張琪勝,湯銀英,陳 思
(1 西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院 碩士研究生, 四川 成都611756;2 西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院 副教授、博士,四川 成都611756;3 西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院 講師, 四川 成都611756)
中歐班列是指按照固定車(chē)次、 線路等條件開(kāi)行,往來(lái)于中國(guó)與歐洲及一帶一路沿線各國(guó)的集裝箱國(guó)際鐵路聯(lián)運(yùn)班列。 截至2019 年3 月底,其累計(jì)開(kāi)行數(shù)量已超過(guò)14 000 列, 國(guó)內(nèi)始發(fā)城市現(xiàn)有48個(gè),境外到達(dá)城市44 個(gè),運(yùn)行線65 條。 中歐班列因理念新穎和政策優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注,但是,其自身存在線路重復(fù)、無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)以及由國(guó)內(nèi)國(guó)際環(huán)境不確定性導(dǎo)致的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)擁堵失效風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。 因此,研究中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò),對(duì)完善“干支結(jié)合、樞紐集散”的班列組織模式,降低成本,提高運(yùn)輸效率具有重要意義。
目前對(duì)于中歐班列的研究多集中于存在問(wèn)題、發(fā)展對(duì)策等定性方面,僅有少量學(xué)者采用模型量化方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和開(kāi)行方案等方面進(jìn)行了研究。 文思涵等[1]以單一方向去程班列(中國(guó)—?dú)W洲)為研究對(duì)象,借鑒選址—運(yùn)輸路徑安排思路,研究網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題。 李天昊等[2]依據(jù)節(jié)點(diǎn)功能差異,設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)分級(jí)系統(tǒng),以此為基礎(chǔ)建立開(kāi)行方案模型。 王嬌娥等[3]構(gòu)建高、中、低三種運(yùn)價(jià)水平,利用距離—經(jīng)濟(jì)成本分析方法劃分滿洲里、二連浩特和阿拉山口的腹地范圍,并根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況識(shí)別樞紐城市。
為降低運(yùn)輸成本,實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益,諸多學(xué)者提出了軸輻式中轉(zhuǎn)集結(jié)的思路。 軸輻式網(wǎng)絡(luò)綜合了設(shè)施選址和路徑安排兩個(gè)問(wèn)題,O’Kelly[4]建立單分配模式下單樞紐系統(tǒng)和雙樞紐系統(tǒng)軸輻網(wǎng)絡(luò)模型,并指出軸輻網(wǎng)絡(luò)的基本原理是通過(guò)少量的弧連接大量OD 點(diǎn)進(jìn)而減少必經(jīng)路線。Mohammad 等[5]將失效分為部分失效(服務(wù)速率下降)和完全失效(無(wú)可用性), 并提出一種基于遺傳算法和帝國(guó)競(jìng)爭(zhēng)算法的新型混合自適應(yīng)啟發(fā)式算法求解軸輻模型。 An 等[6]提出可靠軸輻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型,模型考慮備用節(jié)點(diǎn)和備用路線的選擇,并使用拉格朗日松弛算法和分支定界法對(duì)模型進(jìn)行求解。 胡晶晶等[7]研究備份樞紐的選擇問(wèn)題, 并通過(guò)線性化方法轉(zhuǎn)化模型為線性,使用數(shù)學(xué)求解器CPLEX 求解小規(guī)模問(wèn)題, 使用遺傳算法求解大規(guī)模問(wèn)題。
軸輻式網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)在于以較少路徑連接網(wǎng)絡(luò),可以降低運(yùn)輸成本,產(chǎn)生規(guī)模效益,其缺陷在于網(wǎng)絡(luò)形成之后,一旦樞紐節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障其恢復(fù)成本較高, 因此在建立模型時(shí)有必要考慮網(wǎng)絡(luò)的可靠性。本文針對(duì)集散過(guò)程中可能出現(xiàn)的樞紐節(jié)點(diǎn)失效,考慮因此產(chǎn)生的貨流阻斷和延遲,引入備選節(jié)點(diǎn)和擁堵成本,構(gòu)建中歐班列軸輻式運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。 同時(shí),因數(shù)據(jù)源規(guī)模較小, 在求解模型時(shí)使用商業(yè)優(yōu)化軟件CPLEX 進(jìn)行求解。
