基于多品类物流网络的铁路货运站整合优化

付昭淼，陈宝星，庄舒婷，邹毅峰

（1.中国铁路广州局集团有限公司 货运部，广东 广州 510088；2.广州大学 管理学院，广东 广州 510006）

0 引言

物流资源整合优化是铁路运输业向现代物流业转型最直接和最有效的途径和手段。近年来国铁集团统一部署实施了一系列物流资源整合优化实践，包括实施货运组织改革、成立货运中心重组货运人员和业务等，取得了明显成效，市场份额不断提升。但是，货运站的设施设备、资产、功能等还没有进行整合优化，资源配置不合理、集中化程度不高、资源利用率低等现象十分突出，有些货运站资源闲置，而有些车站能力饱和，严重影响了货运组织效率。

以珠三角地区的广州、深圳、佛山、东莞为例，一方面，各货运站作业量极不均衡，据统计，上述地区共24个货运站和80个作业点（包括货场、专用线），2020年日均装卸2 548车，其中日均装卸5车以下的作业点37个，无作业量的作业点24个，作业量最大的车站日均装卸317车，而作业量最小的车站日均装卸仅0.1车。另一方面，各货运站办理货物品类多，发到品类共计25种，每个作业点平均发到品类3.2种，作业品类最多的达到了13种；且各货运站除品类繁杂外，还存在发送和到达品类使用车型不一致的问题，增加了大量配空、排空和取送环节。此外根据以上城市发展规划，部分货运站面临关停的局面，而大田、增城西等物流基地将陆续投入运营。上述问题在珠三角以外地区也不同程度地存在着。因此，优化货运站资源配置以提高效率、重新定位货运站功能势在必行。

目前国内外研究铁路货运站整合优化的文献不多。根据优化时是否考虑货物品类，既有文献可分为两类。第一类是仅考虑货运量、不考虑货物品类条件下重新对货运资源进行布局优化。例如王波，等根据货运需求和货运站作业能力，以最小化运输费用构建了铁路货运站整合优化模型，并应用ILDG优化软件进行了求解。叶玉玲，等根据货运站自身功能和周边产业特征，通过保留区位优势较大的货运站、关停利用率较低的货运站，对现有货运站进行功能优化。第二类研究是对既有货运站办理品类和车流方向进行优化，但不涉及区域内货运站的布局调整与物流基地建设。例如Yaghini，等从铁路货运决策的三个主要层次构建多商品网络设计（MCND）模型，以解决货运站的空车分配、货物发到品类及运量等问题，探寻MCND模型在铁路货运的实际运用。李代坤对货运网络按货物品类进行拆分，构建货运中心站布局调整优化模型，并采用自适应免疫克隆算法ILDG优化软件进行了求解。目前同时考虑货物品类和铁路物流基地投产情形下货运站整合优化的研究较少。根据国铁集团《铁路物流基地布局规划及2020—2022年建设计划》，铁路计划用3年时间建设28个左右物流基地，强化物流基地重要节点作用，今后几年将是铁路物流基地的密集投产期。因此，如何发挥这些优质高效物流产能的作用，调整货运站办理品类限制、重组货运站功能，对提高铁路货物运输组织效率具有重要意义。

1 模型构建

1.1 建模思路

根据目前部分货运站到发品类散乱、编组作业复杂，以及新投产物流基地利用率低等问题，货运资源整合优化的原则是在保障既有货源稳定过渡的前提下，通过货运站办理品类集中化，以提高运输效率，降低物流成本，即以枢纽内货运作业成本最低为目标。物流基地是具有货车集散功能的货运站，任何货运站都有可能成为物流基地。

优化前后枢纽内的物流网络及运输组织如图1所示。优化前，枢纽内仅有一个物流基地和若干货运站，每个货运站服务周边货源客户点。货物发送时，货物首先从货源客户点通过公路流向货运站，在货运站装车，然后向物流基地集结，最后编组成列车发出。货物到达时，货物列车首先在物流基地解体，然后分送到各货运站卸车，最后通过公路送达到各货源客户点。优化后，除了原铁路物流基地外，枢纽内还新增了若干物流基地，这些物流基地作业能力较大，作业效率高，可以直接办理货物列车到发。货物发送时，货源客户点既可以在附近普通货运站办理，也可以直接去物流基地办理，如果在货运站办理，最终仍要到物流基地集中。货物列车到达时，首先在物流基地解体，然后货车分送到各货运站，最后通过公路短驳运送到各客户点。

优化步骤：首先，考虑不同品类货物使用车型不一致，例如运输煤炭和矿石一般用敞车，而运输石油和液化天然气必须用罐车，集装箱一般用专用平车，因此根据货物品类构建多品类的物流网络，使一个货物品类对应一个物流网络（如图1所示）。然后，在货运站位置、货运站能力、货物品类到发量确定的情况下，以枢纽内货物运输总成本最低为目标函数，考虑各货运站能力和办理品类等约束，对各货运站的货物到发量进行分配优化。

图1 枢纽内k货物品类的物流网络示意图

1.2 模型假设

（1）规划期内枢纽内各品类货物的发到量不变。

（2）物流基地已经建成，不需要考虑新增的设施设备投资和管理费用。

（3）货运站间的距离取两个货运站之间的车流最短径路距离，与实际车流径路无关。

（4）货运站具有规模效应，其设计能力越大，单位装卸成本越低。

（5）铁路货车的额定载重量均相同。

（6）各货运站（含物流基地）在枢纽中的初始地位相同。

1.3 符号定义

本文所采用的符号及其含义见表1。

表1 符号及其含义

1.4 运输成本模型

根据枢纽内铁路货运作业流程，将作业总成本分为短驳成本、集散成本、装卸成本和空车调运成本。

1.4.1 短驳成本（RC）。货运站与客户点间运输会产生公路短驳成本。短驳成本包括固定成本+周转量成本。考虑到客户在原货运站办理时也需要进行公路运输，现转移至物流基地后运距可能会增加，但固定成本没有变化，故模型只考虑周转量成本。设X=1表示货运站j的品类k货物转移到货运站i办理，X=0表示货运站j的品类k货物不转移到货运站i办理。枢纽内公路短驳成本计算公式为：

