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(diào)度指揮中心，北京 100844；3.北京交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院，北京 100044）

0 引言

集裝箱作為現(xiàn)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(yōu)點。近年來，在“一帶一路”倡議、運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整、鐵路貨物運輸供給側(cè)改革等政策措施的推動下，我國鐵路集裝箱運輸呈現(xiàn)快速發(fā)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(fā)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(jù)《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》，我國鐵路將大力發(fā)展集裝箱運輸，進一步優(yōu)化集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建集約高效的貨運物流體系。

我國鐵路集裝箱運輸快速發(fā)展的同時，集裝箱運用管理問題，特別是空箱調(diào)配運用計劃不合理、調(diào)配效率不高等問題逐漸凸顯。我國幅員遼闊，區(qū)域間自然條件、經(jīng)濟發(fā)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(diào)配不可避免。國內(nèi)外關(guān)于集裝箱空箱調(diào)配的應(yīng)用研究較少，美國鐵路系統(tǒng)在其空車調(diào)配方面開展了深入的理論研究與實踐探索，先后經(jīng)歷4個階段：一是空車固定使用，即給托運人調(diào)配特定的運輸車輛；二是研發(fā)專家支持系統(tǒng)、設(shè)計特定的規(guī)則來調(diào)配空車；三是實現(xiàn)固定周期(如一個星期)內(nèi)基于優(yōu)化的空車調(diào)配；四是研發(fā)動態(tài)車輛調(diào)配優(yōu)化系統(tǒng)，實現(xiàn)空車調(diào)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(tài)空車調(diào)配優(yōu)化，在20世紀90年代就研發(fā)了空車調(diào)配支持系統(tǒng)，實現(xiàn)空車的動態(tài)、點對點調(diào)配[1-2]。

從運輸企業(yè)的角度，不同客戶運輸需求的穩(wěn)定性、不同品類貨物運輸效益的差異各不相同，需要優(yōu)化空箱調(diào)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(yīng)措施，需要優(yōu)化空箱調(diào)配的時間粒度，以便及時滿足貨物裝箱需求。因此，優(yōu)化集裝箱空箱調(diào)配模式，研究與之相適應(yīng)的集裝箱空箱調(diào)配技術(shù)，不僅具有理論意義，也符合我國鐵路集裝箱運輸?shù)默F(xiàn)實需求。

1 鐵路集裝箱空箱調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)度指揮中心集裝箱調(diào)度完成。國鐵集團基于各鐵路局集團公司空箱保有量統(tǒng)計、提報的空箱需求，制定鐵路局集團公司之間的空箱調(diào)配方案，力求實現(xiàn)區(qū)域之間集裝箱供需平衡。第二層級為鐵路局集團公司內(nèi)部的空箱調(diào)配，由鐵路局集團公司集裝箱調(diào)度負責(zé)；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(diào)度指揮中心要求任務(wù)的基礎(chǔ)上，制定局管范圍內(nèi)的集裝箱空箱調(diào)配方案。

在該模式下，集裝箱空箱調(diào)配通過執(zhí)行調(diào)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(jié)站，集裝箱排空局基于國鐵集團運輸調(diào)度指揮中心發(fā)布的調(diào)度命令，通過集結(jié)站匯集空箱，然后向有空箱需求的鐵路局集團公司的集結(jié)站排空。既有集裝箱空箱調(diào)配模式如圖1所示。目前全路空箱調(diào)配方案編制周期約為5 d，與集裝箱運用周轉(zhuǎn)時間基本相符。通過國鐵集團運輸調(diào)度指揮中心與鐵路局集團公司調(diào)度所兩層級的協(xié)調(diào)配合，可以較好地通過人工編制滿足實際需求的空箱調(diào)配方案。

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

1.2 存在的問題

現(xiàn)有的鐵路集裝箱空箱調(diào)配模式能夠較好地適應(yīng)以人工方式編制全路空箱調(diào)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(diào)配質(zhì)量、空箱需求滿足度、集裝箱運輸服務(wù)水平與實際運輸需求存在一定差距。既有集裝箱空箱調(diào)配模式主要存在以下問題。

（1）空箱調(diào)配的時空粒度難以適應(yīng)更高運輸服務(wù)水平的要求。既有集裝箱空箱調(diào)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(nèi)部兩層級的空箱調(diào)配，2個層級對于空箱調(diào)配的目的、方式具有一定差異，可能會導(dǎo)致全路空箱走行距離的提升；時間維度上，空箱調(diào)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(yè)的角度，需要細化空箱調(diào)配的空間粒度，實現(xiàn)集裝箱辦理站之間空箱調(diào)配方案的優(yōu)化，降低空箱走行距離；從客戶的角度，空箱調(diào)配應(yīng)更加精準，即細化空箱調(diào)配的時間粒度。