單分配軸輻式網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每個(gè)非樞紐節(jié)點(diǎn)僅分配給某一個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn),非樞紐節(jié)點(diǎn)通過(guò)和樞紐節(jié)點(diǎn)相互作用,實(shí)現(xiàn)貨流、客流及服務(wù)傳遞的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。 現(xiàn)階段,中歐班列運(yùn)量較小且方向單一,較為適用單分配軸輻網(wǎng)絡(luò)。
圖1 軸輻式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
對(duì)于單分配軸輻網(wǎng)絡(luò),O’Kelly 最早提出從p-HMP(p-樞紐中位問(wèn)題)角度解決軸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題的思路。 為合理簡(jiǎn)化研究,提出假設(shè):網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間相互暢通, 軸輻網(wǎng)絡(luò)中非樞紐點(diǎn)不互連,即非樞紐之間的流量必須至少經(jīng)過(guò)一個(gè)樞紐點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。
單分配軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型的目標(biāo)為最小化網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)輸成本,包括非樞紐節(jié)點(diǎn)和樞紐節(jié)點(diǎn)之間的支線運(yùn)輸成本, 樞紐節(jié)點(diǎn)之間的干線運(yùn)輸成本,運(yùn)輸路線可以描述為i→k→m→j。 引入如下符號(hào)來(lái)描述。
N:中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點(diǎn)集合,N={1,2,...,n};
p:設(shè)定樞紐節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)p<n;
ρ:樞紐節(jié)點(diǎn)之間因規(guī)模效益產(chǎn)生的折扣系數(shù);
cij:節(jié)點(diǎn)城市i到節(jié)點(diǎn)城市j的每公里單位集裝箱運(yùn)輸成本;
dij:節(jié)點(diǎn)城市i到節(jié)點(diǎn)城市j的距離;
Cij: 節(jié)點(diǎn)城市i到節(jié)點(diǎn)城市j的單位集裝箱運(yùn)輸成本;wij:節(jié)點(diǎn)城市i到節(jié)點(diǎn)城市j的集裝箱運(yùn)量;
yik:非樞紐節(jié)點(diǎn)的分配,若將節(jié)點(diǎn)i分配給k則取1,否則取0;
yikmj:表示OD 流i→j所經(jīng)過(guò)的路徑,若i→j的集裝箱流經(jīng)過(guò)樞紐k→m則取1,否則取0。目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)下式:
在最小化網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)輸成本的目標(biāo)下,單分配軸輻網(wǎng)絡(luò)受到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的約束, 包括節(jié)點(diǎn)分配約束,路徑約束,樞紐數(shù)量約束,純軸輻約束和決策變量的0-1 約束。
1.3.1 節(jié)點(diǎn)分配約束
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單分配模式,即每個(gè)非樞紐節(jié)點(diǎn)能且只能與一個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)相連接。
1.3.2 路徑約束
從始發(fā)節(jié)點(diǎn)i至目的節(jié)點(diǎn)j的流量經(jīng)過(guò)路徑需包含樞紐轉(zhuǎn)運(yùn)k→m。
1.3.3 樞紐數(shù)量約束
樞紐數(shù)量根據(jù)運(yùn)營(yíng)方的實(shí)際需要設(shè)定,在模型中作為已知參數(shù)
1.3.4 純軸輻約束
單分配軸輻網(wǎng)絡(luò)要求非樞紐節(jié)點(diǎn)之間不互相連接, 即對(duì)于任意OD 流均采用在樞紐點(diǎn)中轉(zhuǎn)集結(jié)方式運(yùn)輸。
1.3.5 0-1 約束
