Chapter 8
Intermodal Transportation
Teodor Gabriel Crainic
Deacute;partement management et technologie, Eacute;cole des Sciences de la Gestion, Universiteacute; du Queacute;bec agrave; Montreacute;al, and Centre de recherche sur les transports – CIRRELT,
Montreacute;al, Canada E-mail: theo@crt.umontreal.ca
Kap Hwan Kim
Department of Industrial Engineering, Pusan National University, Korea
- mail: kapkim@pusan.ac.kr
Keywords: Intermodal transportation, freight transportation, operations research
1 Introduction
Intermodal transportation may be defined as the transportation of a person or a load from its origin to its destination by a sequence of at least two transportation modes, the transfer from one mode to the next being performed at an intermodal terminal. The concept is very general and thus, it means many things to many people: transportation of containerized cargo by a combination of truck, rail, and ocean shipping, dedicated rail services to move massive quantities of containers and trailers over long distances, main transportation mode for the international movement of goods, central piece in defining transportation policy for the European Community, trips undertaken by a combination of private (e.g., car) and public (e.g., light rail) transport, and so on. One must therefore start with a few definitions to set the terminology and limit the scope of this chapter. First, although both people and freight transportation can be examined from an intermodal perspective, we limit the scope of this chapter to freight.
In one of its most widely accepted meanings, intermodal freight transportations refers to a multimodal chain of container-transportation services. This chain usually links the initial shipper to the final consignee of the container (socalled door-to-door service) and takes place over long distances. Transportation is often provided by several carriers. In a classical example of an intercontinental intermodal chain, loaded containers leave a shipperrsquo;s facility by truck either directly to port or to a rail yard from where a train will deliver them to port. A ship will move the containers from this initial port to a port on the other continent, from where they will be delivered to the final destination by a single or a combination of “land” transportation means: truck, rail, coastal or rivernavigation. Several intermodal terminals are part of this chain: the initial and final seaport container terminals, where containers are transferred between the ocean navigation and land transportation modes, as well as in-land terminals (rail yards, river ports, etc.) providing transfer facilities between the land modes.
Container transportation is a major component of intermodal transportation and international commerce and this importance is reflected in this chapter. Intermodal transportation is not only about containers and intercontinental exchanges, however. On the one hand, a significant part of international trade that is moved in containers does not involve ocean navigation, land transportation means providing the intermodal chain. On the other hand, other types of cargo may be moved by a chain of transportation means and require intermodal transfer facilities, as illustrated by the definition European Conference of Ministers of Transport (2001) gives for intermodal transportation: “movement of goods in one and the same loading unit or vehicle, which uses successively two or more modes of transport without handling the goods themselves in changing modes”. This last definition is still too restrictive, however. Thus, for example, the transportation of express and regular mail on a regional or national scale is strongly intermodal, using various combinations of road, rail, and air transportation modes, and yet freight is handled (sorted and grouped) in terminals. More generally, the transportation of less-thanvehicle-capacity loads by nondedicated services is intermodal, since it involves pickup (at origin) and delivery (at destination) operations, usually performed by trucks, at least one long-haul transportation movement by road, rail, river, or air, as well as transfer activities between these modes in dedicated terminals.
Almost all types of freight carriers and terminal operator may, thus, be involved in intermodal transportation, either by providing service for part of the transportation chain or by operating an intermodal transportation system (network). We limit the scope of the chapter to the latter with a particular focus on container-based systems, including container terminals in seaports. The national/regional planning perspective, which considers the flow of multiple products on multimodal networks, is also addressed.
