靳志宏,王小寒,易天培,左忠義

(1. 大連海事大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116026;2.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028)

近年來我國交通運輸由單一運輸方式各自發(fā)展向各種運輸方式協(xié)同發(fā)展轉(zhuǎn)變,取得了長足的進步。隨著對外貿(mào)易的發(fā)展,集裝箱海鐵聯(lián)運因其集成了集裝箱運輸、水路運輸和鐵路運輸?shù)倪\量大、成本低、安全性高、綠色高效、銜接便利等優(yōu)勢,在多式聯(lián)運中的地位日益凸顯,是運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵突破口。國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《推進多式聯(lián)運發(fā)展優(yōu)化調(diào)整運輸結(jié)構(gòu)工作方案(2021—2025年)》提出,到2025年,多式聯(lián)運發(fā)展水平明顯提升,基本形成大宗貨物及集裝箱中長距離運輸以鐵路和水路為主的發(fā)展格局。由此可見,為提高綜合交通運輸體系的經(jīng)濟效益、降低社會物流成本,集裝箱海鐵聯(lián)運未來仍是我國主要貨運發(fā)展方向。

海鐵聯(lián)運是指通過銜接、協(xié)調(diào)和轉(zhuǎn)換等方式將鐵路運輸和水路運輸有機地結(jié)合在一起,進出口貨物由船舶運輸至港口,經(jīng)換裝設(shè)備轉(zhuǎn)運,與鐵路運輸相連,全程僅需“一次申報、一次查驗、一次放行”。海鐵聯(lián)運興起于西方國家,發(fā)達經(jīng)濟體的海鐵聯(lián)運比例高達20%～40%,我國占比還不足3%,但是發(fā)展勢頭持續(xù)攀升,如圖1所示。后勁十足的海鐵聯(lián)運打開了現(xiàn)代物流發(fā)展新局面,連接內(nèi)陸與沿海、國內(nèi)與海外產(chǎn)業(yè)鏈,將不斷促進國內(nèi)國際雙循環(huán)發(fā)展。

圖1 近五年我國海鐵聯(lián)運量、占比及增長情況

海鐵聯(lián)運的關(guān)鍵在于“聯(lián)”,提升水路運輸和鐵路運輸?shù)你暯幽芰蛥f(xié)同水平,是海鐵聯(lián)運實現(xiàn)新突破亟待解決的重要問題。近年來,港口與鐵路間的“硬銜接”條件顯著改善,但其間的“軟銜接”嚴重滯后,“連而不暢、鄰而不接”問題仍然突出。集裝箱海鐵聯(lián)運陸港銜接主要包括基礎(chǔ)設(shè)施“硬銜接”和運輸組織“軟銜接”兩大方面?！坝层暯印笔菍b箱港口、鐵路集裝箱中心站、海鐵聯(lián)運港站等海鐵聯(lián)運基礎(chǔ)設(shè)施的配置與協(xié)同;“軟銜接”則是對港站堆場資源配置、換裝作業(yè)、班列開行方案優(yōu)化等運輸組織方面的協(xié)同。

國內(nèi)外對有關(guān)集裝箱海鐵聯(lián)運的綜述鮮有報道,僅秦磊[1]從發(fā)展對策和評價研究兩個角度對海鐵聯(lián)運相關(guān)文獻進行了系統(tǒng)性綜述,尚未有文獻對集裝箱海鐵聯(lián)運陸港銜接問題進行總結(jié)。鑒于此,本文從港站堆場資源配置協(xié)同、換裝作業(yè)協(xié)同、班列開行方案優(yōu)化三個維度,對國內(nèi)外海鐵聯(lián)運運輸組織優(yōu)化問題進行整理和歸納,對研究現(xiàn)狀進行述評,并據(jù)此提出潛在研究方向。

1 研究現(xiàn)狀梳理

1.1 港站堆場資源配置協(xié)同研究現(xiàn)狀

海鐵聯(lián)運堆場包括共堆場和分堆場兩種空間布局。顧名思義,共堆場是指港口與鐵路共用堆場,海鐵聯(lián)運集裝箱堆存在港口堆場,鐵路裝卸線鋪設(shè)在碼頭前沿或港口后方。分堆場是指鐵路與港口分別擁有獨立堆場,鐵路裝卸線鋪設(shè)在港口后方,依據(jù)雙方合作和共享程度,海鐵聯(lián)運集裝箱可堆存在鐵路堆場與港口堆場的一方或雙方。

堆場資源配置協(xié)同問題主要包括兩個方面,其一是戰(zhàn)術(shù)層面的堆存空間分配問題,即為到達港站的集裝箱合理分配堆存區(qū)域位置,以及安排每個區(qū)域堆存的箱量。根據(jù)堆存區(qū)域的范圍,該問題可具體分為箱區(qū)分配和堆場分配兩個子問題。其二是操作層面的堆存位置指派問題,即為集裝箱分配具體的箱位,包括貝、排、層三個維度。

