多樞紐混合軸輻式鐵路冷鏈物流網絡布局優化研究

張 誠，劉守臣,2

(1.華東交通大學 交通運輸與物流學院，江西 南昌 330013；2.福建商學院 工商管理學院，福建 福州 350016)

2019年中國物流與采購聯合會冷鏈委(以下簡稱“中物聯冷鏈委”)對蔬菜、水果、肉制品、水產品、液態奶和速凍米面六大類食品的年產量進行統計，我國農產品冷鏈物流需求總量為2.256億t，比2018年增長3 690萬t，同比增長19.55%。公路是冷鏈運輸的核心方式，完成了冷鏈運輸量的90%，但公路運輸成本高而且碳排放量大。鐵路在運輸規模、安全性能、運輸成本和節能環保等方面都具有較大優勢，在中遠距離運輸中位于重要地位。但由于鐵路管理體制、運營特征以及經營特點等方面的問題，未能在我國冷鏈運輸中發揮冷鏈運輸大通道及骨干作用，近年來我國鐵路冷鏈運輸的市場份額不斷萎縮。鐵路要抓住深化實施“公轉鐵”改革這一契機，提高冷鏈運輸規模和市場份額，構建我國鐵路冷鏈運輸網絡，完善鐵路冷鏈運輸發展模式。

國外學者對軸輻式網絡問題進行了研究，O’Kelly[1]最早提出軸輻式運輸網絡模型，模型主要解決軸的位置以及輻的分派問題。隨后Matsubayashi等[2]對軸輻網絡做了深入的剖析，認為4～5個hub是實現區域總物流成本最低的最為合理的數量。同時在軸輻式網絡理論演變過程中，Cruz-rivera等[3]采用設施選址模型構建了墨西哥廢棄汽車逆向軸輻式物流網絡。Pishvaee等[4]在整合正逆雙向物流的基礎上建立軸輻式物流網絡多目標優化模型，并采用遺傳算法求解。國內學者對軸輻式物流網絡問題的研究主要側重于宏觀層面，金鳳君等[5]以我國35個機場為研究對象，構建軸輻式航空物流網絡優化模型。汪傳旭[6]采用軸輻理論規劃港口物流運輸網絡，并驗證了模型的可行性。劉沛等[7]構建軸輻式運輸模型，并采用遺傳算法求解，最后通過算例證明軸輻式網絡可以降低物流成本。丁偉等[8]以西江經濟區為研究對象確立了構建物流網絡的評價指標，構建了西江經濟區軸輻式物流網絡。姚冠新等[9]以成本為目標函數，構建混合軸輻式城鄉一體化物流網絡規劃模型，并采用禁忌搜索算法求解。文獻[10-13]分別以不同地區為研究對象，建立區域物流網絡優化模型。近年來，也有許多學者將計量經濟模型、整數模型等與軸輻理論相結合，來解決物流網絡優化問題[14-17]。

綜上所述，既有研究主要集中于區域物流網絡優化及設計等方面，對鐵路冷鏈物流網絡布局及優化等方面的研究相對較少。本文在軸輻式鐵路冷鏈物流網絡中，先將貨物匯聚到軸節點，再通過軸節點轉運到輻節點。與直通式網絡相比，軸輻式網絡提高了鐵路冷鏈物流效率，增加鐵路運輸網絡中干線的物流流量，可以發揮鐵路冷鏈運輸規模經濟效益從而降低總運輸成本，達到鐵路冷鏈運輸經濟效益最大化。

1 軸輻式鐵路冷鏈物流網絡及其構建

1.1 軸輻式網絡

鐵路冷鏈物流主要由冷鏈貨物運動過程和冷鏈貨物停頓過程構成。鐵路網和鐵路冷鏈貨運站(冷鏈倉庫)兩部分相互連結構成鐵路冷鏈物流網絡。軸輻式鐵路冷鏈物流網絡以鐵路冷鏈貨運樞紐站為軸，鐵路冷鏈貨運非樞紐站為輻。冷鏈貨物從冷鏈貨運站到達冷鏈貨運站，必須先到達一個承擔著鐵路冷鏈貨物集散功能的中間站(hub)，通過中間站的集散實現鐵路冷鏈運輸的規模經濟效益。軸輻式鐵路冷鏈物流網絡包括鐵路網、樞紐站點、次級站點和腹地站點等要素，科學合理的軸輻式鐵路冷鏈物流網絡能夠提高鐵路貨運站點之間的服務頻率，為客戶提供高效、低廉的鐵路冷鏈物流服務。

