广西自贸区绿色多式联运路径优化研究

方文凯，廖志高

（广西科技大学 经济与管理学院，广西 柳州 545006）

0 引 言

伴随着广西经济的不断发展以及与东盟各国经济往来日益频繁，传统单一运输模式具有高污染低效益问题，已不能满足现代物流发展需求。广西自治区必须做出相应的运输结构调整，以应对未来发展的机遇。而发展绿色多式联运则是一种行之有效的运输模式，也是解决当下运输行业高污染低效益的关键，更是众多学者研究的热点问题。当下，广西自治区以成立广西自贸区为契机发展物流经济，更在广西十三五规划发展中强调，抓住中国—东盟自由贸易区建设机遇，大力发展现代物流服务业，加快完成现代综合交通运输体系，统筹兼顾铁路、公路、水运和民航等发展，逐渐提高广西物流高效率服务水平，实现节能环保绿色物流运输水平，从而更好地提升广西经济的发展。而本文也正是基于这样的目的展开科学研究。

综合目前的研究成果可以了解到物流路径选择问题仍是研究多式联运的核心，既在不同的因素情况下构建模型进行优化分析。多式联运路径优化选择一般会受到运输成本、运输时间、货物量、运输风险、运输质量以及环境等因素的影响。例如：Chang首先对多式联运构建数学模型，在模型中将时间问题作为约束条件来控制商品物流的分配。Cho学者以运输的总成本和总时间为多目标模型，借助具体的案例从釜山到鹿特港的实际距离展开研究分析，得到最优的路径。Seo学者以运输的总成本、总时间以及信心指数研究从重庆到鹿特港的路径，借助运输货物的贵重性建立信心指数模型。Xiong学者在研究多式联运过程中将减少碳排放作为目标规划模型，首次分析在运输过程中如何减少碳排放。而我国国内研究多式联运起步相对较晚，主要有付新平以运输的总时间和总成本为目标模型，通过研究中欧班列集装箱问题进行路径优化。李玉民等选择以运输的总成本、总时间以及碳排放量为目标模型，在结合具体的案例构建多式联运路径优化选择，从而将国内研究多式联运目光的人聚焦到环境因素上。万杰等人同样以运输总费用、运输总时间以及物流服务质量为目标函数构建混合整数规划模型，借助无量纲化的方法转换成单目标模型进而优化路径。贾叶子等人以运输总成本、时间和环境外部成本等目标模型展开研究，通过具体分析在运输过程中环境因素对路径造成的影响。李魁梅等人通过研究在运输过程中的综合成本问题，建立以运输成本最小化的模型从而进行路径优化。

根据文献研究发现，在研究多式联运路径优化的过程中，大部分学者都是以运输总成本、总时间或者碳约束中的一个或者两个等为目标模型，而缺乏全面地分析多式联运在运输过程中所受到的影响因素。基于此，本文在已有的研究基础上，通过系统性分析多式联运在运输过程中所受到的影响因素，建立绿色多式联运多目标规划模型，借助模糊优化中的理想点转换法，处理多目标之间的单位差异以及其数量级差异，并转换为单目标模型进行求解。从而可以较好地平衡三个目标规划的权重。同时在结合广西自贸区的具体案例，可以为广西自贸区更好地规划路径，为今后的发展实现高效环保的目的。

1 多式联运路径优化模型构建

1.1 问题描述

在某个货运转运处有一批货物需从某地区（假设A） 运送到目的地（假设B），并且需要在规定的时间内送到，不然就会产生额外的存储费用或者惩罚费用。在按照路径运输的过程中会通过若干个转运节点，转运节点之间可以通过铁路、公路以及水运三种运输方式进行转运，同时考虑到每个节点城市都可以按照已有的路径转换运输方式。在运输过程将会产生运输成本、运输时间、运输服务质量、碳排放、空气污染物以及空气噪音等因素。通过综合考虑上述因素的影响，从而确定该批货物最优的运输方案，实现高效环保的目的。

