鐵路集裝箱空箱調運問題分析

付元帥，孫立鶴

（1.蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070；2.北京航天萬源煤化工工程技術公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730050）

集裝箱運輸作為一種重要的貨物運輸方式，由于其具有貨物損耗小、便于門到門運輸、方便多式聯運等特點得到普遍采用，成為現代化貨物運輸發展方向之一。在我國由于自然資源分布不平衡，地區經濟發展和城市布局等因素的影響，造成集裝箱貨源分布和流向存在著很大差異，導致箱流在方向上的不平衡；而各種交通方式的競爭日趨激烈，貨主對集裝箱運輸提出越來越高的要求。因此，采用調配空箱方式進行鐵路空箱回送，對提高運輸服務質量、減少運輸成本、促進集裝箱運輸的發展十分重要。

1 產生空箱調運的原因

由于地理位置、經濟發展的不同和集裝箱運輸的不平衡，造成鐵路集裝箱重空箱分布存在較大的差異，且不同地區貨物流向不同，同一地區貨源結構的不斷變化，也造成了集裝箱運量與保有量的不平衡。因此，集裝箱運輸的不平衡性是由于各地集裝箱貨源的不平衡性所致，而且導致了集裝箱空箱的產生。

集裝箱空箱調運的根本原因在于運輸需求(即需供應的空箱)與運力供給 (即可返回投入運輸的空箱)之間的不平衡，這種不平衡的原因既有客觀原因，又有主觀原因[1]。客觀原因是指非人為因素造成的物流不平衡，即集裝箱運量的不平衡引起的空箱調運，如站點進出箱數量及箱型不平衡；地區經濟發展不平衡等。主觀原因是指人為因素形成集裝箱流不平衡狀況，引起集裝箱供需矛盾。一般是由于經營方針或管理水平方面引起的，如通信手段落后，造成信息不暢；存在超期用箱和錯用箱現象等。

2 鐵路集裝箱空箱調運的特點

（1）動態性。由于需要在不同時間內對空箱調運進行決策 (包括數量和流向)，現實中的集裝箱需求量較多，空箱的需求地和供應地又隨時間產生變化，如某時期某地對集裝箱產生需求，下一個時期或下幾個時期內，該地又產生出空箱，形成空箱的供應。因此，集裝箱空箱調運是動態性的離散過程。

（2）隨機性。鐵路集裝箱空箱調運系統的隨機性主要表現在集裝箱空箱的需求和供應的產生、需求和供應的數量和時間，以及系統內影響因素等方面。

（3）復雜性。空箱調運問題的動態性和隨機性體現了其復雜性。此外，鐵路運輸系統內的空箱調運涉及不同站點、不同箱型、經濟效益、服務質量，以及不同的調運路線、調運方式等多方面，所有這些都給空箱調運帶來了極大的復雜性。集裝箱流轉過程中易產生交接不清的情況，繁多的箱型和箱種也增加了空箱調運工作的復雜性。

（4）限制性。運輸需求和供應在時間上的限制性。集裝箱運輸是一種快捷的貨物運輸方式，空箱的調運要求能夠及時保證貨物的運輸。因此，在實際調運過程中，為保證集裝箱貨主運輸需求的順利實現，不僅要滿足數量上的需求，而且還要滿足時間上的需求，否則將會導致不必要的集裝箱堆存損失與延誤損失，降低運輸效率或失信于客戶。

3 鐵路集裝箱空箱調運成本分析

（1）集裝箱空箱的自身成本。空箱自身成本包括集裝箱的折舊、集裝箱維修費用及管理費用 (不包括堆存費用) 等[2]。

（2）集裝箱空箱的運輸費用。空箱的運輸費用是指為滿足貨主的空箱需求而在不同站點之間運輸空箱所產生的費用，包括承運及發送服務費、中轉服務費、到達服務費、機車牽引費和線路使用費等[2]。

（3）集裝箱空箱的站點費用。空箱的站點費用主要包括空箱在堆場的堆存費用、空箱在站點的拖運費用和站點空箱裝卸費。

4 鐵路集裝箱空箱調運目標分析

4.1 集裝箱空箱調運應遵循的原則

空箱調運問題就是如何解決集裝箱需求與供應的不平衡問題，是控制和決策集裝箱空箱從供應地到需求地的流動問題。空箱調運問題表現為以下3個方面。

（1）空箱的調運數量——確定空箱供應地和需求地之間的空箱流動數量。

（2）空箱的調運時間——確定空箱供應地和需求地之間的空箱流動時間。

（3）空箱調運的徑路——確定空箱供應地和需求地之間的運輸徑路，并實現與重箱流徑路之間的協調。

空箱調運的核心問題就是要找到一個空箱流的OD 矩陣及與之對應的徑路表，但是這兩者之間存在著相互影響的關系，徑路表可能會改變 OD 點對之間的調整數量，而空箱調整量也同樣會使空箱流的輸送徑路發生變化。因此，空箱調運問題應是這兩者間的整體優化問題；也是在供需平衡的情況下，如何使經濟效益及客戶滿意度最大化的問題。

