基于现代港口多式联运的货物集装箱运输网络优化研究∗

吴培森

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室 天津 300456）

1 引言

现代港口多式联运的货物集装箱运输网络的优化研究，在集装箱这方面的业务经营里是难度比较高的问题。不仅要保证合理的运输时间，节省运输成本，还要兼顾一系列的社会成本，对于现代港口的货物集装箱运输企业的影响较大，所以选择最优的运输方案，对于企业来说是非常重要的，甚至可以直接影响企业未来的命运。本文将对现代港口多式联运的货物集装箱运输网络的优化进行探究，提出有参考价值的理论与方法，对其有一定的启发作用。在现代化的物流业中集装箱多式联运是一种高级的组织形态，研究它的主要目的是为了从整体上提高货物运输的效率，从而达到运输效益的最优解。在多式联运的过程之中，运输经营人可以自由灵活的选择多种集装箱运输方式进行排列组合，运用科学合理的方法探究出一种高效的运输方法，整体提升整个行业的运输水平，提高行业的竞争力。下面将就此问题进行探究，进一步提出多式联运的货物集装箱运输网络优化方案。

2 集装箱多级联运的问题描述

在多式联运集装箱运输的过程当中，需要考虑很多影响因素，主要在以下三个方面：运输时间、运输成本、运输社会效益。这几个因素会在不同程度上对多式联运集装箱网络造成影响，为了使所构建的网络模型更加严密和合理，也便于展开后续的研究［1］，做出如下几点描述：

1）在整个运输过程中，货物的质量M为恒定值，即在运输过程中不存在丢失，损耗等情况。

2）在运输的方式和路径确定的前提下，运输的的成本仅仅与运输的数量，运输的距离，运输商品的单价这些因素有关。

3）在运输的方式和路径确定的前提下，运输货物的时间的影响因素只考虑运输时间。

4）在整个运输过程中，季节、气候、地势条件等因素对运输成本及运输时间的影响都忽略不计。

在现代化港口的多式联运的优化方案研究中采用上述假设，那么运输方式的选择、运输货物集装箱、多式联运方案选择便成为了整个方案中最基本的三个要素。其中，多式联运中通道及各种运输方式的选择便成为了它的躯干，而运输货物集装箱便成为了它的血肉。此外，在多级式联运中，其运输方式和运送方案的选择之间既有制约关系，也有促进关系。这三个要素对于多级式运输的质量和效率有着决定性的影响。

集装箱多式联运系统三角形关系图如图1所示：

图1 集装箱多式联运系统三角形关系图

3 现代港口多式联运的货物集装箱运输成本分析

在集装箱多级式联运集装箱的运输过程中，经济成本、时间成本及社会的综合成本［2］成为了选择高效运输方式和和运输方案的关键制约因素。所以通过多级式联运的方式将货物集装箱从起始港口A运往目的地B的优化运输模型如下：

其中，F1为其运输过程中的经济成本；F2为其运输过程中的时间成本；F3、F4均为其社会综合成本（F3为能源消耗，F4为污染气体的排放总量）。

3.1 经济成本的分析

在集装箱的运输过程中，经济成本可以从两个角度出发来考虑成本：运输和转运。其数学表达式如下：

1）D1：集装箱运输过程中的基本运输成本。其表达式如下：

其中，n为在集装箱运输的过程中，集装箱经过的中转站数目［3］，n个中转站将会把整个运输途径划分为n+1条，α,β,γ,λ分别表示公路、铁路、水路、航空四种运输方式（下面提及都是相同含义）；di为第i条路径上集装箱的运输成本；N为运输中集装箱的总数目；m为集装箱的单个重量；Uik为在第i条路径上，选用K方式进行运输的运输成本；lk为在第i个路径的运输距离。

2）D2：在运输过程中转运的成本费用。其公式如下：

其中，dj为集装箱在运输过程中在j转运站上转运的费用；为在第j个中转站中，将单个集装箱的运输方式的运输方式由转化成需要支付的成本。

3.2 时间成本分析

在整个运输过程中也需要考虑如下两个方面的时间成本：运输和装运，其公式如下：

其中，α为单位集装箱的平均转化时间。T为运输过程中运输总时间的最大极限。

1）T1：运输过程中的运输时间。其计算公式如下：

其中，ti为在运输过程中所需要的总时间。vik为在运输过程的第i条路径上采取k运输方式下的运输速度。

2）T2为在其运输过程中的转运成本。其具体的运算表达式如下：

其中，tj为在运输过程中在第j个转运站中所需的转运时间。为在第j个转运站中，运输方式由k转换成所需要的转换时间。

3.3 社会综合成本分析

在集装箱运输的过程中，社会综合成本也需要考虑下面两点：能源消耗和空气污染［4］。其数学表达式如下：

其中，β为能源在单位消耗中的转换成本；γ为有害气体单位整治成本。

1）Q1为其运输过程中的能源消耗。其数学表达式为

其中，qi为在运输过程中的第i条路径上所消耗的能量。∈k为在采用k运输方式时，在单位距离上运输单位货物所消耗的能量。

2）Q2：集装箱在运输的过程中空气污染的程度。其数学公式为

其中，cij为第i条运输路径上，j污染气体的排放量。Y为污染气体的种类，a为二氧化碳，b为二氧化氮，c为二氧化硫。zkj为采用k运输方式的前提下，单位距离中货物运输所排放的污染气体总量。