Compared to several other application areas, Operations Research models and methods for intermodal freight transportation is still a very young domain. In many cases, there are not, yet, widely accepted models and methodologies. Work is indeed proceeding as this chapter is being written. Therefore, the goal of the chapter is to be informative and provide a starting point for future research. The chapter overviews the evolution of the intermodal transportation field and presents methodological developments proposed to address a number of important operations and planning issues: system and service design for intermodal transportation networks, container fleet management, container terminal operations and scheduling, national planning. We focus on models. Algorithmic developments are indicated but not examined in any depth. To structure the presentation, we follow the somewhat classical approach of examining issues, models, and methods according to whether they belong to the strategic, tactic, or operational level of planning and management of operations. The chapter is therefore organized as follows. Section 2
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第8章多式联运
关键词：多式联运，货运，运营研究
1简介
多式联运可以被定义为一个人或物以至少两种运输方式从起点到目的地，两种运输方式之间的转换在多式联运港站实现。这个概念非常普遍，因此多式联运对很多人来说意味着很多东西：如通过卡车、铁路、海运和专用铁路服务的联运，以集装箱和拖车的形式实现集装箱化货物的长距离运输、国际货物运输的主要运输方式、欧洲共同体定义运输政策的中心环节、结合私人（例如汽车）和公共（例如轻轨）交通工具的旅行等等。因此，必须从几个定义开始，设置术语并限制本章的范围。虽然客运和货运都涉及到多式联运，但本章主要涉及的是客运的多式联运。
“多式联运”最被广泛接受的意义是指为集装箱运输服务的多式联运。这条运输链通常是指经过远距离，将集装箱从最初的托运人运送到最终的收货人（所谓的门到门服务）。整个运输过程通常由几个承运人共同完成。举一个典型的跨洲多式联运例子，例子中载货集装箱可以通过卡车离开托运人的工厂直接到港口，也可以通过卡车运送到铁路站场后，换乘火车再到港口；一艘船将这些集装箱从初始港口运到另一个大陆的港口，在目的港集装箱将以单一或者各种“陆上”运输方式的组合的方式被交付到最终的目的地，如卡车、铁路、沿海或内河运输。几个多式联运港站是这条运输链的一部分：最初和最终的海港集装箱码头，集装箱在这里实现海运和陆运之间的转换；内陆港站（如铁路站场，内河港口等），它们提供陆运模式之间的转运设施。
集装箱运输是多式联运和国际贸易的主要组成部分，它的重要性将在这一章节体现。但是多式联运不仅关乎集装箱和洲际交流。一方面，大部分的国际贸易使用集装箱运输并不涉及海运、陆运，这意味着提需要供联运链。另一方面，其他货物类型可以通过一系列运输手段来实现位移并且要求多式联运转运设施，正如欧洲运输部长会议（2001年）提出的多式联运的定义：“货物在同一个装载单元或车辆中运输，连续使用两种或多种运输方式，在改变运输方式的时候而不装卸货物本身”。但定义的最后一点过于严格。例如，快递和普通邮件在地区或国家范围是多式联运，采用公路，铁路和航空三种运输方式的各种组合，然而货物在枢纽会被装卸处理（分拣和分组）。更一般地说，零担货物的非专用运输服务也是多式联运，因为它涉及拣货（在起点）和配送（在目的地）操作，通常是通过卡车，走公路、铁路、内河或者航空完成至少一次长途运输，当然这些运输方式之间转换在专用枢纽内进行。