對(duì)中歐班列而言,單純的軸輻式網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性有所欠缺,與班列現(xiàn)實(shí)情況具有一定差異,因此需對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)改善,另需考慮樞紐點(diǎn)失效情形。 本文涉及到的失效情況分為兩種,一種為樞紐節(jié)點(diǎn)的可使用性完全喪失,即完全失效;另一種為樞紐節(jié)點(diǎn)的容量超出限制產(chǎn)生擁堵,即部分失效。 中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)的樞紐選址問(wèn)題是在單分配軸輻式網(wǎng)絡(luò)選址的基礎(chǔ)上, 考慮樞紐節(jié)點(diǎn)的完全失效概率,引入備選節(jié)點(diǎn)和擁堵成本;而路徑安排問(wèn)題,對(duì)于樞紐點(diǎn)失效后的貨物流動(dòng)分為兩部分考慮,一部分為從失效點(diǎn)始發(fā)或終到的貨源因節(jié)點(diǎn)的可使用性完全毀滅,故定義為貨源流失;另一部分為失效點(diǎn)僅作為中間樞紐點(diǎn)的貨流,路徑轉(zhuǎn)經(jīng)備選節(jié)點(diǎn)[8]。 另需作出如下假設(shè):
1) 僅考慮單一樞紐節(jié)點(diǎn)的失效問(wèn)題,且已知失效概率為q;
2) 樞紐點(diǎn)失效后,備選節(jié)點(diǎn)將僅從其他未受影響的樞紐中選擇;
4) 擁堵成本定義為超過(guò)容量限制的貨物流量的一次函數(shù);
5) 樞紐節(jié)點(diǎn)失效時(shí)產(chǎn)生的貨源流失成本,引入懲罰系數(shù)α。
中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)為最小化網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)輸成本,具體又可以分為常規(guī)運(yùn)輸成本、路徑重置成本、貨源流失成本和擁堵成本四部分。 引入如下符號(hào)來(lái)描述:
δk表示擁堵成本,采用超過(guò)容量限制的貨物流量的一次函數(shù)表達(dá),其中β 為擁堵成本系數(shù)。表示當(dāng)樞紐節(jié)點(diǎn)k失效時(shí), 樞紐點(diǎn)l作為備選樞紐繼承樞紐k的流量, 若l成為k的備選點(diǎn)則為1,否則為0。
2.2.1 常規(guī)運(yùn)輸成本CMC
常規(guī)運(yùn)輸成本表示未受樞紐失效影響部分的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸成本。
2.2.2 路徑重置成本RTRS
路徑重置成本表示因樞紐節(jié)點(diǎn)失效,原經(jīng)由失效節(jié)點(diǎn)的貨流轉(zhuǎn)向備選節(jié)點(diǎn)的路徑重置成本。 即原i→j的路徑i→k→m→j轉(zhuǎn)換為i→l→m→j。
2.2.3 貨源流失成本FL
貨源流失成本表示因樞紐節(jié)點(diǎn)完全失效導(dǎo)致的該節(jié)點(diǎn)作為始發(fā)或終到節(jié)點(diǎn)的集裝箱貨源流失。
2.2.4 擁堵成本CG
擁堵成本表示備選節(jié)點(diǎn)原集結(jié)流量及因路徑重置需轉(zhuǎn)化為該節(jié)點(diǎn)集結(jié)的流量和。
最小化網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)輸成本目標(biāo)函數(shù)如下:
中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)以備選樞紐的方式考慮樞紐節(jié)點(diǎn)的失效問(wèn)題,故需對(duì)樞紐的備份進(jìn)行約束。
2.3.1 備選集約束
由前文可知,某樞紐節(jié)點(diǎn)的備選節(jié)點(diǎn)集合包含除本身以外的其他樞紐節(jié)點(diǎn)。
2.3.2 備選數(shù)量約束
每個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)備選節(jié)點(diǎn)。
2.3.3 0-1 約束
本文構(gòu)建的中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)模型涉及原樞紐節(jié)點(diǎn)和備選節(jié)點(diǎn)的選擇,為單目標(biāo)非線性整數(shù)規(guī)劃,具有一定的復(fù)雜性,需要將非線性部分轉(zhuǎn)化為線性,本文采用變量替換的方法進(jìn)行線性化。 引入
zikl=1 表示節(jié)點(diǎn)i分配到節(jié)點(diǎn)k, 并且節(jié)點(diǎn)k的備選節(jié)點(diǎn)為l。
xiklmj=1 表示從i到j(luò)的流量所經(jīng)過(guò)的路徑為i→k→m→j,且當(dāng)樞紐k失效后轉(zhuǎn)由樞紐l中轉(zhuǎn)。
此外, 需要對(duì)新增的決策變量zikl,xiklmj進(jìn)行約束,因模型目標(biāo)為min 型,故:
