卷烟运输公铁联运方案研究——以Y集团卷烟运输集装箱公铁联运为例

付子云

（徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221000）

0 引言

烟草行业作为我国国民经济和社会发展过程中的支柱产业，是国家主要税收源泉之一，其中烟草运输是卷烟物流中非常重要的一部分。随着Y烟草集团产销规模的扩大，集团消费需求结构不断向多批次、小批量、多品种以及个性化方向发展，导致中远距离中小型货车发货量和频次逐渐增加，形成了以长途公路运输为主的高运输成本现状，成为烟草集团物流业务中一个迫切需要解决的问题。在我国极力倡导2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的背景下，促进国内烟草企业积极优化运输结构，进行“公转铁”式结构调整，充分发挥铁路在节能减排、安全集约、规模效应上的优势，努力改变烟草运输依赖长途汽运的局面，使得烟草企业实现降本增效，运输业务朝着绿色、安全、集约方向发展成为必然趋势。

国内对于烟草运输方面的研究相对较少。高怡杰，等提出了一种求解烟草配送路径规划问题的新型智能优化算法ITLBO，在传统教与学优化（TLBO）算法的框架基础上，通过改进算法使其能适用于组合优化问题，实验结果表明，所提出的算法能优化配送路线，降低配送成本；高正鹏主要以安徽省工业烟草物流为例研究了成品卷烟配送路径规划过程中存在的问题，首先重新设计了卷烟运输计价规则，然后提出了集合分割数学模型，最后提出了改进的拉格朗日松弛优化算法，并设计了基于贪婪思想的上界求解方法，实现企业降本增效。龚亚琪针对A中烟工业公司卷烟物流网络存在的问题，提出了其网络优化的目标、原则及建立区域配送中心完善网络结构的优化思路，并对区域配送中心建成后A中烟工业公司卷烟物流网络运作模式进行了分析和优化。综上查阅文献可知，大部分研究集中在卷烟运输末端的配送路径优化和烟草营销等方面。对于烟草运输，还没有将轴辐式网络和公铁联运集装化运输结合应用到集团卷烟的整个系统构建及优化等方面的相关研究。

本文在对Y烟草集团的全国型生产网络结构和订单数据分析的基础上，结合集团实际业务需求，建立不同运输形式的精细化成本数学模型，以此为目标函数提出一种适用于烟草行业集装箱公铁联运的优化解决方案，采用禁忌搜索算法和遗传算法，选出最佳枢纽节点并得出最优运输路径分配。

1 卷烟公铁联运集装化装载方案及运输组织设计

1.1 集装化方案设计

从集团长远发展考虑，为提高运作效率，本文引入单元化、集装化作业，并分别从客户订单运作模式、成品卷烟包装以及设施设备三方面进行全套集装化设计。

（1）订单运作模式集装化。订单运作模式集装化是指为方便快速装卸搬运，建议客户订货量以托盘为单位来计数。目前Y烟草集团的订单量大小参差不齐，在设施设备集装化的基础上，尝试改变传统订货量标准，与客户协商订单需求量以托盘为计数单位。以2018年1月1日部分订单需求量统计为例，表1数据显示了各个卷烟需求点以托盘为单位的订单需求，单日订单需求量已能够满足以整托盘运输为单位。

表1 2018年1月1日部分订单需求量

（2）产品包装集装化。我国成品烟包装规格较为统一，每件的规格为458mm×245mm×570mm，1万支/件。目前Y集团卷烟运输包装以件为独立个体。单个托盘上可以放24件、28件、34件，装卸时为保证货物稳定性，需要大量裹膜固定。Y集团卷烟运输以托盘为单位进行集装箱公铁联运运输时，依照客户订单匹配好每位客户的订单量（单位：托盘），结合纸滑托盘载重量限制，针对单个托盘的量采用最大化单元化包装，卷烟出库时以单托盘的量进行打码包装。一方面节约大量的薄膜，另一方面简化了作业流程。

（3）设施设备集装化。设施设备集装化一方面指铁路干线运输使用集装箱，集装箱运输使用标准托盘、纸滑托盘及专用推拉器。成品烟直接储存在带有纸滑托盘的标准托盘上，并借助专用的推拉器进行装卸，实行单元化作业。同时集装箱公铁联运作为最具代表性的多式联运形式，具备公路运输在中短途运输中灵活的优势和铁路运输批量大、经济性好、可靠性高的特点，且以标准化的集装箱作为单元载体能够提高运输的集约性，提高运输效率。本文采用国际标准40英尺和20英尺集装箱，其尺寸规格见表2。