1.2 模型假设

假设1：在货物运输的过程中只能按照已有的路径线路进行运输；

假设2：在运输过程中两个城市节点之间最多并且只能选择一种运输方式进行运输，相邻城市之间节点只能转载一次；

假设3：在运输过程中不发生运输货物的增加，保持货物的完整性；

假设4：在运输过程中只能以整体为单位运输，并且保证单次运输过程中总能满足货运量的上限；

假设5：不考虑运输过程中遇到特殊情况例如天气等因素的影响，不考虑运输过程中的货物以及运输工具的耗损；

假设6：不考虑在中转节点的环境外部因素的影响。

1.3 符号说明（见表1）

表1 参数说明

1.4 模型的建立

依据上面的假设分析，通过文献[11]的描述在模型中考虑到碳排放值、空气污染值及噪音污染值等因素而建立绿色约束模型。同时本文使用物流服务质量系数来衡量各城市以及城市之间节点转载服务能力，对于不同的城市节点，其自身的资源及发展水平越好，则提供的物流服务质量水平就越高。因此，在综合考虑到运输过程中的各种因素和参考文献[12]选取区位条件、班列密度、装卸效率、信息服务水平、班列准点率及通关效率为评价因素，考虑以上的因素建立多目标绿色多式联运路径优化模型。

模型中，式（1） 表示多式联运运输过程中的总时间，包括运输过程中时间及转载的时间。式（2） 和式（3） 表示货物在运输过程中的费用及转载的费用，式（4） 表示货物未按时送达产生的仓储费用及惩罚费用，式（5） 表示多式联运运输过程中的总运输成本。式（6） 表示在多式联运过程中运输服务质量。式（7） 表示在多式联运运输的过程中需要将环境因素控制到数值R 以内。式（8） 表示决策变量在取值的过程中保障正常运输。式（9） 表示决策变量的取值为0～1 变量。

1.5 模型求解

借助上面的分析可以得到的目标函数为多目标规划问题，而多目标规划问题存在多种问题的影响，无法求得最优的解，同时，在研究多目标的过程中各目标级的权重单位也不尽相同，为便于求解，本文则借助模糊优化中的理想点法，将求解的多目标规划问题进行无量纲化处理，使得各目标模型处于同一单位，具体的操作步骤如下：

通过上面的具体操作步骤，可以将多目标规划问题转化为单位统一的、以加权欧氏距离最小化目标的单目标规划问题，在借助优化求解器LINGO12 软件进行具体求解。

2 算例模拟分析

2.1 案例说明

假定有一批货物需要从广西南宁运往到越南河内市，使用标准TEU 集装箱10 个进行装运，在将货物运往越南河内市的路径中，根据目前了解可以得知有三条路径可以运输，在每条道路运输的过程中会途经不同的中转站，在途经中转站时可以改变运输方式，而在运输的过程中运输的成本、时间以及环境污染程度等各不相同。其中多式联运网络图见图1，具体数据见表2至表5。首先从多式联运承运人的视角出发，更多地考虑运输成本及物流服务对运输路径的影响，时间因素所占比重较少，既各目标的权重值λ=0.3, λ=0.3, λ=0.4, 同时后面也会对权重变化产生的影响作具体的分析。最后，在具体分析三条路径的差异。

表2 三种运输方式的换算

表5 各城市运输过程中的物流服务质量水平（取等级值）

图1 多式联运网络连接图

2.2 案例数据

在将货物从广西自贸区南宁片区运往越南首都河内市时，目前共有三条路径可以运输，按照地理位置可以分为上路、中路以及下路。

首先，碳排放主要集中在二氧化碳的排放上，根据借鉴W.M.TO 的研究，公路，铁路以及水路运输二氧化碳排放因子分别为：11.91、0.227、0.121（g/km）。而空气污染物的排放量主要是集中在一氧化碳、碳化氢、某氧化氮和PM 的值，上述的测量值以避免成本法计算得来，而噪声的污染值是与欧盟的研究类比计算出的，通过人口密度以及人均GDP 指标计算得来，另一方面因水运一般远离人群而运输，故噪音污染值为零，各单位具体数据如表6 所示。

表6 三种运输方式的碳排放、空气污染物排放量以及噪音成本值 单位：g/（t·km）、元/g

2.3 案例求解

表3 三种运输方式之间的转化 单位：元/TEU-1、h/TEU-1

表4 相邻城市之间的距离 单位：km

通过上面的具体数据及绿色多式联运模型，运用LINGO12 软件中的分支定界原理对上路（既第一条运输线路） 运输的总时间、运输的总成本及运输的服务质量为目标的单个目标函数规划问题进行分别求解，可以得到各目标的最优解及最劣解，如表7 所示：

