我國鐵路集裝箱空箱調配模式優化研究

阮海濤，徐建光，黎浩東

（1.中國國家鐵路集團有限公司 辦公廳，北京 100844；2.中國國家鐵路集團有限公司 運輸調度指揮中心，北京 100844；3.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

0 引言

集裝箱作為現代物流的重要載體，具有管理便利、裝卸效率高、適用于多種運輸方式的優點。近年來，在“一帶一路”倡議、運輸結構調整、鐵路貨物運輸供給側改革等政策措施的推動下，我國鐵路集裝箱運輸呈現快速發展趨勢。截至2020年底，鐵路集裝箱保有量79萬余只，包含20 ft箱、40 ft箱、敞頂箱等多個型號。2018年與2019年集裝箱運量同比增速都超過了30%；2020年上半年，集裝箱貨物發送量1.95億t，同比增長32.3%，單日裝車最高達到33 628車。根據《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，我國鐵路將大力發展集裝箱運輸，進一步優化集裝箱運輸網絡，構建集約高效的貨運物流體系。

我國鐵路集裝箱運輸快速發展的同時，集裝箱運用管理問題，特別是空箱調配運用計劃不合理、調配效率不高等問題逐漸凸顯。我國幅員遼闊，區域間自然條件、經濟發展、貨源貨流分布差異大，決定了集裝箱箱流在空間、時間上的不平衡，空箱調配不可避免。國內外關于集裝箱空箱調配的應用研究較少，美國鐵路系統在其空車調配方面開展了深入的理論研究與實踐探索，先后經歷4個階段：一是空車固定使用，即給托運人調配特定的運輸車輛；二是研發專家支持系統、設計特定的規則來調配空車；三是實現固定周期(如一個星期)內基于優化的空車調配；四是研發動態車輛調配優化系統，實現空車調配方案滾動編制。例如，CSX，BNSF等美國鐵路貨運公司積極實踐動態空車調配優化，在20世紀90年代就研發了空車調配支持系統，實現空車的動態、點對點調配[1-2]。

從運輸企業的角度，不同客戶運輸需求的穩定性、不同品類貨物運輸效益的差異各不相同，需要優化空箱調配的空間粒度，降低空箱走行距離，提升空箱運用效率與效益；從客戶的角度，要求更加精確的空箱供應措施，需要優化空箱調配的時間粒度，以便及時滿足貨物裝箱需求。因此，優化集裝箱空箱調配模式，研究與之相適應的集裝箱空箱調配技術，不僅具有理論意義，也符合我國鐵路集裝箱運輸的現實需求。

1 鐵路集裝箱空箱調配模式分析

1.1 既有模式分析

目前我國鐵路集裝箱空箱調配采用兩級管理模式。其中，第一層級為鐵路局集團公司之間的空箱調配，由中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)運輸調度指揮中心集裝箱調度完成。國鐵集團基于各鐵路局集團公司空箱保有量統計、提報的空箱需求，制定鐵路局集團公司之間的空箱調配方案，力求實現區域之間集裝箱供需平衡。第二層級為鐵路局集團公司內部的空箱調配，由鐵路局集團公司集裝箱調度負責；基于各集裝箱辦理站的空箱保有量、提報的空箱需求等信息，在完成國鐵集團運輸調度指揮中心要求任務的基礎上，制定局管范圍內的集裝箱空箱調配方案。

在該模式下，集裝箱空箱調配通過執行調度命令來完成。每個鐵路局集團公司選定部分站點作為集結站，集裝箱排空局基于國鐵集團運輸調度指揮中心發布的調度命令，通過集結站匯集空箱，然后向有空箱需求的鐵路局集團公司的集結站排空。既有集裝箱空箱調配模式如圖1所示。目前全路空箱調配方案編制周期約為5 d，與集裝箱運用周轉時間基本相符。通過國鐵集團運輸調度指揮中心與鐵路局集團公司調度所兩層級的協調配合，可以較好地通過人工編制滿足實際需求的空箱調配方案。

圖1 既有集裝箱空箱調配模式Fig.1 Existing mode of empty container distribution

1.2 存在的問題

現有的鐵路集裝箱空箱調配模式能夠較好地適應以人工方式編制全路空箱調配方案，但隨著集裝箱運輸量的快速提升，該模式下的空箱調配質量、空箱需求滿足度、集裝箱運輸服務水平與實際運輸需求存在一定差距。既有集裝箱空箱調配模式主要存在以下問題。

（1）空箱調配的時空粒度難以適應更高運輸服務水平的要求。既有集裝箱空箱調配模式下，在空間上施行鐵路局集團公司到鐵路局集團公司、鐵路局集團公司內部兩層級的空箱調配，2個層級對于空箱調配的目的、方式具有一定差異，可能會導致全路空箱走行距離的提升；時間維度上，空箱調配方案編制周期對客戶需求時效性的滿足度相對較低。因此，從運輸企業的角度，需要細化空箱調配的空間粒度，實現集裝箱辦理站之間空箱調配方案的優化，降低空箱走行距離；從客戶的角度，空箱調配應更加精準，即細化空箱調配的時間粒度。

