集装箱铁水联运系统集疏运协同演化研究

丁立群

（武汉理工大学 武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065）

国际贸易是经济发展的本源需求，随着全球化进程加剧，作为经济派生需求的国际物流运作水平和服务能力面临巨大挑战，港口不再仅仅是运输线路的终点，而是国际物流链条中的一个节点，是集装箱集疏运系统中的一个中转站。国际运输服务目标已经从“港到港”逐渐向“门到门”转换，也就是说，完成整个运输过程需要多种运输方式协调衔接，由此综合运输理念普遍得到认同。为了保证运输链条上对货物保管责任划分明确、货物单证交接清楚便捷、方便结汇等，国际多式联运迅速发展，不断延伸运输线路，国家和地区内陆的运输节点和运输线路逐渐增多，整个国际运输大系统中各个物流网络服务设施和能力等需要不断完善，集装箱集疏运作业系统、港站库场仓储作业系统和相配套的物流服务中心与货物运输、仓储、装卸和包装等流通加工环节之间的匹配需求凸显。

1 集装箱铁水联运发展现状分析

1.1 发达国家集装箱铁水联运现状

目前，全球范围内铁路集装箱运输量约占铁路货物运输总量的 20%～40%，其中，发达国家的铁路集装箱运输比例较高，美国为 49%、法国为40%、英国为 30%、德国为 20%，这些国家内河航运也较为发达[1]，如美国的密西西比河，英国的泰晤士河、赛文河等，在法国境内流经的莱茵河，在德国境内流经的莱茵河、多瑙河、易北河、基尔运河等，在其内河流域区域内，集装箱铁水联运发展迅速。

发达国家的集装箱铁水联运中各种运输方式的运输设施设备都采用集成化设计，物流公共信息平台是根据物流基础设施设备的实际运作水平、运营调度实际操作能力等设计并不断改进完善，目标是不断提高与集装箱铁水联运整个系统服务的匹配性，达到整个运输链条或运输网络的一体化服务目标。例如，美国的 Capstan 公司投资建立了物流信息共享平台，将买方、卖方、物流公司、船公司、货代公司、多式联运经营人、实际承运人、海关、金融服务等机构的信息都统一发布在这个信息平台，并且进行后台统一管理，各参与主体通过电子数据交换达成业务。由此可见，运输设施设备、运输组织管理、运输信息平台等综合运输系统要素的匹配程度、协同程度是否体现出综合运输的优势，成为集装箱铁水联运系统的顶层设计首要考虑，为集装箱铁水联运发展建设模式、运营管理模式、运价定制提供了依据。

1.2 我国集装箱铁水联运发展现状

我国铁路运输市场运作欠灵活，各地大宗散货需求量大，占用了大部分铁路运力，大宗散货多属于生产性物资，运输、装卸和仓储等要求相对较低，铁路集装箱运输发展相对缓慢。另外，集装箱运输时间波动大，适箱货物东多西少、南多北少，加大了空箱调运的难度。目前我国大部分港口都没有与铁路直接衔接，无论是集疏运子系统、信息系统、码头泊位装卸子系统，还是货场仓储管理子系统，铁路场站与港口港区都是完全独立的操作系统。因此，长期以来我国港口的集疏运作业多半由公路运输承担，即采用集卡或其他货运汽车完成港口货物的集疏运[2]。

2017年，我国港口完成集装箱吞吐量达到1.90 亿 TEU，比 2016年增长 7.2%。其中，沿海港口完成 1.70 亿 TEU，内河港口完成 2 053 万 TEU，比 2016年分别增长 7.4% 和 5.3%。同时，全国港口完成外贸货物吞吐量 33.60 亿 t。其中，沿海港口完成 30.57 亿 t，内河港口完成 3.03 亿 t，分别增长 9.7% 和 11.8%，然而，集装箱铁水联运量仅为228 万 TEU，相当于全国港口总吞吐量的 1.20%。2015—2017年中国与世界各国集装箱铁水联运比例如图1 所示。

图1 2015—2017年中国与世界各国集装箱铁水联运比例Fig.1 Proportion of railway-waterway combined container transport in China and other countries in the world (2015—2017)

长期以来，我国港口集疏运体系中各种运输方式配置比例不合理，铁水联运方式所占运量比例偏低，导致主要港口的集装箱集疏运结构明显失衡。目前港口集疏运系统主要以集装箱卡车为主要交通方式，而集装箱卡车载货量较小，与船舶载货量严重不匹配，一定程度上阻碍了港口集疏运系统运作效率。因此，需要大力发展铁路集装箱运输，提高集装箱铁水联运比例。