4 实验例证分析

假设现有一批集装箱货物要从始发港口O运往目的地G［5］，在此运输过程中，有多个运输方式、运输路径及运输方案组合方案可以进行选择。在综合考虑上问所提及的三个基本成本的基础上，承运人要选择最优的运输方案进行集装箱运输。

针对以上的讨论，下面就以一个常见的六节点集装箱港口多式级联运输网络图来进行模拟分析。现有一批数量为N的货物集装箱，从起始港口Q运往目的地G，运输过程中可能经过的城市或者港口为 S1、S2、S3、S4，其中的每一个都可以宣威运输途中的中转站，上述4个中转站可以选择的运输方式如下图2所示。在上路的多式集装箱运输网络图中，两个城市或者港口之间的运输方式以及其可以进行选择的运输方式都用线段来表示。整个网络中包含18条路径，涉及铁路和公路、海运、航空等运输方式，可以根据需要进行灵活的调整和搭配［6］。

图2 运输网络图

表2～表3就运输途中中转站及各种运输方式的基本数据给出了详细的数值。其中表2给出了采取不同方式进行运输时的运输速度、污染气体的排放比例系数、能演消耗系数；表3给出了各个中转站之间的运输距离和采用不同方式进行运输时的单位价格；表4给出了在运输过程中，选择在不同港口进行货物转运的时间及价格。

表2 采取不同运输方式的基本参数

表3 各转运点之间的路径参数

表4 各中转站的中转时间/中转费用

利用本文构建的现代港口多式联运的货物集装箱运输网络模型，下面利用遗传算法在Matlab上进行代码编写求解。下面对遗传算法进行简单的介绍：该算法有四个基本的要素分别为参数编码、适应度函数设计、遗传算子的设计、算法控制参数的设定［7］。

1）参数编码

由于这种算法不具备处理空间问题的能力，所以在对相应问题的处理时，首先要对其进行一定的转化。这里的转化指的是将其转化成空间染色体组，因为染色体具有一定的序列组合，故把这个过程称之为编码［8］，这是应用该算法解决问题的第一要务。而具体的编码方法也有很多，选择一种合适的即可。

2）适应度函数设计

适应度函数在遗传算法里具体指的是所研究个体的适应度函数。经过适应度函数的删选可以对研究物体的优劣进行一定的认识，从而可以制定出更加具有针对性的问题解决方案，并且具有任意性。其需要满足的也是唯一需要满足的要求就是使目标函数非负，主要目的就是为了在计算中更加有利于排序［9］。

3）遗传算子的设计

此处的遗传算子主要有三部分：选择、交叉及变异。其中第一个选择算子以优胜劣汰的选择对群体中的个体进行选择，这个过程可以有效地解决组合优化的问题。第二个交叉算子是将两个父体的个体部分进行一定的调整重组［10］，从而得到新的个体。第三种变异算子是将其群体内的某一个体进行整体改变或者进行基因移植，从而生成新的个体。

4）算法控制参数的设定

关键参数的选择也有很多种，例如：交叉概率、编码串长度等。这些参数的选择会直接影响遗传算法的执行时的性能［11］，因此必须有一个系统性的方案［12］。

算法流程图3如下：

图3 遗传算法流程图

设单位货物集装箱的质量m为15吨，货物集装箱的数量N分别为50、60、70，其运输的时间分别为 12h、25h、16h，α、β、γ所对应的值分别为 104、10-4、1的前提下，对其进行模拟估算，并把种群的规模和迭代次数分别设置为30个、150次。据此由网络图3得到符合本设计方案的最优运输方案［13］如下：

当集装箱的数量为70个时，所花费的经济成本为474558元，所花费的的总运输时间为14.975h，能源消耗的总量为48.77*108kJ，二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫的排放量依次为358370.5kg、1798.285kg、235.097kg，具体运输方案为：从起始港口O出发，经过中转港口或者城市S2最终到达目的地G。并且从O到S2采用公路运输，由S2到G采用航空运输。

5 结语

伴随着现代化信息技术迅速发展，交通运输业也得到了很大的改善。港口多式级联集装箱运输的应用也越来越广泛。特别是在经济效益和运输效率这两个方面，其作用显而易见，已经成了现代化港口运输的大趋势。基于这个前提，我国港口运输应该结合我国自身的实际情况，积极进行探索，从而找到运输方式组合的最优解，进一步推动港口多式级联集装箱运输的发展，实现其效益的最大化。在对国内外港口集装箱多式级联运输研究的进行基础上，对其模型的优化进行了更深入的研究［14］。具体的成果如下：

1）针对港口多式集联运输理论进行了系统性的概述，其主要包括它在不断发展过程中所存在的问题、运输流程、多式级联运输的定义、特征以及其所具备的优势。以上述内容为背景简单地阐述了港口多式级联运输的组成要素，以便更好地进行其模型优化方案的探究。

2）在确定运输的方式的基础上，从其存在的优缺点，所需要的成本及经济成本等方面对其进行分析和比较。根据运输成本、时间、数量等制约因素，构建一个运输网络模型。

3）根据上文叙述，对运输过程中的经济成本、时间成本、社会综合成本进行综合考虑，把总体运输时间作为网络优化方案中的制约因素，建立现代港口多式级联集装箱运输网络优化模型，然后运用遗传算法对其进行模拟运算，构建了具体的运算案例。

参考文献

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