铁路行李车开展零散货物快捷运输优化研究

杨菊花,刘林忠,李小静,巴彩林

(兰州交通大学 交通运输学院,甘肃 兰州 730070)



铁路行李车开展零散货物快捷运输优化研究

杨菊花,刘林忠,李小静,巴彩林

(兰州交通大学 交通运输学院,甘肃 兰州 730070)

在小件货物运输需求迅猛增长的背景下，提出利用旅客列车行李车的剩余运能开展小件货物快捷运输的设想。基于铁路旅客列车开行密集、停靠站点覆盖面广的优势，建立了多维0-1背包模型，解决小件货物多批次、少批量的快捷运输需求；以“先开先装”为原则，设计贪婪策略和算法，充分利用旅客列车站停时间和行李车剩余运能；并以兰州站当日发往陇海线方向的全部旅客列车为基础数据设计算例，研究结果表明：利用行李车剩余运能开展小件货物快捷运输的设想具备可行性、必要性和现实意义。

零散货物；快捷运输；行李车；多维0-1背包模型；贪婪策略

我国铁路部门通过开行多品类快运货物列车，在快捷货物运输方面已经取得了初步的成效。业内也针对快捷货运展开了广泛的研究，为铁路部门快捷货物运输的发展提出了很多有借鉴和指导意义的措施。申月等[1]提出在城际间开展铁路快捷货物运输，系统地阐述了快捷货物运输系统组织模式和时间模式、运输组织计划以及模式，李夏苗等[2]从经济学的角度出发，针对物资流通对高质量运输的需求及其回报做了详细的分析，论证了铁路发展快捷货物运输系统的必要性和意义。输送方案问题一直是快捷货运领域研究的热点和难点，主要包括列车开行和编组方案优化、运输服务网络优化等。李夏苗等[3-7]从快捷货物的特点和货主的需求角度，建立了快捷货物列车开行方案优化模型，研究了快捷货物运输动态服务网络设计问题，提出了相应的求解算法和策略，并给出了实例说明研究成果在扩大铁路快捷货运规模和效益等方面的实际效用。针对当前铁路快捷货运客户分类的不足，帅斌等[8-9]提出了一种基于改进RFM模型的客户分类方法，针对不同客户的特征和行为价值采取相应的客户关系管理策略。此后在分析铁路快捷货运主要产品市场占有率和发展趋势的基础上，利用波士顿矩阵法对各产品进行定位，并提出了相应的产品营销策略。在网购需求的进一步拉动下，各国广泛开展了高铁快递业务，Zhang等[10-12]详细阐述了国内外高铁快递的优势、资金来源、技术装备、经营模式和运输组织等。以上针对快捷货运展开的研究，需要以充足的货源为前提，针对零散货物[13-14]，尤其是小件货物，需要更为灵活的运输组织方式来满足其时效性要求。袁明[15]等介绍了安徽省公路运输中利用客车行李舱的剩余运能开展小件快运并取得的具体实效，对利用铁路旅客列车行李车的剩余运能开展小件快运提供了宝贵的经验。

1　问题的提出

随着人们出行行为的转变，旅客随身携带的行李越来越少，通过调研兰州车站旅客行包的发送量发现，从兰州站发往各地的旅客列车，除拉萨和乌鲁木齐方向，其他方向行李车的使用率普遍较低，通常在40%左右，运力虚靡情况严重。

本文针对当前小件货物运量迅猛增长的现状，借鉴公路运输中利用客车行李舱的剩余运能开展小件快运取得的成效，利用当前旅客列车行李车的运能未能充分利用的现状，在不影响旅客列车正常开行的前提下，车站通过提前备货、集装化包装、机械化装卸等措施配合旅客列车的站停时间，使货物能在规定的站停时间内完成装卸作业。简而言之，行李车开展小件货物快捷运输优化问题就是利用旅客列车的站停时间和行李车的剩余运能，组织小件货物的快捷运输，在不额外增加运输成本的基础上，利用旅客列车定点、定线、定时的特点，考虑行李车载重能力和内部容积、站停时间、装卸作业效率，以及发到站，单件货重及体积等因素，以期在规定的时间内尽可能高效的完成小件货物的快捷运输。

