我国铁路集装箱空箱调配模式优化研究

阮海涛，徐建光，黎浩东

（1.中国国家铁路集团有限公司 办公厅，北京 100844；2.中国国家铁路集团有限公司 运输调度指挥中心，北京 100844；3.北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）

0 引言

集装箱作为现代物流的重要载体，具有管理便利、装卸效率高、适用于多种运输方式的优点。近年来，在“一带一路”倡议、运输结构调整、铁路货物运输供给侧改革等政策措施的推动下，我国铁路集装箱运输呈现快速发展趋势。截至2020年底，铁路集装箱保有量79万余只，包含20 ft箱、40 ft箱、敞顶箱等多个型号。2018年与2019年集装箱运量同比增速都超过了30%；2020年上半年，集装箱货物发送量1.95亿t，同比增长32.3%，单日装车最高达到33 628车。根据《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，我国铁路将大力发展集装箱运输，进一步优化集装箱运输网络，构建集约高效的货运物流体系。

我国铁路集装箱运输快速发展的同时，集装箱运用管理问题，特别是空箱调配运用计划不合理、调配效率不高等问题逐渐凸显。我国幅员辽阔，区域间自然条件、经济发展、货源货流分布差异大，决定了集装箱箱流在空间、时间上的不平衡，空箱调配不可避免。国内外关于集装箱空箱调配的应用研究较少，美国铁路系统在其空车调配方面开展了深入的理论研究与实践探索，先后经历4个阶段：一是空车固定使用，即给托运人调配特定的运输车辆；二是研发专家支持系统、设计特定的规则来调配空车；三是实现固定周期(如一个星期)内基于优化的空车调配；四是研发动态车辆调配优化系统，实现空车调配方案滚动编制。例如，CSX，BNSF等美国铁路货运公司积极实践动态空车调配优化，在20世纪90年代就研发了空车调配支持系统，实现空车的动态、点对点调配[1-2]。

从运输企业的角度，不同客户运输需求的稳定性、不同品类货物运输效益的差异各不相同，需要优化空箱调配的空间粒度，降低空箱走行距离，提升空箱运用效率与效益；从客户的角度，要求更加精确的空箱供应措施，需要优化空箱调配的时间粒度，以便及时满足货物装箱需求。因此，优化集装箱空箱调配模式，研究与之相适应的集装箱空箱调配技术，不仅具有理论意义，也符合我国铁路集装箱运输的现实需求。

1 铁路集装箱空箱调配模式分析

1.1 既有模式分析

目前我国铁路集装箱空箱调配采用两级管理模式。其中，第一层级为铁路局集团公司之间的空箱调配，由中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)运输调度指挥中心集装箱调度完成。国铁集团基于各铁路局集团公司空箱保有量统计、提报的空箱需求，制定铁路局集团公司之间的空箱调配方案，力求实现区域之间集装箱供需平衡。第二层级为铁路局集团公司内部的空箱调配，由铁路局集团公司集装箱调度负责；基于各集装箱办理站的空箱保有量、提报的空箱需求等信息，在完成国铁集团运输调度指挥中心要求任务的基础上，制定局管范围内的集装箱空箱调配方案。

在该模式下，集装箱空箱调配通过执行调度命令来完成。每个铁路局集团公司选定部分站点作为集结站，集装箱排空局基于国铁集团运输调度指挥中心发布的调度命令，通过集结站汇集空箱，然后向有空箱需求的铁路局集团公司的集结站排空。既有集装箱空箱调配模式如图1所示。目前全路空箱调配方案编制周期约为5 d，与集装箱运用周转时间基本相符。通过国铁集团运输调度指挥中心与铁路局集团公司调度所两层级的协调配合，可以较好地通过人工编制满足实际需求的空箱调配方案。

图1 既有集装箱空箱调配模式Fig.1 Existing mode of empty container distribution

1.2 存在的问题

现有的铁路集装箱空箱调配模式能够较好地适应以人工方式编制全路空箱调配方案，但随着集装箱运输量的快速提升，该模式下的空箱调配质量、空箱需求满足度、集装箱运输服务水平与实际运输需求存在一定差距。既有集装箱空箱调配模式主要存在以下问题。

（1）空箱调配的时空粒度难以适应更高运输服务水平的要求。既有集装箱空箱调配模式下，在空间上施行铁路局集团公司到铁路局集团公司、铁路局集团公司内部两层级的空箱调配，2个层级对于空箱调配的目的、方式具有一定差异，可能会导致全路空箱走行距离的提升；时间维度上，空箱调配方案编制周期对客户需求时效性的满足度相对较低。因此，从运输企业的角度，需要细化空箱调配的空间粒度，实现集装箱办理站之间空箱调配方案的优化，降低空箱走行距离；从客户的角度，空箱调配应更加精准，即细化空箱调配的时间粒度。