1.4.2 集散成本（JC）。到达货物列车首先到达物流基地，然后在物流基地将发往某个货运站的货车编为一组，再由小运转列车送达货运站；而货运站需要发送的货物也要先在物流基地集中。以Y=1表示物流基地i负责货运站j品类k的货物集散，Y=0表示物流基地i不负责货运站j品类k的货物集散，忽略各物流基地编组集散成本的差异，枢纽内集散总成本计算公式为：

1.4.3 装卸成本（IC）。货运站的装卸作业成本根据装卸作业量的不同具有规模效应。根据调研，各货物种类的装卸成本与作业能力基本为分段线性关系（见表2），即作业能力越大，单位装卸成本越低。因此，应尽量将装卸作业移至物流基地办理，以发挥优质产能的作用。装卸总成本计算公式为：

表2 单位装卸成本与货运站设计能力的关系

1.4.4 空车调运成本（EC）。货车到达相应货运站卸货后，如果该种车型此时有适宜运输货物，则立即利用该空车装载货物，空车不足的货运站由物流基地补充，同时货运站富余的空车需运送至物流基地。由于在物流基地内空车的调运为站内作业，所以其调运距离为0，则枢纽内空车调运总成本为：因此，一年内铁路枢纽内货物运输作业总成本优化函数为：

式（5）是对每个货运站k种车型出入平衡的约束，式（6）是对货运站装卸能力的约束，式（7）是货运站集散能力的约束，式（8）、式（9）是对各货运站间k品类货物到发量和距离的约束，式（10）是对货运站调进和调出空车的限制，式（11）是决策变量约束。

2 算例分析

由上述分析可知，本文所构建模型为一般混合整数线性规划模型，可采用ILOG CPLEX求解器进行求解。ILOG CPLEX采用分支定界法解决混合整数线性规划问题。现已知某枢纽内有18个铁路货运站，其中包括3个即将投入运营的物流基地C、I、J，以及1个既有物流基地R，货运站之间的距离见表3，货运站装卸能力及到发量见表4，货运站集散能力是装卸能力的50%，重车集散费为12.15元/车公里，空车取送车费为8.1元/车公里；公路短驳起步（10km）运费13元/t，续程0.6元/t，煤和矿石装卸费为11.2元/t，其他货物为22.6元/t。

表3 货运站之间的距离 单位：km

表4 货运站能力及优化前主要品类货物到发量

编程运算后，得到优化前后的货运作业成本见表5。从表5可以看出，不考虑新投产物流基地增加的管理费用等固定成本支出，经过货运站重新功能定位，枢纽内各货运站货运作业总成本得到显著的下降，由调整前的6.61亿元下降至4.85亿元，减少了26.6%，尤其是集散成本和空车调运成本分别减少了77.1%和91.8%，而由于货运站功能优化和物流基地离客户点较远等原因，公路短驳成本增加了1.42亿元。

表5 优化前后货运站货运成本比较 单位：亿元

优化后各货运站办理品类分配见表6。对比表6和表4可以看出：（1）货物办理品类实现了集中化。优化前枢纽内集装箱办理站有12个，功能优化后，集装箱办理站减少到3个，集装箱货源向作业效率高的货运站C、H、J集中；同样钢铁办理站从优化前的10个减少到5个，工机（主要是小汽车及配件）办理站从8个减少到5个，其他怕湿货物办理站也从10个减少到4个。而且货运站发到品类最多为7个，大多数车站发到品类在3个以内，较优化前明显减少。（2）物流基地能力得到了较充分利用。货运量重新分配后，预计新投产物流基地C、I、J日均办理车数分别达到878.5车、65.6车和150.9车，远高于其他货运站。（3）部分货运站可以实现资源整合。优化后货运站A、E、G、K、L、M、O、Q、R等站的既有货源将实现分流。因此可以考虑关闭一些交通不便、设施设备老旧和不符合城市发展规划的货运站，或者改变这些货运站的用途，如建设为城市配送中心。

表6 优化后各货运站主要品类货物到发量分配表

3 结语

在大型铁路物流基地不断投入运营的背景下，为提高铁路货物运输效率，降低物流成本，铁路枢纽内各货运站功能需要重新定位。本文通过构建枢纽内货物运输成本模型，并应用ILOG CPLEX进行求解运算，得到货运站整合优化方案。主要结论有：（1）通过货物品类集中化，可以显著降低运输成本，尤其是空车调运成本和货车集散成本。货物业务集中后可能会增加部分货主的短驳运输成本，建议铁路部门可以从减少成本方面对货主进行补偿。（2）货物品类集中化后，货源将向作业能力大、运输效率高的物流基地转移，因此物流基地应兼具货运站和编组站功能，在枢纽内发挥集散作用，而货源被分流的站点可以选择关闭或者转变为其他物流用途。当然，货运站资源整合不仅是一个货物运输成本优化问题，还需要考虑铁路物流整体布局、既有货运站资源的合理利用以及城市交通等因素，这也是我们下一步研究的方向。