（2）可能導致空箱對流運輸。空箱調配對流運輸如圖2所示。一方面，根據國鐵集團運輸調度指揮中心的要求，由A向B，A向C調配空箱。另一方面，在鐵路局集團公司管內，D站對空箱需求量較大，還需從B站向D站調配空箱，由此產生一定的集裝箱空箱對流運輸。這種不合理運輸會導致空箱走行距離的提升，增加空箱調運的成本支出。

圖2 空箱調配對流運輸Fig.2 Convective transportation of empty container distribution

2 鐵路集裝箱空箱調配模式優化

2.1 “點—點”空箱調配模式設計

隨著信息化、智能化技術的發展與應用，我國鐵路集裝箱管理信息系統不斷發展完善，如集裝箱運輸全程追蹤系統實現了集裝箱位置、空重狀態、貨運需求等的大規模數據管理。在集裝箱管理數字化的基礎上，優化空箱調配流程，將既有兩層管理變為單層管理，實現全路集裝箱空箱的“點—點”調配，即“點—點”空箱調配模式。“點—點”空箱調配模式特點如下。

（1）實現全路集裝箱的扁平化管理。新模式下弱化了鐵路局集團公司層面的集裝箱空箱調配的管理，全路集裝箱將由現有兩層調配變為單層調配。國鐵集團運輸調度指揮中心基于全路集裝箱運用、空箱分布及空箱需求數據，實現全路集裝箱的統一管理，以及全路集裝箱空箱調配方案的一體化編制，鐵路局集團公司集裝箱調度則主要執行所編制方案。

（2）實現全路集裝箱辦理站間的空箱精準調配。新模式可支撐空箱在集裝箱辦理站之間直接調配，相較于既有模式，空箱調配過程更容易增加對時間維度(如滿足客戶對裝箱時間的要求)、空間維度(如更加準確地計算全路集裝箱空箱走行距離)的考慮，進而實現空箱的動態、精準調配。

（3）要求實現全路集裝箱調配方案的計算機自動編制。既有空箱調配模式下，通過分層處理，可在一定程度上簡化空箱調配方案的編制，適應當前人工編制調配方案的需求。然而，隨著集裝箱裝箱需求量日漸提升，人工編制方法無法滿足全路集裝箱辦理站之間空箱調配方案的編制需求。因此，新模式下需要基于全路集裝箱管理的數字化，通過計算機自動完成空箱調配方案的編制。

2.2 關鍵技術

2.2.1 集裝箱空車調運需求精細化分析技術

全路集裝箱空箱的精準調配與調配方案的自動化編制，其前提為集裝箱空車調運需求的精細化分析。例如，需要精準掌握全路集裝箱的箱型分布、數量分布、空箱產生規律、空箱分布規律、裝箱需求分布、集裝箱運用模式、運輸能力分析等。目前已有大數據、云計算等技術在鐵路集裝箱辦理站、港口落地運用的研究與實踐[3-4]，但全路集裝箱供需的精細化分析研究與實踐還很欠缺。中國鐵路95306、集裝箱運輸全程追蹤系統等信息系統為集裝箱空車調運需求精細化分析提供了數據基礎，可實現全路集裝箱辦理站裝卸需求、在站空箱的規律分析與多維度展示，為集裝箱空箱調配方案制定提供參考。

2.2.2 大規模空箱調配問題優化建模與求解技術

我國鐵路集裝箱辦理站超過1 800個，網絡OD規模為百萬級別。全路日均裝箱量在3.5萬箱左右，且在快速提升，集裝箱類型多樣，進一步大幅提升了問題的規模。因此，需要優化空箱調配問題模型的構建，并設計高效的求解算法，實現分鐘級甚至秒級計算求解，才能適應全路集裝箱空箱調配的日常管理需求。已有鐵路空箱調配的研究大部分是將其看作運輸問題，進而進行優化模型構建與求解[5-6]。集裝箱空箱調運具有動態性與不確定性等特點，其優化目標包括降低空箱走行距離、優先滿足重要客戶需求、提高運輸服務水平等，為適應上述特征，部分研究構建了多目標優化模型[7-8]、動態網絡流模型[9]或隨機規劃模型[10-11]等?？紤]我國集裝箱運輸網絡規模，從工程應用角度出發，可基于運輸問題優化模型或網絡流模型，在綜合權衡計算時效性與計算結果應用性的基礎上，逐步增加對箱型匹配與代用、線網運輸能力、空箱調配時效性等約束的考慮，逐步完善模型與算法設計。例如，基于運輸問題優化模型，考慮20 ft箱、40 ft箱、35 t敞頂箱3種箱型時，利用優化軟件求解計算，可在60 s以內(變量規模在400萬個以上)獲得全路“點—點”空箱調配方案。全路集裝箱空箱調配方案可視化展示如圖3所示。

圖3 全路集裝箱空箱調配方案可視化展示Fig.3 Visualized display of empty container distribution plan for the whole railway network

2.2.3 集裝箱空箱動態調配技術

通過對全路集裝箱裝箱需求、空箱保有量、空箱需求的分析可知，絕大部分集裝箱辦理站的空箱需求存在波動性。為適應集裝箱的動態運輸需求，實際應用過程中需要實現空箱的動態調配。實現動態調配的方式有以下2種。

