集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸組織優(yōu)化研究綜述

靳志宏,王小寒,易天培,左忠義

(1. 大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116026;2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

近年來我國交通運(yùn)輸由單一運(yùn)輸方式各自發(fā)展向各種運(yùn)輸方式協(xié)同發(fā)展轉(zhuǎn)變,取得了長足的進(jìn)步。隨著對外貿(mào)易的發(fā)展,集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)因其集成了集裝箱運(yùn)輸、水路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)量大、成本低、安全性高、綠色高效、銜接便利等優(yōu)勢,在多式聯(lián)運(yùn)中的地位日益凸顯,是運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵突破口。國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《推進(jìn)多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展優(yōu)化調(diào)整運(yùn)輸結(jié)構(gòu)工作方案(2021—2025年)》提出,到2025年,多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展水平明顯提升,基本形成大宗貨物及集裝箱中長距離運(yùn)輸以鐵路和水路為主的發(fā)展格局。由此可見,為提高綜合交通運(yùn)輸體系的經(jīng)濟(jì)效益、降低社會物流成本,集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)未來仍是我國主要貨運(yùn)發(fā)展方向。

海鐵聯(lián)運(yùn)是指通過銜接、協(xié)調(diào)和轉(zhuǎn)換等方式將鐵路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸有機(jī)地結(jié)合在一起,進(jìn)出口貨物由船舶運(yùn)輸至港口,經(jīng)換裝設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn),與鐵路運(yùn)輸相連,全程僅需“一次申報、一次查驗(yàn)、一次放行”。海鐵聯(lián)運(yùn)興起于西方國家,發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的海鐵聯(lián)運(yùn)比例高達(dá)20%～40%,我國占比還不足3%,但是發(fā)展勢頭持續(xù)攀升,如圖1所示。后勁十足的海鐵聯(lián)運(yùn)打開了現(xiàn)代物流發(fā)展新局面,連接內(nèi)陸與沿海、國內(nèi)與海外產(chǎn)業(yè)鏈,將不斷促進(jìn)國內(nèi)國際雙循環(huán)發(fā)展。

圖1 近五年我國海鐵聯(lián)運(yùn)量、占比及增長情況

海鐵聯(lián)運(yùn)的關(guān)鍵在于“聯(lián)”,提升水路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸?shù)你暯幽芰蛥f(xié)同水平,是海鐵聯(lián)運(yùn)實(shí)現(xiàn)新突破亟待解決的重要問題。近年來,港口與鐵路間的“硬銜接”條件顯著改善,但其間的“軟銜接”嚴(yán)重滯后,“連而不暢、鄰而不接”問題仍然突出。集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)陸港銜接主要包括基礎(chǔ)設(shè)施“硬銜接”和運(yùn)輸組織“軟銜接”兩大方面?！坝层暯印笔菍b箱港口、鐵路集裝箱中心站、海鐵聯(lián)運(yùn)港站等海鐵聯(lián)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的配置與協(xié)同;“軟銜接”則是對港站堆場資源配置、換裝作業(yè)、班列開行方案優(yōu)化等運(yùn)輸組織方面的協(xié)同。

國內(nèi)外對有關(guān)集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)的綜述鮮有報道,僅秦磊[1]從發(fā)展對策和評價研究兩個角度對海鐵聯(lián)運(yùn)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)性綜述,尚未有文獻(xiàn)對集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)陸港銜接問題進(jìn)行總結(jié)。鑒于此,本文從港站堆場資源配置協(xié)同、換裝作業(yè)協(xié)同、班列開行方案優(yōu)化三個維度,對國內(nèi)外海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸組織優(yōu)化問題進(jìn)行整理和歸納,對研究現(xiàn)狀進(jìn)行述評,并據(jù)此提出潛在研究方向。

1 研究現(xiàn)狀梳理

1.1 港站堆場資源配置協(xié)同研究現(xiàn)狀

海鐵聯(lián)運(yùn)堆場包括共堆場和分堆場兩種空間布局。顧名思義,共堆場是指港口與鐵路共用堆場,海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱堆存在港口堆場,鐵路裝卸線鋪設(shè)在碼頭前沿或港口后方。分堆場是指鐵路與港口分別擁有獨(dú)立堆場,鐵路裝卸線鋪設(shè)在港口后方,依據(jù)雙方合作和共享程度,海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱可堆存在鐵路堆場與港口堆場的一方或雙方。

堆場資源配置協(xié)同問題主要包括兩個方面,其一是戰(zhàn)術(shù)層面的堆存空間分配問題,即為到達(dá)港站的集裝箱合理分配堆存區(qū)域位置,以及安排每個區(qū)域堆存的箱量。根據(jù)堆存區(qū)域的范圍,該問題可具體分為箱區(qū)分配和堆場分配兩個子問題。其二是操作層面的堆存位置指派問題,即為集裝箱分配具體的箱位,包括貝、排、層三個維度。

(1)海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱堆場分配問題

分堆場是我國海鐵聯(lián)運(yùn)港站常見布局,如大連港、寧波舟山港、欽州港等,是堆場分配問題決策海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱選擇堆存的堆場。