(1)海鐵聯(lián)運集裝箱堆場分配問題

分堆場是我國海鐵聯(lián)運港站常見布局,如大連港、寧波舟山港、欽州港等,是堆場分配問題決策海鐵聯(lián)運集裝箱選擇堆存的堆場。

基于共享堆場協(xié)議,靳志宏等[2]綜合考慮運輸、裝卸、堆存與短搗四項費用,構(gòu)建以轉(zhuǎn)運總費用最低為目標的線性規(guī)劃模型,研究班輪到港時間與班列到站時間不一致情形下的堆場分配問題,并選取堆場容量、免費堆存期、轉(zhuǎn)運費用等因素進行靈敏度分析。以最小化集裝箱作業(yè)距離和超期堆存成本為目標,曾慶成等[3]建立海鐵聯(lián)運集裝箱堆場分配模型,并利用分支定界法求解鐵路堆場和港口堆場的堆存箱量。Xie等[4]首次研究海鐵聯(lián)運碼頭的集裝箱預(yù)堆存和動態(tài)裝卸問題,以在港總物流成本為目標構(gòu)建隨機動態(tài)優(yōu)化模型,決策裝卸時間窗前堆場至鐵路緩沖區(qū)的靜態(tài)預(yù)存箱量,卸載時間窗內(nèi)列車至堆場、裝載時間窗內(nèi)堆場(和/或鐵路緩沖區(qū))至列車的動態(tài)箱流量。在研究中歐班列在運輸節(jié)點中轉(zhuǎn)操作問題時,Guo等[5]考慮了部分公路中轉(zhuǎn)箱可從港口堆場轉(zhuǎn)移至鐵路堆場而轉(zhuǎn)化為鐵路中轉(zhuǎn)箱的情形,結(jié)果表明,與未考慮轉(zhuǎn)移策略相比,考慮轉(zhuǎn)移策略的總收益較優(yōu)?；阼F路、支線船、內(nèi)河船、外集卡組成的港口集疏運系統(tǒng),Schepler等[6]以最小化船舶和列車加權(quán)周轉(zhuǎn)時間為目標,探討集裝箱在港區(qū)多碼頭間的運輸問題。

(2)海鐵聯(lián)運集裝箱箱區(qū)分配問題

箱區(qū)是箱位的集合,堆場由多類型箱區(qū)組成。箱區(qū)分配是為到達港站的集裝箱分配堆存箱區(qū)。港口箱區(qū)分配問題研究起步早,成果較為豐富,如Carlo等[7]對其進行了比較深入的總結(jié)。箱區(qū)分配研究目標通常為均衡各箱區(qū)間作業(yè)量、最小化集裝箱移動、最小化運輸工具在港時間等。

海鐵聯(lián)運堆場箱區(qū)分配問題的研究遠滯后于港口,如表1的匯總。武慧榮等[8]將海鐵聯(lián)運混堆堆場作業(yè)箱分為6種類型,基于滾動計劃方法構(gòu)建箱區(qū)分配模型,優(yōu)化目標為各箱區(qū)作業(yè)量均衡,并設(shè)計模擬退火算法進行求解。Chang等[9]、曾慶成等[3]建立兩階段模型研究海鐵聯(lián)運堆場資源管理問題,其中Chang等[9]在第一階段決策了到場集裝箱的堆存箱區(qū),優(yōu)化目標為箱區(qū)作業(yè)量均衡, 曾慶成等[3]基于第一階段堆場分配結(jié)果,第二階段同時考慮箱區(qū)作業(yè)量均衡和縮短集裝箱作業(yè)總距離兩個目標,為到港集裝箱分配箱區(qū)?；诩榷ǖ牡诫x場時間,王力等[10]以各箱區(qū)作業(yè)量均衡為目標,決策鐵路堆場箱區(qū)分配問題,并設(shè)計啟發(fā)式算法進行求解,通過與隨機堆存策略對比驗證所提出模型與算法的有效性。針對鐵路集裝箱中心站主堆場多箱區(qū),Zeng等[11]認為卸載箱區(qū)影響堆場作業(yè)效率,將箱區(qū)分配作為子問題來集成優(yōu)化主堆場裝卸資源和空間資源。

表1 海鐵聯(lián)運集裝箱箱區(qū)分配文獻匯總

(3)海鐵聯(lián)運集裝箱箱位分配問題

集裝箱堆存位置不合理會導(dǎo)致二次翻箱甚至多次翻箱。從單貝位角度研究箱位分配問題時,學者們通常引入壓箱量或倒箱量來評價集裝箱堆存狀態(tài),利用優(yōu)先級描述集裝箱的屬性,如集裝箱離場時間、重量、目的港掛靠順序等。壓箱量為待作業(yè)箱上方不滿足優(yōu)先級的集裝箱數(shù)量,屬于靜態(tài)指標;翻箱量細化了待作業(yè)箱上方阻礙箱的落箱位選擇不合理而導(dǎo)致的再翻箱,屬于相對動態(tài)指標。從多貝位角度,場橋作為堆場瓶頸資源,減少其在貝位間的移動是十分必要的。國內(nèi)外學者對港口堆場箱位分配的研究較成熟,Lersteau等[12]給出了較全面的綜述,隨著海鐵聯(lián)運的發(fā)展,理論界開始關(guān)注海鐵聯(lián)運堆場和鐵路堆場箱位分配問題。

