铁路集装箱空箱调运研究综述

铁路集装箱空箱调运研究综述
王宝红
【摘要】针对铁路集装箱空箱调运研究的背景及现实意义,回顾了铁路集装箱空箱调运的研究历程,从研究思路、研究方法方面总结出专家学者最新的研究成果及研究方向,即目前研究主要集中在多目标组合优化、网络优化及随机机会约束规划等方面。

然后,对比分析了各类理论模型的优缺点,指出现有优化模型（基于铁路的多式联运下的集装箱空箱调运、空重箱协同优化等）应在充分考虑影响调运因素的情况下做更深入的研究,并提出未来的研究应将空箱调运和空车调配问题结合起来,进行二者的整体优化,避免因只考虑集装箱空箱调运而导致建模上的不完备;为了提高客户服务质量,对调运时间的可靠性也不可忽视。

【期刊名称】《交通运输研究》
【年(卷),期】2016(002)003
【总页数】7页(P56-62)
【关键词】集装箱空箱调运;综述;铁路货运;模型构建;调运时间可靠性
【作者】王宝红
【作者单位】兰州交通大学交通运输学院,甘肃兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】U294.1
铁路是国民经济的大动脉，铁路货运在我国运输行业的战略地位及作用是其他运输方式不可替代的。

集装箱运输作为一种现代化的运输装载方式，在铁路运输行业扮
演着重要的角色。

但是，我国地域广阔，资源分布不均衡、区域经济发展存在很大差异，利用铁路集装箱运输时，往往出现大量集装箱空箱在运输过程中对流或者闲置囤积的情况，从而产生大量的空箱运输。

经过许多专家学者的共同努力，集装箱空箱调运问题研究成果逐渐贴近现场调运实际。

J.He等人［1］（2015）从供应链的角度出发，构造了一个集装箱空箱调运
网络模型，其不足之处在于没有考虑网络中流量的限制；Chao等人［2］（2015）运用时空网络研究了港口码头冷藏集装空箱调运问题；张高鹏［3］（2015）对箱种和车种代用下的空箱调运问题进行了研究；李永军、段刚等［4］（2016）研究了技术站改编作业情况下的集装箱空箱调运优化，建立了鲁棒优化模型，并将优化模型中的组合优化部分转换成线性函数，以简化求解。

这些研究对集装箱空箱调运问题的有效解决起到了良好的推动作用，同时拓展了新的研究方向。

铁路集装箱空箱调运是否合理，对加快空箱周转、提高铁路货运服务质量等具有重要的意义。

因此，对集装箱空箱调运问题作更加广泛而深入的研究、对已有模型做进一步的优化很有必要。

本文梳理了集装箱空箱调运的研究历程，通过分类汇总分析发现，目前的研究主要聚焦于网络优化、随机机会约束规划、多目标组合优化等方面。

文献［5］～［7］分别对铁路集装箱空箱调运要达到的目标进行了分析，总的来说，有以下几个：（1）缩短周转时间；（2）提高空箱利用率；（3）降低调运成本；（4）优先满足重要客户的需求；（5）优先满足高优先级的空箱调运；（6）提高货主满意度；（7）改善运输企业服务水平；（8）其他。

在一次空箱调运中，无法同时达到上述目标，这就要求决策者在充分考虑调运实际情况的基础上，分清主次，科学地做出决策，以使决策方案能够最大限度地满足客户的需求，降低铁路运输企业的运输成本、提高经济效益。

国内外很多专家学者在不同时期、不同国情、不同运输背景下先后对此问题进行了
探索与研究，提出了许多理论方法，在不同的实际情况和影响因素下，建立了数学模型并对其进行优化。

2.1 基本模型
Misra［8］最早将铁路集装箱空箱调运看作一个运输问题，并基于线性规划建立
了相应的模型，其目标函数是单位时间内产生最小的调运费用，可运用单纯形法和运输算法求解。

White和Bomberault［9］利用运输规划理论对这一问题进行了研究，解决的是实际运输过程中一段时间内的集装箱空箱调运问题，并建立“空间-时间”模型，利用诱导式网络流算法给出实例分析。

