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基于陆地港的货运分布规划模型
摘要：
在本文中，我们将从货运分布的优化设计和管理方面来回顾一下陆地港的概念及其利弊。随着联运货物运输系统中陆地港的出现，我们也将介绍和讨论关于陆地港优化过程中面临的一些挑战性问题，然后考虑关于这方面的战术规划问题：即基于联运系统终端之间的运输服务之上，为车辆提供最佳路线和时间表的的问题。我们据此提出一个基于混合整数规划数学公式的原始服务网络设计模型来解决这个问题，并根据实验描述了在现实情况下区域案例的实验框架，并以此给出了模型的计算结果和讨论内容。
关键词：服务网络设计 陆地港 物流 优化 混合整数规划
- 介绍
海运物流当前经常考虑的是内陆运费终端中集装箱货物的产品整合、服务定制、信息处理、短期存储和增值制造业服务，而这些都是在集装箱货物朝着下一个目的地出发装船前先发生的。而陆地港被定义为内陆货运码头直接连接到一个或多个具有大容量交通方式的海港。在陆地港内，顾客可以直接装卸他们的标准单位集装箱，这就如同在在海港一样(Roso et al ，2008；Leveque和Roso，2002)。从物流一体化和港口区域化几个成功的经验来看，将一个或多个陆地港引入货物多式联运方面的优势已经得到验正(Notteboom 和 Rodrigue， 2011；Roso 和Lumsden，2010)，目前，许多国家为了尽可能扩大陆地港的数量和适用性范围，在经济和政治方面正做着巨大的努力，尤其是位于拥挤城市中的港口方面。尽管在陆地港方面研究的兴趣不断增加，然而从相应的战略、战术和操作水平来看，我们在货运物流管理的研究方面、以及在货运配送优化方面还明显显得不足。(Caramia 和Dellrsquo;Olmo, 2008； Crainic 和Kim, 2007)
本文的目的就是为了填补这一空白，从面对的优化挑战性等级方面来介绍和描述基于陆地港存在的货运分布系统，然后形成一个解决这些系统问题的特定优化方法。陆地港、港口以及其他大容量运输终端之间联系的存在，同拥挤的道路终端与内陆货物托运人自然形成的多层网络一样，它们也包括不同的基础设施和车辆种类。
首先，我们提出一个关于于陆地港全面综合的概念，这个概念在最近的货运文献中提到过，这使得我们能够清醒地认识出基于陆地港货运系统优化设计和管理中优化所面临的挑战问题。
其次，我们认为战术规划问题是最佳调度服务的内容，而最佳调度服务是由大容量车辆所操作的，这在在论文的后面部分也会提到。为了解决集装箱货物运输的要求，计划利用铁路网连接海港码头以及陆地港。我们会介绍一个代表上述战术规划问题并且基于混合整数规划的数学公式的原始服务网络设计模型，同时也对不同文献中类似案例的具体特征进行了探讨。 特别要提的是，我们还考虑了从托运人直接向海港运送的货物流的集成和整合，以及不同类型的产品、不同类型的相关管理和操作要求。
我们采用时空网络来表示服务网络设计问题，而这种方法展示了在科学文献网络设计中的合并方法 (见Balakrishnan et al ，1993；Powell et al .,1995)。在最近的货运物流服务网络设计文献中，提出了一种先进的研究方法(在 Andersen et al，2009；Crainic 和Sgalambro, 2014; Crainic et al., 2009的研究可以看到)；该模型提出了基于陆地港分布问题的相关因素的特性。例如：考虑从托运人直接向海港运送的货物流的集成和整合，同时考虑不同类型的行政和业务需求以及业务通过在虚拟弧上的成本参数的校准可能性，特别是基于陆地港分布优化有关的情况。在空间和时间上，还可能需要考虑几个候选码头(陆地港、海港)每个货物的提货或发货要求，因此选择什么样的总体物流成本函数模型，取决于哪些函数模型组合提供了更好的结果。
本文的内容结构如下：在第二节，介绍陆地港的定义以及它们在集装箱多式联运的角色，并且还介绍了相关的规划和决策问题以及陆地港优化时面临的挑战。 在第三节，我们描述一个优化问题，这个优化问题支持连接终端铁路网中大容量的车辆战术规划。 在第四节，我们提出一个旨在模拟和解决优化问题的原始服务网络设计方法。 在第五节，介绍一个建立在现实情况下区域案例的实验框架，并讨论、展示计算结果。结论，完成论文。
2. 基于陆地港的多式联运
本节首先回忆货运联运码头的进化过程和相关作用。尤其是对陆地港概念的修正，强调它有着特定的功能，而与简单的内陆货运站不同。在本节的第二部分，介绍了陆地港相关货运配送过程中所遇到的优化挑战问题。
2．1 陆地港的概念和作用