本文選取常態(tài)化開(kāi)行的中歐班列主要節(jié)點(diǎn)城市作為研究對(duì)象,節(jié)點(diǎn)集合為{重慶(1)、鄭州(2)、武漢(3)、成都(4)、合肥(5)、義烏(6)、長(zhǎng)沙(7)、廈門(mén)(8)、西安(9)、昆明(10)、蘇州(11)、沈陽(yáng)(12)、營(yíng)口(13)、杜伊斯堡(14)、漢堡(15)、蒂爾堡(16)、鹿特丹(17)、華沙(18)、羅茲(19)、布列斯特(20)、明斯克(21)、莫 斯 科(22)、帕 爾 梅 杜 采(23)、馬 德 里(24)、布達(dá)佩斯(25)},節(jié)點(diǎn)總數(shù)n=25,設(shè)置樞紐節(jié)點(diǎn)數(shù)量p=5,貨源流失懲罰系數(shù)α=2,折扣系數(shù)ρ=0.750 0,失效概率q=0.050 0,擁堵成本系數(shù)β=2,樞紐節(jié)點(diǎn)容量限制
各節(jié)點(diǎn)之間的距離采用地圖網(wǎng)站所搜集的鐵路營(yíng)運(yùn)里程,每公里單位集裝箱運(yùn)輸成本因國(guó)家不同而有所區(qū)別,根據(jù)調(diào)研結(jié)果,獨(dú)聯(lián)體國(guó)家鐵路成本0.250 0 美元/(km·箱),歐洲鐵路成本1.978 0 美元/(km·箱), 國(guó)內(nèi)段線路成本0.700 0 美元/(km·箱), 城市節(jié)點(diǎn)之間的每公里單位集裝箱運(yùn)輸成本采用途經(jīng)區(qū)域各鐵路成本的平均值進(jìn)行近似計(jì)算,節(jié)點(diǎn)城市i到節(jié)點(diǎn)城市j的單位集裝箱運(yùn)輸成本由公式(1)計(jì)算可得。 城市節(jié)點(diǎn)之間的集裝箱周運(yùn)量根據(jù)中歐班列各平臺(tái)公司的實(shí)際情況進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。
單分配軸輻網(wǎng)絡(luò)模型為單目標(biāo)線性規(guī)劃問(wèn)題,采用商業(yè)優(yōu)化軟件CPLEX 求解模型最優(yōu)解, 最優(yōu)成本為12 998.598 3 萬(wàn)美元,求解結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 單分配軸輻網(wǎng)絡(luò)模型求解結(jié)果
算例結(jié)果采用如下形式表述{樞紐點(diǎn)(備份點(diǎn))|分配到該樞紐點(diǎn)的非樞紐點(diǎn)},則單分配軸輻網(wǎng)絡(luò)模型最優(yōu)結(jié)果為{重慶| 成都、昆明},{合肥| 鄭州、武漢、義烏、長(zhǎng)沙、廈門(mén)、蘇州、沈陽(yáng)、營(yíng)口},{鹿特丹|杜伊斯堡、漢堡、蒂爾堡},{布列斯特|華沙、羅茲、明斯克、莫斯科、帕爾梅杜采、布達(dá)佩斯},{馬德里|}。
中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)原始模型為單目標(biāo)非線性整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題, 線性化后轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)線性規(guī)劃問(wèn)題,模型變量個(gè)數(shù)為(26^5+26^4+26^3+26^2)=12 356 604,采用商業(yè)優(yōu)化軟件CPLEX 進(jìn)行求解, 可得到模型的精確求解結(jié)果。 樞紐節(jié)點(diǎn)選擇,非樞紐節(jié)點(diǎn)分配以及備選節(jié)點(diǎn)選擇的求解結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)模型求解結(jié)果
中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃所得結(jié)果為{成都(西安)|重慶、長(zhǎng)沙、廈門(mén)、昆明},{西安(成都)|鄭州、武漢、合肥、義烏},{沈陽(yáng)(西安)|蘇州、營(yíng)口},{杜伊斯堡(華沙)|漢堡、蒂爾堡、鹿特丹、馬德里},{華沙(杜伊斯堡)|羅茲、布列斯特、明斯克、莫斯科、帕爾杜比采、布達(dá)佩斯},中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃示意圖如圖2 所示。
圖2 中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)示意圖
單分配軸輻網(wǎng)絡(luò)與中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)不同之處在于樞紐的可靠性在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)階段是否被考慮在內(nèi)。 單分配軸輻網(wǎng)絡(luò)缺少對(duì)樞紐點(diǎn)失效與擁堵的考慮,但是樞紐點(diǎn)仍有發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn),本文根據(jù)實(shí)際情況對(duì)失效發(fā)生時(shí)各樞紐的替代方案如下:{重慶(合肥)},{合肥(重慶)},{鹿特丹(布列斯特)},{布列斯特(鹿特丹)},{馬德里(空)},兩種網(wǎng)絡(luò)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 單分配經(jīng)典模型與中歐班列軸輻網(wǎng)絡(luò)模型主要要素對(duì)比表