（1）將空箱調配問題進行時間維度上的擴展，構建全路集裝箱空箱調配時空網絡。集裝箱空箱動態調配服務網絡設計如圖4所示。通過設計重箱運行弧、空箱運行弧等，在所構建的時空網絡中描述集裝箱完整的周轉過程，進而構建空箱動態調配網絡優化模型，最終實現全路空箱動態調配方案的編制。基于該時空網絡，還可將裝箱與重箱運行、空箱調配進行一體化優化，即在裝箱時便能協調考慮空箱調運，可在滿足空箱需求的基礎上，進一步降低空箱走行距離。

圖4 集裝箱空箱動態調配服務網絡設計Fig.4 Design of dynamic distribution service network for empty containers

（2）通過優化模型設計與求解方法，壓縮計算周期，通過高頻計算不斷基于新的供需數據獲得新的調配方案。美國鐵路貨運公司CSX，BNSF在研發其空車調配系統時采取了這種策略，所研發的空車調配系統的計算頻率可壓縮至15 min，且每次空車調配方案的編制時間控制在10 s以內，大幅提升了空車調配效率與效益。據測算，通過優化空車調配，每年通過壓縮空車走行距離等節省的費用超過了5 000萬美元[1]。但是，基于既有集裝箱調配方案，考慮新的空箱供需數據，構建盡可能保持既有空箱調配方案(避免產生新的調車作業)，又能從全局降低空箱走行距離的優化模型需要進行深入研究。

3 “點—點”空箱調配模式實現方式

相對于既有空箱調配模式，“點—點”空箱調配模式下空箱運用將更加精準。然而，我國鐵路網規模大、集裝箱辦理站點眾多，不同辦理站的集裝箱需求量差異較大。例如，2020年11月，我國既有集裝箱辦理站中，日均提報的空箱需求量在10箱以下的辦理站數量占比為43.64%，10 ～ 20箱的辦理站數量占比為16.59%，20 ～ 50箱的辦理站數量占比為23.07%，50 ～ 70箱的辦理站數量占比為5.57%，日均超過70箱的辦理站數量占比為11.14%。大部分站點的日均空箱需求量都較少。從組織效率、組織難度等方面考慮，在行車組織過程中難以全部實現站點到站點之間的空箱直接調配。

從技術實現的角度，可對所有集裝箱辦理站進行分級處理，分級處理的依據標準，可考慮集裝箱辦理數量、辦理量的波動系數、裝載貨物的平均價值等。在此基礎上，針對不同級別的辦理站，可采用不同的處理技術，如針對辦理量大、波動系數小的辦理站集合，可采用傳統的運輸問題優化技術方法進行辦理站間的空箱調運；針對辦理量小的集裝箱辦理站，可采用集結模式，借鑒覆蓋模型的思想對空箱調運方法進行改進與優化。進而可將全路空箱調運問題分解為幾個子問題進行求解優化，大幅壓縮問題的規模與復雜度，確保工程應用的可實施性。

從組織實現的角度，可以分2個階段逐步推進空箱調配模式的改進。第一階段，沿用既有空箱調配模式，國鐵集團編制鐵路局集團公司之間的空車調配方案，鐵路局集團公司完成管轄范圍內的空箱調配。然而，兩層級空箱調配方案都是基于“點—點”空箱調配計算結果編制，其中國鐵集團基于計算結果，以空箱走行距離最短為目標，確定各鐵路局集團公司的集裝箱集結站與空箱調配量，空箱調配量則是鐵路局集團公司A各站點向鐵路局集團公司B各站點調配空箱的總和。各鐵路局集團公司則可基于既有空箱調配模式，參考計算結果編制管內空箱調配方案。在這個過程中，還可針對集裝箱辦理站貨運需求的差異，優先實現大節點(如決策周期內的空箱產生量、空箱需求量可滿足整列空箱組織的集裝箱辦理站)之間的空箱“點—點”直接調配。統計分析可知，超過100對OD之間具備“點—點”空箱直接調配條件。第二階段，在“點—點”空箱調配技術的支持下，強化國鐵集團對全路集裝箱空箱調運的管控，逐步弱化甚至取消鐵路局集團公司層級在空箱調配計劃編制上的功能屬性，其作業重心轉移至執行國鐵集團編制的空箱調運計劃，最終實現我國鐵路集裝箱運用的一體化集中管理、大規模精細化管理。

4 結束語

在我國鐵路集裝箱運輸快速發展的大背景下，既有集裝箱空箱調配模式存在的空箱對流運輸、空箱調配精準化水平難以適應更高服務水平運輸需求等問題日益凸顯。研究提出“點—點”空箱調配模式，具有支撐全路集裝箱扁平化管理，實現集裝箱辦理站間空箱精準調配等優勢。信息化、智能化技術在鐵路集裝箱運輸管理的應用，為“點—點”空箱調配模式的實踐創造了有利條件。下一步將重點針對大規?？障湔{配優化建模與求解技術、集裝箱空箱動態調配技術開展深入研究。