基于递阶优化算法的高铁周转箱标准研究

邸 斌，潘 驰，郭志达

(大连交通大学 经济管理学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

托盘作为一种基本的集装容器，装载着各类货物在生产企业、流通企业、物流企业以及最终用户之间流转.这种流动性特征要求托盘标准(尺寸规格)与输送线路、包装容器、装卸搬运工具、储存设施、集装箱以及各种交通运输工具等众多设备设施有适当的尺寸匹配关系.鉴于此，托盘标准应作为流通领域的基础性技术标准之一，与之相关的制造业、运输业、仓储业以及包装业等产业的标准体系须参照托盘标准做出相应调整，以确保物资在以托盘作为基本的装载单元时，能够在产供销循环体系中无障碍流通.进而实现降低物流成本、提高物流效率、改善物流服务质量的目的.

1 国内外托盘标准化发展现状

1.1 国际托盘标准化发展现状分析

本文主要选择世界贸易进出口总值前10位的国家作为研究对象，分析托盘标准现状.这些国家分别是美国、德国、中国、日本、法国、英国、荷兰、意大利、加拿大、比利时.美国采用英制标准托盘，尺寸为1 219 mm×1 016 mm，周边国家加拿大为1 200 mm×1 000 mm，;欧盟以1 200 mm×800mm的托盘为标准，但是英国、德国及荷兰有1200 mm×800 mm及1200 mm×1000 mm两种托盘存在.日韩地区所制定的托盘标准是1 100 mm× 1 100 mm［1］.

1.2 国内托盘标准化发展现状分析

我国目前尚未统一的托盘标准，生产企业根据自身产品的包装设计定制托盘，由于各企业产品包装尺寸差异较大，导致流通领域中托盘规格混乱，难以统一.同时，我国并未出台统一的托盘国家标准，只有各部委依照下属产业情况拟定的行业标准，例如机械工业系统使用JB3003-81规定的800 mm×1 000 mm和500 mm×800 mm两种规格的托盘;交通部科研院提出了将《联运通用平托盘主要尺寸及公差》(ISO6780:1988)作为托盘国家标准;原国家技术监督局以GB/T2934-1996标准系列文号批准并发布了以下等效标准，其中包括了1 200 mm×1 000 mm、1 200 mm×800mm、1 140 mm ×1 140 mm 及 1 219 mm ×1016mm 等4个主要托盘规格［1］.

2 高铁快运标准化周转箱(箱式托盘)设计

2.1 高铁快运简介

高速铁路简称“高铁”，是指通过改造原有初始线路，使最高营运速率达到不小于200 km/h，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到至少250 km/h的铁路系统.2014年4月1日起，中铁快运公司将在全国20个城市开办高铁快递业务，业务种类包括当日达、次日达和次晨达［2］.理论上，高铁是快件运输理想的途径之一:高铁运送快件不受交通堵塞、航空管制等因素影响，除极端天气外，高铁快递准时到达率非常高、时效性强且具有成本优势，因而具有较强的竞争力.我国高铁使用的动车组列车车型主要有:CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH6［3］.本文主要研究适用于CRH1，CRH2，CRH5系列的托盘标准，这三种列车类型的使用数量较多，分别为115、80、136列;分布广泛，覆盖面涉及东西，南北各专线.

2.2 高铁快运周转箱(箱式托盘)的标准化设计

周转箱也被称为物流箱，是在托盘基本型式基础之上开发出来的特种集装容器.周转箱的使用有利于物流的标准化管理，提高工作效率和降低成本［4］.由于周转箱具有完整的侧壁与端壁，甚至有带有锁闭装置的顶盖，对于内装物的保护作用更强，因此在成件物品的流通领域较普通托盘具有更大发展空间.

目前在铁路货物运输中主要使用平托盘，经由箱内装载率的计算，可得出最适合铁路车辆载运的托盘尺寸标准为1 200 mm×1 000 mm或1200 mm×800 mm.利用组合分割和整数分割相结合的方法可知周转箱的底面尺寸600 mm×400mm 、600 mm ×500 mm 较为合理［5］，载盘效率的高低是选用周转箱的关键指标，从运载工具载盘效率角度来考虑高铁周转箱标准的选择，是一种科学合理的方法.