基于共享堆場協(xié)議,靳志宏等[2]綜合考慮運(yùn)輸、裝卸、堆存與短搗四項(xiàng)費(fèi)用,構(gòu)建以轉(zhuǎn)運(yùn)總費(fèi)用最低為目標(biāo)的線性規(guī)劃模型,研究班輪到港時間與班列到站時間不一致情形下的堆場分配問題,并選取堆場容量、免費(fèi)堆存期、轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用等因素進(jìn)行靈敏度分析。以最小化集裝箱作業(yè)距離和超期堆存成本為目標(biāo),曾慶成等[3]建立海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱堆場分配模型,并利用分支定界法求解鐵路堆場和港口堆場的堆存箱量。Xie等[4]首次研究海鐵聯(lián)運(yùn)碼頭的集裝箱預(yù)堆存和動態(tài)裝卸問題,以在港總物流成本為目標(biāo)構(gòu)建隨機(jī)動態(tài)優(yōu)化模型,決策裝卸時間窗前堆場至鐵路緩沖區(qū)的靜態(tài)預(yù)存箱量,卸載時間窗內(nèi)列車至堆場、裝載時間窗內(nèi)堆場(和/或鐵路緩沖區(qū))至列車的動態(tài)箱流量。在研究中歐班列在運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)操作問題時,Guo等[5]考慮了部分公路中轉(zhuǎn)箱可從港口堆場轉(zhuǎn)移至鐵路堆場而轉(zhuǎn)化為鐵路中轉(zhuǎn)箱的情形,結(jié)果表明,與未考慮轉(zhuǎn)移策略相比,考慮轉(zhuǎn)移策略的總收益較優(yōu)?；阼F路、支線船、內(nèi)河船、外集卡組成的港口集疏運(yùn)系統(tǒng),Schepler等[6]以最小化船舶和列車加權(quán)周轉(zhuǎn)時間為目標(biāo),探討集裝箱在港區(qū)多碼頭間的運(yùn)輸問題。

(2)海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱箱區(qū)分配問題

箱區(qū)是箱位的集合,堆場由多類型箱區(qū)組成。箱區(qū)分配是為到達(dá)港站的集裝箱分配堆存箱區(qū)。港口箱區(qū)分配問題研究起步早,成果較為豐富,如Carlo等[7]對其進(jìn)行了比較深入的總結(jié)。箱區(qū)分配研究目標(biāo)通常為均衡各箱區(qū)間作業(yè)量、最小化集裝箱移動、最小化運(yùn)輸工具在港時間等。

海鐵聯(lián)運(yùn)堆場箱區(qū)分配問題的研究遠(yuǎn)滯后于港口,如表1的匯總。武慧榮等[8]將海鐵聯(lián)運(yùn)混堆堆場作業(yè)箱分為6種類型,基于滾動計(jì)劃方法構(gòu)建箱區(qū)分配模型,優(yōu)化目標(biāo)為各箱區(qū)作業(yè)量均衡,并設(shè)計(jì)模擬退火算法進(jìn)行求解。Chang等[9]、曾慶成等[3]建立兩階段模型研究海鐵聯(lián)運(yùn)堆場資源管理問題,其中Chang等[9]在第一階段決策了到場集裝箱的堆存箱區(qū),優(yōu)化目標(biāo)為箱區(qū)作業(yè)量均衡, 曾慶成等[3]基于第一階段堆場分配結(jié)果,第二階段同時考慮箱區(qū)作業(yè)量均衡和縮短集裝箱作業(yè)總距離兩個目標(biāo),為到港集裝箱分配箱區(qū)?；诩榷ǖ牡诫x場時間,王力等[10]以各箱區(qū)作業(yè)量均衡為目標(biāo),決策鐵路堆場箱區(qū)分配問題,并設(shè)計(jì)啟發(fā)式算法進(jìn)行求解,通過與隨機(jī)堆存策略對比驗(yàn)證所提出模型與算法的有效性。針對鐵路集裝箱中心站主堆場多箱區(qū),Zeng等[11]認(rèn)為卸載箱區(qū)影響堆場作業(yè)效率,將箱區(qū)分配作為子問題來集成優(yōu)化主堆場裝卸資源和空間資源。

表1 海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱箱區(qū)分配文獻(xiàn)匯總

(3)海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱箱位分配問題

集裝箱堆存位置不合理會導(dǎo)致二次翻箱甚至多次翻箱。從單貝位角度研究箱位分配問題時,學(xué)者們通常引入壓箱量或倒箱量來評價集裝箱堆存狀態(tài),利用優(yōu)先級描述集裝箱的屬性,如集裝箱離場時間、重量、目的港掛靠順序等。壓箱量為待作業(yè)箱上方不滿足優(yōu)先級的集裝箱數(shù)量,屬于靜態(tài)指標(biāo);翻箱量細(xì)化了待作業(yè)箱上方阻礙箱的落箱位選擇不合理而導(dǎo)致的再翻箱,屬于相對動態(tài)指標(biāo)。從多貝位角度,場橋作為堆場瓶頸資源,減少其在貝位間的移動是十分必要的。國內(nèi)外學(xué)者對港口堆場箱位分配的研究較成熟,Lersteau等[12]給出了較全面的綜述,隨著海鐵聯(lián)運(yùn)的發(fā)展,理論界開始關(guān)注海鐵聯(lián)運(yùn)堆場和鐵路堆場箱位分配問題。

