铁路集装箱空箱调运问题分析

付元帅，孙立鹤

（1.兰州交通大学 交通运输学院，甘肃 兰州 730070；2.北京航天万源煤化工工程技术公司兰州分公司，甘肃 兰州 730050）

集装箱运输作为一种重要的货物运输方式，由于其具有货物损耗小、便于门到门运输、方便多式联运等特点得到普遍采用，成为现代化货物运输发展方向之一。在我国由于自然资源分布不平衡，地区经济发展和城市布局等因素的影响，造成集装箱货源分布和流向存在着很大差异，导致箱流在方向上的不平衡；而各种交通方式的竞争日趋激烈，货主对集装箱运输提出越来越高的要求。因此，采用调配空箱方式进行铁路空箱回送，对提高运输服务质量、减少运输成本、促进集装箱运输的发展十分重要。

1 产生空箱调运的原因

由于地理位置、经济发展的不同和集装箱运输的不平衡，造成铁路集装箱重空箱分布存在较大的差异，且不同地区货物流向不同，同一地区货源结构的不断变化，也造成了集装箱运量与保有量的不平衡。因此，集装箱运输的不平衡性是由于各地集装箱货源的不平衡性所致，而且导致了集装箱空箱的产生。

集装箱空箱调运的根本原因在于运输需求(即需供应的空箱)与运力供给 (即可返回投入运输的空箱)之间的不平衡，这种不平衡的原因既有客观原因，又有主观原因[1]。客观原因是指非人为因素造成的物流不平衡，即集装箱运量的不平衡引起的空箱调运，如站点进出箱数量及箱型不平衡；地区经济发展不平衡等。主观原因是指人为因素形成集装箱流不平衡状况，引起集装箱供需矛盾。一般是由于经营方针或管理水平方面引起的，如通信手段落后，造成信息不畅；存在超期用箱和错用箱现象等。

2 铁路集装箱空箱调运的特点

（1）动态性。由于需要在不同时间内对空箱调运进行决策 (包括数量和流向)，现实中的集装箱需求量较多，空箱的需求地和供应地又随时间产生变化，如某时期某地对集装箱产生需求，下一个时期或下几个时期内，该地又产生出空箱，形成空箱的供应。因此，集装箱空箱调运是动态性的离散过程。

（2）随机性。铁路集装箱空箱调运系统的随机性主要表现在集装箱空箱的需求和供应的产生、需求和供应的数量和时间，以及系统内影响因素等方面。

（3）复杂性。空箱调运问题的动态性和随机性体现了其复杂性。此外，铁路运输系统内的空箱调运涉及不同站点、不同箱型、经济效益、服务质量，以及不同的调运路线、调运方式等多方面，所有这些都给空箱调运带来了极大的复杂性。集装箱流转过程中易产生交接不清的情况，繁多的箱型和箱种也增加了空箱调运工作的复杂性。

（4）限制性。运输需求和供应在时间上的限制性。集装箱运输是一种快捷的货物运输方式，空箱的调运要求能够及时保证货物的运输。因此，在实际调运过程中，为保证集装箱货主运输需求的顺利实现，不仅要满足数量上的需求，而且还要满足时间上的需求，否则将会导致不必要的集装箱堆存损失与延误损失，降低运输效率或失信于客户。

3 铁路集装箱空箱调运成本分析

（1）集装箱空箱的自身成本。空箱自身成本包括集装箱的折旧、集装箱维修费用及管理费用 (不包括堆存费用) 等[2]。

（2）集装箱空箱的运输费用。空箱的运输费用是指为满足货主的空箱需求而在不同站点之间运输空箱所产生的费用，包括承运及发送服务费、中转服务费、到达服务费、机车牵引费和线路使用费等[2]。

（3）集装箱空箱的站点费用。空箱的站点费用主要包括空箱在堆场的堆存费用、空箱在站点的拖运费用和站点空箱装卸费。

4 铁路集装箱空箱调运目标分析

4.1 集装箱空箱调运应遵循的原则

空箱调运问题就是如何解决集装箱需求与供应的不平衡问题，是控制和决策集装箱空箱从供应地到需求地的流动问题。空箱调运问题表现为以下3个方面。

（1）空箱的调运数量——确定空箱供应地和需求地之间的空箱流动数量。

（2）空箱的调运时间——确定空箱供应地和需求地之间的空箱流动时间。

（3）空箱调运的径路——确定空箱供应地和需求地之间的运输径路，并实现与重箱流径路之间的协调。

空箱调运的核心问题就是要找到一个空箱流的OD 矩阵及与之对应的径路表，但是这两者之间存在着相互影响的关系，径路表可能会改变 OD 点对之间的调整数量，而空箱调整量也同样会使空箱流的输送径路发生变化。因此，空箱调运问题应是这两者间的整体优化问题；也是在供需平衡的情况下，如何使经济效益及客户满意度最大化的问题。

