一帶一路中鄭歐通道多式聯(lián)運(yùn)的低碳路徑優(yōu)化Low-carbon Path Optimization of the Multi-modal Transportation Among the Belt and Road Initiative between Zhengzhou and Europe

董奐佚　楊孔雨

摘? 要：在“一帶一路”政策的帶領(lǐng)下，中國(guó)與歐洲各國(guó)貿(mào)易往來(lái)愈發(fā)密切，其中，鄭歐通道為此貿(mào)易的經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了大量的交通運(yùn)力支持，承載著互聯(lián)互通的重任。與此同時(shí)，各國(guó)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷壯大的過(guò)程中，始終堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展，低碳運(yùn)輸也因此成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。多式聯(lián)運(yùn)作為鄭歐通道的主要運(yùn)輸形式，在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中，運(yùn)輸路徑的合理化、低碳化都尤為重要，在考慮費(fèi)用成本、時(shí)間成本、風(fēng)險(xiǎn)成本等經(jīng)濟(jì)成本的前提下，降低碳排放成本也應(yīng)列為更重要的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：一帶一路；多式聯(lián)運(yùn)；低碳環(huán)保

中圖分類(lèi)號(hào)：U294? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.13.014

Abstract： Under the guidance of "the belt and road" initiative policy， trade between China and European countries has become increasingly close. Among them， the Zhengzhou-Europe Corridor provides a large amount of transportation capacity support for the economic construction of trade， bearing the important task of connectivity. At the same time， all countries have always adhered to sustainable development in the process of growing economic development， and low-carbon transportation has therefore become the focus of attention of all countries. As the main form of transportation in the Zhengzhou-Europe corridor， the rationalization and low carbonization of the transportation path are particularly important in the whole transportation process. Under the premise of considering the economic costs such as expense cost， time cost and risk cost， reducing the carbon emission cost should also be listed as a more important goal.

Key words： the belt and road; multimodal transport; low carbon and environmental protection

0? 引? 言

低碳交通物流作為實(shí)施節(jié)能減排的重點(diǎn)工程之一，國(guó)家在加強(qiáng)推動(dòng)綠色交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時(shí)，提出提高城市公交、出租、物流、環(huán)衛(wèi)清掃等車(chē)輛使用新能源汽車(chē)的比例，加快大宗貨物和中長(zhǎng)途貨物運(yùn)輸“公轉(zhuǎn)鐵”、“公轉(zhuǎn)水”，大力發(fā)展鐵水、公鐵、公水等多式聯(lián)運(yùn)模式，在交通運(yùn)輸中承擔(dān)了較大部分的運(yùn)量。因此，如何實(shí)現(xiàn)多式聯(lián)運(yùn)的低碳運(yùn)輸， 探討考慮運(yùn)輸成本和運(yùn)輸碳排放的多式聯(lián)運(yùn)， 對(duì)于發(fā)展低碳交通具有重要意義。

目前，針對(duì)多式聯(lián)運(yùn)問(wèn)題模型，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了諸多研究，主要集中于不同場(chǎng)景下的多式聯(lián)運(yùn)模型構(gòu)建，如：劉杰等提出運(yùn)輸總成本最小和運(yùn)輸碳排放總量最小的多目標(biāo)0～1規(guī)劃模型，采用改進(jìn)的帶精英策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）對(duì)模型進(jìn)行求解，有效保存優(yōu)秀個(gè)體和降低計(jì)算的復(fù)雜度[1]；萬(wàn)杰等集成考慮運(yùn)輸成本、運(yùn)輸時(shí)間以及物流服務(wù)質(zhì)量3個(gè)方面因素，構(gòu)建混合整數(shù)規(guī)劃模型，驗(yàn)證了設(shè)置不同的目標(biāo)權(quán)重時(shí)，模型和混合算法均能夠有效地為多目標(biāo)多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇問(wèn)題提供實(shí)用性的優(yōu)化方案和路線參考[2]；李珺等構(gòu)建了考慮運(yùn)輸時(shí)間、中轉(zhuǎn)時(shí)間、客戶需求和中轉(zhuǎn)集拼貨運(yùn)量的綠色多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化模型，通過(guò)不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)規(guī)模的運(yùn)輸路徑優(yōu)化結(jié)果，以及滿足客戶不確定需求的最小網(wǎng)絡(luò)配置[3]；黃霏茜等分析了基于低碳經(jīng)濟(jì)的集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)效益[4]；錢(qián)晶晶分別構(gòu)建了以低碳為目標(biāo)和以成本為目標(biāo)的單目標(biāo)多式聯(lián)運(yùn)路徑選擇模型，并利用算例進(jìn)行分析[5]；Sun等研究了基于列車(chē)計(jì)劃和CO₂排放的路徑問(wèn)題，以成本最低建立模型，利用LINGO對(duì)模型求解。