從單貝位角度,計(jì)明軍等[13]運(yùn)用滾動計(jì)劃方法構(gòu)建動態(tài)箱位指派模型,以提箱時間作為優(yōu)先級,目標(biāo)函數(shù)為最小化壓箱量,優(yōu)化“同卸同裝”模式下的海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱堆存位置。綜合考慮海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱的重量、離場時間、目的港掛靠順序等屬性,Chang等[9,14-15]構(gòu)建多階段箱位指派模型,旨在降低堆場壓箱量。Li等[16]基于船舶配載計(jì)劃獲取海鐵聯(lián)運(yùn)出口箱的目的港和重量屬性,以壓箱量最小為目標(biāo)構(gòu)建箱位分配模型,引入調(diào)車作業(yè)計(jì)劃中的解體問題來設(shè)計(jì)求解算法?；谝阎拇芭漭d計(jì)劃,常祎妹等[17]根據(jù)裝船順序?qū)傩栽O(shè)定集裝箱優(yōu)先級,考慮鐵路箱分批到達(dá)和公路箱隨機(jī)到達(dá)特點(diǎn),以壓箱量最小為目標(biāo)建立鐵路堆場箱位指派模型,并設(shè)計(jì)啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。武慧榮等[18]僅考慮集裝箱離場時間屬性,以最小化壓箱量為目標(biāo)建立模型,設(shè)計(jì)基于滾動計(jì)劃的啟發(fā)式算法,解決“船舶-堆場-列車”換裝模式下混堆堆場箱位分配問題。段剛等[19]探討零散箱箱位分配問題,假設(shè)集裝箱到離站時間既定,以倒箱次數(shù)最小化為目標(biāo)構(gòu)建動態(tài)箱位分配模型,并設(shè)計(jì)遺傳算法求解?？紤]提箱時間屬性,王力等[20-21]和Wang等[22]以壓箱量最小為目標(biāo)建立模型,解決鐵路集裝箱堆場箱位分配問題。

從多貝位角度,Dotoli等[23]考慮離場時間和箱型屬性,以最大化堆存箱量為目標(biāo)構(gòu)建整數(shù)規(guī)劃模型,并提出決策支持系統(tǒng)求解最佳集裝箱堆存位置?；诘指郯嗔腥雸鲰樞蚝碗x港時間,任剛等[24]考慮最小化壓箱量和場橋移動貝位數(shù),探討海鐵聯(lián)運(yùn)進(jìn)口箱箱位分配問題。王小寒等[25]將集裝箱貝位分配問題作為鐵路堆場資源分配與調(diào)度子問題,考慮最小化軌道吊移動成本和最大化軌道吊作業(yè)均衡率,建立雙目標(biāo)優(yōu)化模型,為“列車-堆場”流向的集裝箱分配堆存貝位?？紤]能耗和效率指標(biāo),Yang等[26]將影響場橋作業(yè)的海鐵聯(lián)運(yùn)出口箱箱位分配作為子決策之一,研究海鐵聯(lián)運(yùn)碼頭多設(shè)備集成調(diào)度與堆存位置分配問題。Wang等[27]考慮集裝箱到站和離站時間屬性,以及偏好堆存區(qū)域,研究鐵路集裝箱混堆堆場箱位分配問題,優(yōu)化目標(biāo)為最小化壓箱量和軌道吊移動距離。郭鵬等[28]在研究鐵路集裝箱中心站軌道吊調(diào)度問題時考慮了翻箱作業(yè)的影響,并提出用階梯惡化函數(shù)表示翻箱作業(yè)。

表2匯總了上述海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱箱位分配的相關(guān)研究文獻(xiàn)。

表2 海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱箱位分配文獻(xiàn)匯總

1.2 換裝作業(yè)協(xié)同研究現(xiàn)狀

海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱換裝模式主要包括“水-公-鐵”、“水-堆場-鐵”(“船舶-堆場-鐵路”)、“車船直取”(“列車-船舶”)3種。不同運(yùn)輸方式間的交接質(zhì)量和效率與換裝設(shè)備的銜接密切相關(guān)。常用的換裝設(shè)備包括碼頭前沿岸橋、內(nèi)集卡、堆場場橋、外集卡、鐵路堆場軌道吊、正面吊等。

(1)單一設(shè)備調(diào)度優(yōu)化

區(qū)別于傳統(tǒng)海運(yùn)集裝箱,海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱特殊換裝設(shè)備為軌道吊。軌道吊是鐵路集裝箱中心站主堆場關(guān)鍵裝卸資源,橫跨主堆場、鐵路裝卸線、集卡通道,負(fù)責(zé)到離站集裝箱裝卸、堆存和倒箱作業(yè)。

多軌道吊協(xié)同調(diào)度優(yōu)化涉及任務(wù)分配和作業(yè)順序兩個子問題。軌道吊任務(wù)分配實(shí)質(zhì)上可理解為軌道吊作業(yè)范圍的劃分,包括固定作業(yè)范圍和柔性作業(yè)范圍。關(guān)于固定作業(yè)范圍,王力等[29]基于等分作業(yè)范圍將裝卸任務(wù)分配給軌道吊,以裝卸完工時間最小為目標(biāo)構(gòu)建多軌道吊調(diào)度優(yōu)化模型。王小寒等[25,30]和Ren等[31]綜合考慮軌道吊重載和空載移動,以最大化軌道吊總移動距離均衡率為目標(biāo)建立模型,探討軌道吊動態(tài)作業(yè)區(qū)域問題。針對柔性作業(yè)范圍,劉勇等[32]引入允許作業(yè)時間概念,研究了軌道吊數(shù)量配置和柔性調(diào)度優(yōu)化問題,同時考慮軌道吊運(yùn)營成本、作業(yè)時間、作業(yè)量,建立多目標(biāo)規(guī)劃模型,并設(shè)計(jì)基于使用權(quán)分配的遺傳算法進(jìn)行求解。周勇等[33]考慮多軌道吊間的干擾和安全距離約束,以最小化裝卸完工時間為目標(biāo)建立模型,解決多軌道吊協(xié)同調(diào)度問題,通過與固定作業(yè)范圍下的順序裝卸模式相比,驗(yàn)證其提出的柔性調(diào)度模式的優(yōu)越性。Guo等[34]和郭鵬等[28]引入最小時間距離概念來處理多軌道吊間的非交叉和安全距離約束,研究多軌道吊調(diào)度問題。

