張志磊

（神華集團有限責任公司，北京　100011）

神華集團一體化調(diào)運組織方案優(yōu)化研究

張志磊

（神華集團有限責任公司，北京100011）

作者通過神華集團實地調(diào)研，梳理了神華一體化調(diào)運組織方案編制過程中存在的突出問題，在對調(diào)運各環(huán)節(jié)能力狀況分析對比的基礎上，結合設備狀況、業(yè)務需求等約束條件，建立了一體化調(diào)運利潤最大化整數(shù)規(guī)劃模型，并運用Excel規(guī)劃求解法對模型舉例求解。通過研究優(yōu)化，運用數(shù)學建模方法編制調(diào)運方案運營效率和效果均得到有效提高。

一體化調(diào)運整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化

1　研究背景

2002年至2012年，隨著我國新一輪經(jīng)濟周期開始，能源需求急劇增加，煤炭迎來了“價飛量增”的巨變，期間煤炭產(chǎn)量年平均增長率超過11.0%，遠高于同期GDP的增長率。物極必反，受經(jīng)濟增長方式轉變、進口煤沖擊、環(huán)境保護等多重因素影響，2013年以來國內(nèi)煤炭供大于求的矛盾日益加劇，煤炭價格持續(xù)下跌， 2014年超過70%的煤炭企業(yè)出現(xiàn)虧損，煤炭行業(yè)告別黃金十年進入微利時代。

2　神華一體化調(diào)運組織分析

神華集團成立近30年來，創(chuàng)造了礦、電、路、港、航、化一體化，產(chǎn)、運、銷、儲一條龍的經(jīng)營模式。神華的一體化某種程度上說就是煤炭供應鏈的一體化，它的業(yè)務網(wǎng)絡是由煤礦裝車站、自有及國有鐵路、自有及社會港口和直達銷售網(wǎng)點三部分構成。其中，神東礦區(qū)、包神鐵路、神朔鐵路、朔黃鐵路、黃驊港這條主干線是神華一體化的核心內(nèi)容。

神華集團日常生產(chǎn)運營調(diào)運指揮是以效益最大化為原則，需要科學制定計劃，需要執(zhí)行過程的嚴格管控，但目前神華集團計劃制定、下達、監(jiān)督實施過程中的最主要手段還是業(yè)務人員的經(jīng)驗操作和人為控制，面對日益復雜的調(diào)運流程和龐大的生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)，要在日常生產(chǎn)調(diào)運指揮中實現(xiàn)集團效益最大化存在較大困難。

一是調(diào)運組織方式落后，缺乏科學技術手段。神華一體化調(diào)運組織業(yè)務流程相對粗放，僅以裝車數(shù)量來匹配煤源供應、裝車能力、運輸能力、接卸能力和銷售水平之間的不平衡問題。沒有充分考慮成本、利潤、周轉時間等重要運營指標，同時缺乏科學的技術手段，不能結合客觀條件的變化準確迅速地編制調(diào)運方案。

二是調(diào)運過程不透明，主觀因素影響大。一體化調(diào)運組織過程復雜，涉及總部調(diào)度指揮部門、煤源供應單位、裝車組織單位、運輸組織單位、銷售單位等十幾個單位。然而調(diào)運組織過程中人為判斷、憑經(jīng)驗決策的情況較多，調(diào)運組織效果受參與者的主觀因素影響大，增加調(diào)運難度。

表1　煤炭供應及裝車信息對照表

三是信息化程度不夠，經(jīng)營分析難度較大。調(diào)運組織涉及行業(yè)板塊多，各單位信息化程度不一致，信息復雜度增加，信息整合難度大。各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計手段落后，生產(chǎn)運營分析僅停留在增量對比方面，結構優(yōu)化和生產(chǎn)經(jīng)營分析薄弱。

3　一體化調(diào)運組織方案優(yōu)化

3.1一體化調(diào)運各環(huán)節(jié)能力分析

對一體化調(diào)運組織方案進行優(yōu)化，首先要全面掌握一體化調(diào)運過程上游煤源供應能力、裝車站裝車能力，中游鐵路運輸能力，下游接卸能力等各環(huán)節(jié)的能力狀況及各環(huán)節(jié)能力之間的對比關系。

