基于協同學原理的集裝箱多式聯運系統優化

王永立，徐 威

(1.新國線運輸集團有限公司，廣東 深圳518049;2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031)

0 引言

集裝箱多式聯運是一種以實現貨物整體運輸的效益最優化為目標的聯運組織形式.它通常以集裝箱為運輸單元，將不同的運輸方式有機地組合在一起，構成連續的、綜合性的一體化貨物運輸.多式聯運的特點是由多式聯運經營人與托運人簽訂一個運輸合同，統一組織全程運輸，實現運輸全程的一次托運、一單到底、一次收費、統一理賠和全程負責.因此，實行以集裝箱為運輸單元的多式聯運可以降低運輸成本、提高運作效率、提高服務質量［1］.正是由于集裝箱多式聯運有以上優勢，如何利用我國的地理情況以及交通狀況，構建集裝箱多式聯運系統，充分發揮集裝箱多式聯運的優勢，顯得至關重要.目前，國內外學者對此進行了一定研究.主要研究內容有：以影響集裝箱多式聯運的某一因素進行探討［2］，比如以運輸費用最小、或者以運輸時間最短為目標建立集裝箱多式聯運模型.也有綜合考慮多因素而建立模型［3-5］，但在這方面的研究甚少;同時也有關于集裝箱空箱調度的問題研究;關于集裝箱多式聯運的運作機制、組織協調、發展策略等的研究［6-7］.此外，也有學者對集裝箱多式聯運通道的一般運行機理進行研究.這些內容中關于集裝箱多式聯運系統中各因素的協調優化研究較少，因此，本文在重點分析了多式聯運系統相關因素的基礎上，建立了基于協同學原理的集裝箱多式聯運規劃模型，并運用模型求解實例.以期進一步豐富集裝箱多式聯運理論體系內容.

1 集裝箱多式聯運系統的協同關系

協和學，是德國物理學家H·哈肯在研究激光理論的基礎上，于20世紀70年代提出的，是一門關于系統內諸子系統相互合作、相互作用的規律的科學.協同學的研究對象是非平衡開放系統中的自組織及形成的有序結構.由子系統組成的大系統總有一個相對穩定的宏觀結構，這個宏觀結構是各個子系統相互競爭、合作而形成的模式，各子系統之間的協同作用與競爭關系決定著系統從無序到有序的演化過程［8］.

多式聯運通道、各種運輸方式、集裝箱是構成集裝箱多式聯運系統的最基本的三要素.集裝箱是進行集裝箱多式聯運的源和流，多式聯運通道、各運輸方式是進行多式聯運的體和渠.而在多式聯運通道和各運輸方式之間又存在著既可能相互促進、也可能相互制約的協同關系.集裝箱、多式聯運通道、各種運輸方式的協同性決定或影響到多式聯運活動的效率、水平和質量.

從多式聯運的角度看，集裝箱、多式聯運通道、各種運輸方式的協同關系可用圖1表示.

圖1 集裝箱多式聯運系統三角形關系圖

整體看這三者之間的協同關系，可以從兩種循環關系來理解：首先，可以從順時針看它們間的協同關系.由于對集裝箱的利用產生集裝箱貨源，而對貨物的運輸需要利用各種運輸方式，從而集裝箱是運輸方式本源性的需求.多式聯運即各種運輸方式的聯合運輸，各種運輸方式需要通過一定的途徑進行轉運，從而提高集裝箱運輸的效率、質量.這一途徑就是利用多式聯運通道.集裝箱多式聯運通道相對一般集裝箱中轉站、貨運站有更強的輻射能力，充分吸取周圍集裝箱貨源，形成向外輻射的經濟帶.從這個循環的協調關系中可以看出，集裝箱貨源是多式聯運的基礎，重視集裝箱貨源是實施集裝箱多式聯運戰略的關鍵舉措.