Jordan和Turnquist［10］以及Powell等［11］主要研究传统的规划模型。

Dejax等［12］基于决策周期足够长的条件，针对集装箱运送路径模型给出大体的框架。

Funke，Kopfer［13］
设置了总走行距离最小和总装卸时间最小两个主要目标，建立混合整数线性规划模型，研究了内陆集装箱的调运。

集装箱空箱调运对箱型、货物等级、适箱货物和箱种的忽视在一定程度上使得理论优化方案与实际优化决策有一定的偏差。

乔磊、崔改娣［14］针对此类运输问题
建立了基于箱种代用下的运输规划模型，用遗传算法求解。

潘雪丽、张春民［15］以空箱调运费用最少为目标研究了箱种代用下的调运模型。

段刚、陈莉等［16］
建立了基于货物等级和适箱货物的铁路集装箱空箱调运非线性混合整数规划模型。

段刚、陈莉、李引珍等［17］继而以铁路运输利润最大为目标，在完成局间排空
箱任务的基础上，综合考虑空重集装箱运输，建立空箱调运非线性混合整数规划模型。

在研究初期，专家学者抛却其他影响因素，将铁路集装箱空箱调运问题看作一个单纯的产销平衡运输问题，从而使问题得以简化，有利于求解，但这种模型不能精确地描述实际调运状态。

于是，针对多目标的调运优化模型研究应运而生。

2.2 多目标组合优化模型
在单一调运模型中，往往将很多实际因素当作假设来处理，而事实上这些因素在建立合理的调运模型时恰好是不可或缺的。

为了克服这一建模缺陷，针对铁路运输过程中出现的大量不确定情况［18］，专家学者开始研究考虑多种目标（客户满意度、集装箱优先等级、效益、成本、运送时间）的组合优化模型。

施亚萍、陈兵［19］基于运输成本最小和托运人满意度最大目标，建立了铁路集
装箱空箱调运最优化模型，运用线性双层规划理论求解。

杨光、张静芳［20］基
于运输成本最小和主要集装箱优先调运的目标，建立了铁路集装箱空箱调运多目标规划模型，并通过实例检验了模型的优化效果。

彭华［21］选取效益目标和成本
目标作为两个主要实现目标，据此建立了空箱调运的多目标优化模型，并运用遗传算法加以求解。

刘爽阳［22］在评价客户价值、细分客户群的基础上，提出了基
于“客户价值-调运成本”的空箱调运方法。

刘爽阳、廖丽平［23］将空箱分为不同的优先级，综合考虑客户价值和空箱调运成本，建立了相应的模型以求达到二者整体最优。

廖小琴［24］考虑需求量、供给量和租箱量等因素，建立了空箱调运
的优化模型，运用LINGO对模型求解。

闫海峰、董守清［25］综合考虑空箱调配和重箱流径路选择、混合箱流的输送时间、距离及费用，以达到其整体最优，建立基于径路选择的空箱调配混合0-1规划模型。

李永军、段刚等［4］以集结费用、技术站改编费用、车辆走行费用以及空箱早到库存成本或延误损失成本四种费用之和最小为目标，建立了基于技术站改编作业的空箱调运模型。

陈小红［26］构造
了重箱协调下的单一空箱调运模型，目的是谋求铁路运输效益最大化。

张高鹏［3］建立组合考虑车种和箱种代用下的调运模型。

朱咏秋［27］除考虑运输成本、时
间成本最小外，还考虑了时间成本，从而使所建模型得以优化，并在一定程度上能够间接地反映客户的满意度。

2.3 网络流模型
集装箱空箱调运具有动态性、不确定性等特点。

Florez［28］抓住这一特性，将
动态集装箱空箱调配看作一个确定的网络流问题，并用网络算法求解。

Chen等人［29］综合考虑空箱和载货集装箱，并基于多箱种，建立了动态网络模型。

Crainic等［30］以最小化总体内陆运输成本为目标，建立多箱种网络模型，运用禁忌搜索法求解。

Kaj Homberg等［31］通过分析，建立了多货物种类的网络流数学模型。

Ouimet［32］强调货运预测的重要性，同时考虑空箱调运里程最小化、空箱库存数量最小化和服务延误最小化，并结合线路能力、空箱库存和传统网络，建立了空箱调运优化数学模型。

Kikuchi［33］结合美国铁路空箱联营的特点构造了同上的时空网络，在“空箱供给预测由调度中心提供、需求预测由客户提供”的基础上，用网络中的弧表征空箱的库存和移动，建立了相应的数学模型。

刘超［34］在充分考虑铁路集装箱运输的动态性、随机性的基础上，建立了一种可以反映集装箱空箱调运随机性、动态性的模型——Petri网，并用EXSPECT软件仿真，以探索铁路集装箱的空箱调运问题。

J.He等［1］把集装箱的调运线路设计成一个网络，其目标为网络中供应链总服务成本（缺箱成本、运输成本、作业成本和库存过剩成本）最小，由此建立多层次集装箱供应链网络（MCSCN）优化模型，并基于启发式仿真算法优化了集装箱供应链网络体系结构。