2 集装箱铁水联运系统协同构成机理

2.1 协同运作成因分析

根据协同学理论，系统和其要素即在操作过程中子系统之间的协调会产生新一代的合作结构和功能[3]。整个系统的宏观性能有序，每个子系统都存在自发的不规则的独立运动，子系统之间的关联性会促使协同进行。子系统间的协同运动会推动系统向 2 个相反的方向演进，一个是从有序状态自发向无序状态变化，另一个则是从无序状态到有序状态过程演化。

协同学理论将平衡状态描述为系统状态参数不随时间变化而变化，系统将不会出现宏观传输的现象[4]。不变平衡有 2 个特点：一是随着时间推移，系统的状态参数和空间不再发生变化；二是宏观流动系统中没有物理量，如粒子流。只要不同时具备上述 2 个特点，都被称为非平衡状态，或远离平衡状态。孤立系统的稳定状态是平衡态，只有非平衡态系统，才有可能形成有序的结构。

从系统科学层面分析，系统的整体功能不是单个子系统功能相加之和，而是系统要素的重新组合或合并。集装箱铁水联运系统的无序状态主要有以下表现：系统内外资源配置不合理、运输工具运力不匹配、物流法规不和谐、物流设施设备的标准不统一、运输供应链上企业的利益分配不均衡、运输组织模式选择的不优化、信息技术的不采纳、业务信息上下游的不对称等。根据非平衡相变理论，这种无序状态一旦形成即具有稳定性。因此，抓住集装箱铁水联运系统建设和运营中的主要突出矛盾，从顶层设计开始考虑系统内各个要素之间的牵制与促进关系，推进系统产生协同行为至关重要。

2.2 集装箱铁水联运系统协同层次

协同理论将系统划分为宏观、中观、微观 3 个层次。宏观是指整个系统；中观是指整个大系统下的各个子系统；微观是指构成整体系统和各个子系统的基本要素[5]。综合交通运输系统是各种运输方式有机衔接的集合，各子系统拥有其独立的系统要素。因此，要想满足运输总成本最低、运输时间最短、运输质量最优的运输要求，需要各种运输方式之间协同运作，达到综合运输整体目标最优，在这个过程中，综合运输协调发展与协同学理论描述的现象联系密切[6]。集装箱铁水联运系统协同层次如图2 所示。

图2 集装箱铁水联运系统协同层次Fig.2 Synergetic level of railway-waterway combined container transport system

2.3 内陆集装箱铁水联运系统构成

内陆集装箱铁水联运系统是指集装箱在货主与港口码头货物堆场区段的运输子系统[7]。为实现“门到门”服务，按照运输方式的衔接，内陆集装箱铁水联运系统可以分为公铁联运、公水联运、铁水联运、公铁水联运，其中水运多指内河航运，考虑到运输工具的匹配性和换装成本，在铁路运距优势范围和内河航道条件达标的前提下，提倡选取铁水联运方式。

在内陆货物运输中，主要是铁路、水路和公路之间的多式联运，由于内陆地区铁路货运站和港口码头多数没有实现无缝衔接，因而内陆地区的集装箱铁水联运实际上多以公路作为铁路和水路的连接运输方式。通过整个经济社会的发展，交通运输线路区域内覆盖和区域间的衔接，交通运输组织管理的规范化和合理化，运输行业本身及相关行业的科技化运作，从业人员的专业技能和职业素养的提高等引起多式联运系统发生正向涨落。

协调是多式联运中各运输企业之间合作关系建立和发展的基础，是多式联运管理的核心所在。例如，武汉作为长江中游的最重要交通枢纽，具备铁水联运的各项条件，利用长江航道得天独厚的水运优势，贯通长江上游重庆到长江下游南京、上海的内河航线，同时，武汉作为我国中部中心城市，是中部地区重要的交通枢纽和物流集散中心，交通基础设施较完善，铁路和公路线路覆盖率高，通过道路的纵横运输，可以在更大范围内满足周边区域日益增加的货运量需求。

3 集装箱铁水联运集疏运协同演化方程

3.1 集装箱铁水联运系统协同理论特征

集装箱铁水联运系统具有协同理论特征，这主要体现为以下方面。

（1）集装箱铁水联运系统具有开放性。系统类型属于开放型，具有经济、物流、综合服务等一体化功能，其自组织协调过程需要政府宏观控制。通过经济发展、能源需求、人口流动等与外界进行能量互换，同时，每种运输方式之间存在非线性关系，这种非线性关联会形成特定的反馈调节机制，使各种运输方式相互之间产生协同运动[8-11]。在这个协同运动发生的过程中，相对于综合运输体系这个大系统而言，每种运输方式是这个大系统中的子系统，大系统又是由若干个子系统构成的系统，政府的宏观调控为形成有序提供一定的能量，并且指导和推动综合运输体系自组织结构的形成与完善。