(2)兩種設(shè)備間的協(xié)同調(diào)度

兩種設(shè)備間的協(xié)同調(diào)度主要針對軌道吊與集卡間的協(xié)同調(diào)度?；凇败嚧比　焙汀按?堆場-列車”兩種換裝模式,李舒儀等[35]以卸車作業(yè)完工時間最小化為目標(biāo)建立軌道吊與集卡協(xié)同調(diào)度模型,結(jié)果表明,車船直取箱占比較高時應(yīng)增加軌道吊數(shù)量以提高裝卸效率。王小寒等[25,30]和Ren等[31]提出在鐵路主堆場采用“軌道吊-集卡”裝卸工藝,考慮成本、作業(yè)效率和能耗等指標(biāo),探討軌道吊與集卡協(xié)同調(diào)度問題。Jeong等[36]研究集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)問題,決策進(jìn)出口集裝箱匹配、集卡?？课恢煤蛙壍赖跽{(diào)度三個子問題?；凇败壍赖?集卡”裝卸工藝,Li等[37]構(gòu)建軌道吊和集卡協(xié)同調(diào)度優(yōu)化模型,優(yōu)化目標(biāo)為最小化裝卸完工時間、設(shè)備空駛時間和能耗,并設(shè)計(jì)人工蜂群算法求解問題。Tsch?ke等[38]為提高公鐵集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)效率,研究 “軌道吊-多拖車”裝卸工藝下集卡?？课恢煤蛙壍赖跽{(diào)度協(xié)同優(yōu)化問題,并與單AGV(智能導(dǎo)引車, Automatic Guided Vehicle)運(yùn)輸模式和不同集裝箱分配方案進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

(3)多種設(shè)備間的協(xié)同調(diào)度

考慮軌道吊、集卡、正面吊在卸車作業(yè)中的競爭性因素,王清斌等[39]構(gòu)建非合作博弈的協(xié)同調(diào)度模型,并設(shè)計(jì)遺傳算法進(jìn)行求解,結(jié)果表明,考慮競爭因素可顯著提高作業(yè)任務(wù)間的公平性。蔣惠園等[40]分別以最小化完工時間和最大化邊際效益為目標(biāo)建立兩階段模型,研究雙高集裝箱列車到發(fā)時的軌道吊、AGV、場橋、空箱堆垛機(jī)與智能舉升機(jī)的協(xié)同調(diào)度與最優(yōu)配置問題。常祎妹等[41]考慮裝卸設(shè)備走行速度和提放箱時間變化等不確定因素,以裝卸完工時間最小為目標(biāo)構(gòu)建優(yōu)化模型,探討“車船直取”模式下岸橋、集卡、軌道吊的集成調(diào)度問題,并在多層遺傳算法中引入蒙特卡羅法確定隨機(jī)變量的取值。劉文茜等[42]研究“鐵路-堆場”換裝流程下軌道吊、集卡與場橋的協(xié)同調(diào)度問題,以最小化作業(yè)完工時間和設(shè)備空駛時間為目標(biāo)建立模型,在約束中考慮了集裝箱作業(yè)順序的優(yōu)先級,并且設(shè)計(jì)基于析取圖的變鄰域禁忌搜索算法求解問題。Chang等[43]考慮集卡堵塞、軌道吊干擾等現(xiàn)實(shí)約束,研究“鐵路-堆場”換裝模式下軌道吊、集卡和場橋的協(xié)同調(diào)度問題,并在數(shù)值試驗(yàn)中給出了特定算例下3種設(shè)備的最佳配比。基于混合流水車間調(diào)度思想,楊宜佳等[44]以作業(yè)完工時間最短和能耗最低為目標(biāo)建立岸橋、集卡、正面吊協(xié)同調(diào)度模型。Liu等[45]提出鐵路箱和公路箱均堆存在港口堆場,以最小化完工時間、設(shè)備等待時間和內(nèi)集卡空駛時間為目標(biāo),建立多目標(biāo)優(yōu)化模型,解決軌道吊、集卡、場橋的集成調(diào)度問題,并結(jié)合仿真技術(shù)和自適應(yīng)大鄰域搜索算法求解問題。針對“軌道吊-內(nèi)集卡-正面吊”裝卸工藝,Yan等[46]以最小化裝卸完工時間和設(shè)備等待時間為目標(biāo)構(gòu)建模型,對多設(shè)備協(xié)同調(diào)度問題進(jìn)行優(yōu)化?；趧討B(tài)固定作業(yè)區(qū)域,Li等[47]研究U型自動化碼頭堆場與鐵路間軌道吊、AGV和雙懸臂場橋間的集成調(diào)度問題,以集裝箱運(yùn)輸時間最小為目標(biāo)建立模型,并設(shè)計(jì)基于ADMM框架的啟發(fā)式算法對模型進(jìn)行重構(gòu)和分解。Liu等[48]構(gòu)建U型自動化海鐵聯(lián)運(yùn)碼頭的場橋、AGV和集卡的雙層協(xié)同調(diào)度模型,考慮場橋裝卸完工時間、AGV和集卡等待時間、AGV運(yùn)輸時間,決策場橋作業(yè)順序、AGV任務(wù)分配和AGV運(yùn)輸路徑。