從單貝位角度,計明軍等[13]運用滾動計劃方法構(gòu)建動態(tài)箱位指派模型,以提箱時間作為優(yōu)先級,目標函數(shù)為最小化壓箱量,優(yōu)化“同卸同裝”模式下的海鐵聯(lián)運集裝箱堆存位置。綜合考慮海鐵聯(lián)運集裝箱的重量、離場時間、目的港掛靠順序等屬性,Chang等[9,14-15]構(gòu)建多階段箱位指派模型,旨在降低堆場壓箱量。Li等[16]基于船舶配載計劃獲取海鐵聯(lián)運出口箱的目的港和重量屬性,以壓箱量最小為目標構(gòu)建箱位分配模型,引入調(diào)車作業(yè)計劃中的解體問題來設(shè)計求解算法?；谝阎拇芭漭d計劃,常祎妹等[17]根據(jù)裝船順序?qū)傩栽O(shè)定集裝箱優(yōu)先級,考慮鐵路箱分批到達和公路箱隨機到達特點,以壓箱量最小為目標建立鐵路堆場箱位指派模型,并設(shè)計啟發(fā)式算法進行求解。武慧榮等[18]僅考慮集裝箱離場時間屬性,以最小化壓箱量為目標建立模型,設(shè)計基于滾動計劃的啟發(fā)式算法,解決“船舶-堆場-列車”換裝模式下混堆堆場箱位分配問題。段剛等[19]探討零散箱箱位分配問題,假設(shè)集裝箱到離站時間既定,以倒箱次數(shù)最小化為目標構(gòu)建動態(tài)箱位分配模型,并設(shè)計遺傳算法求解?？紤]提箱時間屬性,王力等[20-21]和Wang等[22]以壓箱量最小為目標建立模型,解決鐵路集裝箱堆場箱位分配問題。

從多貝位角度,Dotoli等[23]考慮離場時間和箱型屬性,以最大化堆存箱量為目標構(gòu)建整數(shù)規(guī)劃模型,并提出決策支持系統(tǒng)求解最佳集裝箱堆存位置。基于抵港班列入場順序和離港時間,任剛等[24]考慮最小化壓箱量和場橋移動貝位數(shù),探討海鐵聯(lián)運進口箱箱位分配問題。王小寒等[25]將集裝箱貝位分配問題作為鐵路堆場資源分配與調(diào)度子問題,考慮最小化軌道吊移動成本和最大化軌道吊作業(yè)均衡率,建立雙目標優(yōu)化模型,為“列車-堆場”流向的集裝箱分配堆存貝位。考慮能耗和效率指標,Yang等[26]將影響場橋作業(yè)的海鐵聯(lián)運出口箱箱位分配作為子決策之一,研究海鐵聯(lián)運碼頭多設(shè)備集成調(diào)度與堆存位置分配問題。Wang等[27]考慮集裝箱到站和離站時間屬性,以及偏好堆存區(qū)域,研究鐵路集裝箱混堆堆場箱位分配問題,優(yōu)化目標為最小化壓箱量和軌道吊移動距離。郭鵬等[28]在研究鐵路集裝箱中心站軌道吊調(diào)度問題時考慮了翻箱作業(yè)的影響,并提出用階梯惡化函數(shù)表示翻箱作業(yè)。

表2匯總了上述海鐵聯(lián)運集裝箱箱位分配的相關(guān)研究文獻。

表2 海鐵聯(lián)運集裝箱箱位分配文獻匯總

1.2 換裝作業(yè)協(xié)同研究現(xiàn)狀

海鐵聯(lián)運集裝箱換裝模式主要包括“水-公-鐵”、“水-堆場-鐵”(“船舶-堆場-鐵路”)、“車船直取”(“列車-船舶”)3種。不同運輸方式間的交接質(zhì)量和效率與換裝設(shè)備的銜接密切相關(guān)。常用的換裝設(shè)備包括碼頭前沿岸橋、內(nèi)集卡、堆場場橋、外集卡、鐵路堆場軌道吊、正面吊等。

(1)單一設(shè)備調(diào)度優(yōu)化

區(qū)別于傳統(tǒng)海運集裝箱,海鐵聯(lián)運集裝箱特殊換裝設(shè)備為軌道吊。軌道吊是鐵路集裝箱中心站主堆場關(guān)鍵裝卸資源,橫跨主堆場、鐵路裝卸線、集卡通道,負責到離站集裝箱裝卸、堆存和倒箱作業(yè)。