因此，几乎所有运输方式的承运人和枢纽经营者都参与了多式联运，要么为部分运输链提供服务，要么运营多式联运系统（网络）。我们将本章的范围限定于后者，并特别关注基于集装箱的系统，包括海港的集装箱码头。该国家/地区规划视角考虑到多式联运网络上的多产品流，也可得到解决。
与其他几个应用领域相比，OR模型和为多式联运运输服务的方法仍然是一个非常年轻的领域，在许多情况下，他们还没有被广泛地接受。本章在编写的过程中工作任然在继续。因此，本章的目的是为未来的研究提供一些信息并奠定基础。本章概述了多式联运领域的发展变革同时提出了解决一些重要经营和规划问题的方法论：针对多式联运网络的系统和服务设计，集装箱船队的管理，集装箱港站的运营和调度，国家计划等。我们专注模型和算法的发展，但并未深入研究。
为了构建演示文稿，我们遵循一些经典的方法，根据它们属于运营规划和管理上战略、战术、运营哪一层次来检查问题、模型和方法。本章的结构如下。第2节简要介绍货运、主要角色和本章的问题。第3节专门讨论承运人的系统和服务网络设计问题。本节还讨论了海港集装箱码头的战略设计问题。运营计划问题将在第4节中详细讨论，重点放在空箱调运上。第5节致力于集装箱码头战术和运营层次上的经营计划，而第6节审查国家规划模型。第7节总结本章，列举了一些影响未来多式联运的趋势和技术发展以及有前景的研究方向。
2货物运输系统
货物的运输需求来源于生产者和消费者之间的相互作用以及他们之间的距离。生产商的运输需求是搬运原材料和半成品，并配送成品以满足客户需要。托运人，可能是货物的生产者或一些中介公司（如经纪人），从而产生运输需求。承运人通过提供运输服务来回应这种需求。铁路、海运、卡车运输公司和邮政服务都是承运人。考虑到他们提供的服务类型，海港、多式联运平台和其他这样的设施也可以被描述为承运人。政府对基础设施的建设捐款：如道路、港口的大部分建设、航道和铁路设施等，当然政府对这些行业进行管理（例如危险货物和毒品的运输）和税收。我们不打算详细介绍货运，而是描述涉及多式联运的长途承运人和港站的基本操作和规划问题，特别是以集装箱为基础的系统，包括海港集装箱码头。第一小节给出了一些以集装箱为基础的运输的相关统计数据和趋势。第二节和第三节是专用写长途承运人和海港集装箱码头的。关于这些问题的评论可以在以下文章中找到：Assad (1980), Cordeau et al. (1998)和 Crainic (1988) 关于铁路运输的、Delorme et al. (1988)和 Powell (1988) 关于电动车运输的、Guuml;nther， Kim (2005)和Steenken et al.(2004)关于集装箱码头的。Crainic (2000,2003), Crainic 和Laporte (1997), Daganzo (2005), Dejax 和 Crainic (1987),Powell (2003), Powell 和Topaloglu (2003, 2005), Powell et al. (1995, 2007)提出的评论更广泛，解决了多个运输相关的问题或模型。与拣货和交付货物有关的问题和方法，通常称为车辆路线和调度问题，不包含在本章中。有兴趣的读者可以参考 Golden 和Assad (1988), Ball et al. (1995), Dror (2000), Toth 和Vigo (2002)和 Cordeau et al. (2007)的文章。
2.1集装箱多式联运
与集装箱相关的运输活动在过去十年中有了显著的增长而且这种趋势并没有显示任何放缓的迹象，全球每年集装箱吞吐量（百万标准箱（20英尺集装箱）如表1所示（2006年的数据为估计的；Koh和Kim，2001; ISL，2006）。以集装箱为主的运输最初的增长是因为其提供了避免货损货差的安全性。她具有减少货物装卸、运输标准化和转移设备成本经济和高效率方面的优势，也可提供全世界范围内的门到门多式联运服并推动行业发展。集装箱多式联运是国际货物运输的重要部分。
表1 全球集装箱吞吐量
|
年份 |
集装箱吞吐量（百万TEU) |
增长率（%） |
|
1993 |
113.2 |
12.5 |
|
1995 |
137.2 |
9.8 |
|
1997 |
153.5 |
4.2 |
|
1999 |
203.2 |
10 |
|
2000 |
225.3 |
10.9 |
|
2001 |
231.6 |
2.8 |
|
2002 |
240.6 |
3.9 |
|
2003 |
254.6 |
58 |
|
2004 |
280.0 |
10.6 |
|
2005 |
310.5 |
10.9 |
集装箱运输在国际贸易中的表现已经有了一些显着的后果。港口和集装箱码头已经改建为适应集装箱船和有效地装载，卸载和运输流程操作。集装箱港口设施设备和操作流程不断增强以提高生产率和在成本和时间方面的竞争力，这样可也其他港口竞争，吸引海运航线。规划集装箱码头运营的模型将在第5部分中介绍。请注意，一个集装箱港口的竞争力也取决于陆上运输系统的能力和效率。第6节中描述的模型可以用于综合分析、规划港口和陆路运输系统。