表3匯總了上述海鐵聯(lián)運(yùn)換裝設(shè)備銜接的相關(guān)研究文獻(xiàn)。

表3 海鐵聯(lián)運(yùn)換裝設(shè)備銜接文獻(xiàn)匯總

1.3 班列開行方案優(yōu)化研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱列車開行方案的研究主要從“點(diǎn)”和“線”兩個維度展開。

(1)基于“點(diǎn)”視角

“點(diǎn)”可理解為集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)港站?；凇包c(diǎn)”的視角,Yan等[49-50]基于既定的到港集裝箱數(shù)量和列車編組,為提高車船直取進(jìn)口箱量、降低進(jìn)口箱在港停留時間,研究列車開行時間和集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)方案。在此基礎(chǔ)上,以最小化堆存成本、轉(zhuǎn)運(yùn)成本和延遲成本在內(nèi)的聯(lián)運(yùn)集裝箱作業(yè)成本為目標(biāo)建立模型,綜合決策列車開行時間、運(yùn)行方向和轉(zhuǎn)運(yùn)方案問題。鄧夕貴等[51]運(yùn)用列車開行時間推算卸船時間,考慮最小化海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱在港滯留時間和班列開行成本,建立雙層規(guī)劃模型,優(yōu)化集裝箱卸船順序、列車編組數(shù)量、列車在始發(fā)港的開行時間等問題。針對海鐵聯(lián)運(yùn)集疏運(yùn)系統(tǒng),Ng等[52]考慮重箱和空箱,以最大化雙層列車?yán)寐蕿槟繕?biāo),建立模型,提出列車流向和裝載方案。

(2)基于“線”視角

基于“線”視度,江雨星等[53-54]基于貨物時間和數(shù)量特征,考慮集裝箱與班列間的匹配關(guān)系,將列車編成箱數(shù)和發(fā)車間隔作為約束條件,分別以集裝箱在始發(fā)站總停留時間最小和送達(dá)終點(diǎn)站總延誤最小為目標(biāo),構(gòu)建優(yōu)化模型,決策班列始發(fā)時刻和沿線開行時刻。基于公鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò),Khobotov等[55]考慮列車開行時間窗,運(yùn)用機(jī)器調(diào)度理論決策列車到離沿線各站的時間。Crainic等[56]從戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃角度,構(gòu)建海港與干港間的時空網(wǎng)絡(luò)模型,綜合考慮列車運(yùn)營成本、運(yùn)輸成本、裝卸成本、集裝箱堆存成本以及增值服務(wù)成本,決策列車開行路徑和開行時間。Newman 等[57]綜合考慮堆存、運(yùn)輸和裝卸成本,研究集裝箱與沿線直達(dá)和集結(jié)班列的匹配問題。Hu等[58]構(gòu)建時空網(wǎng)絡(luò)模型討論多碼頭間列車調(diào)度問題,決策列車運(yùn)輸路徑、?？繒r刻以及貨運(yùn)量等子問題。為評估潛在貨物與班列開行間的適配度,張家瑞等[59]通過運(yùn)輸時效特征來量化潛在貨流預(yù)期收益函數(shù),綜合考慮確定貨流和潛在貨流,以最大化運(yùn)輸收益為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建多商品流模型來反映班列和貨流網(wǎng)絡(luò)間的映射關(guān)系。考慮海鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)繁忙度和排隊(duì)模式兩種不確定擁堵因素,Yuan等[60]以最小化總運(yùn)輸成本和重分配成本建立列車重分配隨機(jī)優(yōu)化模型,通過嵌入超立方體空間排隊(duì)模型預(yù)估隊(duì)列長度和等待時間,并提出近似超立方體迭代算法進(jìn)行求解。張小強(qiáng)等[61]以最大化鐵路企業(yè)運(yùn)輸收益為目標(biāo)函數(shù),建立班列沿線開行方案和定價的綜合時變優(yōu)化模型,并設(shè)計(jì)積壓控制與價格優(yōu)化BCPO算法,將時變網(wǎng)絡(luò)離散為單一時隙。

