裝箱調(diào)度負(fù)責(zé)；基于各集裝箱辦理站的空箱保有量、提報(bào)的空箱需求等信息，在完成國(guó)鐵集團(tuán)運(yùn)輸調(diào)度指揮中心要求任務(wù)的基礎(chǔ)上，制定局管范圍內(nèi)的集裝箱空箱調(diào)配方案。

在該模式下，集裝箱空箱調(diào)配通過執(zhí)行調(diào)度命令來完成。每個(gè)鐵路局集團(tuán)公司選定部分站點(diǎn)作為集結(jié)站，集裝箱排空局基于國(guó)鐵集團(tuán)運(yùn)輸調(diào)度指揮中心發(fā)布的調(diào)度命令，通過集結(jié)站匯集空箱，然后向有空箱需求的鐵路局集團(tuán)公司的集結(jié)站排空。既有集裝箱空箱調(diào)配模式如圖1所示。目前全路空箱調(diào)配方案編制周期約為5 d，與集裝箱運(yùn)用周轉(zhuǎn)時(shí)間基本相符。通過國(guó)鐵集團(tuán)運(yùn)輸調(diào)度指揮中心與鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所兩層級(jí)的協(xié)調(diào)配合，可以較好地通過人工編制滿足實(shí)際需求的空箱調(diào)配方案。

圖1 既有集裝箱空箱調(diào)配模式Fig.1 Existing mode of empty container distribution

1.2 存在的問題

現(xiàn)有的鐵路集裝箱空箱調(diào)配模式能夠較好地適應(yīng)以人工方式編制全路空箱調(diào)配方案，但隨著集裝箱運(yùn)輸量的快速提升，該模式下的空箱調(diào)配質(zhì)量、空箱需求滿足度、集裝箱運(yùn)輸服務(wù)水平與實(shí)際運(yùn)輸需求存在一定差距。既有集裝箱空箱調(diào)配模式主要存在以下問題。

（1）空箱調(diào)配的時(shí)空粒度難以適應(yīng)更高運(yùn)輸服務(wù)水平的要求。既有集裝箱空箱調(diào)配模式下，在空間上施行鐵路局集團(tuán)公司到鐵路局集團(tuán)公司、鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)部?jī)蓪蛹?jí)的空箱調(diào)配，2個(gè)層級(jí)對(duì)于空箱調(diào)配的目的、方式具有一定差異，可能會(huì)導(dǎo)致全路空箱走行距離的提升；時(shí)間維度上，空箱調(diào)配方案編制周期對(duì)客戶需求時(shí)效性的滿足度相對(duì)較低。因此，從運(yùn)輸企業(yè)的角度，需要細(xì)化空箱調(diào)配的空間粒度，實(shí)現(xiàn)集裝箱辦理站之間空箱調(diào)配方案的優(yōu)化，降低空箱走行距離；從客戶的角度，空箱調(diào)配應(yīng)更加精準(zhǔn)，即細(xì)化空箱調(diào)配的時(shí)間粒度。

（2）可能導(dǎo)致空箱對(duì)流運(yùn)輸?？障湔{(diào)配對(duì)流運(yùn)輸如圖2所示。一方面，根據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)運(yùn)輸調(diào)度指揮中心的要求，由A向B，A向C調(diào)配空箱。另一方面，在鐵路局集團(tuán)公司管內(nèi)，D站對(duì)空箱需求量較大，還需從B站向D站調(diào)配空箱，由此產(chǎn)生一定的集裝箱空箱對(duì)流運(yùn)輸。這種不合理運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致空箱走行距離的提升，增加空箱調(diào)運(yùn)的成本支出。

圖2 空箱調(diào)配對(duì)流運(yùn)輸Fig.2 Convective transportation of empty container distribution

2 鐵路集裝箱空箱調(diào)配模式優(yōu)化

2.1 “點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配模式設(shè)計(jì)

隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，我國(guó)鐵路集裝箱管理信息系統(tǒng)不斷發(fā)展完善，如集裝箱運(yùn)輸全程追蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集裝箱位置、空重狀態(tài)、貨運(yùn)需求等的大規(guī)模數(shù)據(jù)管理。在集裝箱管理數(shù)字化的基礎(chǔ)上，優(yōu)化空箱調(diào)配流程，將既有兩層管理變?yōu)閱螌庸芾?，?shí)現(xiàn)全路集裝箱空箱的“點(diǎn)—點(diǎn)”調(diào)配，即“點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配模式?！包c(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配模式特點(diǎn)如下。