鉴于导航，效率等原因建造了用于洲际间运输的大型集装箱船，新的集装箱船的容量大约为8000至10,000标准箱。为了有效地运作，这些船舶不应该经常停航。而且，他们对于绝大多数港口来说太大了。因此，一个新的连接点被加入到多式联运链中：超大船停在少数几个主要海港，集装箱被转移到较小的船舶上，这样集装箱就可以到达更多的较小港口。请注意，这些船舶是无法通过巴拿马运河的，这导致海运和陆运航线的修改，这些修改对特定的运输系统和设施产生的影响可以使用第6节的模型进行分析。
集装箱贸易的增长对陆路运输系统也产生了重大意义。专门的运输服务已经产生，例如北美的“陆桥”运输，它是使用铁路公司的子公司独立运营的长途双栈列车运输集装箱，来往于东海岸和西海岸这些港口与大陆的工业核心。专用铁路服务在欧洲也开始了，它为集装箱提供班车服务。第3.2.3节探讨了一些与之相关的规划和运营问题，比如这种专用服务。
2.2定制运输，组合运输和多式联运
在多式联运中，可能会遇到组合运输系统，组合运输是一个车辆或车队运输不同顾客的货物，可能有不同的起点和目的地，而定制运输则是为每个特定的客户提供专门的运输服务。
卡车货运运输就是定制运输的典型例子。当客户打电话时，调度员将任务分配给卡车和司机（或长途运输则是驾驶团队）。卡车开到客户指定的位置，装货后，然后运到指定的目的地，卸货。然后司机打电话给调度员说自己现在的位置并请求新的任务。调度员可能会指示新的任务，让驾驶员将空车开到一个新位置，在那里不就后会有新的需求，或者调度员干脆让驾驶员在原地等，等会儿再打电话。在不久的将来，或让司机稍后再打电话。
因此，卡车运输是在动态变化很大的环境中运行的，对未来的需求知之甚少，在顾客指定的地点等待延迟，装载的精确位置和空车等待等等。除此之外，调度员可以用来处理客户或驾驶员的要求的时间通常是非常短（大多数这样的决定是实时执行的）。服务是为每个客户量身定制的，同时及时分配任务给车辆，实现盈利也非常重要。因此资源管理和分配战略的发展是管理过程的核心。这些策略试图最大化满足需求量（运输量）和相关的利润，同时充分利用可用资源：司机，拖拉机和拖车车队等。在这一章当中我们不解决这些问题，感兴趣的读者可以参考 Powell (2003) 和Powell et al. (2007)等人的文章。然而，请注意，大多数方法都是为定制承运人解决的资源管理和分配问题，也可能适合为组合承运人解决运营级别的车队管理问题（第4节）。
租船人提供的海洋导航服务具有大部分动态和随机特征。实际上旅行时间的变化海上运输与公路运输相比更大，另一方面，旅行和装货/卸货时间通常要长得多，这也增加了可供决定下一次任务的时间。铁路还通过为单个托运人提供专用运输单元的定制化服务。这些决定在大多数情况下都会影响到长期合同，这意味着需求是确定性的。这与卡车货运和租船人的随机需求形成鲜明对比。因此正如本节后面介绍的那样，这些单位列车的设置是常规的计划操作过程中的一部分。
定制运输并不总能刚好满足托运人的需要，一方面，要考虑运输量和频率之间的调节和权衡以及运输的成本，频率和交付时间，另一方面，通常要求使用整合运输服务。在客运中，这个选择是等同的，例如，在乘坐出租车或使用普通公共交通工具。货运整合运输由零担货物（LTL）汽车承运人，铁路，远洋航运公司，定期和快递邮政服务等实现。在某些国家，中央当局或多或少地控制着大部分运输系统，这样的货物运输也属于这一类。
整合运输承运人和基本上所有的多式联运运输系统被组织成所谓的中心辐射网络，如图1所示。在这样的系统中，在一定数量的起点和终点（本地/区域枢纽）之间提供服务，图1中数字1-9表示节点。这个数字明显大于由承运人运营的由起运地至目的地的直达服务。所以，利用规模经济的优势，小批量需求将会首先转移到中间点 - 合并的港站或枢纽（图1中的节点A，B和C） - 例如机场、海港集装箱码头铁、铁路站场或联运平台。在枢纽内，交通流被合并为更大的流量通过高频率，高容量的服务（图1中的厚实线和虚线）一起运输到其他枢纽。如图所示，在枢纽之间，不同的模式下有不止一种服务在运行。更低的频率服务通常是经营小型车辆，用于枢纽和起始目的地节点之间（图中的常规线路）。当需求水平调节时，高频率，高容量的服务可能会在枢纽和区域港站之间（节点A和9）运行或两个区域港站（节点4和5）之间运行。注意货物从起点-终点港站被运走和配送是通过车辆走拣货和配送路线或定制服务。零担货物汽车承运人和邮政服务是第一起案件的例子，铁路和海运集装箱（执行当地运输活动的驳船或卡车）是第二种。但是，由于规划合并的长途运输承运人时，一般不包括这些活动，所以我们没有进一步讨论这个话题。
图1 整合港站/枢纽网络图
中心辐射型组织允许在网络中所有的OD对之间有更高的服务频率以及更有效的利用资源。这种类型的组织它的缺点是由于较长的路线和在港站上花费的时间而导致延误。这部分解释了为什么有很少的“纯粹的”辐射式系统正在运行;而直达运输通常是为高需求或高优先级的OD对之间运营的。第二个策略是分隔高低优先级的交通
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