表2 集装箱尺寸规格

设施设备集装化另一方面是指以托盘为基本运输单位时，单位托盘件烟的摆放形式及数量。纸托盘选择用牛皮纸做成的厚度1mm的临边双翼板滑板托盘，承重300-900kg，内嵌RFID芯片，综合考虑集装箱的高度以及纸托盘的性能要求，计算后单个托盘可以堆放24件或者20件。以24件/盘为例，件烟在纸托盘上摆放方案如图1所示。参考40英尺集装箱尺寸，每40英尺集装箱可装载卷烟44托盘（包含22托盘规格为20件/盘和22托盘规格为24件/盘）共968件，即48 400条。集团设施设备集装化改进前车辆容积利用率约为76%，改进后以40英尺集装箱为例容积率提高至81%。

图1 件烟在纸托盘上摆放三视图

1.2 集装箱公铁联运货物运输组织流程

本文确定门到门货源组织类型，运输环节涉及发货地（中心库和烟厂）、发站、到站、卷烟商业公司四个节点，公铁联运货物运输组织过程如图2所示，包含三项基础服务即（a）、（b）、（c）。在借阅参考文献[4-5]的基础上，集装箱公铁联运货物运输全过程作业流程如图3所示。

图2 公铁联运货物运输组织过程示意图

图3 集装箱公铁联运全过程作业流程

2 集装化卷烟单分配混合轴辐式公铁联运网络模型构建

本文在上述集装化装载方案与公铁联运运输组织流程设计的基础上，结合对集团实际业务数据的统计分析，根据不同区域的需求偏好、件烟的规格尺寸以及订单物流信息等，找准迫切待研究的问题，充分考虑卷烟运输公铁联运应用各种场景，建立符合实际订单需求的公铁联运网络模型，明确优化目标与约束条件，建立单分配混合轴辐式公铁联运模型。

单分配混合轴辐式网络模型属于LRP问题，此模型解决的核心问题即枢纽选址和路径规划，有效提高烟草运力、优化资源配置、降低物流成本。混合轴辐式网络包含非枢纽节点之间直接联通，在实际应用中即直达运输，使得运输具有柔性化，其路径示意如图4所示，其运输路径包括非枢纽节点之间直送和经过枢纽中心中转到达两种。假设共有n个区域，每个区域中包含多个节点城市，每两个节点之间既可以满足公路运输条件也可以满足铁路运输条件，如节点1、2、3、…、n。同时枢纽节点之间的铁路运输享有规模效应带来的优惠折扣，折扣因子是变化的，不同的枢纽节点对以及不同的货物流量都会影响折扣因子。

图4 单分配混合轴辐式网络公铁联运路径示意图

2.1 模型假设及变量设置

假设如下：（1）不同节点之间公铁转换时货物换模单位成本、装卸单位成本和装卸单位时间相同；（2）货物整批单向运输，且只在节点处一次性装卸完整批的货物；（3）每个起讫点之间最多通过两个枢纽节点且枢纽中心数量固定；（4）每一个节点都有被选为枢纽节点的机会；（5）本文假设枢纽节点的中转能力无限制即容量无限；（6）不同运输方式的单位运输成本事先给定，且枢纽节点之间的折扣系数事先已知。

模型符号表示如下：

：卷烟需求节点集，n∈N，i和j表示具体的普通节点城市；

：枢纽节点集，枢纽节点个数，p∈P，和表示具体的枢纽中心，()表示枢纽节点数量集；

S：节点i，j之间的货物流量，表示同一节点对之间的货运量总和；

：运输方式集合，{}，m∈M，表示公路运输方式，表示铁路运输方式；

Q：节点被选为枢纽节点建立的固定费用；

R：节点i和j之间的运输距离；

ST：运输方式由转换为的单位中转成本；

:运输方式由转换为的单位换模成本；

:单位装卸成本；

:集装箱的单位装箱、掏箱时间；

T:节点i到j的实际运输总时间；

节点i到j采用运输方式时所用的时间；

lt：节点i到j运输时间上限，即最晚运输时间；

：实际运输时间大于最晚运输时间的惩罚系数；

：公路末端配送车辆，(12)；

()：配送车辆的额定装载量；

y：客户在车辆上有数量的货物。

2.2 目标函数及约束条件

根据问题描述，结合背景资料，发货点和需求点之间的货物运输包含直达运输、双枢纽网络运输和单枢纽网络运输。由此建立模型如下：

…S，f∈(1)，表示货物流量数值。

3 算法设计

本文将禁忌搜索算法和遗传算法相结合，选出最佳枢纽节点并得出最优运输路径分配。算法实现流程如图5所示。假设网络模型中枢纽节点集合为,为个总节点的集合，的邻域()()，为集合的长度，表示从中换出的点，表示从中换入的点。目标函数()表示枢纽节点为时的最低物流成本，()的大小由遗传算法阶段求出。()表示节点的禁忌状态，比如()3表示再继续迭代3代节点可以解禁。