多軌道吊協(xié)同調(diào)度優(yōu)化涉及任務(wù)分配和作業(yè)順序兩個子問題。軌道吊任務(wù)分配實質(zhì)上可理解為軌道吊作業(yè)范圍的劃分,包括固定作業(yè)范圍和柔性作業(yè)范圍。關(guān)于固定作業(yè)范圍,王力等[29]基于等分作業(yè)范圍將裝卸任務(wù)分配給軌道吊,以裝卸完工時間最小為目標構(gòu)建多軌道吊調(diào)度優(yōu)化模型。王小寒等[25,30]和Ren等[31]綜合考慮軌道吊重載和空載移動,以最大化軌道吊總移動距離均衡率為目標建立模型,探討軌道吊動態(tài)作業(yè)區(qū)域問題。針對柔性作業(yè)范圍,劉勇等[32]引入允許作業(yè)時間概念,研究了軌道吊數(shù)量配置和柔性調(diào)度優(yōu)化問題,同時考慮軌道吊運營成本、作業(yè)時間、作業(yè)量,建立多目標規(guī)劃模型,并設(shè)計基于使用權(quán)分配的遺傳算法進行求解。周勇等[33]考慮多軌道吊間的干擾和安全距離約束,以最小化裝卸完工時間為目標建立模型,解決多軌道吊協(xié)同調(diào)度問題,通過與固定作業(yè)范圍下的順序裝卸模式相比,驗證其提出的柔性調(diào)度模式的優(yōu)越性。Guo等[34]和郭鵬等[28]引入最小時間距離概念來處理多軌道吊間的非交叉和安全距離約束,研究多軌道吊調(diào)度問題。

(2)兩種設(shè)備間的協(xié)同調(diào)度

兩種設(shè)備間的協(xié)同調(diào)度主要針對軌道吊與集卡間的協(xié)同調(diào)度?；凇败嚧比　焙汀按?堆場-列車”兩種換裝模式,李舒儀等[35]以卸車作業(yè)完工時間最小化為目標建立軌道吊與集卡協(xié)同調(diào)度模型,結(jié)果表明,車船直取箱占比較高時應(yīng)增加軌道吊數(shù)量以提高裝卸效率。王小寒等[25,30]和Ren等[31]提出在鐵路主堆場采用“軌道吊-集卡”裝卸工藝,考慮成本、作業(yè)效率和能耗等指標,探討軌道吊與集卡協(xié)同調(diào)度問題。Jeong等[36]研究集裝箱轉(zhuǎn)運問題,決策進出口集裝箱匹配、集卡?？课恢煤蛙壍赖跽{(diào)度三個子問題?；凇败壍赖?集卡”裝卸工藝,Li等[37]構(gòu)建軌道吊和集卡協(xié)同調(diào)度優(yōu)化模型,優(yōu)化目標為最小化裝卸完工時間、設(shè)備空駛時間和能耗,并設(shè)計人工蜂群算法求解問題。Tsch?ke等[38]為提高公鐵集裝箱轉(zhuǎn)運效率,研究 “軌道吊-多拖車”裝卸工藝下集卡停靠位置和軌道吊調(diào)度協(xié)同優(yōu)化問題,并與單AGV(智能導(dǎo)引車, Automatic Guided Vehicle)運輸模式和不同集裝箱分配方案進行了對比試驗。

(3)多種設(shè)備間的協(xié)同調(diào)度

考慮軌道吊、集卡、正面吊在卸車作業(yè)中的競爭性因素,王清斌等[39]構(gòu)建非合作博弈的協(xié)同調(diào)度模型,并設(shè)計遺傳算法進行求解,結(jié)果表明,考慮競爭因素可顯著提高作業(yè)任務(wù)間的公平性。蔣惠園等[40]分別以最小化完工時間和最大化邊際效益為目標建立兩階段模型,研究雙高集裝箱列車到發(fā)時的軌道吊、AGV、場橋、空箱堆垛機與智能舉升機的協(xié)同調(diào)度與最優(yōu)配置問題。常祎妹等[41]考慮裝卸設(shè)備走行速度和提放箱時間變化等不確定因素,以裝卸完工時間最小為目標構(gòu)建優(yōu)化模型,探討“車船直取”模式下岸橋、集卡、軌道吊的集成調(diào)度問題,并在多層遺傳算法中引入蒙特卡羅法確定隨機變量的取值。劉文茜等[42]研究“鐵路-堆場”換裝流程下軌道吊、集卡與場橋的協(xié)同調(diào)度問題,以最小化作業(yè)完工時間和設(shè)備空駛時間為目標建立模型,在約束中考慮了集裝箱作業(yè)順序的優(yōu)先級,并且設(shè)計基于析取圖的變鄰域禁忌搜索算法求解問題。Chang等[43]考慮集卡堵塞、軌道吊干擾等現(xiàn)實約束,研究“鐵路-堆場”換裝模式下軌道吊、集卡和場橋的協(xié)同調(diào)度問題,并在數(shù)值試驗中給出了特定算例下3種設(shè)備的最佳配比。基于混合流水車間調(diào)度思想,楊宜佳等[44]以作業(yè)完工時間最短和能耗最低為目標建立岸橋、集卡、正面吊協(xié)同調(diào)度模型。Liu等[45]提出鐵路箱和公路箱均堆存在港口堆場,以最小化完工時間、設(shè)備等待時間和內(nèi)集卡空駛時間為目標,建立多目標優(yōu)化模型,解決軌道吊、集卡、場橋的集成調(diào)度問題,并結(jié)合仿真技術(shù)和自適應(yīng)大鄰域搜索算法求解問題。針對“軌道吊-內(nèi)集卡-正面吊”裝卸工藝,Yan等[46]以最小化裝卸完工時間和設(shè)備等待時間為目標構(gòu)建模型,對多設(shè)備協(xié)同調(diào)度問題進行優(yōu)化?；趧討B(tài)固定作業(yè)區(qū)域,Li等[47]研究U型自動化碼頭堆場與鐵路間軌道吊、AGV和雙懸臂場橋間的集成調(diào)度問題,以集裝箱運輸時間最小為目標建立模型,并設(shè)計基于ADMM框架的啟發(fā)式算法對模型進行重構(gòu)和分解。Liu等[48]構(gòu)建U型自動化海鐵聯(lián)運碼頭的場橋、AGV和集卡的雙層協(xié)同調(diào)度模型,考慮場橋裝卸完工時間、AGV和集卡等待時間、AGV運輸時間,決策場橋作業(yè)順序、AGV任務(wù)分配和AGV運輸路徑。