軸輻式鐵路冷鏈物流網絡模型的配置樞紐主要有單一配置和多重配置兩種[18]。單一配置軸輻式網絡模型中的每個輻只和唯一的軸連接，軸不需要篩選輻的物流要素，見圖1。多重配置軸輻式網絡模型中的輻可以連接一個或多個軸，見圖2。因為次級站點連接超過一個以上的樞紐節點，所以需要篩選站點物流要素流。

圖1 單一配置樞紐模型

圖2 多重配置樞紐模型

軸輻式鐵路冷鏈物流網絡中：Sstart為出發地集合，Sstart={S1,S2,S3}；Send為目的地集合，Send={S4,S5,S6}；S為輻集合S=Sstart∪Send；H為軸集合，樞紐地H={H1,H2,H3}。鐵路冷鏈貨物流動分為3種情況：

①冷鏈貨物由相同鐵路冷鏈貨運站運抵不同的鐵路冷鏈貨運站，如{S1}→{S4,S5,S6}。

②冷鏈貨物由不同的鐵路冷鏈貨運站運抵相同的鐵路冷鏈貨運站，如{S1,S2,S3}→{S4}。

③冷鏈貨物由不同的鐵路冷鏈貨運站運抵不同的鐵路冷鏈貨運站，如S1→{S4,S5}∪{S2}→{S4,S6}∪{S3}→{S5,S6}。

冷鏈貨物在鐵路冷鏈貨運站之間流動形成支柱鏈路和分支鏈路兩種形式，其中，支柱鏈路指樞紐貨運站(軸站點){H1,H2,H3}之間的鏈路；分支鏈路指輻到軸S1→H1∪S2→H3∪S3→H3之間的鏈路，以及軸到輻H2→S4∪H2→S5∪H3→S6之間的鏈路。

1.2 鐵路冷鏈物流綜合競爭力模型

軸輻式鐵路冷鏈運輸網絡構建步驟為

Step1基于軸輻理論采用主成分分析法確定鐵路冷鏈物流網絡軸節點的位置。

Step2基于引力模型確定鐵路冷鏈物流網絡軸節點輻射范圍。

Step3基于隸屬度模型確定鐵路冷鏈物流網絡輻節點的隸屬關系。

Step4構建軸輻式鐵路冷鏈物流網絡。

鐵路冷鏈物流軸節點的界定依據為各省份鐵路冷鏈物流綜合競爭力。根據我國鐵路冷鏈物流的發展現狀，通過查閱相關文獻以鐵路冷鏈物流綜合競爭力為一級指標，社會經濟、鐵路貨運量、人力資源和冷鏈基礎設施等為二級指標，人均GDP、第一產業增加值等14個指標為三級指標構建我國鐵路冷鏈物流綜合競爭力評價指標體系，見表1。

表1 鐵路冷鏈物流綜合競爭力一級指標體系

為消除鐵路冷鏈物流綜合競爭力評價指標之間內在聯系對評價結果的影響，采用主成分分析法求解評價指標中的關鍵指標，以累計方差貢獻率達到90%所對應的指標為主成分，并根據我國鐵路冷鏈物流綜合評分確定樞紐省份的備選點。主成分分析法相關系數為

(1)

特征值λ為

|R-λI|=0

(2)

式中：R為相關系數矩陣；I為單位矩陣。

貢獻率ci為

(3)

前n個主成分的累計方差貢獻率cn為

(4)

主成分為

yi=kijxj

(5)

式中：kij為主成分載荷。

基于主成分得分公式求解前n個主成分得分yi，將yi線性組合形成鐵路冷鏈物流網絡節點綜合評價函數C綜，即

(6)

根據主成分評價函數計算各鐵路冷鏈物流節點的綜合得分，得分越高冷鏈物流發展水平越高，成為軸節點的可能性越大，對各省份鐵路冷鏈物流發展水平綜合得分進行排序，選擇前m個節點作為備選軸節點的集合。

