劉道寬，盧勇利，沈學明，朱昌鋒

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 道路交通設計研究院，湖北 武漢 430063；2.蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

鐵水聯(lián)運是多式聯(lián)運的重要組成部分，不僅可以提高運輸效率、降低物流成本及運輸能耗、改善環(huán)境質量，還是實現(xiàn)交通優(yōu)勢融合互補發(fā)展的必然選擇。港口作業(yè)區(qū)是鐵水聯(lián)運的關鍵節(jié)點，港口作業(yè)區(qū)布局規(guī)劃的合理性，不僅制約著鐵水聯(lián)運港口的建設及其后期的改擴建、相關設施的配置等問題，也直接影響著鐵水聯(lián)運港口的作業(yè)效率與運營成本。因此，應加強鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)的布局方法研究。

國內外學者圍繞集裝箱場布局[1-2]和鐵路物流中心功能區(qū)布局[3]進行大量的研究。近年來，隨著鐵水聯(lián)運的快速發(fā)展，韓曉龍等[4]運用仿真分析法對鐵水聯(lián)運港站集裝箱裝卸工藝進行研究；李羽逍等[5]提出鐵水聯(lián)運港站集裝箱作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化模型及算法；錢繼鋒等[6]研究“岸橋—集卡—堆場”雙向作業(yè)的協(xié)同優(yōu)化模型；Héctor[7]對鐵水聯(lián)運港站集裝箱作業(yè)區(qū)設施配置的優(yōu)選理論進行分析；劉勇[8]對鐵水聯(lián)運條件下集裝箱疏運的運輸組織優(yōu)化進行深入研究；溫念慈等[9]通過引入系統(tǒng)布置法(Systematic Layout Planning，以下簡稱“SLP 法”)對湛江港寶滿港區(qū)集裝箱作業(yè)區(qū)系統(tǒng)布局進行優(yōu)化；鄭斯斯等[10]提出鐵水聯(lián)運港口集裝箱作業(yè)區(qū)裝卸設備選型的多目標決策模型。

既有研究大多僅運用SLP 法對集裝箱場及物流中心功能區(qū)的布局進行研究，當港口作業(yè)區(qū)數(shù)量較多或需要不斷調整港口作業(yè)區(qū)布局方案時，工作量相對繁重；而運用SLP 法和數(shù)學模型法研究僅考慮集裝箱作業(yè)場作業(yè)區(qū)的布局優(yōu)化，對港口作業(yè)區(qū)總體的布局優(yōu)化缺乏考慮。因此，鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局布局優(yōu)化應通過融合兩階段耦合優(yōu)化思想，運用SLP 法分析鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)的物流關系和非物流關系，得出鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)的綜合關系，進而構建港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化模型得出港口鐵水聯(lián)運作業(yè)區(qū)布局方案。

1 我國鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局綜合分析

1.1 鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)組成

鐵水聯(lián)運港口在傳統(tǒng)集裝箱港口的基礎上引入鐵路作業(yè)區(qū)，集物流基地、物流樞紐和物流節(jié)點于一身，是完成鐵路系統(tǒng)和水運系統(tǒng)無縫銜接的集散地，也是整個多式聯(lián)運網絡上不可缺少的環(huán)節(jié)。根據(jù)港口的服務性質，鐵水聯(lián)運港口包含多種功能作業(yè)區(qū)，各功能作業(yè)區(qū)相互關聯(lián)、協(xié)同運作，共同完成鐵水聯(lián)運的任務。受貨物品類、作業(yè)量和地理位置等方面的影響，不同的鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)的組成具有一定差異性，但基本布局主要由碼頭前沿岸橋作業(yè)區(qū)、集卡走行區(qū)、海運箱區(qū)堆場、鐵水聯(lián)運箱區(qū)堆場和鐵路作業(yè)區(qū)等功能作業(yè)區(qū)組成。鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)組成如圖1 所示。

鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)是一個非常大的系統(tǒng)，不僅包括碼頭前沿、堆場及鐵路作業(yè)區(qū)等基本的運輸作業(yè)區(qū)，還需要設置物流輔助增值服務區(qū)及相關設施的配套區(qū)。傳統(tǒng)的水運港口引入鐵路作業(yè)區(qū)，實現(xiàn)水鐵聯(lián)運無縫銜接、提高作業(yè)效率的同時，也增加了聯(lián)運港口的功能作業(yè)區(qū)數(shù)量。各作業(yè)區(qū)在港口內空間資源上的合理位置布局關系，不僅影響鐵水聯(lián)運的運輸效率、作業(yè)質量與作業(yè)成本，也將影響整個多式聯(lián)運網絡的服務水平，其布局必須考慮鐵路、水運等運輸方式之間的相互配合，還需要考慮不同功能作業(yè)區(qū)的作業(yè)特點，以及與港口內其他功能作業(yè)的密切配合。

圖1 鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)組成Fig.1 Composition of operation area of railway-water intermodal transport port

1.2 基于SLP 法的鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)綜合關系分析

SLP 法是美國學者Richard Muther 提出的一種以圖表數(shù)據(jù)分析為工具，以各功能作業(yè)區(qū)之間的關聯(lián)程度為分析基礎的設施布局規(guī)劃方法，具有條理性強、適用范圍廣等優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應用于工廠、機場、圖書館等具有多種作業(yè)區(qū)項目的規(guī)劃設計布局優(yōu)化及其改擴建的布局調整領域。根據(jù)一般鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)的功能及其組成，運用SLP 法進行鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化時，事先不考慮各作業(yè)區(qū)的所需面積和幾何形狀，依據(jù)各作業(yè)區(qū)之間的綜合關系，確定各作業(yè)區(qū)在平面空間內的相對位置，實現(xiàn)鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化的第一階段目標。根據(jù)鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)的組成，將鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)劃分為基本功能區(qū)、輔助功能區(qū)、綜合配套服務區(qū)和預留發(fā)展區(qū)4 類。

鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)綜合關系分析作為兩階段耦合優(yōu)化的第一階段，是鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局的基礎?？紤]到鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)之間既存在物流關系，又存在非物流關系，在鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化時，可以根據(jù)各作業(yè)區(qū)之間的物流關系和非物流關系，分析確定各作業(yè)區(qū)之間的綜合關系。物流關系是指港口各功能作業(yè)區(qū)之間的物流強度(包括貨物交換量及交換頻度)，而非物流關系是指人員及設備之間的流程關系及考慮管理協(xié)調、操作環(huán)境和安全需要應保持的關系等。結合鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)的功能、各作業(yè)區(qū)之間的貨物交換量、交換頻度及其關聯(lián)性，將其物流關系、非物流關系分別劃分為A (極度相關)，E (特別相關)，I (強相關)，O (一般相關)，U (不相關)和X (特別不相關)共6 個等級。鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)間物流關系如圖2 所示，鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)間非物流關系分別如圖3 所示。

圖2 鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)間物流關系Fig.2 Logistics relationship among operation areas of railway-water intermodal transport port

圖3 鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)間非物流關系Fig.3 Non-logistics relationship among operation areas of railway-water intermodal transport port

根據(jù)鐵水聯(lián)運港口實際，確定物流關系與非物流關系之間的權重，將加權后的結果轉化為A，E，I，O，U，X 共6 個等級，最終獲取鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)之間的綜合關系。鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)間綜合關系如圖4 所示。

2 鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化模型構建

在確定鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)綜合關系的基礎上，為提高鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)的布局效率，基于港口作業(yè)區(qū)綜合關系，構建鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化模型。該模型作為兩階段耦合優(yōu)化的第二階段，是鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局的關鍵所在。假設鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)均為矩形且均在同一平面內，各作業(yè)區(qū)的幾何中心坐標為(xi，yi)，長度為li，寬度為wi，而且各作業(yè)區(qū)只有水平和豎直2種布置方式。各作業(yè)區(qū)平面坐標示意圖如圖5 所示。

圖4 鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)間綜合關系Fig.4 Comprehensive relationship among operation areas of railway-water intermodal transport port

圖5 各作業(yè)區(qū)平面坐標示意圖Fig.5 Diagram of plane coordinates of each operation area

考慮到鐵水聯(lián)運港口受到建設成本、場地面積、出入口和固定約束的限制，而且鐵水聯(lián)運港站各作業(yè)區(qū)域相互獨立，互不干擾，以物流作業(yè)成本最小和綜合關系度最大為優(yōu)化目標，構建鐵水聯(lián)運港口作業(yè)布局優(yōu)化模型如下。

s. t.