表3匯總了上述海鐵聯(lián)運換裝設(shè)備銜接的相關(guān)研究文獻。

表3 海鐵聯(lián)運換裝設(shè)備銜接文獻匯總

1.3 班列開行方案優(yōu)化研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對海鐵聯(lián)運集裝箱列車開行方案的研究主要從“點”和“線”兩個維度展開。

(1)基于“點”視角

“點”可理解為集裝箱海鐵聯(lián)運港站?；凇包c”的視角,Yan等[49-50]基于既定的到港集裝箱數(shù)量和列車編組,為提高車船直取進口箱量、降低進口箱在港停留時間,研究列車開行時間和集裝箱轉(zhuǎn)運方案。在此基礎(chǔ)上,以最小化堆存成本、轉(zhuǎn)運成本和延遲成本在內(nèi)的聯(lián)運集裝箱作業(yè)成本為目標建立模型,綜合決策列車開行時間、運行方向和轉(zhuǎn)運方案問題。鄧夕貴等[51]運用列車開行時間推算卸船時間,考慮最小化海鐵聯(lián)運集裝箱在港滯留時間和班列開行成本,建立雙層規(guī)劃模型,優(yōu)化集裝箱卸船順序、列車編組數(shù)量、列車在始發(fā)港的開行時間等問題。針對海鐵聯(lián)運集疏運系統(tǒng),Ng等[52]考慮重箱和空箱,以最大化雙層列車利用率為目標,建立模型,提出列車流向和裝載方案。

(2)基于“線”視角

基于“線”視度,江雨星等[53-54]基于貨物時間和數(shù)量特征,考慮集裝箱與班列間的匹配關(guān)系,將列車編成箱數(shù)和發(fā)車間隔作為約束條件,分別以集裝箱在始發(fā)站總停留時間最小和送達終點站總延誤最小為目標,構(gòu)建優(yōu)化模型,決策班列始發(fā)時刻和沿線開行時刻?；诠F聯(lián)運網(wǎng)絡(luò),Khobotov等[55]考慮列車開行時間窗,運用機器調(diào)度理論決策列車到離沿線各站的時間。Crainic等[56]從戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃角度,構(gòu)建海港與干港間的時空網(wǎng)絡(luò)模型,綜合考慮列車運營成本、運輸成本、裝卸成本、集裝箱堆存成本以及增值服務(wù)成本,決策列車開行路徑和開行時間。Newman 等[57]綜合考慮堆存、運輸和裝卸成本,研究集裝箱與沿線直達和集結(jié)班列的匹配問題。Hu等[58]構(gòu)建時空網(wǎng)絡(luò)模型討論多碼頭間列車調(diào)度問題,決策列車運輸路徑、?？繒r刻以及貨運量等子問題。為評估潛在貨物與班列開行間的適配度,張家瑞等[59]通過運輸時效特征來量化潛在貨流預(yù)期收益函數(shù),綜合考慮確定貨流和潛在貨流,以最大化運輸收益為優(yōu)化目標,構(gòu)建多商品流模型來反映班列和貨流網(wǎng)絡(luò)間的映射關(guān)系?？紤]海鐵聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)繁忙度和排隊模式兩種不確定擁堵因素,Yuan等[60]以最小化總運輸成本和重分配成本建立列車重分配隨機優(yōu)化模型,通過嵌入超立方體空間排隊模型預(yù)估隊列長度和等待時間,并提出近似超立方體迭代算法進行求解。張小強等[61]以最大化鐵路企業(yè)運輸收益為目標函數(shù),建立班列沿線開行方案和定價的綜合時變優(yōu)化模型,并設(shè)計積壓控制與價格優(yōu)化BCPO算法,將時變網(wǎng)絡(luò)離散為單一時隙。