（2）可能导致空箱对流运输。空箱调配对流运输如图2所示。一方面，根据国铁集团运输调度指挥中心的要求，由A向B，A向C调配空箱。另一方面，在铁路局集团公司管内，D站对空箱需求量较大，还需从B站向D站调配空箱，由此产生一定的集装箱空箱对流运输。这种不合理运输会导致空箱走行距离的提升，增加空箱调运的成本支出。

图2 空箱调配对流运输Fig.2 Convective transportation of empty container distribution

2 铁路集装箱空箱调配模式优化

2.1 “点—点”空箱调配模式设计

随着信息化、智能化技术的发展与应用，我国铁路集装箱管理信息系统不断发展完善，如集装箱运输全程追踪系统实现了集装箱位置、空重状态、货运需求等的大规模数据管理。在集装箱管理数字化的基础上，优化空箱调配流程，将既有两层管理变为单层管理，实现全路集装箱空箱的“点—点”调配，即“点—点”空箱调配模式。“点—点”空箱调配模式特点如下。

（1）实现全路集装箱的扁平化管理。新模式下弱化了铁路局集团公司层面的集装箱空箱调配的管理，全路集装箱将由现有两层调配变为单层调配。国铁集团运输调度指挥中心基于全路集装箱运用、空箱分布及空箱需求数据，实现全路集装箱的统一管理，以及全路集装箱空箱调配方案的一体化编制，铁路局集团公司集装箱调度则主要执行所编制方案。

（2）实现全路集装箱办理站间的空箱精准调配。新模式可支撑空箱在集装箱办理站之间直接调配，相较于既有模式，空箱调配过程更容易增加对时间维度(如满足客户对装箱时间的要求)、空间维度(如更加准确地计算全路集装箱空箱走行距离)的考虑，进而实现空箱的动态、精准调配。

（3）要求实现全路集装箱调配方案的计算机自动编制。既有空箱调配模式下，通过分层处理，可在一定程度上简化空箱调配方案的编制，适应当前人工编制调配方案的需求。然而，随着集装箱装箱需求量日渐提升，人工编制方法无法满足全路集装箱办理站之间空箱调配方案的编制需求。因此，新模式下需要基于全路集装箱管理的数字化，通过计算机自动完成空箱调配方案的编制。

2.2 关键技术

2.2.1 集装箱空车调运需求精细化分析技术

全路集装箱空箱的精准调配与调配方案的自动化编制，其前提为集装箱空车调运需求的精细化分析。例如，需要精准掌握全路集装箱的箱型分布、数量分布、空箱产生规律、空箱分布规律、装箱需求分布、集装箱运用模式、运输能力分析等。目前已有大数据、云计算等技术在铁路集装箱办理站、港口落地运用的研究与实践[3-4]，但全路集装箱供需的精细化分析研究与实践还很欠缺。中国铁路95306、集装箱运输全程追踪系统等信息系统为集装箱空车调运需求精细化分析提供了数据基础，可实现全路集装箱办理站装卸需求、在站空箱的规律分析与多维度展示，为集装箱空箱调配方案制定提供参考。

2.2.2 大规模空箱调配问题优化建模与求解技术

我国铁路集装箱办理站超过1 800个，网络OD规模为百万级别。全路日均装箱量在3.5万箱左右，且在快速提升，集装箱类型多样，进一步大幅提升了问题的规模。因此，需要优化空箱调配问题模型的构建，并设计高效的求解算法，实现分钟级甚至秒级计算求解，才能适应全路集装箱空箱调配的日常管理需求。已有铁路空箱调配的研究大部分是将其看作运输问题，进而进行优化模型构建与求解[5-6]。集装箱空箱调运具有动态性与不确定性等特点，其优化目标包括降低空箱走行距离、优先满足重要客户需求、提高运输服务水平等，为适应上述特征，部分研究构建了多目标优化模型[7-8]、动态网络流模型[9]或随机规划模型[10-11]等。考虑我国集装箱运输网络规模，从工程应用角度出发，可基于运输问题优化模型或网络流模型，在综合权衡计算时效性与计算结果应用性的基础上，逐步增加对箱型匹配与代用、线网运输能力、空箱调配时效性等约束的考虑，逐步完善模型与算法设计。例如，基于运输问题优化模型，考虑20 ft箱、40 ft箱、35 t敞顶箱3种箱型时，利用优化软件求解计算，可在60 s以内(变量规模在400万个以上)获得全路“点—点”空箱调配方案。全路集装箱空箱调配方案可视化展示如图3所示。

图3 全路集装箱空箱调配方案可视化展示Fig.3 Visualized display of empty container distribution plan for the whole railway network

2.2.3 集装箱空箱动态调配技术

通过对全路集装箱装箱需求、空箱保有量、空箱需求的分析可知，绝大部分集装箱办理站的空箱需求存在波动性。为适应集装箱的动态运输需求，实际应用过程中需要实现空箱的动态调配。实现动态调配的方式有以下2种。