近幾年,中歐班列逐漸成了研究熱點(diǎn)。薛峰等[62]考慮直達(dá)班列和集結(jié)班列,構(gòu)建混合軸輻式中歐班列運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò),以班列運(yùn)營成本最小化為目標(biāo)建立中歐班列開行方案優(yōu)化模型,結(jié)果表明,與全直達(dá)運(yùn)輸模式相比,混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)可大幅度節(jié)省運(yùn)輸時間。胡夢影等[63]構(gòu)建中歐班列運(yùn)營質(zhì)量評價體系,以最大化綜合運(yùn)營收益為目標(biāo),建立中歐班列動態(tài)開行方案模型,決策開行樞紐、開行頻率和運(yùn)量。針對中歐班列運(yùn)輸路徑重疊問題,張琦等[64]考慮貨物時間價值和運(yùn)輸時效性,建立中歐班列服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型,決策樞紐點(diǎn)選擇和貨運(yùn)量。魏玉光等[65]研究中歐班列運(yùn)輸組織優(yōu)化問題,基于直達(dá)運(yùn)輸和集結(jié)運(yùn)輸兩種模式,以綜合運(yùn)輸費(fèi)用和站場改建費(fèi)用最小化為目標(biāo),建立模型,優(yōu)化路徑選擇、樞紐選址、列車開行頻率和貨運(yùn)量等問題。王臻杰等[66]考慮運(yùn)輸規(guī)模和擁堵效應(yīng),探討中歐班列集散中心選址與流量分配問題,基于直達(dá)與集結(jié)混合開行模式,構(gòu)建雙層規(guī)劃模型,上層模型以最大化社會福利為目標(biāo)決策選址問題,下層考慮運(yùn)輸成本建立隨機(jī)用戶均衡的網(wǎng)絡(luò)配流模型決策運(yùn)輸路徑問題,結(jié)果表明,新增集散中心可緩解擁堵。為解決中歐班列在阿拉山口存在進(jìn)出境列車不平衡和銜接不暢等困境,Liu等[67]以最小化口岸總集裝箱小時數(shù)為目標(biāo),建立模型,決策去回程列車匹配和列車開行時刻。Yin等[68]考慮時間成本、運(yùn)輸成本和碳排放,建立中歐班列開行方案模型,決策運(yùn)營路徑、開行頻率和收貨方式,并設(shè)計(jì)模擬退火算法進(jìn)行求解。

表4匯總了上述班列開行方案優(yōu)化研究現(xiàn)狀。

表4 班列開行方案優(yōu)化相關(guān)文獻(xiàn)匯總

2 研究現(xiàn)狀述評

2.1 關(guān)于港站堆場資源配置協(xié)同

相較于港口,海鐵聯(lián)運(yùn)起步晚、發(fā)展較緩慢,海鐵聯(lián)運(yùn)港站堆場資源配置協(xié)同方面的研究遠(yuǎn)不如港口成熟。分析上述港站堆場資源配置協(xié)同的研究現(xiàn)狀,具有如下特點(diǎn):

(1)針對堆場分配問題,多數(shù)文獻(xiàn)關(guān)注共堆場布局,將港口堆場和鐵路堆場視為一個整體。我國大多數(shù)海鐵聯(lián)運(yùn)港站采用分堆場布局,港口堆場和鐵路堆場是分離的,分屬于不同的經(jīng)營主體。隨著聯(lián)合協(xié)作意識加強(qiáng),港方與鐵方開始建立資源開放共享的合作關(guān)系,催生了堆場分配問題,以破解因一方空間資源緊張而無法及時滿足客戶需求的困境?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對不同經(jīng)營主體堆存空間共享問題的關(guān)注度不高,僅有的幾篇文獻(xiàn)集中于成本指標(biāo),忽略了轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的影響,研究缺乏一定的全局性。

(2)針對箱區(qū)分配問題,多數(shù)文獻(xiàn)直接套用海運(yùn)集裝箱堆場管理理論和方法,在挖掘海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱自身屬性方面稍有欠缺。部分文獻(xiàn)采用兩階段思路研究箱區(qū)分配和箱位分配兩個子問題,第一階段研究箱區(qū)分配問題,基于第一階段的既定箱區(qū),第二階段決策箱位分配問題。

(3)針對箱位分配問題,多數(shù)文獻(xiàn)都是從靜態(tài)角度展開研究,優(yōu)化目標(biāo)多是最小化壓箱量,很少從動態(tài)角度考慮阻礙箱落箱位的滯后影響;研究角度更加深入,從單貝位逐漸深入至多貝位;研究目標(biāo)也更加多元化,不僅考慮了堆場堆存狀態(tài)目標(biāo),還考慮減少作業(yè)設(shè)備移動目標(biāo);由于箱位分配問題屬于NP-hard問題,文獻(xiàn)多采用啟發(fā)式規(guī)則或者智能算法求解。

2.2 關(guān)于換裝作業(yè)協(xié)同

(1)固定作業(yè)范圍可簡化裝卸橋調(diào)度問題,柔性作業(yè)范圍下,裝卸橋移動靈活,但需持續(xù)關(guān)注裝卸橋的干擾約束,調(diào)度方式更加復(fù)雜?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中,固定作業(yè)范圍的衡量指標(biāo)過于單一,要么僅考慮任務(wù)數(shù)量均衡,要么僅考慮裝卸橋移動距離均衡。基于柔性作業(yè)范圍的裝卸橋調(diào)度多以裝卸效率作為優(yōu)化目標(biāo),忽略了裝卸橋作業(yè)均衡目標(biāo)。

(2)多數(shù)文獻(xiàn)研究傳統(tǒng)的海鐵聯(lián)運(yùn)碼頭換裝設(shè)備調(diào)度、列車裝卸工藝和運(yùn)輸技術(shù)也缺乏新意。在綠色低碳政策引領(lǐng)下,智慧型海鐵聯(lián)運(yùn)碼頭的建設(shè)勢在必行。雖然文獻(xiàn)[47]和[48]研究了自動化海鐵聯(lián)運(yùn)碼頭換裝設(shè)備調(diào)度問題,但是美中不足,文獻(xiàn)[47]忽略了與船舶的銜接,文獻(xiàn)[48]中忽略了與列車的銜接。