近幾年,中歐班列逐漸成了研究熱點。薛峰等[62]考慮直達班列和集結(jié)班列,構(gòu)建混合軸輻式中歐班列運輸網(wǎng)絡(luò),以班列運營成本最小化為目標建立中歐班列開行方案優(yōu)化模型,結(jié)果表明,與全直達運輸模式相比,混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)可大幅度節(jié)省運輸時間。胡夢影等[63]構(gòu)建中歐班列運營質(zhì)量評價體系,以最大化綜合運營收益為目標,建立中歐班列動態(tài)開行方案模型,決策開行樞紐、開行頻率和運量。針對中歐班列運輸路徑重疊問題,張琦等[64]考慮貨物時間價值和運輸時效性,建立中歐班列服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型,決策樞紐點選擇和貨運量。魏玉光等[65]研究中歐班列運輸組織優(yōu)化問題,基于直達運輸和集結(jié)運輸兩種模式,以綜合運輸費用和站場改建費用最小化為目標,建立模型,優(yōu)化路徑選擇、樞紐選址、列車開行頻率和貨運量等問題。王臻杰等[66]考慮運輸規(guī)模和擁堵效應(yīng),探討中歐班列集散中心選址與流量分配問題,基于直達與集結(jié)混合開行模式,構(gòu)建雙層規(guī)劃模型,上層模型以最大化社會福利為目標決策選址問題,下層考慮運輸成本建立隨機用戶均衡的網(wǎng)絡(luò)配流模型決策運輸路徑問題,結(jié)果表明,新增集散中心可緩解擁堵。為解決中歐班列在阿拉山口存在進出境列車不平衡和銜接不暢等困境,Liu等[67]以最小化口岸總集裝箱小時數(shù)為目標,建立模型,決策去回程列車匹配和列車開行時刻。Yin等[68]考慮時間成本、運輸成本和碳排放,建立中歐班列開行方案模型,決策運營路徑、開行頻率和收貨方式,并設(shè)計模擬退火算法進行求解。

表4匯總了上述班列開行方案優(yōu)化研究現(xiàn)狀。

表4 班列開行方案優(yōu)化相關(guān)文獻匯總

2 研究現(xiàn)狀述評

2.1 關(guān)于港站堆場資源配置協(xié)同

相較于港口,海鐵聯(lián)運起步晚、發(fā)展較緩慢,海鐵聯(lián)運港站堆場資源配置協(xié)同方面的研究遠不如港口成熟。分析上述港站堆場資源配置協(xié)同的研究現(xiàn)狀,具有如下特點:

(1)針對堆場分配問題,多數(shù)文獻關(guān)注共堆場布局,將港口堆場和鐵路堆場視為一個整體。我國大多數(shù)海鐵聯(lián)運港站采用分堆場布局,港口堆場和鐵路堆場是分離的,分屬于不同的經(jīng)營主體。隨著聯(lián)合協(xié)作意識加強,港方與鐵方開始建立資源開放共享的合作關(guān)系,催生了堆場分配問題,以破解因一方空間資源緊張而無法及時滿足客戶需求的困境?，F(xiàn)有文獻對不同經(jīng)營主體堆存空間共享問題的關(guān)注度不高,僅有的幾篇文獻集中于成本指標,忽略了轉(zhuǎn)運設(shè)備的影響,研究缺乏一定的全局性。

(2)針對箱區(qū)分配問題,多數(shù)文獻直接套用海運集裝箱堆場管理理論和方法,在挖掘海鐵聯(lián)運集裝箱自身屬性方面稍有欠缺。部分文獻采用兩階段思路研究箱區(qū)分配和箱位分配兩個子問題,第一階段研究箱區(qū)分配問題,基于第一階段的既定箱區(qū),第二階段決策箱位分配問題。

(3)針對箱位分配問題,多數(shù)文獻都是從靜態(tài)角度展開研究,優(yōu)化目標多是最小化壓箱量,很少從動態(tài)角度考慮阻礙箱落箱位的滯后影響;研究角度更加深入,從單貝位逐漸深入至多貝位;研究目標也更加多元化,不僅考慮了堆場堆存狀態(tài)目標,還考慮減少作業(yè)設(shè)備移動目標;由于箱位分配問題屬于NP-hard問題,文獻多采用啟發(fā)式規(guī)則或者智能算法求解。

2.2 關(guān)于換裝作業(yè)協(xié)同

(1)固定作業(yè)范圍可簡化裝卸橋調(diào)度問題,柔性作業(yè)范圍下,裝卸橋移動靈活,但需持續(xù)關(guān)注裝卸橋的干擾約束,調(diào)度方式更加復(fù)雜。現(xiàn)有文獻中,固定作業(yè)范圍的衡量指標過于單一,要么僅考慮任務(wù)數(shù)量均衡,要么僅考慮裝卸橋移動距離均衡。基于柔性作業(yè)范圍的裝卸橋調(diào)度多以裝卸效率作為優(yōu)化目標,忽略了裝卸橋作業(yè)均衡目標。

(2)多數(shù)文獻研究傳統(tǒng)的海鐵聯(lián)運碼頭換裝設(shè)備調(diào)度、列車裝卸工藝和運輸技術(shù)也缺乏新意。在綠色低碳政策引領(lǐng)下,智慧型海鐵聯(lián)運碼頭的建設(shè)勢在必行。雖然文獻[47]和[48]研究了自動化海鐵聯(lián)運碼頭換裝設(shè)備調(diào)度問題,但是美中不足,文獻[47]忽略了與船舶的銜接,文獻[48]中忽略了與列車的銜接。