式中：Z1為鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)物流成本，元；Z2為鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)綜合關系度；n 為作業(yè)區(qū)數(shù)量；cij為作業(yè)區(qū)i，j 間的單位距離搬運成本，元/m；fij為作業(yè)區(qū)i，j 之間的日均物流量，t/d；dij為作業(yè)區(qū)i，j 之間的曼哈頓距離，m，dij= | xi-xj| + | yiyj|；Tij為作業(yè)區(qū)i，j 之間的綜合關系值，A，E，I，O，U，X 所代表的綜合關系值分別為4，3，2，1，0，-1；bij為作業(yè)區(qū)i，j 之間的接近度，各作業(yè)區(qū)接近度取值如表1 所示；zs為作業(yè)區(qū)單位面積成本，元/(m2· 月)；L，W 分別表示港口規(guī)劃區(qū)域的水平邊長和豎直邊長，m；li，wi分別為作業(yè)區(qū)i 的水平邊長和豎直邊長，m；B 為投資預算，萬元；ei，ej均為0-1 變量，其中0 表示水平布置，1 表示豎直布置；pij為作業(yè)區(qū)i，j 之間的最小間隔，m；S為規(guī)劃布局總面積，m2；xk，yk分別為出入口、檢查口在規(guī)劃區(qū)坐標平面的橫坐標和縱坐標，m。

鐵水聯(lián)運港口作業(yè)布局優(yōu)化模型的各公式意義如下。公式 ⑴ 和公式 ⑵ 分別表示優(yōu)化的目標函數(shù)；公式 ⑶ 表示建設成本總和不能超過投資預算；公式 ⑷ 和公式 ⑸ 分別表示各作業(yè)區(qū)不重疊約束，即相鄰作業(yè)區(qū)在X 軸和Y 軸方向不能出現(xiàn)重合與交叉；公式 ⑹ 和公式 ⑺ 分別表示各作業(yè)區(qū)在X 軸和Y 軸方向不能超出規(guī)劃布局區(qū)域邊界；公式 ⑻ 表示場地面積約束，即各作業(yè)區(qū)面積總和不超過規(guī)劃布局總面積；公式 ⑼ 表示出入口約束，即各出入口、檢查口等只能設置在區(qū)域邊界上。

表1 各作業(yè)區(qū)接近度取值Tab.1 Value of proximity of each operation area

3 實例分析

以馬鞍山鄭蒲港區(qū)為例，對鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)進行開間劃分，設計遺傳算法將鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化模型簡化為單目標模型，根據(jù)模型計算結果對鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)進行布局分析。

3.1 鄭蒲港區(qū)概況

鄭蒲港區(qū)位于地處皖江城市帶、合肥經濟圈和長三角地區(qū)的交匯點的馬鞍山市，與馬鞍山中心城區(qū)隔江相望。作為安徽省長江北岸地區(qū)除安慶港之外重要的萬噸級深水港區(qū)，鄭蒲港區(qū)不僅是國家實施中部崛起戰(zhàn)略的區(qū)域性交通樞紐及長江中下游重要的對外開放口岸，也是承接皖江城市帶產業(yè)轉移的重要依托，不僅可以進一步支撐合肥經濟圈乃至皖北地區(qū)社會經濟、對外貿易、物流服務的快速發(fā)展，也可以促進腹地經濟的轉型升級。依據(jù)《馬鞍山港鄭蒲港區(qū)鄭蒲作業(yè)區(qū)控制性詳細規(guī)劃》，鄭蒲港區(qū)包括太陽河以南、太陽河以北及新河口以北3 個區(qū)域，其中太陽河以南港區(qū)為鄭蒲港區(qū)規(guī)劃布局的一期工程，部分作業(yè)區(qū)已經建成運營，而太陽河以北和新河口以北為鄭蒲港區(qū)的二期工程，暫未投入運營。鄭蒲港區(qū)平面示意圖如圖6 所示。