这种利用行李车剩余运能开展快捷货运的设想，其办理方式可参照当前铁路行包快运的各项规定，仅限普通货物，但在办理时限和具体操作方法上有所区别。为了使办理站和承运车辆之间能够更好地协调配合，满足小件货物时效性的要求，货物需提前托运，受理站根据货物具体到站、各车次途经停靠站、站停时分和车辆剩余运能，编制本站小件货物装卸车方案，选择适当的旅客列车车次，并在旅客列车到达本站前做好进货准备，将货物堆放至行李车停靠处。

此外，鉴于小件货物单件货重和体积均较小，在装卸作业过程中难以快速点件交接和实现机械化装卸，为了充分利用行李车的剩余运能，应根据货物自身特性和具体到站，将货物性质不相抵触且到站相同的货物，利用托盘等集装器具实现集装化，以便使用叉车进行机械化作业。

2　所需基础数据的确定

2.1车辆技术参数的确定[16]

全路共有客车行李车两千余辆，主要车型为25T、25K、25G、25B和22型， 其中25T型容积126m3，标记载重17吨，运行速度160km/h；25K型容积126m3，标记载重17.7t，运行速度140km/h；25G型容积126m3，标记载重17.7t，运行速度120km/h；25B型容积126m3，标记载重17.7t，运行速度120km/h；22型容积114m3，标记载重17.7t，运行速度120km/h。

2.2货物包装方式及载重量约束的确定[17]

铁路货场常用托盘为1 100mm×1 100mm的方形塑料托盘，将小件货物码放在托盘上集装成集装件后配合叉车进行机械化装卸。根据铁路运输对集装化运输集装件的定义可知，小件货物集装后其规格需满足体积不小于1m3或重量不小于1t的基本要求。由于各型行李车容积都在114m3以上，而载重量为17t左右，故在计算行李车剩余运能可装载的货物件数时，主要考虑载重量约束。

通过对比各类行李车的技术参数可知，25T型行李车的标记载重量最小，因此，在后续的算例中可以25T型行李车的技术参数为计算依据。

2.3叉车装卸作业效率的计算[18]

叉车是目前铁路货场装卸作业中常用的一种机械，其作业效率直接影响办理站在有限的站停时间内可供装卸的次数。因此，需计算叉车搬运一次货物往返所需的时间(T叉车)，计算公式如式1所示。

T叉车=t取+3t转+2t行+t升+t降+t放

(1)

其中t取表示叉车叉取货物所需时间，t转表示转向时间，t行表示搬运货物(单程)所需时间，t升(降)表示货物起升(下降)所需时间，t放表示放下货物所需时间，单位为s。

搬运货物所需时间t行可按式2计算。

(2)

其中:S表示搬运货物走行的距离，v行表示叉车运行速度，t加减表示起停附加时间。

货物起升(下降)所需时间t升(降)可用式3计算：

(3)

其中:H升(降)表示起升高度，v升(降)表示起升(下降)速度。

由于采取提前备货、提前进货的组织原则，故t取可取10s，令t加减=0，参照铁路货场常用电瓶叉车的技术参数，可知t行=6s，t升(降)=10s，则T叉车=55s。

3　模型的建立

由于侧重点不同，国内外针对快捷货运建立的模型各异[19-21]。在本文中为了充分利用行李车剩余运能，需综合考虑货物自身特性、集装化后的规格、站停时分、装卸机械效率等诸多因素。由于行李车剩余运能既定，当从n个待发送集装货件中选择装入其中一部分，使这些集装货件的总重不超过行李车剩余运能，并使货物等待时间最少，可选择使用多维背包模型来建立该问题的数学模型。

3.1参数和变量设置

3.2模型的建立

3.2.1目标函数分析

利用行李车剩余运能开展小件货物的快捷运输，应从两方面进行考虑：一是不影响旅客列车的正常开行，二是能充分利用行李车剩余运能，尽可能快速有效地装运货物。即发送每吨货物需要的时间最少，建立目标函数如式(4)所示。

(4)

3.2.2约束条件分析

1)载重量约束

由于行李车剩余运能的限制，列车节点间实际装货量和卸货量之差不能大于行李车剩余允许载重量，建立载重量约束如式(5)所示。

(5)