(3)聚焦于鐵路集裝箱中心站主堆場,大多數(shù)文獻認為僅由軌道吊負責列車裝卸和集裝箱中轉(zhuǎn)操作,僅有4篇文獻從節(jié)約成本、提高裝卸效率角度出發(fā),提出采用“軌道吊-集卡”聯(lián)合裝卸方案。

(4)現(xiàn)有文獻多集中于海鐵聯(lián)運換裝設(shè)備調(diào)度問題,而較少關(guān)注設(shè)備配置問題,僅有的幾篇文獻,且多是運用靈敏度分析方法展開淺層次討論。

2.3 關(guān)于班列開行方案優(yōu)化

班列開行方案設(shè)計的研究具有如下特點:

(1)從“線”角度展開的研究主要是決策列車運輸路徑、開行時刻表、開行頻率和貨運量等問題,更多地關(guān)注集裝箱的鐵路運輸屬性,而難以體現(xiàn)海運屬性。與“線”的角度相比,聚焦于“點”的文獻相對較少,而“點”的角度更能反映海鐵聯(lián)運系統(tǒng)對班列開行方案的影響,尤其是換裝模式。本文總結(jié)的幾篇集中于“點”的班列開行方案優(yōu)化的文獻,對船舶和列車間有效銜接的研究層次不夠,例如,文獻[49]和文獻[50]忽略了船舶和列車運輸批量的銜接,文獻[51]有悖于列車為港口提供集疏運服務(wù)的初衷,文獻[52]忽略了與海運端的銜接。

(2)海鐵聯(lián)運集裝箱具有數(shù)量、時間和流向三大特征。數(shù)量特征與列車開行頻率和裝載方案密切相關(guān),時間特征影響著列車開行時間,列車流向與集裝箱流向一致是硬性約束?，F(xiàn)有文獻大多關(guān)注一種或者兩種特征,對三大特征的刻畫和提煉缺位。

(3)多數(shù)研究均考慮確定性需求,然而,實際業(yè)務(wù)中,到港集裝箱可能選擇公、鐵、水三種集疏運方式,同時,鐵路運營商需提前制定列車開行方案,因此,海鐵聯(lián)運集裝箱三大特征均具有動態(tài)性和不確定性。不確定需求前提下的海鐵聯(lián)運列車開行方案中,優(yōu)化模型的構(gòu)建、求解算法的設(shè)計、不確定需求的轉(zhuǎn)換等方面均有待深入探索。

(4)關(guān)于中歐班列開行方案優(yōu)化的研究主要解決運輸路徑、列車開行頻率和樞紐選址問題;另外,研究層次逐漸深入,除?？紤]的成本因素外,擁堵、時效性、碳排放已吸引了眾多學者關(guān)注。直達班列與集結(jié)班列混合組織模式也逐漸成為研究焦點。

3 研究展望

3.1 關(guān)于港站堆場資源配置協(xié)同

基于對港站堆場資源配置協(xié)同研究現(xiàn)狀的把握,本文提出以下幾個潛在研究方向與領(lǐng)域。

(1)海鐵聯(lián)運堆場動態(tài)堆存。動態(tài)翻箱問題復(fù)雜性較高,提箱過程中,阻礙箱落箱位選擇不合理可能導(dǎo)致多次翻箱,翻箱屬于無效作業(yè),因而,在研究箱位分配問題時,不拘泥于待提箱,將研究視角擴展至為阻礙箱選擇最佳落箱位。同時,列車和船舶到離站時間不確定是箱位分配問題的外部干擾因素,基于干擾管理理論,對海鐵聯(lián)運集裝箱堆存方案進行動態(tài)調(diào)整具備潛在研究意義。

(2)海鐵聯(lián)運箱位分配與換裝設(shè)備調(diào)度集成優(yōu)化。海鐵聯(lián)運集裝箱具有運輸批量大、集中性強的特征。業(yè)界做法通常是同一貨主集裝箱同時到離站,同一船舶或者同一列車集裝箱集中分布,這是區(qū)別于海運集裝箱最明顯的特征。屬性相同集裝箱集中分布雖可降低場橋移動,但是難免導(dǎo)致堆場擁堵,因此,集成考慮集卡擁堵、場橋移動和集裝箱貝位層面的分配問題更具備應(yīng)用價值。

(3)考慮?？糠桨傅暮ｈF聯(lián)運集裝箱箱區(qū)分配。海鐵聯(lián)運集裝箱兩端分別連接著船舶和列車,比傳統(tǒng)海運集裝箱多一個環(huán)節(jié)。在優(yōu)化箱區(qū)分配問題時,除常用的箱區(qū)作業(yè)量均衡之外,考慮船舶靠泊位置和列車?？抗傻?優(yōu)化目標權(quán)衡海鐵聯(lián)運集裝箱在船舶、堆場和列車間的移動。