1? 問(wèn)題描述與模型構(gòu)建

1.1? 問(wèn)題描述

集裝箱多式聯(lián)運(yùn)的運(yùn)行方式為：以集裝箱作為運(yùn)輸載體進(jìn)行貨物的裝載，采用連續(xù)的、一體化的運(yùn)輸方式，即采用至少兩種及其以上的交通運(yùn)輸工具互相銜接、轉(zhuǎn)運(yùn)而共同完成對(duì)貨物的綜合運(yùn)輸，在運(yùn)輸過(guò)程中，當(dāng)運(yùn)輸工具發(fā)生改變時(shí)，對(duì)貨物本身不進(jìn)行任何處理，僅對(duì)集裝箱的承運(yùn)工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換。以集裝箱作為運(yùn)輸載體的多式聯(lián)運(yùn)使得運(yùn)輸過(guò)程中的換裝更加快捷，大大縮短了運(yùn)輸時(shí)間，在一定程度上降低了運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，而不同運(yùn)輸工具間的協(xié)調(diào)、銜接也形成了綜合、緊密的貨物運(yùn)輸鏈。

日益加劇的全球氣候變暖和近年來(lái)頻現(xiàn)極端天氣給人們的生活和工作都帶來(lái)極大威脅，保護(hù)環(huán)境刻不容緩。交通運(yùn)輸行業(yè)的主要污染來(lái)源就是化石燃料的消耗，而在化石燃料消耗過(guò)程中產(chǎn)生大量的CO2則是溫室氣體的主要成分。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)和火車(chē)的CO2排放增長(zhǎng)率遠(yuǎn)大于碳排放量的總增長(zhǎng)率。因此，合理規(guī)劃運(yùn)輸路徑，降低二氧化碳排放量，可以有效控制碳排放，緩解交通運(yùn)輸行業(yè)迫切需要解決的發(fā)展低碳運(yùn)輸問(wèn)題。

1.2? 模型條件假設(shè)

（1）運(yùn)輸過(guò)程考慮公路、鐵路、水路三種運(yùn)輸方式；（2）運(yùn)輸任務(wù)開(kāi)始后，運(yùn)輸過(guò)程中同批貨物不可拆分，且貨物總量不變；（3）只在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行運(yùn)輸方式的轉(zhuǎn)換；（4）任意相鄰節(jié)點(diǎn)間只能選擇一種運(yùn)輸方式，同一節(jié)點(diǎn)最多進(jìn)行一次中轉(zhuǎn)，同種運(yùn)輸方式不換裝；（5）同種運(yùn)輸方式的單位重量運(yùn)輸費(fèi)用按統(tǒng)一單位價(jià)格計(jì)算，不考慮距離、貨類(lèi)等其他因素；（6）同一批貨物在整個(gè)運(yùn)輸途中轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)不限；（7）運(yùn)輸途中的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)和運(yùn)輸路線都已確定且不可變更；（8）運(yùn)輸過(guò)程中忽略其他不可抗因素，如：惡劣天氣、道路擁堵等對(duì)運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的影響；（9）節(jié)能減排僅考慮二氧化碳排放污染，其他污染暫不考慮。