1.3 鐵路冷鏈物流吸引力模型

基于引力模型求解各省份之間的鐵路冷鏈物流引力值，確定軸輻式鐵路冷鏈物流網絡中軸心省份的輻射范圍。引力模型即萬有引力模型，主要功能是計算物體間的相互引力，引力與物體間距離負相關，與物體重量正相關，各省份間鐵路冷鏈物流的吸引力Fkl為

(7)

以我國的省級行政單位作為樣本，采用引力模型求解各省份之間的聯系值，其中引力模型中的物流質量值為各省份鐵路冷鏈物流綜合競爭力值?？紤]我國疆域遼闊以及鐵路網絡的復雜性，采用各省份間(省會到省會間的距離)的時間成本距離進行計算，對傳統引力模型進行修正，計算公式為

(8)

(9)

本文將式(9)中貨運列車行駛速度分為3類：普速貨運列車的平均速度為80 km/h，快速貨運列的車平均速度為 120 km/h，高速鐵路貨運列車的平均速度為300 km/h。

1.4 軸心省份輻射范圍分析

基于軸輻理論確定我國鐵路冷鏈物流的軸心省份，結合各省份間鐵路冷鏈物流引力值求解鐵路冷鏈物流隸屬度，根據隸屬度重構鐵路冷鏈物流網絡。根據鐵路冷鏈物流隸屬度，分析軸心省份的鐵路冷鏈物流的影響范圍，隸屬度為

(10)

式中：Pkl為節點省份k與軸心省份l的鐵路冷鏈物流隸屬度。

2 軸輻式鐵路冷鏈物流網絡實證分析

2.1 基礎數據

根據國家及各省份統計年鑒、中物聯冷鏈委相關數據[19]整理得到影響鐵路冷鏈物流發展指標的原始數據,見表2。以我國省級行政單位為樣本(港澳臺除外)計算鐵路冷鏈物流綜合競爭力。

表2 各省份鐵路冷鏈物流競爭力指標基礎數據

2.2 各省份鐵路冷鏈物流競爭力

基于主成分分析對各省份鐵路冷鏈物流綜合競爭力評價指標降維，采用SPSS21.0軟件平臺求解得到不相關變量記為P1、P2、P3、P4、P5。5個不相關變量的累計方差貢獻率為91.872%，能夠反映鐵路冷鏈物流綜合競爭力的真實情況，所以模型新變量為5個主成分，見表3。

表3 主成分列

選擇P1、P2、P3、P4、P55個因子作為主成分進行分析，得到因子載荷矩陣，見表4。由表4可知，主成分P1對X5、X9、X13的解釋力度較大，主成分P2對X1、X3、X4、X6、X14的解釋力度較大，主成分P3對X7、X8的解釋力度較大，主成分P4對X2、X12的解釋力度較大，主成分P5對X10、X11的解釋力度較大。

表4 因子載荷矩陣

因子得分矩陣為

P1=0.247 57X1+0.336 12X2+0.209 41X3+

0.209 99X4+0.354 29X5+0.234 35X6-

0.034 75X7+0.069 18X8+0.346 13X9+

0.281 83X10+0.338 22X11+0.155 41X12+

0.361 21X13+0.288 27X14

(11)

P2=-0.364 26X1-0.128 89X2+0.429 00X3+

0.428 11X4+0.160 21X5-0.390 46X6+

0.117 26X7+0.217 28X8-0.013 88X9-

0.114 99X10-0.015 11X11-0.340 36X12-

0.064 03X13+0.332 72X14

(12)

P3=-0.014 93X1+0.133 37X2+0.065 15X3+

0.104 94X4+0.071 39X5-0.096 29X6-

作為一名教育史專業的學生，適當多讀一點經濟學方面的書，掌握一些經濟學的方法論也是很有必要的。因為教育它不是獨立的存在于設種種，它與經濟有著密切的聯系。經濟學應該是經世濟民之學，是到“生而知之”，及“及其知之一也”。學習有關經濟學的文獻時，要從中體悟經濟學的本體；學習理論模型時，要留意各種事物的特性、每種選擇的風險和機會成本等。“盡信書則不如無書”，要養成不斷將所學理論和所知經驗事實進行比對的習慣。如此，才能更好的立足本職，才能更好地進行教育研究，更為深入的觀察各種教育經濟現象，深刻的了解當時的教育，對教育史進行全方面的研究有百利而無一害。