（1）實(shí)現(xiàn)全路集裝箱的扁平化管理。新模式下弱化了鐵路局集團(tuán)公司層面的集裝箱空箱調(diào)配的管理，全路集裝箱將由現(xiàn)有兩層調(diào)配變?yōu)閱螌诱{(diào)配。國(guó)鐵集團(tuán)運(yùn)輸調(diào)度指揮中心基于全路集裝箱運(yùn)用、空箱分布及空箱需求數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全路集裝箱的統(tǒng)一管理，以及全路集裝箱空箱調(diào)配方案的一體化編制，鐵路局集團(tuán)公司集裝箱調(diào)度則主要執(zhí)行所編制方案。

（2）實(shí)現(xiàn)全路集裝箱辦理站間的空箱精準(zhǔn)調(diào)配。新模式可支撐空箱在集裝箱辦理站之間直接調(diào)配，相較于既有模式，空箱調(diào)配過程更容易增加對(duì)時(shí)間維度(如滿足客戶對(duì)裝箱時(shí)間的要求)、空間維度(如更加準(zhǔn)確地計(jì)算全路集裝箱空箱走行距離)的考慮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空箱的動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)調(diào)配。

（3）要求實(shí)現(xiàn)全路集裝箱調(diào)配方案的計(jì)算機(jī)自動(dòng)編制。既有空箱調(diào)配模式下，通過分層處理，可在一定程度上簡(jiǎn)化空箱調(diào)配方案的編制，適應(yīng)當(dāng)前人工編制調(diào)配方案的需求。然而，隨著集裝箱裝箱需求量日漸提升，人工編制方法無法滿足全路集裝箱辦理站之間空箱調(diào)配方案的編制需求。因此，新模式下需要基于全路集裝箱管理的數(shù)字化，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成空箱調(diào)配方案的編制。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 集裝箱空車調(diào)運(yùn)需求精細(xì)化分析技術(shù)

全路集裝箱空箱的精準(zhǔn)調(diào)配與調(diào)配方案的自動(dòng)化編制，其前提為集裝箱空車調(diào)運(yùn)需求的精細(xì)化分析。例如，需要精準(zhǔn)掌握全路集裝箱的箱型分布、數(shù)量分布、空箱產(chǎn)生規(guī)律、空箱分布規(guī)律、裝箱需求分布、集裝箱運(yùn)用模式、運(yùn)輸能力分析等。目前已有大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)在鐵路集裝箱辦理站、港口落地運(yùn)用的研究與實(shí)踐[3-4]，但全路集裝箱供需的精細(xì)化分析研究與實(shí)踐還很欠缺。中國(guó)鐵路95306、集裝箱運(yùn)輸全程追蹤系統(tǒng)等信息系統(tǒng)為集裝箱空車調(diào)運(yùn)需求精細(xì)化分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)全路集裝箱辦理站裝卸需求、在站空箱的規(guī)律分析與多維度展示，為集裝箱空箱調(diào)配方案制定提供參考。

2.2.2 大規(guī)?？障湔{(diào)配問題優(yōu)化建模與求解技術(shù)

我國(guó)鐵路集裝箱辦理站超過1 800個(gè)，網(wǎng)絡(luò)OD規(guī)模為百萬級(jí)別。全路日均裝箱量在3.5萬箱左右，且在快速提升，集裝箱類型多樣，進(jìn)一步大幅提升了問題的規(guī)模。因此，需要優(yōu)化空箱調(diào)配問題模型的構(gòu)建，并設(shè)計(jì)高效的求解算法，實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)甚至秒級(jí)計(jì)算求解，才能適應(yīng)全路集裝箱空箱調(diào)配的日常管理需求。已有鐵路空箱調(diào)配的研究大部分是將其看作運(yùn)輸問題，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化模型構(gòu)建與求解[5-6]。集裝箱空箱調(diào)運(yùn)具有動(dòng)態(tài)性與不確定性等特點(diǎn)，其優(yōu)化目標(biāo)包括降低空箱走行距離、優(yōu)先滿足重要客戶需求、提高運(yùn)輸服務(wù)水平等，為適應(yīng)上述特征，部分研究構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化模型[7-8]、動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流模型[9]或隨機(jī)規(guī)劃模型[10-11]等?？紤]我國(guó)集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，可基于運(yùn)輸問題優(yōu)化模型或網(wǎng)絡(luò)流模型，在綜合權(quán)衡計(jì)算時(shí)效性與計(jì)算結(jié)果應(yīng)用性的基礎(chǔ)上，逐步增加對(duì)箱型匹配與代用、線網(wǎng)運(yùn)輸能力、空箱調(diào)配時(shí)效性等約束的考慮，逐步完善模型與算法設(shè)計(jì)。例如，基于運(yùn)輸問題優(yōu)化模型，考慮20 ft箱、40 ft箱、35 t敞頂箱3種箱型時(shí)，利用優(yōu)化軟件求解計(jì)算，可在60 s以內(nèi)(變量規(guī)模在400萬個(gè)以上)獲得全路“點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配方案。全路集裝箱空箱調(diào)配方案可視化展示如圖3所示。