1.3? 符號(hào)定義

H表示運(yùn)輸線路中交通運(yùn)輸方式的集合，k，l∈H表示多式聯(lián)運(yùn)過(guò)程中采用的運(yùn)輸方式；Y表示所有運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)城市的集合，i，j∈Y表示多式聯(lián)運(yùn)過(guò)程中任意兩個(gè)可經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)城市；q表示運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)量；d表示運(yùn)輸方式k從節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的距離；t表示運(yùn)輸方式k運(yùn)輸貨物到達(dá)節(jié)點(diǎn)i的時(shí)間；t表示貨物到達(dá)終點(diǎn)的總運(yùn)輸時(shí)間；t表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j用運(yùn)輸方式k的運(yùn)輸時(shí)間；t表示在節(jié)點(diǎn)i處從運(yùn)輸方式k轉(zhuǎn)換到運(yùn)輸方式l的轉(zhuǎn)換時(shí)間；E表示運(yùn)輸方式k的噸公里碳排放率；E表示轉(zhuǎn)運(yùn)工具u的噸小時(shí)碳排放率；Q表示運(yùn)輸方式k從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j之間的最大運(yùn)輸量；λ表示碳稅率，為定值。

決策變量：x=從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j采用運(yùn)輸方式k運(yùn)輸貨物時(shí)取值為1，否則為0，i≠j；y=在節(jié)點(diǎn)i將貨物由運(yùn)輸方式k轉(zhuǎn)換成運(yùn)輸方式l時(shí)取值為1，否則為0。

1.4? 模型構(gòu)建

minEC=minλ×Edxq+Etyq（1）

約束條件：

x=1，i，j∈Y，i≠j， ？坌i，j，k（２）

y=1， ?i（３）

q≤Q，?i，j，k（４）

t=t+t+t? ? k，l∈H? ? ?i，j，k，l（5）

x+x≥2y， ?i，k，l（6）

x， y? ? i∈0，1（7）

其中：目標(biāo)函數(shù)式（1）表示碳成本最低的函數(shù)，分別計(jì)算在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放和在節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，由于我國(guó)尚未制定碳稅機(jī)制，為量化碳排放成本，假設(shè)一固定碳稅率λ；式（2）表示在任意兩個(gè)相鄰的運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)之間至多只能選擇一種運(yùn)輸方式；式（3）表示在任一運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)至多只能選擇一次轉(zhuǎn)運(yùn)；式（4）表示最終被選擇的運(yùn)輸線路的運(yùn)輸容量不大于總貨運(yùn)量限制；式（5）表示貨物到達(dá)終點(diǎn)的總運(yùn)輸時(shí)間等于從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)輸時(shí)間和中轉(zhuǎn)時(shí)間之和；式（6）表示貨物在運(yùn)輸方式上的連續(xù)性；式（7）表示x， y均為0～1變量。

2? 多式聯(lián)運(yùn)路徑優(yōu)化算法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

2.1? 求解算法

由于多式聯(lián)運(yùn)問(wèn)題屬于多目標(biāo)問(wèn)題求解，模型中涵蓋的變量較多，在Deb基于傳統(tǒng)遺傳算法的研究中，提出了一種改進(jìn)的遺傳算法——帶有精英策略的非支配排序的遺傳算法（NSGA-II算法）。該算法可以在相當(dāng)程度上加速遺傳算法的執(zhí)行，且收斂性和魯棒性更好，收斂結(jié)果更接近實(shí)際中的Pareto最優(yōu)層級(jí)，具有良好的優(yōu)化效果。因此，本文擬借鑒此算法進(jìn)行多式聯(lián)運(yùn)的低碳路徑優(yōu)化問(wèn)題求解。