表7 各目标对应最优解以及最劣解

其次，通过前理想点法将多目标转换成单目标模型后进行归一化处理，根据加权欧式距离为目标的单目标规划模型，可以整理得到最终目标函数为：

最后，在借助LINGO12 可以对上述的单目标规划模型进行求解，同时，为验证本文建立的模型有效性，将以运输总成本以及运输总时间为目标函数的多式联运模型进行求解，在与本文所建立模型求解进行对比分析，可以看到运输的方案如表8 所示：

表8 对比分析

由表8 可以了解到，本文研究能更好地兼顾对环境的影响，实现节能减排的目的，为我国的生态环境做出一定的贡献。在考虑到外部环境因素的情况下，控制服务质量模型的参数，目标函数的运输路线并未发生改变，加入服务质量模型可以提高服务质量水平，但是也会带来目标函数总时间的增加。特别是在改变不同的权重值时路线就会发生相应的变动，根据承运人对权重的敏感度不同，可以逐次改变敏感系数，从而可以得到最优的路径，为自贸区的绿色多式联运发展提供可行性方案。各权重的最优路径如表9 所示。

表9 各权重的最优路径

2.4 案例对比分析

为研究南宁片区到越南河内市的最优路径，可以了解到有三条路径可供选择，具体的路径见图1 所示，三条路径各有其优劣势，结合具体的数据模型可以进行对比分析：

（1） 上路路径

在分析上路的过程中，可以了解到当权重系数为（0.3,0.3,0.4） 时设定此时的最优解的值为单位1，不断改变敏感系数可以了解到当敏感系数为（0.1,0.6,0.3） 时，既先水运、铁运、水运的运输方式是最优的路径，比对比值优化45%，优化的主要来源是全程依托铁路和水运的运载能力，而铁路和水运的运载相对于公路而言比较廉价。

（2） 中路路径

在分析中路的过程中，当与上路进行对比时，将各自的权重系数也调整为（0.3,0.3,0.4） 时，运输的总费用会降低（91.7735-80.5325）/91.7735*100%=12%的费用。降低的主要原因在于运输过程中水运的增加，相对而言在成本略下降。通过逐次修改敏感系数发现中路的状况比上路相对较好。

（3） 下路路径

在分析下路的过程中，同样为与二者形成对比说明，也将各自的目标权重系数调整为（0.3,0.3,0.4），发现与上路运输进行对比时运输费用会下降许多，通过计算可得相对值（91.7735-73.0975）/91.7735*100%=20%的费用，与上中路对比分析可得，这条道路是最优的路径。其主要的原因是在运输的过程中大部分都为水运的方式，水运相对而言既比较廉价又节能环保。

根据我国发展规划需要在2030 年时碳排放达到峰值，这就需要我国各个行业共同努力去实现，对于物流运输而言更需要节能减排。通过上面的研究可以了解到我国不单单需要在碳排放上作出规定，还需要在各种环境污染物等排放上作出全面性规定。针对广西自贸区而言，需要狠抓水运基础设施项目的建设，着力提升服务能力水平，力争到2030 年西部陆海新通道水运设施基本建成，这样才能在东盟以及辐射“一带一路”沿线国家和地区时展现出巨大的发展潜力。

3 结束语

本文在研究的过程中通过考虑碳排放、空气污染以及噪声污染等产生的外部环境因素对多式联运运输方式和路径选择的影响，也结合考虑到以运输总成本、运输总时间及运输服务质量作为优化目标模型而建立多目标规划模型。在模型求解上，借助模糊优化中的理想点法将多目标规划模型转化为以欧式距离最小为目标的单目标规划模型，借助LINGO12 软件进行求解。在求解的过程中通过相互对比分析较好地平衡运输总成本、运输总时间及运输服务质量水平目标。该研究既符合我国实现节能减排的目的，又能帮助广西自贸区建立最优路径。但在研究的过程中，没有深入研究货物在运输过程中对环境的具体影响以及动态运输过程，这将是未来研究的方向。

通过对广西自贸区的具体分析，了解到目前广西自贸区需要大力推进水运基础设施建设，逐渐提升对运输行业的投资力度，构建四位一体的综合立体交通格局，完善综合交通运输网络体系，为实现广西自贸区的碳达峰、碳中和目标而作出新改革，推进广西交通运输的高质量发展。