在空箱调运方案优化过程中，应遵循以下原则。

（1）节点站之间的空箱流采用班列的形式运送，不允许同种箱型的空箱在同一径路上的对流，甚至不允许同种箱型的空箱在同一 OD 对上的对流。若可以采用箱种代用时，则不允许任何代用空箱在同一OD 对上的对流。

（2）同一 OD 对间的空箱流，不允许经由多条不同的径路运输，即同一 OD 对间的空箱流必须具有共同径路。

（3）在保证货物运输和行车安全的条件下，尽量采取不同箱型之间的代用，以减少空箱调运所产生的额外走行。

4.2 集装箱空箱调运的目标

（1）空箱调运成本最小。集装箱空箱调运费用是安排空箱调运时发生的直接或间接的费用。主要包括发站的调出费用、卸站的调入费用，以及空箱的运输成本。空箱托运费用与运输距离和数量成正比。在实际生产中，空箱费率按其适用的重箱费率的40%计算，重箱费率可以根据“铁路货物运价表”中规定的不同箱型的运价率折费[3]。调运费用的最小化也就是实现利润的最大化，因此，空箱调运成本最小是进行空箱调运工作要实现的一个目标[2]。

（2）货主满意度最大。在铁路集装箱运输组织中，对货主的用箱需求应尽可能满足，特别是长期合作的大货主更不能轻易甩货。货主对铁路集装箱空箱按时到达装车站的时间要求越来越高，只有在规定时间内到达的空箱才会使货物得到及时装运，从而使货主满意。因此，为满足货主的运输需求，集装箱空箱调运应该建立空箱送达时间表，从开始调配时就考虑其时效性，这将对提高铁路运输服务质量、加速集装箱周转、提高铁路运输市场份额及效益具有重要的意义。

（3）优先满足高优先级的空箱需求。综合考虑货物的品种和重要程度等多方面因素设定空箱需求优先等级，如军运、抢险救灾等重点物资运输的空箱需求就拥有较高的优先级。

1次空箱调运一般不会同时实现以上所有目标，空箱调运时应分清主要目标和次要目标，先主要，后次要，根据具体情况制定空箱调运方案。

综合空箱调运目标 (1) (2) 后，可以看出在实际的空箱调运中，客户要求被服务的时间经常有一定的限制，即时间窗。时间窗分为硬时间窗 (HTW) 和软时间窗 (STW)。硬时间窗是指对某客户的服务必须在给定的时间段内进行，否则该客户拒绝接受服务；软时间窗是指可以不在指定的时间段内提供服务，但在此时间段外提供服务时须补偿由此为客户带来的损失[4]。

在有时间窗的情况下，假设每项调运任务i需在时间[ai,bi]范围内完成，其一般关系如下：

式中：τi为到达i节点的时刻；ti为在i节点等待的时间。

这是基于客户允许的提供空箱最早和最晚到达时间提出来的，当空箱过早到达目的车站，会产生一定的场地积压费用；若空箱到达太晚又会流失一定货源因而产生一些无形的机会成本。机会成本不是通常意义上的“成本”，它不是一种支出或费用，而是失去的收益。这种收益不是实际发生的，而是潜在的，它是决策的相关成本，它影响管理者的决策。

4.3 最优决策的求解

在铁路集装箱空箱调运的过程中，经常会出现线路运输能力不足或空箱数量不足的情况，此时决策者应选择某一种方案使机会成本最小，其他方案可能取得的收益是实行本方案的一种代价，称为这项方案的机会成本。因此，决策是否最优，可以通过以下4种方法求解。

（1）方法一：没有时间窗。模型转化为经典的“货郎担”问题，用动态规划方法求得全局最优解。

（2）方法二：只有软时间窗。若某项任务不能在规定的时间窗内完成则会增加一部分费用支出，首先假定没有时间窗，用方法一求无时间窗下的最优成本与路径，若路径保持不变，则可能会违反时间窗，出现相应的堆存费与延误费，增加成本值，系统将会改变路线，从而改变到达时间，以达到降低堆存费和延误费来降低总成本，但改变路线又可能会导致运输成本的增加，因此问题转化为堆存费和延误费的减少与运输成本增加之间寻求最优值。