0.681 14X7-0.636 06X8+0.023 08X9-

0.149 70X10-0.079 95X11-0.219 74X12+

0.055 60X13+0.055 86X14

(13)

P4=-0.036 30X1+0.398 16X2-0.246 13X3-

0.204 71X4+0.075 88X5-0.130 62X6+

0.457 14X7-0.195 97X8+0.262 45X9-

0.005 65X10-0.158 08X11-0.570 16X12+

0.209 14X13-0.068 89X14

(14)

0.009 96X4+0.131 96X5-0.109 24X6+

0.399 69X7-0.479 82X8+0.173 81X9-

0.466 18X10+0.347 72X11+0.406 56X12-

0.172 31X13+0.056 64X14

(15)

式(11)～式(15) 中的X為標準化后的數據，計算結果見表5。

表5 因子得分矩陣

最后，計算每個省份的綜合得分C綜為

(16)

式中：λi為第i個主成分的特征值。

由式(16)得到各省份鐵路冷鏈物流競爭力得分及排名見表6。由表6可知，各省份鐵路冷鏈物流綜合競爭力值，廣東得分最高，達到11.523 23，其次是山東、江蘇和四川,處于第1 層，為一級鐵路冷鏈物流樞紐省份；浙江、河北、河南、湖南、安徽、湖北和福建處于第 2 層次，為二級鐵路冷鏈物流樞紐省份；其余省份為三級鐵路冷鏈物流樞紐省份。

表6 各省份綜合競爭力排名

2.3 軸輻式鐵路冷鏈物流網絡樞紐輻射范圍

將相關參數代入引力模型計算得到我國各省份間鐵路冷鏈物流吸引力F，見表7。

表7 各省份間鐵路冷鏈物流吸引力

表7中,廣東，山東、江蘇和四川對其他省份有強吸引力；浙江、河北、河南、湖南、安徽、湖北和福建等省對其他省份有較強的吸引力。本文選擇廣東，山東、江蘇和四川等省份為一級鐵路冷鏈物流樞紐省份，浙江、河北、河南、湖南、安徽、湖北和福建等省為二級鐵路冷鏈物流樞紐省份，其余省份為三級鐵路冷鏈物流樞紐省份。

結合我國各省份間鐵路冷鏈物流引力值，由式(10)求解鐵路冷鏈物流隸屬度，基于此重構我國鐵路冷鏈物流網絡，根據鐵路冷鏈物流隸屬度分析軸心省份鐵路冷鏈物流的輻射范圍，計算結果見表8。

表8 各省份鐵路冷鏈物流隸屬度

2.4 軸輻式鐵路冷鏈物流網絡構建

根據各省份鐵路冷鏈物流的綜合競爭力水平，同時考慮各省份鐵路冷鏈運輸基礎設施現狀、冷鏈物流需求、地理位置以及鐵路冷鏈物流的發展潛力等，由表6可知，廣東、山東、江蘇等11省鐵路冷鏈物流綜合競爭力得分均超過1分，作為我國鐵路冷鏈物流網絡樞紐省份是合理的。由表7可知，廣東、山東、江蘇等11省份對其他省份有較強的吸引力，作為我國鐵路冷鏈物流網絡的備選軸節點也是合理的。由表8可知我國各省份的隸屬關系，驗證了鐵路冷鏈物流網絡軸節點布局是合理的，進而確定鐵路冷鏈運輸通道。本文初步構建了軸輻式鐵路冷鏈物流網絡，根據鐵路冷鏈物流軸節點在路網中的作用及服務區域不同，將鐵路冷鏈物流節點分為一級節點、二級節點和三級節點。

根據鐵路冷鏈運輸強度和鐵路沿線冷鏈產品的產銷情況，綜合考慮鐵路冷鏈運輸成本，在廣東、山東、江蘇和四川等四省建設一級鐵路冷鏈物流節點，負責全國或區域性鐵路冷鏈物流集散與分撥任務。在浙江、河北、河南、湖南、安徽、湖北和福建等省建設二級鐵路冷鏈物流節點，負責區域性或地區鐵路冷鏈物流集散與分撥任務。形成一環鐵路冷鏈運輸主通道、兩縱兩橫鐵路冷鏈運輸主通道和11放射冷鏈運輸次通道的兩級鐵路冷鏈運輸通道，最終實現鐵路冷鏈物流南北貫通，東西調運鐵路冷鏈運輸網絡。以各省份間的最短鐵路線路作為運輸通道，確定鐵路冷鏈運輸網絡結構，使用地圖慧繪制軸輻式鐵路冷鏈物流網絡圖，見圖3 。