不过该模型没有考虑集装箱库存容量的限制、在途运输时间、需求和供给等约束的限制，故具有一定的局限性。

Chao，Chen［2］用时空网络方法研究了亚洲主要港口间的冷藏集装箱空箱的调运，这对研究铁路集装箱空箱调运具有一定的借鉴作用。

2.4 随机机会约束规划模型
如前所述，影响铁路集装箱空箱调运问题的随机因素主要有：运输时间、空箱需求量、空箱供给量、货物紧急程度、箱种代用等。

据此，专家学者建立了多种随机机
会约束规划模型。

Jordan等人［35］通过假定铁路集装箱空箱供给量与需求量服从正态分布，运输时间服从负二项分布，综合考虑空箱调运费用、空箱库存费用、脱销费用和货运收入，以期望收益最大化为目标函数构建模型。

Eliodor［36］考虑在拥有多数不确定性因素的情况下，确定集装箱租赁、购买和保有等各分量的决策，建立协调空箱库存量和调配问题的数学模型。

Long等［37］结合拉丁过饱和设计和超立方设计，利用样本均值逼近法求解随机空箱调运问题，结果表明，该方法对随机空箱调运问题有较好的适应性，而且能够得到较优的解。

Hao，Yue［38］研究了集装箱多式联运的动态规划，对运输路线和运输模式进行了组合优化，其不足之处在于没有考虑货物尺寸对空箱调运的影响。

在国内，利用不确定性优化方法研究集装箱空箱调运问题的有：刘大铭等［39］
研究陆运空箱调配问题时，在机会约束规划理论和库存论的基础上建立了陆运空箱调运模型，给出的有效算法对铁路集装箱空箱调运有一定的启发；张鹏翔、崔炳谋［18］综合考虑列车运输时间的不确定性、空箱供需关系的变化（供需地空箱量
变化、箱种代用等）、空箱运输组织变化，建立了相应的数学模型，并运用混合智能算法求解。

杨楠［40］在考虑不同影响因素和优化目标的前提下，建立了基于
不确定理论的空箱调运随机机会约束模型；徐奇等［41］建立了多式联运下以运
输系统总收益最大为目标的集装箱重空箱联合调度随机规划模型，揭示了弃货成本、租箱成本、不确定性重箱运输需求对集装箱调运策略的影响机制，并引入随机因素建立模型，从而更加符合集装箱空箱调运要求，也能够更进一步实现前文所提出的调运目标。

2.5 基于时间窗的优化模型
张得志、谢如鹤、黄孝章等［42］通过对铁路集装箱运输市场进行调研，建立了
基于顾客偏好和时间窗的模糊机会约束规划模型，并采用遗传算法求解。

段刚、陈
志忠等［43］和段刚、李引珍［44］基于技术站的作业改编，考虑空箱需求的时
间要求，建立了基于软时间窗的铁路集装箱空箱调运模型。

段刚、陈莉、李引珍等［45］将不确定走行时间考虑在内，建立了鲁棒软时间窗模型，并构造基于鲁棒
软时间窗的空箱调运问题通用模型，通过等价变换和对偶变换，将空箱调运模型转换为一般的整数线性规划，最后通过算例对不确定走行时间的数量进行了灵敏度分析，这对进一步研究集装箱空箱调运有所启发。

另外，郑燕［46］研究了没有时
间窗、只有软时间窗、只有硬时间窗、同时含有软时间窗和硬时间窗四种约束下的集装箱空箱调运模型，但没有考虑其他影响因素，也没有给出实例分析。

2.6 模型求解方法
在实际决策过程中，需要综合考虑多种因素（确定因素和不确定因素），最终得出与实际情况比较相符的空箱调运方案。

由于考虑因素众多，往往会导致问题的规模庞大而复杂，导致在求解过程中会遇到“维数灾难”［47］。

为解决这一“灾难”，出现以下几种不同的求解方法：（1）采用分层优化策略［47］；（2）利用现代优化算法，如启发式仿真算法［1］、混合智能算法［18］、禁忌搜索算法［30，48］、遗传算法［21，27，42，48］、模拟退火
算法［48，49］，来解决复杂性问题。