（1）煤炭供應及裝車能力分析。包神鐵路管內(nèi)分布著14個裝車站點，神朔鐵路管內(nèi)分布著15個裝車站點，神東煤炭集團、榆神能源公司、杭錦能源公司等7家單位在此區(qū)域供應煤源，煤炭供應及車站裝車能力如表1所示：

（2）鐵路運輸能力分析：目前神華鐵路運輸能力制約點有兩個：包神鐵路神東口和神朔鐵路神池南口。

結合神華鐵路機車、車輛、行車設備、供電及車站設備狀況等，經(jīng)測算得出包神鐵路神東站最大通過能力為80列，含25列萬噸列車，合計105小列；神朔鐵路神池南口最大通過能力為112列，含84列萬噸列車，合計196小列。

（3）下游接卸能力分析：神華集團煤炭銷售主要分為兩種形式：港口下水銷售和鐵路沿線直達銷售。一體化調(diào)運主要涉及的是神華自有的黃驊港和天津煤碼頭。黃驊港有翻車機13臺，其中C64型和C70型翻車機5臺，日卸車能力為40列；C80型翻車機8臺，日卸車能力為92列。天津煤碼頭有翻車機4臺，C64型和C70型翻車機1臺，日卸車能力為8列；C80型翻車機3臺，日卸車能力為24列。鐵路沿線直達銷售包括國鐵沿線和自有鐵路沿線銷售，由神華銷售公司負責，沿線直達銷售可根據(jù)歷年實際經(jīng)驗設為常數(shù)，大新口15列，王佐口15列，黃萬線30列，朔黃沿線20列。

綜上，神華一體化調(diào)運下游端日接卸總能力為219列，其中C80型列車最大接卸能力為142列，C70型和C64型列車最大接卸能力為105列。

（4）神華自有兩港裝船能力分析：黃驊港擁有煤炭專用泊位17個，均為萬噸級以上泊位，煤炭泊位裝船能力為60萬噸/日，大于卸車能力。天津煤碼頭擁有煤炭專用泊位3個，均為萬噸級以上泊位，煤炭泊位裝船能力為18.2萬噸/日，大于卸車能力。

（5）一體化調(diào)運各環(huán)節(jié)能力比較：神華煤炭一體化調(diào)運組織中的五個主要環(huán)節(jié)中，裝車能力、運輸能力、卸車能力在一定時期內(nèi)能力狀況相對穩(wěn)定，可以直接確定三者間的大小關系。

①裝車與運輸：包神鐵路管內(nèi)各裝車站能力之和為120列，考慮到區(qū)域裝車能力限制，包神鐵路管內(nèi)裝車能力為108列，大于包神鐵路運輸能力105列。神朔管內(nèi)各裝車站能力之和為107列，考慮到區(qū)域裝車能力限制，神朔鐵路管內(nèi)裝車能力為100列，包神、神朔裝車能力合計207列，大于神朔鐵路最大運輸能力196列。

②運輸與接卸：神朔鐵路運輸能力為196列，其中C80型列車110列，C70型列車40列，C64型列車46列，小于下游端接卸能力的219列。

③運輸和銷售：由于煤炭銷售情況受價格影響波動較大，所以無法籠統(tǒng)的直接比較銷售和運輸能力的大小，需要結合具體時段內(nèi)的銷售實際情況，加以分析判斷，但可以確定的是目前制約一體化調(diào)運水平的因素為運輸或者銷售。