在空箱調運方案優化過程中，應遵循以下原則。

（1）節點站之間的空箱流采用班列的形式運送，不允許同種箱型的空箱在同一徑路上的對流，甚至不允許同種箱型的空箱在同一 OD 對上的對流。若可以采用箱種代用時，則不允許任何代用空箱在同一OD 對上的對流。

（2）同一 OD 對間的空箱流，不允許經由多條不同的徑路運輸，即同一 OD 對間的空箱流必須具有共同徑路。

（3）在保證貨物運輸和行車安全的條件下，盡量采取不同箱型之間的代用，以減少空箱調運所產生的額外走行。

4.2 集裝箱空箱調運的目標

（1）空箱調運成本最小。集裝箱空箱調運費用是安排空箱調運時發生的直接或間接的費用。主要包括發站的調出費用、卸站的調入費用，以及空箱的運輸成本。空箱托運費用與運輸距離和數量成正比。在實際生產中，空箱費率按其適用的重箱費率的40%計算，重箱費率可以根據“鐵路貨物運價表”中規定的不同箱型的運價率折費[3]。調運費用的最小化也就是實現利潤的最大化，因此，空箱調運成本最小是進行空箱調運工作要實現的一個目標[2]。

（2）貨主滿意度最大。在鐵路集裝箱運輸組織中，對貨主的用箱需求應盡可能滿足，特別是長期合作的大貨主更不能輕易甩貨。貨主對鐵路集裝箱空箱按時到達裝車站的時間要求越來越高，只有在規定時間內到達的空箱才會使貨物得到及時裝運，從而使貨主滿意。因此，為滿足貨主的運輸需求，集裝箱空箱調運應該建立空箱送達時間表，從開始調配時就考慮其時效性，這將對提高鐵路運輸服務質量、加速集裝箱周轉、提高鐵路運輸市場份額及效益具有重要的意義。

（3）優先滿足高優先級的空箱需求。綜合考慮貨物的品種和重要程度等多方面因素設定空箱需求優先等級，如軍運、搶險救災等重點物資運輸的空箱需求就擁有較高的優先級。

1次空箱調運一般不會同時實現以上所有目標，空箱調運時應分清主要目標和次要目標，先主要，后次要，根據具體情況制定空箱調運方案。

綜合空箱調運目標 (1) (2) 后，可以看出在實際的空箱調運中，客戶要求被服務的時間經常有一定的限制，即時間窗。時間窗分為硬時間窗 (HTW) 和軟時間窗 (STW)。硬時間窗是指對某客戶的服務必須在給定的時間段內進行，否則該客戶拒絕接受服務；軟時間窗是指可以不在指定的時間段內提供服務，但在此時間段外提供服務時須補償由此為客戶帶來的損失[4]。

在有時間窗的情況下，假設每項調運任務i需在時間[ai,bi]范圍內完成，其一般關系如下：

式中：τi為到達i節點的時刻；ti為在i節點等待的時間。

這是基于客戶允許的提供空箱最早和最晚到達時間提出來的，當空箱過早到達目的車站，會產生一定的場地積壓費用；若空箱到達太晚又會流失一定貨源因而產生一些無形的機會成本。機會成本不是通常意義上的“成本”，它不是一種支出或費用，而是失去的收益。這種收益不是實際發生的，而是潛在的，它是決策的相關成本，它影響管理者的決策。

4.3 最優決策的求解

在鐵路集裝箱空箱調運的過程中，經常會出現線路運輸能力不足或空箱數量不足的情況，此時決策者應選擇某一種方案使機會成本最小，其他方案可能取得的收益是實行本方案的一種代價，稱為這項方案的機會成本。因此，決策是否最優，可以通過以下4種方法求解。

（1）方法一：沒有時間窗。模型轉化為經典的“貨郎擔”問題，用動態規劃方法求得全局最優解。

（2）方法二：只有軟時間窗。若某項任務不能在規定的時間窗內完成則會增加一部分費用支出，首先假定沒有時間窗，用方法一求無時間窗下的最優成本與路徑，若路徑保持不變，則可能會違反時間窗，出現相應的堆存費與延誤費，增加成本值，系統將會改變路線，從而改變到達時間，以達到降低堆存費和延誤費來降低總成本，但改變路線又可能會導致運輸成本的增加，因此問題轉化為堆存費和延誤費的減少與運輸成本增加之間尋求最優值。