（1）将空箱调配问题进行时间维度上的扩展，构建全路集装箱空箱调配时空网络。集装箱空箱动态调配服务网络设计如图4所示。通过设计重箱运行弧、空箱运行弧等，在所构建的时空网络中描述集装箱完整的周转过程，进而构建空箱动态调配网络优化模型，最终实现全路空箱动态调配方案的编制。基于该时空网络，还可将装箱与重箱运行、空箱调配进行一体化优化，即在装箱时便能协调考虑空箱调运，可在满足空箱需求的基础上，进一步降低空箱走行距离。

图4 集装箱空箱动态调配服务网络设计Fig.4 Design of dynamic distribution service network for empty containers

（2）通过优化模型设计与求解方法，压缩计算周期，通过高频计算不断基于新的供需数据获得新的调配方案。美国铁路货运公司CSX，BNSF在研发其空车调配系统时采取了这种策略，所研发的空车调配系统的计算频率可压缩至15 min，且每次空车调配方案的编制时间控制在10 s以内，大幅提升了空车调配效率与效益。据测算，通过优化空车调配，每年通过压缩空车走行距离等节省的费用超过了5 000万美元[1]。但是，基于既有集装箱调配方案，考虑新的空箱供需数据，构建尽可能保持既有空箱调配方案(避免产生新的调车作业)，又能从全局降低空箱走行距离的优化模型需要进行深入研究。

3 “点—点”空箱调配模式实现方式

相对于既有空箱调配模式，“点—点”空箱调配模式下空箱运用将更加精准。然而，我国铁路网规模大、集装箱办理站点众多，不同办理站的集装箱需求量差异较大。例如，2020年11月，我国既有集装箱办理站中，日均提报的空箱需求量在10箱以下的办理站数量占比为43.64%，10 ～ 20箱的办理站数量占比为16.59%，20 ～ 50箱的办理站数量占比为23.07%，50 ～ 70箱的办理站数量占比为5.57%，日均超过70箱的办理站数量占比为11.14%。大部分站点的日均空箱需求量都较少。从组织效率、组织难度等方面考虑，在行车组织过程中难以全部实现站点到站点之间的空箱直接调配。

从技术实现的角度，可对所有集装箱办理站进行分级处理，分级处理的依据标准，可考虑集装箱办理数量、办理量的波动系数、装载货物的平均价值等。在此基础上，针对不同级别的办理站，可采用不同的处理技术，如针对办理量大、波动系数小的办理站集合，可采用传统的运输问题优化技术方法进行办理站间的空箱调运；针对办理量小的集装箱办理站，可采用集结模式，借鉴覆盖模型的思想对空箱调运方法进行改进与优化。进而可将全路空箱调运问题分解为几个子问题进行求解优化，大幅压缩问题的规模与复杂度，确保工程应用的可实施性。

从组织实现的角度，可以分2个阶段逐步推进空箱调配模式的改进。第一阶段，沿用既有空箱调配模式，国铁集团编制铁路局集团公司之间的空车调配方案，铁路局集团公司完成管辖范围内的空箱调配。然而，两层级空箱调配方案都是基于“点—点”空箱调配计算结果编制，其中国铁集团基于计算结果，以空箱走行距离最短为目标，确定各铁路局集团公司的集装箱集结站与空箱调配量，空箱调配量则是铁路局集团公司A各站点向铁路局集团公司B各站点调配空箱的总和。各铁路局集团公司则可基于既有空箱调配模式，参考计算结果编制管内空箱调配方案。在这个过程中，还可针对集装箱办理站货运需求的差异，优先实现大节点(如决策周期内的空箱产生量、空箱需求量可满足整列空箱组织的集装箱办理站)之间的空箱“点—点”直接调配。统计分析可知，超过100对OD之间具备“点—点”空箱直接调配条件。第二阶段，在“点—点”空箱调配技术的支持下，强化国铁集团对全路集装箱空箱调运的管控，逐步弱化甚至取消铁路局集团公司层级在空箱调配计划编制上的功能属性，其作业重心转移至执行国铁集团编制的空箱调运计划，最终实现我国铁路集装箱运用的一体化集中管理、大规模精细化管理。

4 结束语

在我国铁路集装箱运输快速发展的大背景下，既有集装箱空箱调配模式存在的空箱对流运输、空箱调配精准化水平难以适应更高服务水平运输需求等问题日益凸显。研究提出“点—点”空箱调配模式，具有支撑全路集装箱扁平化管理，实现集装箱办理站间空箱精准调配等优势。信息化、智能化技术在铁路集装箱运输管理的应用，为“点—点”空箱调配模式的实践创造了有利条件。下一步将重点针对大规模空箱调配优化建模与求解技术、集装箱空箱动态调配技术开展深入研究。