再從逆時針方向分析.進行集裝箱運輸有著非常明顯的優勢，這必將會帶來集裝箱運輸、貨物集裝箱化的大力發展，這對多式聯運通道的進一步發展提供了決策依據.多式聯運通道為各種運輸方式提供一定場所、服務設施，促進各種運輸方式的協調發展，從而帶來更大的社會和經濟效益.充分運用各種運輸方式能夠實現集裝箱“門到門”運輸，完成貨物空間位移.從這個循環的協同關系分析中，可以得出如下結論：要實現集裝箱多式聯運的社會和經濟效益，各種運輸方式的聯合運輸有著其邏輯必然性，而多式聯運通道在其發展過程中因考慮不同地區的情況，因地制宜，適時發展.

2 集裝箱多式聯運系統的協同優化模型

2.1 協同理論

集裝箱多式聯運系統是由集裝箱、運輸方式、多式聯運通道構成復合系統.基于協同學原理的集裝箱多式聯運系統優化分析，就是協調集裝箱貨物、各種運輸方式、集裝箱多式聯運通道的關系，保持其間的動態平衡，達到集裝箱充分利用、運輸方式合理搭配、多式聯運通道集約高效的狀態.

協同學研究表明，系統處于相變點的變量可分為快、慢弛豫兩類變量，慢弛豫變量也稱為系統的序參量，它決定系統的演變方向，系統由無序走向有序的關鍵在于系統內部序參量之間的協同作用.集裝箱多式聯運系統中，集裝箱需求是快變量，運輸方式及通道是慢變量［8］.

集裝箱多式聯運系統可以近似看做是由集裝箱子系統、運輸方式子系統、集裝箱多式聯運通道子系統組成.基于協同學原理的集裝箱多式聯運系統優化的協同特征就是通過對集裝箱、運輸方式、多式聯運通道子系統中的序參量進行調節、控制，提高它們的協同作用，實現集裝箱多式聯運系統的有序發展.

2.2 協同模型

2.2.1 集裝箱子系統

集裝箱子系統主要是對集裝箱的調用，在其使用過程中會產生相應的效益.因此，集裝箱子系統可以將集裝箱利用效益作為目標函數.設Xi表示第i種集裝箱利用數量;Ci表示集裝箱利用的價值系數;bi表示可供利用的集裝箱數量.其模型可以表示為：

其中，式(1)為目標函數，表示利用集裝箱所產生的效益要最大;式(2)表示使用的集裝箱數量不能超過可供利用的集裝箱數目;式(3)表示決策變量為非負約束.

2.2.2 運輸方式子系統

在多式聯運中，通過各種運輸方式的無縫銜接，即可縮短運輸時間，亦可同時減少運輸成本.運輸方式子系統即建立各種運輸方式的組合優化模型，選擇合適的運輸方式或線路以最小的費用完成貨物運輸.考慮到目前集裝箱空運與其他運輸方式在標準上很難統一，本文僅就鐵路、公路、水運等運輸方式進行探討.各運輸方式轉運可用圖2表示.其中階段1表示集裝箱貨物經多式聯運通道分配給鐵路、公路、水路等運輸方式，階段2表示貨物經上述三種運輸方式聯合運輸后將貨物運達目的地.

圖2 運輸方式組合圖

由圖2可以看出，貨物經由多式聯運通道運至目的地有這樣3部分費用組成：多式聯運通道處將貨物分配給鐵路、公路、水路等運輸方式時產生的費用、貨物運輸產生的費用、貨物轉運時產生的費用.將多式聯運通道看做網絡的源，將目的地看做匯，各運輸方式看做網絡的節點，則運輸方式子系統可以簡化為網絡的流問題，該問題中節點代表運輸方式的同時也表明下段線路所采取的運輸方式.

結合上述說明，建立從多式聯運通道至目的地的運輸費用模型如下［3-4］：

式中，Ciij表示以運輸方式i將貨物從節點i運至j時單位運量單位運輸距離的單價;Lij表示節點i與j之間的距離;dijj表示節點j處將運輸方式由i轉為j時單位運量的中轉費用，若節點處不存在運輸方式中轉，此時dijj=0;q為運輸量，qij表示i到j這條運輸路線的運能.