2) 站停时间约束

由于装卸作业必须在站停时间内完成，所以同批次货物的件数不得大于叉车来回作业的次数，建立站停时间约束如式(6)所示。

(6)

3)先卸后装约束

由于站停时间内可完成的装卸作业次数有限，因此，必须先完成货物的卸车作业，剩余时间再完成货物的装车作业，建立先卸后装约束如式(7)所示。

(7)

4) 集装货件发送作业时间约束

为了保证快捷货物运输的时效性，所有办理站承运的货物必须在24小时以内完成发送作业，建立第j个集装货件发送作业时间约束如式(8)所示。

(Tj发-Tj承)≤24

(8)

3.2.3模型建立

综上分析，可构建小件货物快捷货运站车协调优化模型如下。

3.3贪婪算法设计

利用行李车剩余运能开展小件货物快捷货运问题属于0-1背包问题，也是NP完全问题[22]，直接的枚举搜索可以遍历所有的可行解。而铁路旅客列车开行车次多，停靠站和站停时间各异的实际情况提高了求解问题的复杂度，因此，需要设计简洁实用的算法来降低求解问题庞杂的计算量[23-24]。考虑模型的目标函数，为了尽可能在最短的等待时间内装运尽可能多的货物，可以采用贪婪策略解决该问题。虽然铁路旅客列车开行情况复杂，但每日开行情况固定，可以考虑“先开先装”，即将所有每日开行的旅客列车按时间进行排序，最先出发的列车满足货物到站停车要求、先卸后装约束和站停时间约束后，则以装满该趟旅客列车行李车剩余运能为原则安排货物的发送作业。

综上设计贪婪算法步骤如下：

1)初始化。根据当日货物承运情况将货物按重量降序排序后建立货物信息数据库，将旅客列车按发车时间升序排序后建立列车信息数据库；

2)若货物已全部发送完毕，算法停止，否则转3；

6)将该最先出发车次剔除，更新车次信息数据库，转2。

4　算例分析

需要说明的是，由于铁路客运站等级不同，站停时间不同，可完成小件货物装卸作业的件数各异，因此各客运站在按批受理时，每批货物的件数不得超过旅客列车在该站的停车时间，件数较多时，可按多批货物办理，否则会造成票货分离。

根据调查统计数据，兰州站发往陇海线方向的旅客列车行李车载重量利用率不超过50%，25T行李车的标记载重为17t，为简化计算，将其载重量的50%设为该方向行李车剩余运能的初始值。

兰州站当日承运小件货物数据库包括成药、文化用品和食品等17种货物，按重量降序排序后的具体信息如表1所示。

表1　兰州站当日承运小件货物数据库

从货物到站分析，由于定西甘谷站的站停时间较短，为2～3min，而叉车往返作业一次的时间为55s，因此发往这两个站一批货物的件数不得超过3件。其余各站虽然站停时间较长，由于载重量约束，一批货物的总重不得超过8.5t。

查阅列车时刻表，将兰州站发往陇海线方向的旅客列车按发车时间升序排序后建立列车信息数据库。根据模型约束条件和贪婪算法，编程可得兰州站当日承运小件货物的发送方案如表2所示。

表2　兰州站小件货物发送方案

从表2中可以看出，K1662次列车8点55分从兰州站出发，到达宝鸡时间当日16点08分，区间里程503km，途中运行时长7小时13分；最远到达郑州的K596次列车11点整从兰州站出发，到达郑州站时间次日03点44分，区间里程1 536km，途中运行时长16小时44分；K2188次列车11点13分从兰州站出发，区间里程653km，到达咸阳时间为21点06分，运行时长9小时53分，可见兰州站当日承运的17件货物上午12点前可以全部发送完毕。考虑高速公路对于货车的区间限速以及司机途中休息时间，铁路旅客列车开展小件货物的快捷运输相较高速公路快捷货物运输在时效性方面具有一定的优势，且随着运输距离的增加这种优势越明显。