根據(jù)鄭蒲港區(qū)的二期工程規(guī)劃目標及貨運量調查與預測分析，鄭蒲港區(qū)太陽河以北、新河口以北的區(qū)域面積分別約為261.6 hm2和3 421.33 hm2，重點開展沿海、近洋的集裝箱運輸、臨港工業(yè)原料及產品、大宗貨物運輸，具備裝卸存儲、中轉換裝、臨港開發(fā)、運輸組織、物流服務等服務。預計2030 年鄭蒲港區(qū)太陽河以北和新河口以北的貨運量將達到1.9 億t，貨物品類主要以集裝箱、煤炭、礦建材料、油品、工業(yè)原料及產成品等為主，鄭蒲港區(qū)二期工程規(guī)劃有液化品作業(yè)區(qū)、散貨物流區(qū)、件雜貨作業(yè)區(qū)、集裝箱作業(yè)區(qū)等19 個功能作業(yè)區(qū)。鄭蒲港區(qū)二期各功能作業(yè)區(qū)需求面積如表2所示。

3.2 模型求解

由于鐵水聯(lián)運港口作業(yè)布局需要通過2 個階段進行耦合優(yōu)化，而且鐵水聯(lián)運港口作業(yè)布局的多目標優(yōu)化數(shù)學模型是一個多目標規(guī)劃模型，為簡化模型計算步驟，通過引入開間劃分理論對港口作業(yè)區(qū)進行開間劃分并設計遺傳算法進行求解。

（1）開間劃分。將港口作業(yè)區(qū)分割為若干個不同的行開間或列開間，開間內作業(yè)區(qū)長度由其面積與所在行開間的寬度決定。開間劃分示意圖如圖7所示。

（2）遺傳算法設計。根據(jù)開間劃分結果，染色體Ck用2 段整數(shù)鏈表示，即Ck= {(s1，s2，…，sn) | (r1，r2， …，rt)}，其 中(s1，s2， …，sn)表 示開間內區(qū)域從上到下，從左到右的順序編號，(r1，r2，…，rt)表示開間內區(qū)域的數(shù)量。運用傳統(tǒng)SLP法得出初始布置方案，生成一系列方案作為初始種群。根據(jù)概率構造輪盤，以Pc為概率對區(qū)域順序進行交叉。區(qū)域順序交叉后，以概率Pm對染色體2 段整數(shù)鏈分別采取互換變異操作。區(qū)域順序交叉示意圖如圖8 所示，互換變異示意圖如圖9 所示。

圖6 鄭蒲港區(qū)平面示意圖Fig.6 Plane figure of Zhengpu Port Area

表2 鄭蒲港區(qū)各功能作業(yè)區(qū)需求面積 hm2Tab.2 The demand area of each functional operation area of Zhengpu Port Area

圖7 開間劃分示意圖Fig.7 Schematic diagram of bay division

圖8 區(qū)域順序交叉示意圖Fig.8 Schematic diagram of area sequence crossing

圖9 互換變異示意圖Fig.9 Schematic diagram of interchangeable variation

為方便求解，通過無量綱化處理，將公式 ⑴和公式 ⑵ 轉化為單目標函數(shù)，如公式 ⑽～公式 ⑿所示。

式中：Z 為單目標函數(shù)的目標值；η1，η2均為無量綱化系數(shù)；dmax為作業(yè)區(qū)之間的最大曼哈頓距離；ω1和ω2分別為權重因子，滿足ω1+ ω2= 1且均為非負。

確定單目標函數(shù)后，選取適應度函數(shù)如公式⒀～公式 ⒃ 所示。

式中：u 為懲罰系數(shù)；g (i)為為重疊約束判定函數(shù)；h (i)為左邊界約束判定函數(shù)；k (i)為右邊界約束判定函數(shù)。

3.3 結果分析

結合鄭蒲港區(qū)的實際情況，作業(yè)區(qū)單位面積成本zs= 10；作業(yè)區(qū)i，j 之間的最小間隔pij= 10；搬運成本cij= 1；各作業(yè)區(qū)之間的物流關系、非物流關系及綜合關系參照圖3、圖4、圖5 取值；權重ω1= ω2= 0.5；各作業(yè)區(qū)之間的接近度bij依據(jù)表2 取值。在設計遺傳算法時，設置初始種群數(shù)m = 20，交叉概率Pc= 0.5，變異概率Pv= 0.02，迭代代數(shù)為100，利用Matlab 軟件對鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化模型進行求解。遺傳算法迭代曲線在第15 次迭代時開始收斂到穩(wěn)定值，直至迭代過程結束。遺傳算法迭代曲線如圖10 所示。