主要步驟為：第一步：初始化種群。通過(guò)隨機(jī)生成的方式生成種群大小為N的初始種群并經(jīng)過(guò)非支配排序、選擇、交叉、變異操作后得到第一代子代種群。第二步：種群合并。從第二代開(kāi)始，將父代種群與子代種群合并，即上一代產(chǎn)生的新種群Qt+1與其父代P合并組成R+1，此時(shí)的種群大小變?yōu)?N。第三步：種群修剪。首先，對(duì)新種群中的個(gè)體進(jìn)行非支配排序，產(chǎn)生一系列非支配集Z，根據(jù)非支配層層數(shù)越低的個(gè)體越優(yōu)原則，順序添加層級(jí)，直至添加Z時(shí)，個(gè)體數(shù)大于初始種群規(guī)模N，此時(shí)比較Z中所有個(gè)體的擁擠距離，根據(jù)擁擠度距離越大的種群越豐富原則，優(yōu)先選入擁擠距離較大的個(gè)體。第四步：迭代操作。對(duì)新的父代種群進(jìn)行選擇、交叉、變異操作產(chǎn)生新的子代種群，循環(huán)上述步驟直至達(dá)到停止條件，進(jìn)而得到Pareto最優(yōu)解集。另外，本文在NSGA-II的一般求解流程上增加魯棒性的驗(yàn)證，即Pareto解集中是否存在滿足魯棒性約束的解，若存在則對(duì)該解進(jìn)行解碼，得到魯棒性優(yōu)化方案，否則返回算法的開(kāi)始重新求解。

2.2? 案例分析

某公司現(xiàn)需將一批貨物從鄭州運(yùn)送至漢堡，全程采用40TEU集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸，貨物重量20t，采用多式聯(lián)運(yùn)的運(yùn)輸方式，運(yùn)輸途中經(jīng)過(guò)的城市有：鄭州、西安、大連、阿拉山口、華沙、新加坡、漢堡，分別用數(shù)字1，2，3，4，5，6，7表示經(jīng)過(guò)的城市節(jié)點(diǎn)，具體路線如圖1所示。

從低碳角度出發(fā)，需首要注重物流的可持續(xù)發(fā)展，更多考慮運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響，在此情境中碳排放成本與其他運(yùn)輸成本相比更為重要，可將費(fèi)用成本、時(shí)間成本、風(fēng)險(xiǎn)成本統(tǒng)稱(chēng)為運(yùn)輸成本，因此，將碳排放成本和運(yùn)輸成本的權(quán)重比設(shè)置為ω=0.6，0.4，并借助Matlab軟件編程運(yùn)行得出該條件下的低碳最優(yōu)路線。各城市的距離和三種運(yùn)輸方式的運(yùn)價(jià)如表1至表3所示。

通過(guò)查閱《IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》和其他相關(guān)資料，得到運(yùn)輸過(guò)程及中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的碳排放率如表4、表5所示。

由于我國(guó)尚未制定碳稅機(jī)制，為量化碳排放成本，假設(shè)碳稅率為一固定值，即λ=30元/噸。通過(guò)計(jì)算，鄭州（鐵路）—阿拉山口（鐵路）—華沙（鐵路）—漢堡路線在保證其他成本的條件下碳排放量最少。

3? 結(jié)? 論

考慮運(yùn)輸碳排放量的多式聯(lián)運(yùn)對(duì)于減少交通運(yùn)輸?shù)奶寂欧庞兄匾饬x。本文構(gòu)建了運(yùn)輸總成本最小和運(yùn)輸碳排放總量最少的多目標(biāo)優(yōu)化模型確定運(yùn)輸總成本?？茖W(xué)合理地規(guī)劃運(yùn)輸路徑不僅能夠有效降低運(yùn)營(yíng)成本、提高運(yùn)輸效率，而且可以減少車(chē)輛在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳。因此，對(duì)鄭歐集裝箱多式聯(lián)運(yùn)進(jìn)行優(yōu)化研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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