表1 常见高铁车型对二种周转箱标准的载盘效率

由表1可知:对于三种不同的高铁车型来说，使用600 mm×400 mm周转箱载运，载盘效率最高，均在93%以上.由载盘效率分析可以看出600mm×400 mm为最优周转箱的底面标准尺寸.

高铁快运的周转箱标准应该适应未来的托盘国家标准，基于对600 mm×400 mm标准模数的考虑，可与铁路托盘标准相配合，便于实现高铁与普通铁路的无缝衔接.考虑到高铁快运货物种类繁多，尺寸规格差异性较大等因素，为实现快速装卸、车厢内周转箱多层堆码以及物联网铺设成本优化、及与铁路标准化托盘配套使用，推荐使用塑料周转箱［6］.

3 高铁周转箱(箱式托盘)标准化设计

3.1 递阶优化算法描述

高铁优化装车的目标是有效地利用高铁的装载容积，在高铁容积和箱式周转箱长宽高尺寸一定的情况下，实现在高铁车厢内部达到装载效率最优.周转箱的尺寸应尽可能符合可交换、可重复使用的主流周转箱尺寸，同时高铁对集装单元尺寸的要求是集装单元的长宽高总和不得超过1600 mm.国内流通的以600 mm×400 mm为底面尺寸的主流周转箱主要有600 mm×400 mm×240mm、600 mm×400 mm×280 mm及600 mm×400 mm×335 mm三种尺寸的周转箱，以上三种周转箱都是以物料标准尺寸模数为基数进行设计，同时又达到了周转箱的大小与托盘适配的原则.因此本节将选用这三种国内主流的周转箱来利用递阶优化算法进行论证，择优.

设

可以设 lij和rij的下标，当下标i=1，2，3时，1，2，3分别表示高铁车厢的长、宽、高，用字母表示为X，Y，Z，而当下标j=1，2，3时，1，2，3分别表示周转箱的长、宽、高，用字母表示为 a，b，c，“［］”可以定义为取整数部分，“%”可以定义为取余数部分.通过以上的分析:lij可以表示为周转箱的最多箱数，摆放方向是沿着高铁车厢i方向摆放周转箱j边，rij表示的含义则是摆放周转箱后剩余的长度，摆放方向是沿着高铁车厢i方向摆放周转箱j边的最多箱数lij后，最后在高铁车厢i方向的剩余长度［7］.

在递阶优化算法中的最终目的是要让车厢的剩余空间最少，要找出高铁车厢边上最小的rij，只有当高铁车厢达到剩余空间最少时就越接近最优解.算法的具体步骤如下:

(1)如果周转箱的三条边a，b，c在高铁车厢的三条边X，Y，Z中的至少一条无法摆放时，此时，就停止计算，否则，按照以下步骤继续计算.

(2)取 min{riji，j∈［1，2，3］}，假设 r11为长度中最小的值，r11代表的是高铁车厢的剩余长度，摆放方向是在高铁车厢的长X方向上摆放l11个周转箱边a后的剩余长度.根据lij的定义可知，定有r11＜a，且有r11=X-a×l11.若在矩阵R中存在两个或两个以上的rij为最小者时，则优先选取rij对应高铁车厢的边最短的摆放.

(3)取 min{riji，j∈［2，3］}，假设 r22为剩余长度中最小的，r22代表的是高铁车厢的剩余长度，摆放方向是在高铁车厢的宽Y方向上摆放l22个周转箱边b后的剩余长度.根据定义可知定有r22＜b和r22=Y-b×l22.若在矩阵R中存在两个或两个以上的rij为最小者时，则优先选取对应高铁车厢边中最短的摆放.

(4)取 min{riji，j∈［3］}，按上述步骤当 r22为剩余长度中最小时，即再在矩阵R中再划掉第2行和第2列，此时剩下的只有r33唯一元素.r33代表的是在高铁车厢的剩余长度，摆放方向是在高铁车厢的高Z边上摆放l33个周转箱c边后的剩余长度，根据定义可知定有r33＜c和r33=Z-c×l33.综上所述，在高铁车厢中已摆放完成的周转箱数为l11×l22×l33.

(5)进行切割高铁车厢中剩余的未摆放空间，返回第1步开始继续进行优化，最后优化到无法再装入任何周转箱为止，此时，把几次的装箱数进行累加，最后累加的结果即为最优装箱数［8］.