图5 禁忌搜索算法和遗传算法实现流程

4 数值实验与案例分析

4.1 参数设置

为验证上述模型的有效性，以河北省内和云南省内共19个节点城市某年某月的订单数据为基础进行算法计算，假设选择的运输方式只有公路和铁路两种，通过构建模型进行枢纽选择和路径分配，得出整个轴辐式集装箱公铁联运运输网络最优成本下最佳枢纽节点和最优的路径选择。并将该最优成本和公路运输进行对比分析，进一步从实践上验证集装箱公铁联运的成本优势和服务水平上的可行性。

首先部分货源点到需求点的铁路运输距离矩阵见表3。其他有关运输成本参数、公路铁路运价率均参照最新市场数据。假设公铁联运服务时间上限定为三天。MATLAB中通过UT（时间上限）=ones(19,19)*72进行时间上限赋值。

表3 部分货源点到需求点的铁路运输距离矩阵 单位：km

4.2 结果分析

通过MATLAB多次运行求得最优枢纽中心节点和相对应的最优路径选择。其中禁忌搜索算法在10代左右算法收敛，收敛速度较快，整个运输网络成本从1 835 000元收敛至1 760 000元。若采用长途汽车进行卷烟运输，通过计算成本为1 801 100元，节省运输成本开支41 100元。上述汽车成本未考虑车辆折旧和维护、职工福利、过桥费和养路费等费用，因此实际上汽车直送的费用要大于1 801 100元，而且随着公铁联运网络的完善，铁路的折扣系数会继续降低，轴辐式集装箱公铁联运将会更有优势。轴辐式公铁联运运输网络中O-D图如图6所示。

图6 集装箱公铁联运运输网络O-D图

由图6可知，建立节点城市4和节点城市12为枢纽点，完成从省内卷烟厂到目标销售地区的卷烟运输，由于节点城市4与节点城市7距离较近，所以编号4未标出，以7共同表示枢纽城市4和节点城市7。在整个卷烟运输网络中，运输方式主要有公铁联运、铁路直送、汽车直送和公路接驳四种路线。公路接驳对应同市内烟厂间转运存储。公路直送节点对为市内短距离运输，铁路直送多为发货点距离枢纽站较远且运量较大的节点城市。节点城市2、节点城市3和节点城市1均有一定运量通过枢纽点进行轴辐式公铁联运。同时省内各点之间的移库作业均为汽车直送形式。从节点城市2运往节点城市12和节点城市9的运输方式为汽车直送，节点城市2位于省内最北方，距离枢纽点4的距离较远，但节点对之间的运量相对较少，为避免绕行增加额外成本以及受运量限制，铁路运行成本优势不足以抵消火车的开行费用；且其货运量加入到铁路枢纽节点间干线运输不能产生更优惠的折扣系数，因此采用汽车直送运输。

由于河北省地形限制，各个需求点较为分散，在河北省内只选用一个枢纽节点运输成本降低幅度不大，在一定范围内增加枢纽节点数目，轴辐式集装箱公铁联运的成本优势会更加明显。

5 结语

本文首先对集装箱公铁联运集装化装载及运输组织进行设计，构建了单分配混合轴辐式公铁联运网络模型，运用禁忌搜索和遗传算法，充分考虑多方面因素，在最短的时间内得出近似最优解。实验结果表明，此公铁联运方案能够达到降本增效的目的。同时提出以下三点建议：

（1）针对部分区域实际情况，一定程度上继续发挥集团现有的汽运优势，卷烟运输公铁联运规模需由小及大，逐步积累经验，并要积极与当地政府和铁路部门沟通协调，进一步改善货车通行条件，做好现有站场的基础改造工作。并积极进行拣选、存储、装卸搬运作业的技术改造，与有条件的商业公司合作，积极落实，为公铁联运的具体实施提供保障。

（2）实现集装化。一方面需要升级现有枢纽节点的配套设施，根据各个枢纽节点的需求量和需求密度增设集装箱吊装设备，提升装卸搬运能力和作业效率。另外需要各个烟草公司和生产厂仓库配备相应的纸滑托盘、叉车等基础设施，提高整个公铁联运过程中的集装化服务水平。

（3）加强物流信息化建设，缩短集结时间。由算法计算过程中知，集装箱集结时间占总时间比例较大。在具体实施中，应该加强公铁联运网络的信息化建设，增加每个枢纽节点的覆盖范围，形成规模效应，减少公铁联运成本，提高公铁联运网络的运输效率。