(4)基于博弈論的海鐵聯(lián)運堆場分配。針對分堆場布局,資源共享和合作是大趨勢,堆場分配問題是未來研究熱點。除成本指標外,運輸工具的周轉(zhuǎn)效率同樣影響海鐵聯(lián)運服務(wù)質(zhì)量,充分考慮港口堆場和鐵路堆場間的合作和博弈關(guān)系,解決堆場分配問題是一個值得探索的研究方向。

3.2 關(guān)于換裝作業(yè)協(xié)同

(1)考慮多元化指標的裝卸橋作業(yè)均衡評估。無論是固定作業(yè)范圍,或是柔性作業(yè)范圍,評估裝卸橋作業(yè)均衡有助于提高裝卸橋利用率,減少裝卸橋無效作業(yè)。此外,衡量指標多元化更具合理性,諸如裝卸橋移動、任務(wù)數(shù)量、完工時間等。多裝卸橋作業(yè)區(qū)域的劃分與港口腹地劃分存在一定的相似性,從裝卸效率或者成本角度出發(fā),即使是柔性作業(yè)范圍,存在裝卸橋在某個作業(yè)區(qū)域內(nèi)擁有絕對優(yōu)勢,而在另一作業(yè)區(qū)域內(nèi)沒有明顯優(yōu)勢的情況,這種獨立作業(yè)區(qū)域和交叉作業(yè)區(qū)域的劃分是一個有趣的研究領(lǐng)域。

(2)新型海鐵聯(lián)運碼頭下?lián)Q裝設(shè)備銜接。廣西欽州港U形海鐵聯(lián)運碼頭揭開了我國海鐵聯(lián)運自動化碼頭的帷幕,青島港空中智軌實現(xiàn)港口與鐵路聯(lián)運的“零換乘”,雙層集裝箱鐵路運輸緩解了鐵路運力受限難題。在新型的布局規(guī)劃、資源類型和作業(yè)組織下,換裝設(shè)備銜接的研究必然需要開拓新視角。

3.3 關(guān)于班列開行方案優(yōu)化

根據(jù)上述分析,本文認為海鐵聯(lián)運集裝箱班列開行方案優(yōu)化的未來研究方向有:

(1)班輪與班列銜接模式設(shè)計與聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化。一直以來,無論是產(chǎn)業(yè)界還是理論界,集裝箱海運的班輪運輸與鐵路的班列運輸之間缺乏有效銜接、兩個調(diào)度子系統(tǒng)缺乏溝通協(xié)調(diào)。以班輪運輸網(wǎng)絡(luò)和鐵路集疏運網(wǎng)絡(luò)為平臺,區(qū)別于以往海上班輪運輸、鐵路班輪運輸獨立的運作模式設(shè)計,針對兩種運輸模式之間在運輸批量、發(fā)班頻率、班次周期等方面的固定差異,班輪與班列銜接模式設(shè)計和聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化等領(lǐng)域尚存在許多可探索的空間。

(2)不確定需求下的海鐵聯(lián)運列車開行方案設(shè)計。運輸需求的不確定性是現(xiàn)實業(yè)務(wù)的真實寫照,考慮動態(tài)需求來制定海鐵聯(lián)運列車開行方案更具有現(xiàn)實意義。將實際場景中的不確定需求抽象為數(shù)學表達是解決問題至關(guān)重要的一步,常用的不確定性轉(zhuǎn)化方法包括機會約束、隨機規(guī)劃、魯棒優(yōu)化、靈敏度分析等。結(jié)合問題自身特點,選擇合適的理論方法衡量不確定性特征值得深入探索。

(3)多元化中歐班列服務(wù)模式。首先,貨源分配不當是中歐班列運費高漲和擁堵的根本原因,依據(jù)貨源價值和時效要求,將貨源合理地分配至海運和中歐班列,在一定程度上能突破中歐班列運力緊張瓶頸。其次,抓住西部陸海新通道開通這一機遇,研究中歐班列海鐵聯(lián)運服務(wù)模式是一個有趣的研究方向。最后,受俄烏沖突等地緣政治影響,中歐班列傳統(tǒng)干線遭受一定沖擊,運輸線路的探索和增加是一個潛在研究方向。

4 結(jié)論

海鐵聯(lián)運在我國綜合交通運輸體系占據(jù)十分重要地位,港口與鐵路間的“軟銜接”不足是制約海鐵聯(lián)運發(fā)展的瓶頸。本文從港站堆場資源配置協(xié)同、換裝作業(yè)協(xié)同、班列開行方案優(yōu)化等三個維度對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行歸納整理。經(jīng)梳理發(fā)現(xiàn),大多數(shù)文獻套用傳統(tǒng)港口相關(guān)理論來研究海鐵聯(lián)運系統(tǒng),存在研究角度靜態(tài)化、單一化等特點?；趯ρ芯楷F(xiàn)狀的把握,提出動態(tài)化、多元化、集成化的研究方向。此外,還應(yīng)關(guān)注班輪與班列班期協(xié)同、運輸批量協(xié)同、空箱調(diào)運協(xié)同、“一帶”與“一路”協(xié)同以及海鐵聯(lián)運大數(shù)據(jù)應(yīng)用等。