（3）方法三：只有硬時間窗。每項調運任務必須在規定的時間內完成，即必須滿足式⑴，若超過這個范圍，則得到的解為不可行解。這種情況下可以將單位時間堆存費和單位時間延誤費設置為無窮大，即必須滿足時間窗，否則不可行。

（4）方法四：同時含有軟時間窗和硬時間窗。首先不考慮硬時間窗，按方法二求得最優路徑，然后考慮硬時間窗的點，檢查是否滿足，滿足則為最優解，否則將硬時間窗單獨劃出，對剩余的點進行優化，得到最優成本及路徑。

在實際空箱調運過程中，由于受到運輸能力的限制，可能會出現不能滿足部分客戶需求的情況，而且如果等待時間過長，客戶就會選擇其他運輸方式，此時就會產生機會成本，這是空箱調運優化所應當考慮的問題，即在不能滿足所有客戶要求的情況下合理選擇客戶及調運空箱的數目，盡可能地使機會成本最小。這就需要在進行空箱調運決策時考慮重箱運輸所產生的經濟效益，在實現以上目標的前提下應保證經濟效益最大化。

5 提高鐵路集裝箱運用效率的措施

5.1 建立集裝箱管理信息系統

將現有的集裝箱設備管理系統與集裝箱追蹤系統進行整合，建立鐵路集裝箱管理信息系統，詳細記錄每個集裝箱的狀態與位置信息、作業時間信息、相關的單據與費用信息，及時把握車站集裝箱動態，將回送(到達)鐵路空箱及產生的運輸成本等納入集裝箱箱務管理系統，實現鐵路集裝箱從制造、運用、修理到報廢的全生命周期管理，實現集裝箱運輸組織精細化管理，以降低運輸成本，提高運用效率[5]。

5.2 提高集裝箱運用效率

集裝箱在站停時越長，周轉越慢，運用效率越低。因此，加強對各集裝箱辦理站集裝箱箱號的監控和追蹤管理，特別是各站門到門運輸單位的集裝箱進出站的管理。對待交箱數量較大的辦理站應加強檢查力度，督促各站減少待交箱數量，及時清理滯留箱，壓縮停留時間，加快集裝箱周轉。努力組織重箱裝車，減少回送空箱，同時擴大返程空箱的利用率，加強集裝箱各環節的管理，提高運用效率。

5.3 調整集裝箱辦理站布局

同一樞紐集裝箱辦理站數量不宜過多，整合一些到達和發送量相對較少的車站，以利于貨源的集中和集裝箱集中辦理；組建地區性物流公司，做到同一樞紐的到達箱和發送箱在同一車站，以減少回送空箱數量，降低運輸成本，提高運用效率。

5.4 組建聯營體，實現集裝箱共享

在缺乏集裝箱空箱時，可以向其他集裝箱公司租箱，通過比較租箱成本和空箱調運成本，在成本最小化原則下，確定合理的租箱數量。還可以與其他公司組建聯營體，實現與船運公司和公路集裝箱運輸公司之間集裝箱的共享。通過聯營體互相調用空箱，減少空箱調運量和車站集裝箱需備量，節省昂貴的空箱調運費和租箱費。積極與集裝箱制造企業開展合作，共同研究開發適用于鐵路運輸系統，并減少回程空箱占用空間的新箱型[5]。

另外，通過加強調度統一指揮提高集裝箱運用效率，在下達命令時考慮到“三化”——回空徑路最優化、運輸成本最小化、空箱使用效率最高化，同時還要加強運輸設備的改造，購置集裝箱專用平車用于班列車底的循環使用，以滿足集裝箱裝車的需求，減少運輸成本，提高運用效率。

[1]陸園園，李夏苗，朱曉立. 中國鐵路集裝箱的現狀及發展思考[J]. 物流科技， 2008(9)：4-6.

[2]朱文浩. 基于“價值——成本”的鐵路集裝箱空箱調運研究[D]. 長沙：中南大學， 2008.

[3]鐘 成，馮 兢. 鐵路集裝箱空箱運輸成本分析[J].經營管理，2005(3)：41-43.

[4]羅孝彬，楊容浩，鄧虎成. 帶時間窗的貨物配送方案模型及其軟件實現[J]. 成都信息工程學院學報，2005，20(2)：175-179.

[5]胡曉龍. 集裝箱空箱調運的優化模型預算法[D]. 南京：東南大學，2005.