留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

考虑碳排放成本的铁路集装箱快递班列开行方案

尹传忠 李岳珊 陶学宗 刘咪

尹传忠, 李岳珊, 陶学宗, 刘咪. 考虑碳排放成本的铁路集装箱快递班列开行方案[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(3): 128-137. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.014
引用本文: 尹传忠, 李岳珊, 陶学宗, 刘咪. 考虑碳排放成本的铁路集装箱快递班列开行方案[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(3): 128-137. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.014
YIN Chuanzhong, LI Yueshan, TAO Xuezong, LIU Mi. An Operation Scheme for Regular Train Services for Transporting Containers Considering Carbon Emission Cost[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(3): 128-137. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.014
Citation: YIN Chuanzhong, LI Yueshan, TAO Xuezong, LIU Mi. An Operation Scheme for Regular Train Services for Transporting Containers Considering Carbon Emission Cost[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(3): 128-137. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.014

考虑碳排放成本的铁路集装箱快递班列开行方案

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.03.014
基金项目: 

国家自然科学基金项目 72074141

中国国家铁路集团有限公司科技开发计划重点课题 N2023X023

详细信息
    作者简介:

    尹传忠(1971—),博士,副教授. 研究方向:多式联运组织与优化. E-mail: ychzh585@126.com

    通讯作者:

    陶学宗(1981—),博士,副教授. 研究方向:交通运输规划与管理. E-mail: xztao@shmtu.edu.cn

  • 中图分类号: U169

An Operation Scheme for Regular Train Services for Transporting Containers Considering Carbon Emission Cost

  • 摘要: 针对我国目前快递公路运输方式占比过高,而导致的道路交通需求过大、运输成本、碳排放过高等问题,研究了“双碳”目标下铁路集装箱快递班列方案。考虑运输距离、快递量、快递网点数量、物流产业占GDP比重等因素,运用熵权法确定集装箱快递班列始发站和到达站。根据公路直达运输和调运至铁路车站2种形式,构建包括始发站、调运站和到达站的铁路集装箱快递班列运输网络。为确定集装箱快递运输直达方案、调运方案及采用的运输方式,建立了铁路集装箱快递班列开行方案的整数规划模型。为确定集装箱快递班列合理的列车编组数量及铁路经济运距,该模型以运输成本、调运成本和碳排放成本最小为目标,不仅综合了快递运量、时间约束以及列车开行条件等因素,而且考虑了快递货物的调运流程。此外,该模型还引入了碳排放系数、碳交易价格等要素,以计算碳排放成本。以长三角地区快递货流集散为例进行了实证分析,结果表明:铁路集装箱快递班列开行方案以直达运输为主,调运方式为辅;运输方式按照载货量及铁路经济运距划分铁路运输为主,公路运输为辅;列车合理编组范围为25~40辆,且列车编组数量过高和过低均不具有优势;设定铁路运输速度120 km/h的条件下,铁路经济运距以400 km为宜;科学设计时间窗约束亦能优化铁路集装箱快递班列开行方案。与现行公路运输相比,本研究所得方案的运输成本和碳排放成本均明显降低,运输时效性亦能够得到保证。

     

  • 图  1  装箱快递班列运输网络示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of CET transportation network

    图  2  熵权法算法流程示意图

    Figure  2.  Schematic flow chart of entropy weighting method algorithm

    图  3  Lingo求解流程

    Figure  3.  Lingo solution process

    图  4  集装箱快递班列开行最优方案

    Figure  4.  Optimal scheme of CET network

    图  5  列车编组数量对总成本的影响

    Figure  5.  The influence of train formations number on total cost

    图  6  铁路经济运距对总成本的影响

    Figure  6.  The influence of railway economic distance on total cost

    图  7  时间窗约束对总成本的影响

    Figure  7.  The influence of time window constraint on total cost

    图  8  碳交易价格对总成本的影响

    Figure  8.  The influence of carbon trading price on total cost

    表  1  2020年中国快递业务概况

    Table  1.   Overview of China's express business in 2020

    快递业务指标 指标值
    快递业务量/亿件 830
    快递业务收入/亿元 8 750
    公路 70~75
    快递企业干线运输方式占比/% 航空 25~29
    铁路 <1
    注:数据资料来源于国家邮政局。
    下载: 导出CSV