（2）集装箱铁水联运系统具有涨落源动力。整个经济社会的发展，交通运输线路区域内覆盖和区域间的衔接，交通运输组织管理的规范化和合理化，运输行业本身及相关行业的科技化运作，从业人员的专业技能和职业素养的提高等都会引起综合运输体系发生正向涨落，以上都是涨落的临界点条件，通过有效组织和规范管理使该正向涨落不断进行，促使综合运输体系从无序状态走向有序状态。

（3）集装箱铁水联运系统序参量控制决定其结构功能[12-14]。序参量是指在系统演化过程中发生从无到有的变化，影响系统各要素由一种相变状态到另一相变状态的集体协同行为的参量。一方面，交通运输的不同发展阶段决定集装箱铁水联运的序参量不同；另一方面，经济区域和地理环境等不同因素也决定了集装箱铁水联运的序参量存在不同[15]。

3.2 集装箱铁水联运集疏运系统协同演化方程

通过协同演化方程可以掌握集装箱铁水联运集疏运系统通过各要素、各子系统之间的协同合作过程。

式中：q为序参量；α为控制参数；F为随机涨落力；N为非线性函数向量驱动力。

演化模型由序参数q和不同阶导数方程组成，可以通过演化模型来研究集装箱铁水联运系统的演化机理。在集装箱铁水联运集疏运系统中，设驱动力N为最大系统效益，设X(t) 为系统效益，随机涨落力F= 0，即有

式中：k为协同效益增值系数，在一定的资源和技术条件下，取决于子系统之间的协同程度；X为随时间增长的动因子；t为时间状态；N为最大系统效益；X/N为效益增长加速度；(1-(X/N)) 为随时间减少的阻滞因子。公式 ⑵ 反映集装箱铁水联运集疏运系统是非线性的。

当k＞0，N＞0 时，公式 ⑵ 的解为

式中：C为初始条件决定的常数。

通过公式联合得出集装箱铁水联运系统效益、子系统协同效应、系统序参量、控制参数等之间的函数关系，即为集装箱铁水联运集疏运系统的协同机理。假设集装箱铁水联运集疏运系统由铁路部门C1、货主C2、港口企业C3构成。根据演化方程式

设λ1为C1的协同运动对C2，C3的贡献度；λ2为C2的协同运动对C1，C3的贡献度；λ3为C3的协同运动对C1，C2的贡献度。N1，N2，N3为集装箱铁水联运各子系统效益。当C1，C2，C3之间建立有效关联后，三者之间可以通过运输资源的共享和运输作业的协同影响集装箱铁水联运系统集疏运系统向有序的状态发展。设λ1＞ 0，λ2＞ 0，λ3＞ 0，并且有λ1+λ2＜1，λ1+λ3＜1，λ2+λ3＜1，则C1，C2，C3的协同演化方程

当集装箱铁水联运集疏运系统协同状态趋于稳定，可以表示为

求解上式，得到 8 个平衡点如下。

将平衡点A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7，A8的值代入公式 ⑺ 矩阵中，求出该矩阵的特征值。如果特征值各不相同，而且都为正，表明系统不稳定；如果特征值有正值也有负值，表明系统也不稳定；如果特征值均为负数，而且都不相同，表明系统处于稳定状态。根据以上原理得知，A1，A2，A3，A4，A5，A6，A7均是不稳定平衡点，只有A8是稳定平衡点。由此可知，当集装箱铁水联运集疏运系统处于稳定平衡点，C1，C2，C3之间的协同效益表示为 [N1(λ2λ3－1)－N1λ1(λ2+λ3+ 2)] /[λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3+ 2λ1λ2λ3－1]，[N2(λ1λ3－1)－N2λ2(λ1+λ3+ 2)] / [λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3+ 2λ1λ2λ3－1]，[N3(λ1λ2－1)－N3λ3(λ1+λ2+ 2)] / [λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3+ 2λ1λ2λ3－1]。

当系统达到稳定状态时，波动幅度变小，衰减变快；当系统进入临界点时，各个子系统之间的藕合更加活跃，部分的藕合所形成的波动继续对系统产生影响，得不到更多响应的子系统表现出衰减性能。边界条件满足涨落快速反应的子系统则继续扩增，进而成长为驱动系统进入有序的巨涨落，再转化成序列可支配的系统参数。

4 结束语

集装箱铁水联运集疏运系统协同演化机理可以根据物流基础设施设备的实际运作水平、运营调度实际操作能力等不断改进完善系统内的参与主体，提高集装箱铁水联运整个系统服务的匹配性。在具体实施过程中，集装箱铁水联运专用设施、设备、工具、管理方法和系统都应采用集成化设计，应建立电子数据交换技术成立专门的网络中心，将不同参与主体的信息进行后台统一管理，通过物流信息平台实现铁路管理系统和港口管理系统互换信息，以便实现实时追踪和查询货物信息，加强集装箱铁水联运各主体之间协同作业能力，从而达到整个运输链条或运输网络的服务一体化。