圖3 全路集裝箱空箱調(diào)配方案可視化展示Fig.3 Visualized display of empty container distribution plan for the whole railway network

2.2.3 集裝箱空箱動(dòng)態(tài)調(diào)配技術(shù)

通過對(duì)全路集裝箱裝箱需求、空箱保有量、空箱需求的分析可知，絕大部分集裝箱辦理站的空箱需求存在波動(dòng)性。為適應(yīng)集裝箱的動(dòng)態(tài)運(yùn)輸需求，實(shí)際應(yīng)用過程中需要實(shí)現(xiàn)空箱的動(dòng)態(tài)調(diào)配。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)配的方式有以下2種。

（1）將空箱調(diào)配問題進(jìn)行時(shí)間維度上的擴(kuò)展，構(gòu)建全路集裝箱空箱調(diào)配時(shí)空網(wǎng)絡(luò)。集裝箱空箱動(dòng)態(tài)調(diào)配服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖4所示。通過設(shè)計(jì)重箱運(yùn)行弧、空箱運(yùn)行弧等，在所構(gòu)建的時(shí)空網(wǎng)絡(luò)中描述集裝箱完整的周轉(zhuǎn)過程，進(jìn)而構(gòu)建空箱動(dòng)態(tài)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，最終實(shí)現(xiàn)全路空箱動(dòng)態(tài)調(diào)配方案的編制?；谠摃r(shí)空網(wǎng)絡(luò)，還可將裝箱與重箱運(yùn)行、空箱調(diào)配進(jìn)行一體化優(yōu)化，即在裝箱時(shí)便能協(xié)調(diào)考慮空箱調(diào)運(yùn)，可在滿足空箱需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低空箱走行距離。

圖4 集裝箱空箱動(dòng)態(tài)調(diào)配服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Fig.4 Design of dynamic distribution service network for empty containers

（2）通過優(yōu)化模型設(shè)計(jì)與求解方法，壓縮計(jì)算周期，通過高頻計(jì)算不斷基于新的供需數(shù)據(jù)獲得新的調(diào)配方案。美國(guó)鐵路貨運(yùn)公司CSX，BNSF在研發(fā)其空車調(diào)配系統(tǒng)時(shí)采取了這種策略，所研發(fā)的空車調(diào)配系統(tǒng)的計(jì)算頻率可壓縮至15 min，且每次空車調(diào)配方案的編制時(shí)間控制在10 s以內(nèi)，大幅提升了空車調(diào)配效率與效益。據(jù)測(cè)算，通過優(yōu)化空車調(diào)配，每年通過壓縮空車走行距離等節(jié)省的費(fèi)用超過了5 000萬美元[1]。但是，基于既有集裝箱調(diào)配方案，考慮新的空箱供需數(shù)據(jù)，構(gòu)建盡可能保持既有空箱調(diào)配方案(避免產(chǎn)生新的調(diào)車作業(yè))，又能從全局降低空箱走行距離的優(yōu)化模型需要進(jìn)行深入研究。