3.2 实例论证

例1:已知高铁CRH5车型的中间车厢的长宽高 (x，y，z)分别为 25 000 mm ×3 200 mm ×3730 mm，周转箱的长宽高 (a，b，c)尺寸为600mm×400 mm×335 mm，车内空间利用率100%时不超重，现利用以上介绍的递阶优化算法计算:

第一次优化:计算 lij和rij(i，j=1，2，3)

取R中的最小元素r22=0，相应的边y摆放b边，l12=8，然后划去第二行第二列，在剩余的元素中最小者为r33=45，相应的边z摆放c边，l33=11，剩余的元素中只有r11=400，故在边x摆放a边，l11=41.

第一次优化装车数n1=41×8×11=3 608.

剩下的高铁车箱容积尚有3部分:其中只有一部分的余量x=400，y=3 200，z=3 730满足优化条件，故进行二次优化.

第二次优化:计算 lij和rij(i，j=1，2，3)

由于R中r12=r22=0均为最小元素，但r12相应的车厢边x=400最短，故取x边摆放b边，r12=0，l12=1.然后划去第一行第二列，在剩余的元素中最小者为r33=45，相应的边z摆放c边，l33=11，剩余的元素中只有r21=200，故在边y摆放a边，l21=5.

第二次优化装车数n2=1×5×11=55.

在余下的容积因三边均不能摆放，故停止计算.

n=n1+n2=3 608+55=3 663(箱)，高铁容积有效利用率达98.69%.如果周转箱长宽高(a，b，c)分别是600 mm ×400 mm ×280 mm，则 n=4 272.高铁容积有效利用率达96.21%.当周转箱长宽高(a，b，c)分别是600 mm×400 mm×240 mm，则n=4992，高铁容积有效利用率达96.36% .

例2:已知高铁CRH2车型的中间车厢的长宽高 (x，y，z)分别为 25 000 mm ×3 380 mm ×3700 mm，周转箱的长宽高 (a，b，c)尺寸为600mm×400 mm×335 mm，经过递阶优化算法得n=3663，高铁容积有效利用率为94.2%.如果周转箱长宽高(a，b，c)分别为600 mm×400 mm×280 mm，则n=4464，高铁容积有效利用率达95.95%.当周转箱长宽高(a，b，c)分别是 600mm×400 mm×240 mm，则n=4992，高铁容积有效利用率达95.95%.

例3:已知高铁CRH1车型的中间车厢的长宽高 (x，y，z)分别为 26 600 mm ×3 328 mm ×4040 mm，周转箱的长宽高 (a，b，c)尺寸为600mm×400 mm×335 mm，经过递阶优化算法得n=4 224，高铁容积有效利用率为94.96%.如果周转箱长宽高(a，b，c)分别为600 mm×400 mm×280 mm，则n=4 750，高铁容积有效利用率达89.25%.当周转箱长 宽 高 (a，b，c)分别是600mm×400 mm×240 mm，则n=5 720，高铁容积有效利用率达92.12%.

表2 高铁车型最优托盘选取比较分析 mm×mm×mm

由表2可知，最适合高铁快运的箱式托盘尺寸是600 mm×400 mm×335 mm，其载箱个数和载箱效率都达到了最优，载箱个数较少，可以节省时间，减少物流成本，节省了人力和物力，同时其载箱效率也相对较高，都在94%以上，最大化的利用了高铁的车厢空间，减少了不必要的浪费.

4 结论

本文利用递阶优化算法，并结合高铁车型的实际尺寸，推荐了一个最优化的周转箱，对于高铁快运的3种车型达到了利用效率最高，作业次数最少，适合人工搬运，减少物流成本的目标.高铁的车门尺寸限制了集装单元尺寸的制定，还有待高铁进行实践的操作，来论证此周转箱标准化的合理性，对于2014年高铁快运的实施，周转箱标准化的设定对将来高铁快运的发展起到了很大的推动作用，有利于其实现规模化操作.

目前，高速铁路的快速发展对中国铁路的影响全面而深刻，中国铁路货物运输迎来历史性发展的黄金机遇.现今高铁主要还是以旅客运输为主，在车厢进行小范围的货物运输，运输区域分散，不规则.高铁整车运输现已有在小范围路段运行，高铁整车运输是可行而且必要的，是改变高速铁路发展模式、提高运输效率、提升服务质量、促进铁路物流现代化发展的一种重要思路.

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