    表  2  相关参数

    Table  2.   Relevant parameters

    符号 含义
    集合 $I $ 快递班列始发站点集合,iI
    $J $ 快递班列到达站点集合,jJ
    $K $ 快递班列调运站点集合,kK
    参数 $c_r $ 单位铁路运输成本/(元/TEU)
    $c_w $ 单位公路运输成本/(元/TEU)
    $Q_{i j} $ 始发站i至到达站j的快递运量/TEU,iIjJ
    $q_{i j} $ 始发站i至到达站j未发出的快递余量/TEU,iIjJ
    $q_{i k j} $ 始发站i至到达站j经过调运站k调运的快递量/TEU,iIkKjJ
    $a_{k j} $ 发生调运后未被运出的快递余量/TEU,iIjJ
    $\beta_r $ 铁路碳排放参数/[kg/(TEU·km)]
    $\beta_w $ 公路碳排放参数/[kg/(TEU·km)]
    $p $ 碳交易价格/元
    $T_j $ 运至到达站j的所有快递的时间窗约束/h
    $n_{i j} $ 非负整数,始发站i至到达站j开行满载列车的数量,iIjJ
    $m_{i j}$ 非负整数,始发站 i 至到达站 j 开行满足最低发车标准的列车的数量,iIjJ
    $u_{k j} $ 非负整数,调运站k至到达站j开行满载列车的数量,kKjJ
    $s_{k j} $ 非负整数,调运站k至到达站j开行满足最低发车标准的列车的数量,kKjJ
    $t_{i j}^r, t_{i j}^w $ 始发站i至到达站j采用铁路或公路运输的单位运输时间/(h/TEU)
    $t_{i k}^r, t_{i k}^w $ 始发站i至到达站k采用铁路或公路运输的单位运输时间/(h/TEU)
    $t_{k j}^r, t_{k j}^w $ 始发站k至到达站j采用铁路或公路运输的单位运输时间/(h/TEU)
    $t_r, t_w $ 单位运量在铁路或公路运输中的换装时间/(h/TEU)
    决策变量 $ R_{i k} $ 始发站i至调运站k的快递是否通过铁路运输,若采用,Rik = 1;否则,Rik = 0,iIkK
    $W_{i k} $ 始发站i至调运站k的快递是否通过公路运输,若采用,Wik = 1;否则,Wik = 0,iIkK
    $\lambda_1, \lambda_2 $ 运输成本和碳排放成本的目标权重
    $q_{\max } $ 单位列车最大编组载货量/TEU
    $q_{\min }$ 单位列车最小编组载货量/TEU
    下载: 导出CSV

    表  3  始发站指标权重

    Table  3.   Index weight of origin station

    省市 快递量 铁路里程 快递网点数量 物流产业占GDP比重
    安徽省 0.3960 0.1362 0.1962 0.2716
    江苏省 0.2144 0.1799 0.2809 0.3247
    浙江省 0.3847 0.1870 0.2122 0.2162
    上海市 0.4711 0.1173 0.2409 0.1708
    下载: 导出CSV

    表  4  始发站备选城市评分

    Table  4.   Alternative city score of origin station

    省市 城市评分排名 排名最高城市/行政区
    1 2 3 4 5
    安徽省 1 0.2237 0.1777 0.0826 0.0793 合肥
    江苏省 0.8108 0.6842 0.5701 0.3093 0 南京
    浙江省 0.8528 0.3750 0.3198 0.2408 0.1729 金华
    上海市 0.6027 0.5412 0.5311 0.4840 0.3502 嘉定区
    下载: 导出CSV

    表  5  到达站指标权重

    Table  5.   Index weight of arrival station

    省市 快递量 铁路里程 快递网点数量 物流产业占GDP比重
    上海 0.2098 0.1641 0.3869 0.2391
    南京 0.3054 0.1856 0.3146 0.1944
    金华 0.2693 0.1410 0.3645 0.2252
    合肥 0.2641 0.1757 0.3463 0.2140
    下载: 导出CSV

    表  6  到达站备选城市评分

    Table  6.   Alternative city score of arrival station

    省市 上海 南京 金华 合肥 综合评分
    武汉 0.5380 0.4305 0.3679 0.4144 1.7508
    北京 0.9302 0.9107 0.9180 0.9020 3.6609
    广州 0.6246 0.5261 0.6648 0.5762 2.3917
    成都 0.2887 0.2935 0.3847 0.3231 1.2900
    长沙 0.1978 0.1509 0.1611 0.1634 0.6732
    郑州 0.2168 0.2245 0.2137 0.2310 0.8860
    青岛 0.3192 0.2110 0.1392 0.1245 0.7939
    沈阳 0.0797 0.0668 0.0691 0.0712 0.2868
    西安 0.1832 0.1604 0.1967 0.1853 0.7256
    下载: 导出CSV

    表  7  指标权重设计

    Table  7.   The design of index weights

    方案编号 运输成本权重 碳排放成本权重 总成本/元
    1 0.1 0.9 36771.24
    2 0.3 0.7 76208.16
    3 0.5 0.5 115457.2
    4 0.7 0.3 154706.3
    5 0.9 0.1 199237.6
    下载: 导出CSV