軸輻式中轉(zhuǎn)集結(jié)的班列組織模式可以有效解決點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直達(dá)所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題,但是中歐班列對(duì)所經(jīng)過(guò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的掌控性較差,關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能夠分配給中歐班列的能力也有限,即關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)存在擁堵及不可用的風(fēng)險(xiǎn)性。 此外,軸輻式運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的貨流由非樞紐節(jié)點(diǎn)集中到樞紐節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生規(guī)模效益,由此也提高了樞紐節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的地位,一旦樞紐節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障,其影響是巨大的。 上述算例表明,在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)階段不考慮樞紐節(jié)點(diǎn)失效和擁堵時(shí),一旦樞紐的可使用性毀滅,路徑重置成本、貨源流失成本和擁堵成本是比較大的。 反觀考慮樞紐失效和擁堵時(shí),除因部分非樞紐節(jié)點(diǎn)需集結(jié)至樞紐產(chǎn)生繞道成本導(dǎo)致的常規(guī)運(yùn)輸成本較大以外,其余各項(xiàng)成本均較小,總運(yùn)輸成本較原始網(wǎng)絡(luò)也減少18%。 由此可見(jiàn),設(shè)置合適的備選樞紐節(jié)點(diǎn),可以降低外界因素對(duì)中歐班列運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)營(yíng)的影響,提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
隨著中歐班列的爆發(fā)式增長(zhǎng),各班列公司的競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈, 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直達(dá)組織模式將達(dá)瓶頸期。與之相比,軸輻式中轉(zhuǎn)集結(jié)模式更有利于提高資源利用率,改變競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)狀。 中歐班列運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要考慮其去回程貨源的不均衡性,同時(shí),為緩解失效及擁堵的影響,本文提出的軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型在嚴(yán)格單分配p-hub 選址問(wèn)題的基礎(chǔ)上,考慮樞紐節(jié)點(diǎn)失效和擁堵的可能性,對(duì)每個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)設(shè)置失效概率、定義擁堵成本、選擇備選樞紐。 此外,根據(jù)中歐班列實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)計(jì)算例求解模型,結(jié)果表明,為每個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)設(shè)置備選點(diǎn)可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
本文研究對(duì)象為單分配軸輻網(wǎng)絡(luò),而實(shí)際有可能出現(xiàn)多分配情況;本文假設(shè)某一時(shí)間段內(nèi)僅有一個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效且備選節(jié)點(diǎn)僅可以從現(xiàn)有樞紐節(jié)點(diǎn)中選擇,現(xiàn)實(shí)情況可能出現(xiàn)除樞紐點(diǎn)以外的其他重要節(jié)點(diǎn)失效,某一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)樞紐失效以及選擇非樞紐點(diǎn)作為備選節(jié)點(diǎn)的情況。 下一步研究工作應(yīng)該考慮多樞紐失效,備選節(jié)點(diǎn)不定的復(fù)雜情形。