(3)聚焦于鐵路集裝箱中心站主堆場,大多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為僅由軌道吊負(fù)責(zé)列車裝卸和集裝箱中轉(zhuǎn)操作,僅有4篇文獻(xiàn)從節(jié)約成本、提高裝卸效率角度出發(fā),提出采用“軌道吊-集卡”聯(lián)合裝卸方案。

(4)現(xiàn)有文獻(xiàn)多集中于海鐵聯(lián)運(yùn)換裝設(shè)備調(diào)度問題,而較少關(guān)注設(shè)備配置問題,僅有的幾篇文獻(xiàn),且多是運(yùn)用靈敏度分析方法展開淺層次討論。

2.3 關(guān)于班列開行方案優(yōu)化

班列開行方案設(shè)計(jì)的研究具有如下特點(diǎn):

(1)從“線”角度展開的研究主要是決策列車運(yùn)輸路徑、開行時刻表、開行頻率和貨運(yùn)量等問題,更多地關(guān)注集裝箱的鐵路運(yùn)輸屬性,而難以體現(xiàn)海運(yùn)屬性。與“線”的角度相比,聚焦于“點(diǎn)”的文獻(xiàn)相對較少,而“點(diǎn)”的角度更能反映海鐵聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)對班列開行方案的影響,尤其是換裝模式。本文總結(jié)的幾篇集中于“點(diǎn)”的班列開行方案優(yōu)化的文獻(xiàn),對船舶和列車間有效銜接的研究層次不夠,例如,文獻(xiàn)[49]和文獻(xiàn)[50]忽略了船舶和列車運(yùn)輸批量的銜接,文獻(xiàn)[51]有悖于列車為港口提供集疏運(yùn)服務(wù)的初衷,文獻(xiàn)[52]忽略了與海運(yùn)端的銜接。

(2)海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱具有數(shù)量、時間和流向三大特征。數(shù)量特征與列車開行頻率和裝載方案密切相關(guān),時間特征影響著列車開行時間,列車流向與集裝箱流向一致是硬性約束?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大多關(guān)注一種或者兩種特征,對三大特征的刻畫和提煉缺位。

(3)多數(shù)研究均考慮確定性需求,然而,實(shí)際業(yè)務(wù)中,到港集裝箱可能選擇公、鐵、水三種集疏運(yùn)方式,同時,鐵路運(yùn)營商需提前制定列車開行方案,因此,海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱三大特征均具有動態(tài)性和不確定性。不確定需求前提下的海鐵聯(lián)運(yùn)列車開行方案中,優(yōu)化模型的構(gòu)建、求解算法的設(shè)計(jì)、不確定需求的轉(zhuǎn)換等方面均有待深入探索。

(4)關(guān)于中歐班列開行方案優(yōu)化的研究主要解決運(yùn)輸路徑、列車開行頻率和樞紐選址問題;另外,研究層次逐漸深入,除常考慮的成本因素外,擁堵、時效性、碳排放已吸引了眾多學(xué)者關(guān)注。直達(dá)班列與集結(jié)班列混合組織模式也逐漸成為研究焦點(diǎn)。

3 研究展望

3.1 關(guān)于港站堆場資源配置協(xié)同

基于對港站堆場資源配置協(xié)同研究現(xiàn)狀的把握,本文提出以下幾個潛在研究方向與領(lǐng)域。

(1)海鐵聯(lián)運(yùn)堆場動態(tài)堆存。動態(tài)翻箱問題復(fù)雜性較高,提箱過程中,阻礙箱落箱位選擇不合理可能導(dǎo)致多次翻箱,翻箱屬于無效作業(yè),因而,在研究箱位分配問題時,不拘泥于待提箱,將研究視角擴(kuò)展至為阻礙箱選擇最佳落箱位。同時,列車和船舶到離站時間不確定是箱位分配問題的外部干擾因素,基于干擾管理理論,對海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱堆存方案進(jìn)行動態(tài)調(diào)整具備潛在研究意義。

(2)海鐵聯(lián)運(yùn)箱位分配與換裝設(shè)備調(diào)度集成優(yōu)化。海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱具有運(yùn)輸批量大、集中性強(qiáng)的特征。業(yè)界做法通常是同一貨主集裝箱同時到離站,同一船舶或者同一列車集裝箱集中分布,這是區(qū)別于海運(yùn)集裝箱最明顯的特征。屬性相同集裝箱集中分布雖可降低場橋移動,但是難免導(dǎo)致堆場擁堵,因此,集成考慮集卡擁堵、場橋移動和集裝箱貝位層面的分配問題更具備應(yīng)用價值。

(3)考慮?？糠桨傅暮ｈF聯(lián)運(yùn)集裝箱箱區(qū)分配。海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱兩端分別連接著船舶和列車,比傳統(tǒng)海運(yùn)集裝箱多一個環(huán)節(jié)。在優(yōu)化箱區(qū)分配問題時,除常用的箱區(qū)作業(yè)量均衡之外,考慮船舶靠泊位置和列車?？抗傻?優(yōu)化目標(biāo)權(quán)衡海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱在船舶、堆場和列車間的移動。

(4)基于博弈論的海鐵聯(lián)運(yùn)堆場分配。針對分堆場布局,資源共享和合作是大趨勢,堆場分配問題是未來研究熱點(diǎn)。除成本指標(biāo)外,運(yùn)輸工具的周轉(zhuǎn)效率同樣影響海鐵聯(lián)運(yùn)服務(wù)質(zhì)量,充分考慮港口堆場和鐵路堆場間的合作和博弈關(guān)系,解決堆場分配問題是一個值得探索的研究方向。