圖10 遺傳算法迭代曲線Fig.10 Iterative curve of genetic algorithm

根據(jù)遺傳算法迭代結果得出鄭蒲港區(qū)太陽河以北和新河口以北各功能作業(yè)區(qū)的布局方案如圖11所示。

根據(jù)鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化模型的計算結果，結合馬鞍山鄭蒲港區(qū)的布局方案，鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)模型具有充分發(fā)掘鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)影響因素和提升鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局效率的優(yōu)勢，具體如下。

（1）充分發(fā)掘鐵路聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)影響因素。根據(jù)中鐵第四勘察設計院集團有限公司給出的鄭蒲港區(qū)太陽河以北和新河口以北各功能作業(yè)區(qū)布局方案，該模型所計算出的布局方案結果與其大致相同，在部分散貨輔助區(qū)、集裝箱甩掛中心及集裝箱維修區(qū)等作業(yè)區(qū)的布局結果存在細微差異。由于傳統(tǒng)的SLP 法僅考慮物流相關性和活動相關性2 個方面，而鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)還存在難以發(fā)掘或定量評價的非物流因素，致使鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局方案存在一定的不合理性。在運用SLP 法獲取物流關系和非物流關系的基礎上，通過考慮有關約束條件構建鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局優(yōu)化模型，使鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局方案更為合理。

（2）提升鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)域布局效率。在實際布局方案的形成過程中，由于相關因素的動態(tài)變化而需要對產生的布局方案進行調整的情況時常發(fā)生。傳統(tǒng)的SLP 法主要通過綜合考慮各作業(yè)區(qū)需求面積、關聯(lián)度等復雜約束條件，依靠設計人員的經驗和知識，人工獲取各作業(yè)區(qū)布局的初始方案，并根據(jù)相關因素的動態(tài)變化，不斷調整布局方案，如果港站各功能作業(yè)區(qū)分區(qū)數(shù)量較多時，布局初始方案的形成尤其是布局方案的調整工作量將明顯增加，直接影響工程項目進度。通過借助優(yōu)化模型及計算機仿真技術，不僅可以獲取布局的初始方案，還可以適應規(guī)劃設計各階段相關要素的動態(tài)變化，可以縮短布局方案的調整優(yōu)化時間，減小人工調整的工作量，在港站各功能作業(yè)區(qū)分區(qū)數(shù)量較多時具有明顯優(yōu)勢。

4 結束語

圖11 鄭蒲港區(qū)太陽河以北和新河口以北各功能作業(yè)區(qū)的布局方案Fig.11 Layout plan of each functional operation area of North of Taiyang River in Zhengpu Port Area and North of Xinhekou

隨著我國運輸結構的不斷調整，鐵水聯(lián)運是多式聯(lián)運的重點發(fā)展方向，作為鐵水聯(lián)運關鍵節(jié)點的港口作業(yè)區(qū)，其布局規(guī)劃的合理性對促進鐵水聯(lián)運發(fā)展起到至關重要的作用。通過分析鐵水聯(lián)運港口各作業(yè)區(qū)之間的關系，可以充分發(fā)掘鐵路聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)影響因素和提升鐵水聯(lián)運港口作業(yè)區(qū)布局工作效率及優(yōu)勢，為鐵水聯(lián)運的總體布局方案提供科學合理的依據(jù)。由于鐵水聯(lián)運港站作業(yè)區(qū)布局影響因素較為復雜，在實際項目中，還需要結合港區(qū)總體規(guī)劃方案，綜合權衡區(qū)域內交通布置、單證流轉及各區(qū)域間物流動線，通過人工輔助進一步局部細化調整，減少各作業(yè)區(qū)之間的交叉干擾，使布置方案滿足相關要求。