3.2一體化調(diào)運指標體系建立

神華集團一體化調(diào)運的主要經(jīng)營指標包括煤炭車板成本、轉運成本、銷售收入、綜合利潤、煤炭調(diào)運量等。

（1）車板成本。煤炭的車板成本是指將煤炭送到發(fā)運站列車上產(chǎn)生的成本，含煤炭生產(chǎn)成本、短途運輸成本和搬運成本等。

（2）轉運成本。轉運成本是指煤炭從裝車站運往港口所需要支付的費用。煤炭轉運成本包括鐵路運費、回空費、港雜費等。轉運成本與鐵路運費、運輸距離等因素有關。

（3）銷售收入。銷售收入是指將煤炭所有權轉到客戶，收到貨款或取得索取價款憑證，而認定的收入，它由煤炭銷售單價和銷售量決定。

（4）綜合利潤。利潤指標是一體化調(diào)運過程中最為關注的指標，綜合利潤由銷售收入減去車板成本和轉運成本來確定，綜合利潤又等于路港利潤和銷售利潤之和。

（5）煤炭調(diào)運量。對于神華煤炭一體化調(diào)運而言，每日每個裝車站的煤炭實際調(diào)運量的分配決定著調(diào)運組織的結果。在煤炭調(diào)運總量確定的情況下，如何利用科學有效的方法，確定每個裝車站的調(diào)運數(shù)量，編制最佳調(diào)運方案，是想實現(xiàn)煤炭一體化調(diào)運利潤最大化的關鍵。

3.3一體化調(diào)運優(yōu)化條件分析

（1）決策要素。一體化調(diào)運的優(yōu)化實際上就是運用運輸規(guī)劃方法科學編制每日調(diào)運計劃的問題，包含三方面決策要素：單位調(diào)運周期內(nèi)煤炭調(diào)運總量、每個裝車站調(diào)運煤炭數(shù)量、所編制的調(diào)運方案達到神華整體效益最優(yōu)。

（2）模型類型選擇。運籌學中主要的模型包括線性規(guī)劃模型、整數(shù)規(guī)劃模型、動態(tài)規(guī)劃模型、非線性規(guī)劃模型和混合規(guī)劃模型等。本文采用整數(shù)規(guī)劃模型解決煤炭調(diào)運優(yōu)化問題。

（3）一體化調(diào)運優(yōu)化模型建立。神華煤炭一體化調(diào)運業(yè)務可簡述為：煤炭在內(nèi)蒙古西部、陜西北部、陜西西部等區(qū)域生產(chǎn)或收購，在包神鐵路和神朔鐵路各個裝車站裝車，經(jīng)包神鐵路、神朔鐵路、朔黃鐵路運送到黃驊港、天津煤碼頭及鐵路沿線直達接卸站，此問題是裝車站i到卸車站j的多到多的運輸線路整數(shù)規(guī)劃問題。但結合當前神華煤炭調(diào)運業(yè)務實際，調(diào)度指揮部門負責一體化裝車運輸計劃的下達和實施，銷售部門（單位）根據(jù)煤炭裝車運輸日班計劃，安排煤炭分流和具體銷售工作。此問題可簡化為由多個裝車車站i到一個卸車車站j的多到一的整數(shù)規(guī)劃問題。

①決策變量。決策變量是通過煤炭調(diào)運優(yōu)化模型運輸確定的變量，即優(yōu)化調(diào)運方案。本文優(yōu)化決策變量設為Xi，表示一個煤炭調(diào)運周期內(nèi)第i個裝車站的裝車列數(shù)。建立優(yōu)化模型之前，我們要先確定一體化調(diào)運總量，即包神鐵路和神朔鐵路各裝車站裝車總列數(shù)，它是由一體化調(diào)運各環(huán)節(jié)中最薄弱環(huán)節(jié)確定的。

當煤炭銷售水平大于等于鐵路運輸能力時，裝車總列數(shù)由鐵路運輸能力決定。包神鐵路和神朔鐵路裝車總列數(shù)不大于神朔鐵路運輸能力，包神鐵路裝車列數(shù)不大于包神鐵路運輸能力，有：

注：A1-包神鐵路裝車列數(shù)，A2-神朔鐵路裝車列數(shù)。

當煤炭銷售水平小于鐵路運輸能力時，下游分流數(shù)量必須按照銷售數(shù)量確定，裝車總列數(shù)由銷售水平?jīng)Q定，包神鐵路和神朔鐵路裝車總列數(shù)不大于下游總銷售水平，有：

注：B-下游總分流列數(shù)，B1-大新口分流列數(shù)，B2-王佐口分流列數(shù)，B3-黃萬線分流列數(shù)，B4-朔黃沿線分流列數(shù)，B5-黃驊港分流列數(shù)。

②優(yōu)化指標。綜合利潤是一體化調(diào)運過程中最為關注的指標，同時也是模型的優(yōu)化指標，一體化調(diào)運綜合利潤等于所有裝車站煤炭調(diào)運利潤之和。