    表  8  直达运输路径最优解

    Table  8.   Optimal solution for direct transportation path

    方案编号 始发站 到达站 运输方式 货运量/TEU 铁路班列编组/辆 运输成本/元 碳排放成本/元 时间$/ \mathrm{h}$
    1 上海 武汉 铁路 50 25 2556.45 567.7 9.93
    2 金华 北京 铁路 160 $40 \times 2$ 13915.20 3875.20 23.09
    3 金华 广州 铁路 148 $40+34$ 11359.30 3041.70 20.3
    下载: 导出CSV

    表  9  始发站—调运站路径最优解

    Table  9.   Optimal solution for the path from the origins to transfer stations

    方案编号 始发站 调运站 运输方式 货运量/TEU 到达站 铁路调运班列编组/辆 运输成本/元 碳排放成本/元 时间/h
    1 南京 合肥 公路 7 武汉 2242.80 52.33 3.32
    2 合肥 上海 铁路 24 北京 12 936.00 155.90 5.31
    3 合肥 金华 铁路 2 北京 1 88.30 17.70 6.04
    4 南京 金华 铁路 14 北京 7 609.34 120.74 6.50
    5 上海 合肥 铁路 33 广州 17 1287.00 214.37 6.19
    6 南京 合肥 公路 9 广州 2883.60 67.28 3.42
    下载: 导出CSV

    表  10  调运站—到达站路径最优解

    Table  10.   Optimal solution for the path from the transfers to arrival stations

    方案编号 调运站 到达站 运输方式 货运量/TEU 铁路班列编组/辆 运输成本/元 碳排放成本/元 时间$/ \mathrm{h}$
    1 合肥 武汉 公路 20 14004.00 326.76 7.03
    2 上海 北京 铁路 73 37 5204.32 1357.22 15.39
    3 金华 北京 铁路 50 25 4348.50 1211.00 17.59
    4 合肥 广州 铁路 59 30 4351.19 1148.97 15.21
    下载: 导出CSV

    表  11  全程公路运输最优方案

    Table  11.   Optimal solution for road-only transportation

    方案编号 始发站 到达站 货运量/TEU 运输成本/元 碳排放成本/元 运输时间/h
    1 南京 武汉 7 6501.60 151.70 8.60
    2 合肥 武汉 13 9102.60 212.39 6.48
    3 上海 武汉 50 72990.00 1703.10 13.52
    4 南京 北京 14 29282.40 29282.40 19.37
    5 合肥 北京 26 51901.20 1211.03 18.48
    6 上海 北京 49 117129.60 2733.02 22.13
    7 金华 北京 194 604116.00 14096.04 28.83
    8 南京 广州 9 29208.60 681.53 30.05
    9 合肥 广州 17 42564.60 993.17 23.18
    10 上海 广州 33 91000.80 2123.35 25.53
    11 金华 广州 148 391075.20 9125.09 24.47
    下载: 导出CSV
  • [1] 李新毅, 李海鹰, 王莹, 等. 铁路快运班列开行方案与车底周转一体化优化研究[J]. 铁道学报, 2020, 42(10): 9-15. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDXB202010002.htm

    LI X Y, LI H Y, WANG Y, et al. Integrated optimization of freight train service plan and rolling stock circulation[J]. Journal of the China Railway Society, 2020, 42(10): 9-15. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDXB202010002.htm
    [2] 金伟, 李夏苗, 周凌云, 等. 基于列生成算法的高速铁路快捷货运组织方案优化研究[J]. 铁道学报, 2020, 42(9): 26-32. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDXB202009004.htm

    JIN W, LI X M, ZHOU L Y, et al. Based on column generation algorithm of high-speed railway fast freight organization scheme optimization research[J]. Journal of the China Railway Society, 2020, 42(9): 26-32. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDXB202009004.htm
    [3] BACH L, GENDREAU M, WØHLK S. Freight railway operator timetabling and engine scheduling[J]. European Journal of Operational Research, 2015, 241(2): 309-319. doi: 10.1016/j.ejor.2014.08.036
    [4] 易晨阳, 查伟雄, 李剑. 管内零散货物快运列车开行方案研究[J]. 铁道学报, 2021, 43(5): 1-8.

