考慮碳排放成本的水鐵聯運集卡路徑優化

秦圻　周兆欣　鹿洪霞　王士鵬　韓洋

摘 要：針對水鐵聯運集裝箱港口堆場與鐵路作業區的集卡水平運輸過程中產生的碳排放問題，以及集裝箱的運輸方式的組合，建立以碳排放成本為目標路徑規劃模型，采用變鄰域搜索算法對模型進行求解，得到引入鐵路作業區的港口碳排放集卡作業路徑的選擇結果。通過設計相關算例，利用MATLAB對模型進行求解，從而得到碳排放成本最小下的最優路徑選擇結果，據此說明該模型的可行性。

關鍵詞：碳排放成本;水鐵聯運;變鄰域搜索算法;最優路徑

中圖分類號：U691.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）10-0109-03

碳達峰和碳中和是中國乃至全球的共識，其根本目標是實現工業的高質量發展。由于外集卡集中堆場作業，消耗了能源，排放出大量的CO2以及污染氣體，環境污染也變得更加嚴重。集卡作為服務于集裝箱裝卸的工具，是集裝箱碼頭集港作業流程的關鍵環節，合理地優化集卡的調度方案對提高車輛的資源配置、減少碳排放等有著重要的影響。

在此背景下，天津港太平洋國際集裝箱碼頭通過完善節能管理機制、健全節能管理制度、執行智能化節能管理方案，逐步加強能源管理、建設綠色低碳港口[1]。同時，郭瑾研究低碳港口形成的機理，采用LMDL分解法分析我國港口碳足跡測算與表層驅動因素，從而解決綠色低碳港口建設的難度^[2]。唐國磊、秦明等人針對集卡調度模式的特征，將碳排放考慮其中，通過定量分析同貝同步的調度方式與集卡配置數量，最終結果是既減少了碳排放，又保證了裝卸效率^[3]。戈艷艷、王姍姍通過數據包絡方法和方向距離函數處理我國沿海19個港口的面板數據^[4]。喻聲頻、劉杰通過對比考慮碳排放和不考慮碳排放的多式聯運模型，提出運輸總成最小和運輸碳排量最小的多目標0-1規劃模型，提出了多式聯運的選擇方法^[5]。

為此，筆者對上述研究成果進行分析與整合，提出考慮碳排放成本下水鐵聯運港口集卡裝卸作業方案，其目的是調整原傳統港口集卡運輸方式，引入碳排放成本從而改善集卡裝卸作業環境、增強綠色低碳港口的發展概念。

1 碳排放成本計算

2.1問題描述

目前水鐵聯運碼頭采用“船舶-堆場-列車”一種調度模型^[6]。一般包括同貝同步以及單向運輸集卡作業過程以及線路，見圖1。

2.2符號與變量

2.3基本假設

為了方便建模和模型的求解，做出了如下的假設：①港口存在待裝船與待卸船;②各運輸節點運輸線路容量足夠大;③集卡集裝箱保持勻速;④集卡只能運一個40英尺集裝箱，滿載、空載情況。

2.4建立模型

由已知的符號說明建立碳排放成本的聯運集裝箱作業線路優化模型為

3求解算法

通過變鄰域搜索算法解決此類問題，這種算法由抖動過程和變鄰域深度搜索過程組成，其中抖動過程是為了避免陷入局部最優解，鄰域結構是滿足實際情況。求解步驟如下

4 數值分析

假設待卸船舶停靠于泊位1，其中有470個進口箱，待裝船舶停靠于泊位2，有440個出口箱。港口有4個堆場進口箱區和4個聯運進口箱區以及4個堆場出口箱區和4個聯運出口箱區，各進口箱區所能容納的集裝箱數量和出口箱區已堆存的集裝箱數量能滿足。箱區與泊位、箱區與箱區之間的距離保持在0.6m。集卡的空載燃料消耗率，滿載燃料消耗率，集卡速度，每輛集卡固定成本元，集卡數輛。

通過變鄰域搜素算法對考慮碳排放成本的水鐵聯運港口中集卡路徑優化模型進行求解，從而得到完成吞吐量下的最小的值為50628元，以及所對應的路勁和沿路勁裝卸量，由表1所示。

以最短目標為模型，根據所優化出來的總成本為46819元^[7]。因此，本文構建的考慮碳排放成本的優化模型得到結果更優。

5 結論

水鐵聯運集裝箱碼頭集卡路徑問題，本文從國家號召的節能減排的角度出發，考慮集卡碳排放這個因素，通過建立集卡碳排放成本的優化模型，得到在完成一次吞吐量的總成本小于傳統模型中以集卡路徑最短為目標的優化得到的總成本。

在將碳排放轉化為聯運碼頭經營成本的情況下，只考慮碳排放成本層次還不夠深入，應該可將運輸時間、可變成本、不同種類集裝箱等角度考慮進去，對水鐵聯運集裝箱港口裝卸路徑優化問題進一步探究。

參考文獻 ：

[1]陳妍.加強能源管理建設綠色低碳港口[J].集裝箱化，2018，29（07）：15-18.

[2]郭瑾.低碳港口形成機理及投資優化研究[D].大連海事大學，2020.

[3]唐國磊，秦明，李翔.集卡調度方式對集裝箱港區碳排放的影響[J].水運工程，2019（06）：46-51+62.

[4]戈艷艷，王姍姍.考慮碳排放的港口全要素生產率及影響因素分析[J].交通運輸系統工程與信息，2021，21（02）：22-29.

[5]喻聲頻，劉杰.考慮碳排放的多式聯運路徑優化[J].交通節能與環保，2018，14（06）：38-41+78.

[6]吳麗榮，胡祥培，饒衛振.考慮燃料消耗率的車輛路徑問題模型與求解[J].系統工程學報，2013，28（06）：804-811.

[7]趙金樓，黃金虎，劉馨.集裝箱碼頭的集卡兩階段路徑優化研究[J].中國管理科學，2017（4） ： 152-157.

基金項目：山東交通學院2021年研究生科技創新項目（2021YK02）。