式(4)為目標函數，它表示運輸過程中總費用最小，有兩部分組成：運輸費用、中轉費用.式(5)表示決策變量的取值為0或1.式(6)表示運輸量不能超過運輸線路的運輸能力.式(7)表示在某節點處，若存在運輸方式轉換，則只能存在一種轉換.

2.2.3 多式聯運通道子系統

集裝箱樞紐港中鐵路、公路、水路等多種運輸方式的設施配置在一定程度上會受多式聯運通道規劃的影響.多式聯運子系統主要考慮通道內各運輸方式因能力不足而帶來的懲罰費用.設Q表示通道處實際貨量，Si表示第i種運輸方式因能力不足或過剩而導致的每單位貨物的懲罰費用.Qi表示通道處第i種運輸方式所能承受的最大max運量，Qimin表示通道處第i種運輸方式所能承受的最小運量.該模型表示如下：

式(8)為目標函數，它表示因運輸方式能力不匹配而帶來的懲罰費用.

2.2.4 協同模型

根據協同學原理，有序度作為序參量的狀態函數，可以表征系統有序或混亂的度量，可以引入有序度的概念來衡量各子系統之間的協同作用，判斷系統的演化方向.對于集裝箱多式聯運系統，包含集裝箱、各運輸方式、多式聯運通道以及多類序參量，衡量各類序參量對系統有序度的貢獻，通過序參量對子系統有序度貢獻進行集成.基于協同學原理的集裝箱多式聯運系統優化配置可以用式(9)表示：

式中，f1(x)，f2(x)，f3(x)為集裝箱、各運輸方式、多式聯運通道子系統優化模型的3個目標函數;a1，a2，a3為各目標函數權重參數.由上述3個子系統可以看出，集裝箱貨量貫穿模型始終，因而從系統的角度看，對集裝箱多式聯運進行協調研究是有必要的.

上述三個子系統的目標不盡相同，但由于集裝箱子系統的目標效益由運輸方式子系統目標的確定而確定，故求解時集裝箱子系統模型在F(x)中不予考慮.則基于協同學原理的集裝箱多式聯運系統優化配置可以表示為：

3 算例

現有一批貨物欲從某運能足夠大的集裝箱樞紐港S運至目的T，二者之間可以利用的運輸方式網絡圖如圖3所示.A1、B1表示鐵路運輸，A2、B2表示公路運輸，A3表示水路運輸.各節點間的距離、線路運能、運輸費用如附表.假設當貨運量為900 t及1 000 t時，分別求解可行的運輸線路方案.

圖3 運輸方式網絡圖

附表 各節點間不同參數值

根據上述協同優化模型，運用0～1算法進行求解.當貨運量為900 t時，選取的運輸路徑為S→A1→B1→T，即全程采用鐵路運輸，總費用為59 661元.當貨運量為1000 t時，選取的運輸路徑為S→A3→B2→T，即先采用內河水路運輸，然后采用公路運輸，總費用為77 520元.

4 結論

集裝箱多式聯運系統由集裝箱、各運輸方式、多式聯運通道等子系統組成，在分析各子系統協同關系的基礎上，建立各子系統優化模型，確定集裝箱多式聯運系統優化配置模型，并通過實例對模型進行驗證.在建模的過程中，由于賦予節點雙重含義，從而將模型簡單化，這給求解帶來了極大的方便.

文章從協同學的角度考慮了影響集裝箱多式聯運效率、效益的相關因素，對集裝箱多式聯運系統研究起到了一定的參考作用.當然，發展集裝箱多式聯運還需考慮的因素很多.因此，仍需進一步研究集裝箱多式聯運系統的相關理論，以促進我國集裝箱多式聯運的快速發展.

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