    YI C Y, ZHA W X, LI J. Research of the line plan for regional scattered freight express[J]. Journal of the China Railway Society, 2021, 43(5): 1-8. (In Chinese
    [5] 景龙刚, 李国宁. 基于改进果蝇算法的重载运输车流组织优化研究[J]. 铁道运输与经济, 2018, 40(4): 30-35. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDYS201804007.htm

    JING L G, LI G N. An optimization research on the heavy load transportation flow organization based on the improved fruit fly algorithm[J]. Railway Transport and Economy, 2018, 40(4): 30-35. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDYS201804007.htm
    [6] 李依娜, 孟学雷, 秦永胜, 等. 多网融合条件下市域列车开行方案编制方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(2): 129-138. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.014

    LI Y N, MENG X L, QIN Y S, et al. A method for developing operation plans of community railways under the condition of multi-network integration[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(2): 129-138. (In Chinese doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.02.014
    [7] RESAT H G, TURKAY M. Design and operation of intermodal transportation network in the Marmara region of Turkey[J]. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2015, 83(8): 16-33.
    [8] YAN B C, JIN J G, ZHU X N, et al. Integrated planning of train schedule template and container transshipment operation in seaport railway terminals[J]. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2020, 142(5): 102061.
    [9] 陈春晓, 陈治亚, 郭垂江, 等. 运能释放条件下既有线货运班列开行方案研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 13(9): 1833-1840. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSTD201609025.htm

    CHEN C X, CHEN Z Y, GUO C J, et al. Study on the operation scheme of freight block trains on existing lines under the condition of transport capability releasing[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(9): 1833-1840. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSTD201609025.htm
    [10] 李晟东, 吕红霞, 吕苗苗, 等. 日常动态货物列车开行方案优化研究[J]. 交通运输系统工程与信息, 2020, 20(5): 177-184. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT202005026.htm

    LI S D, LV H X, LYU M M, et al. Study on optimization of daily dynamic freight train operation scheme[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2020, 20(5): 177-184. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT202005026.htm
    [11] DUAN L W, TAVASSZY L A, REZAEI J. Freight service network design with heterogeneous preferences for transport time and reliability[J]. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2019, 124(2): 1-12.
    [12] 苟敏, 李夏苗, 张平升. 零散货物快运列车开行方案优选方法[J]. 铁道科学与工程学报, 2018, 15(3): 770-777. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSTD201803030.htm

    GOU M, LI X M, ZHANG P S. Preferred method of fragmented cargo express freight train operation plan[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2018, 15(3): 770-777. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSTD201803030.htm
    [13] LI Z J, SHALABY A, ROORDA M J, et al. Urban rail service design for collaborative passenger and freight transport[J]. Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2021, 147(4): 102205.
    [14] LAM J S L, GU Y M. A market-oriented approach for intermodal network optimization meeting cost, time and environmental requirements[J]. International Journal of Production Economics, 2016, 171(2): 266-274.
    [15] 李玉民, 郭晓燕, 杨露. 考虑多目标的中欧集装箱多式联运路径选择[J]. 铁道科学与工程学报, 2017, 14(10): 2239-2248. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSTD201710027.htm

    LI Y M, GUO X Y, YANG L. Route optimization of China-EU container multimodal transport considering various factors[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(10): 2239-2248. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CSTD201710027.htm
    [16] 鲁玉, 徐行方, 尹传忠, 等. 铁路冷链物流运输多目标机会约束规划[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2021, 49(10): 1407-1416. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ202110008.htm

    LU Y, XU X F, YIN C Z, et al. Multi-objective chance-constrained programming of railway cold chain logistics[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2021, 49(10): 1407-1416. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ202110008.htm
    [17] 张子昂, 尹传忠, 陶学宗. 低碳导向的铁路驮背运输方案[J]. 上海海事大学学报, 2023, 44(2): 62-67. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SHHY202302011.htm

    ZHANG Z A, YIN C Z, TAO X Z. Low carbon oriented railway piggyback transport schemes[J]. Journal of Shanghai Maritime University, 2023, 44(2): 62-67. (In Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SHHY202302011.htm
    [18] 周新军. 碳收费模式及对我国运输业的影响[J]. 铁路节能环保与安全卫生, 2015, 5(6): 275-279. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDLD201506012.htm

    ZHOU X J. The influence of carbon charge mode and transportation industry of our country[J]. Railway Energy Saving & Environmental Protection & Occupational Safety and Health, 2015, 5(6): 275-279. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDLD201506012.htm
    [19] 朱墨, 真虹, 甘爱平. 碳排放权交易下的班轮船队配置优化研究[J]. 交通运输系统工程与信息, 2016, 16(1): 202-208, 236. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT201601032.htm

    ZHU M, ZHEN H, GAN A P. Optimization of liner ship fleet mix strategy under emission trading system[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2016, 16(1): 202-208, 236. (In Chinese https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT201601032.htm
    [20] YIN C Z, ZHANG Z A, ZHANG X D, et al. Hub seaport multimodal freight transport network design: Perspective of regional integration development[J]. Ocean and Coastal Management, 2023(242): 106675.
  • 加载中
图(8) / 表(11)
计量
  • 文章访问数:  483
  • HTML全文浏览量:  207
  • PDF下载量:  21
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-13
  • 网络出版日期:  2023-09-16

目录

    /

    返回文章
    返回