3 “點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配模式實(shí)現(xiàn)方式

相對(duì)于既有空箱調(diào)配模式，“點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配模式下空箱運(yùn)用將更加精準(zhǔn)。然而，我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模大、集裝箱辦理站點(diǎn)眾多，不同辦理站的集裝箱需求量差異較大。例如，2020年11月，我國(guó)既有集裝箱辦理站中，日均提報(bào)的空箱需求量在10箱以下的辦理站數(shù)量占比為43.64%，10 ～ 20箱的辦理站數(shù)量占比為16.59%，20 ～ 50箱的辦理站數(shù)量占比為23.07%，50 ～ 70箱的辦理站數(shù)量占比為5.57%，日均超過70箱的辦理站數(shù)量占比為11.14%。大部分站點(diǎn)的日均空箱需求量都較少。從組織效率、組織難度等方面考慮，在行車組織過程中難以全部實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)到站點(diǎn)之間的空箱直接調(diào)配。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度，可對(duì)所有集裝箱辦理站進(jìn)行分級(jí)處理，分級(jí)處理的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可考慮集裝箱辦理數(shù)量、辦理量的波動(dòng)系數(shù)、裝載貨物的平均價(jià)值等。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同級(jí)別的辦理站，可采用不同的處理技術(shù)，如針對(duì)辦理量大、波動(dòng)系數(shù)小的辦理站集合，可采用傳統(tǒng)的運(yùn)輸問題優(yōu)化技術(shù)方法進(jìn)行辦理站間的空箱調(diào)運(yùn)；針對(duì)辦理量小的集裝箱辦理站，可采用集結(jié)模式，借鑒覆蓋模型的思想對(duì)空箱調(diào)運(yùn)方法進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。進(jìn)而可將全路空箱調(diào)運(yùn)問題分解為幾個(gè)子問題進(jìn)行求解優(yōu)化，大幅壓縮問題的規(guī)模與復(fù)雜度，確保工程應(yīng)用的可實(shí)施性。

從組織實(shí)現(xiàn)的角度，可以分2個(gè)階段逐步推進(jìn)空箱調(diào)配模式的改進(jìn)。第一階段，沿用既有空箱調(diào)配模式，國(guó)鐵集團(tuán)編制鐵路局集團(tuán)公司之間的空車調(diào)配方案，鐵路局集團(tuán)公司完成管轄范圍內(nèi)的空箱調(diào)配。然而，兩層級(jí)空箱調(diào)配方案都是基于“點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配計(jì)算結(jié)果編制，其中國(guó)鐵集團(tuán)基于計(jì)算結(jié)果，以空箱走行距離最短為目標(biāo)，確定各鐵路局集團(tuán)公司的集裝箱集結(jié)站與空箱調(diào)配量，空箱調(diào)配量則是鐵路局集團(tuán)公司A各站點(diǎn)向鐵路局集團(tuán)公司B各站點(diǎn)調(diào)配空箱的總和。各鐵路局集團(tuán)公司則可基于既有空箱調(diào)配模式，參考計(jì)算結(jié)果編制管內(nèi)空箱調(diào)配方案。在這個(gè)過程中，還可針對(duì)集裝箱辦理站貨運(yùn)需求的差異，優(yōu)先實(shí)現(xiàn)大節(jié)點(diǎn)(如決策周期內(nèi)的空箱產(chǎn)生量、空箱需求量可滿足整列空箱組織的集裝箱辦理站)之間的空箱“點(diǎn)—點(diǎn)”直接調(diào)配。統(tǒng)計(jì)分析可知，超過100對(duì)OD之間具備“點(diǎn)—點(diǎn)”空箱直接調(diào)配條件。第二階段，在“點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配技術(shù)的支持下，強(qiáng)化國(guó)鐵集團(tuán)對(duì)全路集裝箱空箱調(diào)運(yùn)的管控，逐步弱化甚至取消鐵路局集團(tuán)公司層級(jí)在空箱調(diào)配計(jì)劃編制上的功能屬性，其作業(yè)重心轉(zhuǎn)移至執(zhí)行國(guó)鐵集團(tuán)編制的空箱調(diào)運(yùn)計(jì)劃，最終實(shí)現(xiàn)我國(guó)鐵路集裝箱運(yùn)用的一體化集中管理、大規(guī)模精細(xì)化管理。

4 結(jié)束語

在我國(guó)鐵路集裝箱運(yùn)輸快速發(fā)展的大背景下，既有集裝箱空箱調(diào)配模式存在的空箱對(duì)流運(yùn)輸、空箱調(diào)配精準(zhǔn)化水平難以適應(yīng)更高服務(wù)水平運(yùn)輸需求等問題日益凸顯。研究提出“點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配模式，具有支撐全路集裝箱扁平化管理，實(shí)現(xiàn)集裝箱辦理站間空箱精準(zhǔn)調(diào)配等優(yōu)勢(shì)。信息化、智能化技術(shù)在鐵路集裝箱運(yùn)輸管理的應(yīng)用，為“點(diǎn)—點(diǎn)”空箱調(diào)配模式的實(shí)踐創(chuàng)造了有利條件。下一步將重點(diǎn)針對(duì)大規(guī)?？障湔{(diào)配優(yōu)化建模與求解技術(shù)、集裝箱空箱動(dòng)態(tài)調(diào)配技術(shù)開展深入研究。