注：Zt-一體化調(diào)運綜合利潤。

3.4約束條件

模型約束條件是根據(jù)煤炭一體化調(diào)運過程中業(yè)務需求、設備情況和能力狀況等因素進行設置的，體現(xiàn)模型建立與調(diào)運實際緊密結合，從而更好地應用于調(diào)運組織。

約束1：一體化裝車總列數(shù)小于等于銷售水平限制下的下游分流總列數(shù)。

約束2：各裝車站日裝車數(shù)量小于等于裝車能力。

約束3：每個裝車站裝車列數(shù)等于該站各種車型列車裝車列數(shù)之和。

約束4：鐵路車站區(qū)域裝車數(shù)量小于等于車站作業(yè)能力。

約束5：鐵路區(qū)段裝車總列數(shù)小于等于該鐵路最大通過能力。

約束6：鐵路區(qū)段各車型列車最大通過能力限制。

約束7：裝車站設備條件限制其裝車車型。

當裝車站i不具備某車型裝車條件時，該車型在裝車站i的裝車列數(shù)為0。

約束8：決策變量為自然數(shù)。

注：A-裝車總列數(shù)，B-下游分流總列數(shù)，Xi-裝車站i的日裝車數(shù)量，Li-裝車站i的日裝車能力，Xa-裝車站i裝C80型車列數(shù)，Xb-裝車站i裝C70型車列數(shù)，Xc-裝車站i裝C64型車列數(shù)，Xq-鐵路車站i的區(qū)域裝車數(shù)量，Lq-鐵路車站i的車站作業(yè)能力，A1-包神管內(nèi)裝車列數(shù)，A2-神朔鐵路管內(nèi)裝車列數(shù)，C1-包神鐵路通過能力，C2-神朔鐵路通過能力，Da-包神管內(nèi)C80型車裝車列數(shù)，Db-包神管內(nèi)C70型車裝車列數(shù)，Dc-包神管內(nèi)C64型車裝車列數(shù)，Ea-神朔管內(nèi)C80型車裝車列數(shù)，Eb-神朔管內(nèi)C70型車裝車列數(shù)，Ec-神朔管內(nèi)C64型車裝車列數(shù)。

3.5建立模型

集團利潤最大化模型：綜合考慮神華煤炭的車板成本、轉運成本和銷售收入等經(jīng)營指標，在業(yè)務需求、設備能力等約束條件下，使得集團煤炭一體化調(diào)運利潤最大化的調(diào)運優(yōu)化模型，一體化調(diào)運總利潤等于所有裝車站調(diào)運利潤之和：

s.t.約束1～約束8

注：Pi-從裝車站i到黃驊港調(diào)運1噸煤炭集團獲得的利潤，Wi-裝車站所裝列車的平均載重，Xi-裝車站i的裝車列數(shù)。

3.6模型舉例求解

在運籌學領域，整數(shù)規(guī)劃模型的求解算法有很多，比如分支定界法、割平面法、匈牙利法、Excel規(guī)劃求解法等，本文采用的方法為Excel規(guī)劃求解法。

例：神華集團自有港口、相關社會港口以及各直達銷售點庫存均處于正常水平，預測某日神華煤炭銷售量為150萬噸，其中下水銷量為80萬噸，下游各交口預計銷售量均大于鐵路運輸能力。編制當日一體化裝車效益最優(yōu)調(diào)運方案？

運用Excel規(guī)劃求解方法對該模型進行求解得出最佳調(diào)運方案下集團可獲得最大利潤maxZ=6080.9萬元，較人工方案利潤高78萬元。

調(diào)運方案為：一體化裝車安排196列，其中包神管內(nèi)105列，神朔管內(nèi)91列。

4　結語

本文通過對神華集團實地走訪調(diào)研和座談討論，在對神華一體化調(diào)運組織模式認真研究和深入分析的基礎上，結合當前調(diào)運實際建立了易于操作的運籌學整數(shù)規(guī)劃模型，實現(xiàn)日常調(diào)運組織方案從人工編制到計算機編制的轉變。有效提升了一體化調(diào)運效率和效果。根據(jù)本文的舉例求解情況，運用數(shù)學建模編制一體化調(diào)運組織方案從確定調(diào)運總量、添加約束條件、建立模型到模型求解確定最終方案用時較以往的人工編制方法節(jié)約75%，利潤提高1.3%。

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