（3）方法三：只有硬时间窗。每项调运任务必须在规定的时间内完成，即必须满足式⑴，若超过这个范围，则得到的解为不可行解。这种情况下可以将单位时间堆存费和单位时间延误费设置为无穷大，即必须满足时间窗，否则不可行。

（4）方法四：同时含有软时间窗和硬时间窗。首先不考虑硬时间窗，按方法二求得最优路径，然后考虑硬时间窗的点，检查是否满足，满足则为最优解，否则将硬时间窗单独划出，对剩余的点进行优化，得到最优成本及路径。

在实际空箱调运过程中，由于受到运输能力的限制，可能会出现不能满足部分客户需求的情况，而且如果等待时间过长，客户就会选择其他运输方式，此时就会产生机会成本，这是空箱调运优化所应当考虑的问题，即在不能满足所有客户要求的情况下合理选择客户及调运空箱的数目，尽可能地使机会成本最小。这就需要在进行空箱调运决策时考虑重箱运输所产生的经济效益，在实现以上目标的前提下应保证经济效益最大化。

5 提高铁路集装箱运用效率的措施

5.1 建立集装箱管理信息系统

将现有的集装箱设备管理系统与集装箱追踪系统进行整合，建立铁路集装箱管理信息系统，详细记录每个集装箱的状态与位置信息、作业时间信息、相关的单据与费用信息，及时把握车站集装箱动态，将回送(到达)铁路空箱及产生的运输成本等纳入集装箱箱务管理系统，实现铁路集装箱从制造、运用、修理到报废的全生命周期管理，实现集装箱运输组织精细化管理，以降低运输成本，提高运用效率[5]。

5.2 提高集装箱运用效率

集装箱在站停时越长，周转越慢，运用效率越低。因此，加强对各集装箱办理站集装箱箱号的监控和追踪管理，特别是各站门到门运输单位的集装箱进出站的管理。对待交箱数量较大的办理站应加强检查力度，督促各站减少待交箱数量，及时清理滞留箱，压缩停留时间，加快集装箱周转。努力组织重箱装车，减少回送空箱，同时扩大返程空箱的利用率，加强集装箱各环节的管理，提高运用效率。

5.3 调整集装箱办理站布局

同一枢纽集装箱办理站数量不宜过多，整合一些到达和发送量相对较少的车站，以利于货源的集中和集装箱集中办理；组建地区性物流公司，做到同一枢纽的到达箱和发送箱在同一车站，以减少回送空箱数量，降低运输成本，提高运用效率。

5.4 组建联营体，实现集装箱共享

在缺乏集装箱空箱时，可以向其他集装箱公司租箱，通过比较租箱成本和空箱调运成本，在成本最小化原则下，确定合理的租箱数量。还可以与其他公司组建联营体，实现与船运公司和公路集装箱运输公司之间集装箱的共享。通过联营体互相调用空箱，减少空箱调运量和车站集装箱需备量，节省昂贵的空箱调运费和租箱费。积极与集装箱制造企业开展合作，共同研究开发适用于铁路运输系统，并减少回程空箱占用空间的新箱型[5]。

另外，通过加强调度统一指挥提高集装箱运用效率，在下达命令时考虑到“三化”——回空径路最优化、运输成本最小化、空箱使用效率最高化，同时还要加强运输设备的改造，购置集装箱专用平车用于班列车底的循环使用，以满足集装箱装车的需求，减少运输成本，提高运用效率。

[1]陆园园，李夏苗，朱晓立. 中国铁路集装箱的现状及发展思考[J]. 物流科技， 2008(9)：4-6.

[2]朱文浩. 基于“价值——成本”的铁路集装箱空箱调运研究[D]. 长沙：中南大学， 2008.

[3]钟 成，冯 兢. 铁路集装箱空箱运输成本分析[J].经营管理，2005(3)：41-43.

[4]罗孝彬，杨容浩，邓虎成. 带时间窗的货物配送方案模型及其软件实现[J]. 成都信息工程学院学报，2005，20(2)：175-179.

[5]胡晓龙. 集装箱空箱调运的优化模型预算法[D]. 南京：东南大学，2005.