在不失去问题最优解的前提下，通过适当
的加权对复杂问题进行有效整合，将不同的目标函数纳入同一个函数式中，以此降低维数，从而降低和控制问题的规模。

总的来看，国外学者对集装箱空箱调运问题的研究多基于各自国家的资源分布状况、铁路货物运营状况、铁路货运集装箱运用状况等。

这使得国内的专家学者在借鉴国外研究成果的基础上研究我国铁路集装箱空箱调运问题时，受到一定限制。

因此，应在充分考虑我国基本国情、资源分布状况和铁路运输生产基本情况的前提下，借鉴已有研究成果，将以下研究推向更深的层次。

研究初期，国内外几乎均着重于考虑尽可能节约成本，但片面追求减少集装箱空箱
调运成本，将会引发新的问题：（1）运输网络运输能力的不均衡；（2）在某些
关键路段产生运输瓶颈；（3）给运输调整带来难度；（4）对货运产品的需求方（货主）带来不利影响；（5）若单纯考虑降低调运成本，在客户看来，运输企业最优的调运方案将毫无价值。

为此，研究铁路集装箱空箱调运问题时，应当将铁路运输部门的经济效益、货主服务水平等因素考虑在内，建立多目标组合优化模型，以此寻求最佳（优）的调运方案（计划）。

在铁路集装箱空箱调运过程中，对货运量预测不准确、对货流信息掌握不全等随机因素会对实际决策者造成极大的干扰。

在上述不确定性因素的影响下，已有模型无法很好地解决实际问题，得出的调运方案不能满足客户的实际需求，也不能真实、合理、有效地反映铁路集装箱空箱调运的实际情况及调运系统的随机动态性等特征，往往使得获取最佳（优）的集装箱空箱调运方案（计划）显得力不从心。

因此，无论从衡量货主满意度还是铁路运输企业服务质量和服务水平方面来说，研究铁路集装箱空箱调运问题的时间可靠性显得很有必要。

铁路空车调配和集装箱空箱调运一样，二者均具有多变性、复杂性、动态性等特点。

外加铁路货物运输的特殊性，铁路空车调配对集装箱空箱的调运也会产生一定的影响。

如某A集装箱调运站因空箱短缺需要从B站调配一定数量的集装箱空箱运送
货物，而B站及B站附近没有足够的空车将空箱运送到A站，这种情形下，在整
个调运过程中就需要建立适当的模型，综合考虑由于集装箱空箱调运及空车调配所产生的一系列费用，进行二者的整体优化，以此降低铁路运输企业的成本，提高运输企业的经济效益。

近几年，随着货主对运输服务提出更高的要求和各种运输方式在服务质量上的竞争，以集装箱多式联运为主的“门到门”（door to door）的运输方式在货物运输中
的地位越来越明显。

这就需要各种运输方式之间协调配合，共同努力提高运输服务质量，从而为客户提供优质服务。

嵇莉莉［50］建立了基于水陆联运的铁路集装
箱空箱调运模型，并用MATLAB对模型求解。

未来应该更进一步研究基于多式联运的铁路集装箱空箱调运模式。

在空箱调运的同时，若有同方向的适箱货源和货流，就不应单纯考虑空箱调运的优化方案，而应该考虑空重箱的综合优化，最大限度地减少空箱的调运距离、增加重箱的收益，从而增加运输企业的经济效益。

根据可查文献［17，26，41］，目前国内外在铁路集装箱空重箱协同优化方面的研究还比较欠缺，而空重箱综合优化却更贴近调运的实际情况。

因此，在未来的研究中，对空重箱的综合优化应该更加深入。

本文综合分析了国内外对铁路集装箱空箱调运的研究，并得出以下几点结论：（1）随着研究的深入，逐渐淡化用传统线性规划模型进行优化；
（2）由于考虑因素众多，优化模型的复杂度变得越来越高；
（3）在未来研究中，网络流模型、多目标组合优化模型和时间窗模型等将成为研究的趋势；
（4）由于不断更新研究方法和思路，在优化模型中需加入随机因素、时间窗等约束，使得优化模型更贴近实际调运情况；
（5）模型求解复杂，要采用混合智能算法、禁忌搜索算法等现代化的算法对其予以简化；
（6）在未来的研究中，基于铁路的集装箱多式联运、将空车调运和空箱调运进行整体优化、空重箱协调优化、铁路运输企业服务时间的可靠性等将会成为新的（需要深入探讨的）研究方向。

为了更好地解决我国铁路集装箱空箱调运问题，需更进一步寻求符合我国基本国情和货运改革后国内铁路货物运输生产实际，使集装箱空箱调运更加经济、合理，并且令客户满意的调运方案（计划）。

但如何才能将理论应用于实际，带来一定的经
济效益，还有待广大科研工作者共同努力探索。

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