在算例中所用到的8趟旅客列车，加装小件货物后前5趟行李车的载重量利用率最小可达82%，最大可达99%，行李车载重量利用率提高效果明显。

为了更好的说明中间站在各次旅客列车行李车剩余运能不定的情况下如何开展小件货物的快捷运输，选取站停时间较短的陇西站进行说明。当日陇西站承运的小件货物包括服饰、鞋靴、食品等6种，按重量降序排序后的具体信息如表3所示。

根据兰州站各次旅客列车行李车利用剩余情况，只选取表3中所列到站，依据模型约束条件和贪婪算法，编程可得陇西站当日承运小件货物到发方案如表4所示。

表3　陇西站当日承运小件货物数据库

表4　陇西站小件货物到发方案

从表4可以看出，由于受列车开行区间、站停时间、载重量和先卸后装四重约束，表2中的前5趟旅客列车只有K1662次旅客列车行李车可加装至天水的药材一件；K596次、K2188次和T115次旅客列车由于站停时间较短，为2min,2min和6min，虽然载重量剩余运能较多，但只能各加装一批货物。尽管受诸多条件限制，陇西站办理完当日承运的6批12.2t货物总用时3小时10分钟，办理效率良好。

综合分析表2和表4，如果列车开行区间满足货物到站要求，则后续车站承运的小件快捷货物可地一步提高行李车的载重量，如表4中K1662次列车，加装到达天水的药材后，行李车载重量利用率可从85%提高到94%。

5　结论

1)从算例可以看出，铁路大提速后，普速旅客列车运行速度可与高速公路货车运行速度相当，在途中运行时间上存在可竞争能力，且随着运输距离递增，优势越明显。其次，从发车间隔看，铁路旅客列车发车密集，在站停时间内每分钟可装卸货物1件，完全可以做到随到随承运，完成集装化作业后即可装车，极大的减少了货物的集结等待时间。因此，在运输时间方面利用旅客列车行李车剩余运能开展小件货物快捷运输具备可行性。

2)为完成小件货物的快捷运输，车站只需一次性投入购买叉车的费用，以及集装化等人员组织费用，途中运输费用没有额外支出。如果所有行李车载重量有剩余的铁路客运站全部开展此项业务，通过算例分析可知，旅客列车行李车的载重量利用率将得到很大的提高，并由此带来可观的运输收益。因此，利用旅客列车行李车剩余运能开展小件货物快捷运输具备必要性。

3)当前铁路总公司为参与白货市场快捷运输，相继开发了电商专列、高铁快递等货运新产品，这些专列的开行必须以充足的货源保障为前提，但在西部地区经济相对落后，货源得不到充分保障的条件下，充分利用现有产品的剩余运能开展白货快捷运输，具有很好的现实意义。

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Optimization research on bulk cargo express transport using railway baggage car

YANG Juhua, LIU Linzhong, LI Xiaojin, BA Cailin

(SchoolofTrafficandTransportation,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

Underthesettingofsharpdevelopmentofpackagequantity,theutilizationofremainingcapacityofbaggagecarinexpresstransportwasproposed.Basedonthesuperioritiesofrailwaypassengertrains,suchassmalloperationtimeintervalandwidecoverageinterritory,akindofmultidimensional0-1knapsackmodelwasestablishedsoastosolvetherequirementsofbulkcargothatareofmulti-batchesandlimitedquantities.Also,thegreedyalgorithmwasdesignedbasedonthe‘FirstDepartureFirstLoading’principleinordertomoreeffectivelyusetheremainingcapacityofbaggagecaranddwelltime.Lastly,anexamplewasdesignedbasedonthedataofrailwaypassengertrainsdepartingformLanzhoustationalongLonghaidirectioninoneday,theoutcomeexplainsthattheutilizationofremainingcapacityofbaggagecarinexpresstransporthasthefeasibility,necessityandrealisticsignificance.

bulkcargo;expresstransport;railwaybaggagecar;multidimensional0-1knapsackmodel;greedystrategy

2015-11-26

教育部人文社科基金资助项目(15YJCZH200)；甘肃省自然科学基金资助项目(1506RJZA079)

杨菊花(1978-)，女，甘肃甘谷人，副教授，博士研究生，从事交通运输规划与管理研究；E-mail:yangjuhua@mail.lzjtu.cn

U294.4

A

1672-7029(2016)07-1426-07