圖3 軸輻式鐵路冷鏈物流網絡

3 我國軸輻式鐵路冷鏈物流網絡發展措施

為了加快我國鐵路冷鏈運輸的發展速度，①對我國鐵路冷鏈物流網絡進行布局優化，科學合理的節點布局有利于降低鐵路冷鏈運輸成本、提高鐵路冷鏈運輸效率和服務水平;②充分發揮我國鐵路運輸的優勢，借鑒國外鐵路冷鏈物流的優點，走新時代有中國特色的鐵路冷鏈運輸發展道路;③依托現代物流信息技術，逐步提高我國鐵路冷鏈物流信息化水平，實現鐵路冷鏈貨物實時追蹤，進而提高鐵路冷鏈物流效益；④依據鐵路冷鏈物流運輸結構適當調整鐵路冷鏈車輛結構，發揮我國鐵路網優勢，提高鐵路冷鏈運輸市場份額和競爭力，推動鐵路冷鏈運輸健康快速發展[20]。具體措施如下：

(1)完善鐵路冷鏈樞紐功能。廣東、山東、江蘇和四川是我國軸輻式鐵路冷鏈物流網絡樞紐省份，作為鐵路冷鏈物流網絡的軸，實現鐵路冷鏈物流集散、轉運、包裝和分揀等物流職能。軸的效率是軸輻式鐵路冷鏈物流網絡的核心，所以加強軸的冷鏈基礎設施設備建設、優化鐵路網絡布局和提升鐵路冷鏈物流效率是未來鐵路冷鏈物流主要發展方向[18]。

(2) 給予相應的政策支持。在綜合考慮我國鐵路冷鏈發展現狀和借鑒國外鐵路冷鏈發展經驗的基礎上，對鐵路冷鏈運輸規則進行全面修訂，為我國鐵路冷鏈運輸的快速發展提供科學依據和技術支持。鐵路冷鏈運輸的發展離不開政府和有關部門的政策支持，如在一、二級鐵路冷鏈樞紐省份建設鐵路冷鏈物流中心或地面預冷站；大力發展鐵路冷鏈集裝箱溯源技術；鼓勵冷鏈物流企業采用鐵路運輸冷鏈產品并給予運費補貼等，在政府和有關部門的大力支持下我國鐵路冷鏈運輸的發展前景會更好。

(3)優化鐵路冷鏈運輸工具的構成。提高鐵路冷藏車的溫控水平、制冷能力以及隔熱性能，在運輸全過程中對車內溫度實現智能控制和實時監控，從而提高鐵路冷藏車的技術性能。改變鐵路冷藏運輸工具的構成，加快推進冷藏集裝箱、單機冷藏車和冷藏周轉箱等新型鐵路冷鏈運輸工具的使用。鼓勵采用冷藏集裝箱降低運輸成本，提高運輸效率。

(4)創新鐵路冷藏車運輸組織模式。研發鐵路冷藏車運輸輔助管理系統，在各鐵路路局建立鐵路冷藏車運輸調度網，基于區塊鏈、物聯網、RFID、GIS和GPS等物流信息技術，對鐵路冷藏車運輸進行動態監管，解決鐵路冷藏車運行動態監管的難題。在一、二級核心樞紐間開行鐵路冷鏈貨運快列，提高鐵路冷鏈運輸速度和運輸頻率；在條件允許時在一、二級核心樞紐間，探索開通高鐵冷鏈專列，提高鐵路冷鏈運輸的時效性。

4 結論

本文基于軸輻理論，采用主成分分析法計算各省份鐵路冷鏈物流競爭力的排名，根據排名確定鐵路冷鏈物流節點等級；采用引力模型對鐵路冷鏈物流軸心省份的輻射范圍和隸屬度進行分析，并根據各省份的地理位置及鐵路冷鏈物流競爭力指數，構建我國軸輻式鐵路冷鏈物流網絡。對促進我國鐵路冷鏈物流的發展具有一定的參考價值，可以為鐵路冷鏈物流規劃提供了一定的理論指導。