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

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

2 鐵路集裝箱空箱調(diào)配模式優(yōu)化

2.1 “點—點”空箱調(diào)配模式設(shè)計

隨著信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，我國鐵路集裝箱管理信息系統(tǒng)不斷發(fā)展完善，如集裝箱運輸全程追蹤系統(tǒng)實現(xiàn)了集裝箱位置、空重狀態(tài)、貨運需求等的大規(guī)模數(shù)據(jù)管理。在集裝箱管理數(shù)字化的基礎(chǔ)上，優(yōu)化空箱調(diào)配流程，將既有兩層管理變?yōu)閱螌庸芾恚瑢崿F(xiàn)全路集裝箱空箱的“點—點”調(diào)配，即“點—點”空箱調(diào)配模式?！包c—點”空箱調(diào)配模式特點如下。

（1）實現(xiàn)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(diào)配的管理，全路集裝箱將由現(xiàn)有兩層調(diào)配變?yōu)閱螌诱{(diào)配。國鐵集團運輸調(diào)度指揮中心基于全路集裝箱運用、空箱分布及空箱需求數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全路集裝箱的統(tǒng)一管理，以及全路集裝箱空箱調(diào)配方案的一體化編制，鐵路局集團公司集裝箱調(diào)度則主要執(zhí)行所編制方案。

（2）實現(xiàn)全路集裝箱辦理站間的空箱精準調(diào)配。新模式可支撐空箱在集裝箱辦理站之間直接調(diào)配，相較于既有模式，空箱調(diào)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(xiàn)空箱的動態(tài)、精準調(diào)配。

（3）要求實現(xiàn)全路集裝箱調(diào)配方案的計算機自動編制。既有空箱調(diào)配模式下，通過分層處理，可在一定程度上簡化空箱調(diào)配方案的編制，適應(yīng)當(dāng)前人工編制調(diào)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(diào)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(shù)字化，通過計算機自動完成空箱調(diào)配方案的編制。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 集裝箱空車調(diào)運需求精細化分析技術(shù)

全路集裝箱空箱的精準調(diào)配與調(diào)配方案的自動化編制，其前提為集裝箱空車調(diào)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(shù)量分布、空箱產(chǎn)生規(guī)律、空箱分布規(guī)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(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)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(tǒng)等信息系統(tǒng)為集裝箱空車調(diào)運需求精細化分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可實現(xiàn)全路集裝箱辦理站裝卸需求、在站空箱的規(guī)律分析與多維度展示，為集裝箱空箱調(diào)配方案制定提供參考。

2.2.2 大規(guī)?？障湔{(diào)配問題優(yōu)化建模與求解技術(shù)

我國鐵路集裝箱辦理站超過1 800個，網(wǎng)絡(luò)OD規(guī)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(guī)模。因此，需要優(yōu)化空箱調(diào)配問題模型的構(gòu)建，并設(shè)計高效的求解算法，實現(xiàn)分鐘級甚至秒級計算求解，才能適應(yīng)全路集裝箱空箱調(diào)配的日常管理需求。已有鐵路空箱調(diào)配的研究大部分是將其看作運輸問題，進而進行優(yōu)化模型構(gòu)建與求解[5-6]。集裝箱空箱調(diào)運具有動態(tài)性與不確定性等特點，其優(yōu)化目標包括降低空箱走行距離、優(yōu)先滿足重要客戶需求、提高運輸服務(wù)水平等，為適應(yīng)上述特征，部分研究構(gòu)建了多目標優(yōu)化模型[7-8]、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)流模型[9]或隨機規(guī)劃模型[10-11]等?？紤]我國集裝箱運輸網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，可基于運輸問題優(yōu)化模型或網(wǎng)絡(luò)流模型，在綜合權(quán)衡計算時效性與計算結(jié)果應(yīng)用性的基礎(chǔ)上，逐步增加對箱型匹配與代用、線網(wǎng)運輸能力、空箱調(diào)配時效性等約束的考慮，逐步完善模型與算法設(shè)計。例如，基于運輸問題優(yōu)化模型，考慮20 ft箱、40 ft箱、35 t敞頂箱3種箱型時，利用優(yōu)化軟件求解計算，可在60 s以內(nèi)(變量規(guī)模在400萬個以上)獲得全路“點—點”空箱調(diào)配方案。全路集裝箱空箱調(diào)配方案可視化展示如圖3所示。

圖3 全路集裝箱空箱調(diào)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(tài)調(diào)配技術(shù)

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(yīng)集裝箱的動態(tài)運輸需求，實際應(yīng)用過程中需要實現(xiàn)空箱的動態(tài)調(diào)配。實現(xiàn)動態(tài)調(diào)配的方式有以下2種。