3.2 關(guān)于換裝作業(yè)協(xié)同

(1)考慮多元化指標(biāo)的裝卸橋作業(yè)均衡評估。無論是固定作業(yè)范圍,或是柔性作業(yè)范圍,評估裝卸橋作業(yè)均衡有助于提高裝卸橋利用率,減少裝卸橋無效作業(yè)。此外,衡量指標(biāo)多元化更具合理性,諸如裝卸橋移動、任務(wù)數(shù)量、完工時間等。多裝卸橋作業(yè)區(qū)域的劃分與港口腹地劃分存在一定的相似性,從裝卸效率或者成本角度出發(fā),即使是柔性作業(yè)范圍,存在裝卸橋在某個作業(yè)區(qū)域內(nèi)擁有絕對優(yōu)勢,而在另一作業(yè)區(qū)域內(nèi)沒有明顯優(yōu)勢的情況,這種獨(dú)立作業(yè)區(qū)域和交叉作業(yè)區(qū)域的劃分是一個有趣的研究領(lǐng)域。

(2)新型海鐵聯(lián)運(yùn)碼頭下?lián)Q裝設(shè)備銜接。廣西欽州港U形海鐵聯(lián)運(yùn)碼頭揭開了我國海鐵聯(lián)運(yùn)自動化碼頭的帷幕,青島港空中智軌實(shí)現(xiàn)港口與鐵路聯(lián)運(yùn)的“零換乘”,雙層集裝箱鐵路運(yùn)輸緩解了鐵路運(yùn)力受限難題。在新型的布局規(guī)劃、資源類型和作業(yè)組織下,換裝設(shè)備銜接的研究必然需要開拓新視角。

3.3 關(guān)于班列開行方案優(yōu)化

根據(jù)上述分析,本文認(rèn)為海鐵聯(lián)運(yùn)集裝箱班列開行方案優(yōu)化的未來研究方向有:

(1)班輪與班列銜接模式設(shè)計(jì)與聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化。一直以來,無論是產(chǎn)業(yè)界還是理論界,集裝箱海運(yùn)的班輪運(yùn)輸與鐵路的班列運(yùn)輸之間缺乏有效銜接、兩個調(diào)度子系統(tǒng)缺乏溝通協(xié)調(diào)。以班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)和鐵路集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)為平臺,區(qū)別于以往海上班輪運(yùn)輸、鐵路班輪運(yùn)輸獨(dú)立的運(yùn)作模式設(shè)計(jì),針對兩種運(yùn)輸模式之間在運(yùn)輸批量、發(fā)班頻率、班次周期等方面的固定差異,班輪與班列銜接模式設(shè)計(jì)和聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化等領(lǐng)域尚存在許多可探索的空間。

(2)不確定需求下的海鐵聯(lián)運(yùn)列車開行方案設(shè)計(jì)。運(yùn)輸需求的不確定性是現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)的真實(shí)寫照,考慮動態(tài)需求來制定海鐵聯(lián)運(yùn)列車開行方案更具有現(xiàn)實(shí)意義。將實(shí)際場景中的不確定需求抽象為數(shù)學(xué)表達(dá)是解決問題至關(guān)重要的一步,常用的不確定性轉(zhuǎn)化方法包括機(jī)會約束、隨機(jī)規(guī)劃、魯棒優(yōu)化、靈敏度分析等。結(jié)合問題自身特點(diǎn),選擇合適的理論方法衡量不確定性特征值得深入探索。

(3)多元化中歐班列服務(wù)模式。首先,貨源分配不當(dāng)是中歐班列運(yùn)費(fèi)高漲和擁堵的根本原因,依據(jù)貨源價值和時效要求,將貨源合理地分配至海運(yùn)和中歐班列,在一定程度上能突破中歐班列運(yùn)力緊張瓶頸。其次,抓住西部陸海新通道開通這一機(jī)遇,研究中歐班列海鐵聯(lián)運(yùn)服務(wù)模式是一個有趣的研究方向。最后,受俄烏沖突等地緣政治影響,中歐班列傳統(tǒng)干線遭受一定沖擊,運(yùn)輸線路的探索和增加是一個潛在研究方向。

4 結(jié)論

海鐵聯(lián)運(yùn)在我國綜合交通運(yùn)輸體系占據(jù)十分重要地位,港口與鐵路間的“軟銜接”不足是制約海鐵聯(lián)運(yùn)發(fā)展的瓶頸。本文從港站堆場資源配置協(xié)同、換裝作業(yè)協(xié)同、班列開行方案優(yōu)化等三個維度對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納整理。經(jīng)梳理發(fā)現(xiàn),大多數(shù)文獻(xiàn)套用傳統(tǒng)港口相關(guān)理論來研究海鐵聯(lián)運(yùn)系統(tǒng),存在研究角度靜態(tài)化、單一化等特點(diǎn)?；趯ρ芯楷F(xiàn)狀的把握,提出動態(tài)化、多元化、集成化的研究方向。此外,還應(yīng)關(guān)注班輪與班列班期協(xié)同、運(yùn)輸批量協(xié)同、空箱調(diào)運(yùn)協(xié)同、“一帶”與“一路”協(xié)同以及海鐵聯(lián)運(yùn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用等。