（1）將空箱調(diào)配問題進行時間維度上的擴展，構(gòu)建全路集裝箱空箱調(diào)配時空網(wǎng)絡(luò)。集裝箱空箱動態(tài)調(diào)配服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計如圖4所示。通過設(shè)計重箱運行弧、空箱運行弧等，在所構(gòu)建的時空網(wǎng)絡(luò)中描述集裝箱完整的周轉(zhuǎn)過程，進而構(gòu)建空箱動態(tài)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，最終實現(xiàn)全路空箱動態(tài)調(diào)配方案的編制?；谠摃r空網(wǎng)絡(luò)，還可將裝箱與重箱運行、空箱調(diào)配進行一體化優(yōu)化，即在裝箱時便能協(xié)調(diào)考慮空箱調(diào)運，可在滿足空箱需求的基礎(chǔ)上，進一步降低空箱走行距離。

圖4 集裝箱空箱動態(tài)調(diào)配服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計Fig.4 Design of dynamic distribution service network for empty containers

（2）通過優(yōu)化模型設(shè)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(shù)據(jù)獲得新的調(diào)配方案。美國鐵路貨運公司CSX，BNSF在研發(fā)其空車調(diào)配系統(tǒng)時采取了這種策略，所研發(fā)的空車調(diào)配系統(tǒng)的計算頻率可壓縮至15 min，且每次空車調(diào)配方案的編制時間控制在10 s以內(nèi)，大幅提升了空車調(diào)配效率與效益。據(jù)測算，通過優(yōu)化空車調(diào)配，每年通過壓縮空車走行距離等節(jié)省的費用超過了5 000萬美元[1]。但是，基于既有集裝箱調(diào)配方案，考慮新的空箱供需數(shù)據(jù)，構(gòu)建盡可能保持既有空箱調(diào)配方案(避免產(chǎn)生新的調(diào)車作業(yè))，又能從全局降低空箱走行距離的優(yōu)化模型需要進行深入研究。

3 “點—點”空箱調(diào)配模式實現(xiàn)方式

相對于既有空箱調(diào)配模式，“點—點”空箱調(diào)配模式下空箱運用將更加精準。然而，我國鐵路網(wǎng)規(guī)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(shù)量占比為43.64%，10 ～ 20箱的辦理站數(shù)量占比為16.59%，20 ～ 50箱的辦理站數(shù)量占比為23.07%，50 ～ 70箱的辦理站數(shù)量占比為5.57%，日均超過70箱的辦理站數(shù)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(xiàn)站點到站點之間的空箱直接調(diào)配。

從技術(shù)實現(xiàn)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(jù)標準，可考慮集裝箱辦理數(shù)量、辦理量的波動系數(shù)、裝載貨物的平均價值等。在此基礎(chǔ)上，針對不同級別的辦理站，可采用不同的處理技術(shù)，如針對辦理量大、波動系數(shù)小的辦理站集合，可采用傳統(tǒng)的運輸問題優(yōu)化技術(shù)方法進行辦理站間的空箱調(diào)運；針對辦理量小的集裝箱辦理站，可采用集結(jié)模式，借鑒覆蓋模型的思想對空箱調(diào)運方法進行改進與優(yōu)化。進而可將全路空箱調(diào)運問題分解為幾個子問題進行求解優(yōu)化，大幅壓縮問題的規(guī)模與復(fù)雜度，確保工程應(yīng)用的可實施性。

從組織實現(xiàn)的角度，可以分2個階段逐步推進空箱調(diào)配模式的改進。第一階段，沿用既有空箱調(diào)配模式，國鐵集團編制鐵路局集團公司之間的空車調(diào)配方案，鐵路局集團公司完成管轄范圍內(nèi)的空箱調(diào)配。然而，兩層級空箱調(diào)配方案都是基于“點—點”空箱調(diào)配計算結(jié)果編制，其中國鐵集團基于計算結(jié)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(jié)站與空箱調(diào)配量，空箱調(diào)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(diào)配空箱的總和。各鐵路局集團公司則可基于既有空箱調(diào)配模式，參考計算結(jié)果編制管內(nèi)空箱調(diào)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(yōu)先實現(xiàn)大節(jié)點(如決策周期內(nèi)的空箱產(chǎn)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(diào)配。統(tǒng)計分析可知，超過100對OD之間具備“點—點”空箱直接調(diào)配條件。第二階段，在“點—點”空箱調(diào)配技術(shù)的支持下，強化國鐵集團對全路集裝箱空箱調(diào)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(diào)配計劃編制上的功能屬性，其作業(yè)重心轉(zhuǎn)移至執(zhí)行國鐵集團編制的空箱調(diào)運計劃，最終實現(xiàn)我國鐵路集裝箱運用的一體化集中管理、大規(guī)模精細化管理。

4 結(jié)束語

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