从20世纪60年代开始，由于标准集装箱装载货物的交通方式的出现，使得货物联合运输的运输量和重要性取得了进一步发展。 随着与货运交通相关的数量和价值惊人的增长以及进一步发展，使得港口行业不断扩张，并且变得专业化。航运业的发展和内陆物流系统的许可再加上集成方式的进步组成了联合运输系统。
全球集装箱行业的发展形成的基本结果是集装箱数量的增长以及用于装载集装箱货物的船舶体积的增大。为了海港的吞吐量以及提高海事码头的运营效率，航运业在邻近的港口城市中对装卸操作和转运运费方面做了大量的工作。
随着港口和海上航运业的发展，道路交通量也不断增长，由于道路运输中集装箱的运输不受控制的增长，港口区域产生的拥塞程度也大幅增加，反过来导致货物运输时间的增长，并且造成生活在海港地区人民的经济衰退和生活环境的恶化。
Cullinane和Wilmsmeier(2011)描述了由于港口经济系统、港口系统和海运系统之间的相互作用加上港口发展的结果，使得海港设施的瓶颈变成港口所拥有的存储容量以及它所能延伸联系的海洋和陆地。
物流平台的存在展示了货运分布网络的基本特性，陆地港被用来接收货物和车辆，提供短期存储、处理和整合，陆地港并且允许将过载的货物运送到分布网络的下一个等级，要么是不同的物流中心，要么是各自的最终客户。同时，先进的管理方式使得越来越多的技术和信息支持系统得以出现，并且在基础设施、船舶、装载能力方面形成了更有效的整体运输能力，从而与产品生产消费有关的环境和经济可持续发展也得到大幅提高。
由于这种先进物流设施的需求，使得陆地港得以出现。在陆地港的理论定义和在运输领域的研究之前，工业化就见证了世界上几个陆地港的出现 (参见Roso和Lumsden (2010)在几个案例中的评论)，尽管陆地港与工业化的相关性较大，但陆地港的发展仍相当有限。
陆地港的概念最早是在联合国贸易和发展会议(1982)报告提出来的，报告里定义陆地港是一个内陆港码头，由航运公司发行自己的进口提单、进口货物、出口货物的提单，承担运行成本和条件的全部责任。
Jarzˇemskis和Vasiliauskas在2007年提出了一个类似的定义，他们强调陆地港的的增值服务功能，即：陆地港是位于内陆地区，通过铁路或公路运输连接一个或多个港口并服务于工业或商业区域的、为内陆港和海外目的地提供专业服务的区域。Leveque and Roso (2002) and Roso et al (2008)对陆地港的定义内容则是在科学文献中定义的内容(例如Chang和Notteboom,2012;Cullinane Wilmsmeier,2011;Jarzˇemskis Vasiliauskas,2007)，其对陆地港的定义为：陆地港是一个直接与大容量交通方式联系的内陆终端，顾客可以像在海港处一样装卸标准单位集装箱。关于陆地港主题的最新一次更新可以在Cullinane et al的文章中看到：陆地港概念上的特殊问题——理论与实践（2007）。
2.2. 陆地港的分类
陆地港的作用是所有内陆船运公司需要实现扩展网关概念的一个有效的界面(见Veenstraa et al ，2012)。 根据扩展网关的概念，集装箱分类和存储、物流增值等服务可以从拥挤的转运点(港口)移到内陆更大的空间位置。 港口和内陆终端之间的连接必须确保有快速可靠的服务保证，因此这些内陆位置就可以被认为是一个真正的重要港口(网关)，陆地港的主要积极作用就在于能够大量减少海港区域交通拥堵。
根据Notteboom和Rodrigue (2011)的研究，陆地港可以被定义为传输链内的三个主要功能：卫星终端、负荷中心和转运设施。Roso et al 在2008年的研究中，根据货运分布系统对陆地港的概念、位置和作用进行了详细阐述。
在图1中，描述了一个基于干燥的港口综合物流系统。Roso et al（2008）展示了陆地港的充分运作。该系统由两个港口，两个近距离陆地港、中距离陆地港和一个远距离陆地港组成。
图一:
图一: 由两个港口，两个近距离陆地港、中距离陆地港和一个远距离陆地港组成的系统。
远距离陆地港是最常见的：这种陆地港位于距离海港很远的位置，多于500公里。这种情况与铁路运营最大的经济规模关联较大，并且为广泛的地理区域提供了大容量的直接联系，一个或多个城市可以拥有一个远距离陆地港。 中距离陆地港离海港的距离通常为50公里到500公里，通常是基于铁路与传统内陆联运码头连接而存在的。 近距离陆地港通常离海港较近，少于50公里，在近距离陆地港范围内，交通拥堵大量减少。陆地港可以吸引远离城市中心的托运人的货物。 这个分类在表1中可以综合反映，表中主要突出强调了位于运输链的主要功能及港口物理距离之间的相互依存关系。
表一：陆地港的分类和相互关系
陆地港名称 离海港距离 主要功能
近距离港口 lt;50km 卫星终端
中距离港口 50kmlt;plt;500km 负荷中心
远距离港口 gt;500km 转运设施
内陆港口的存在有助于推动港口向区域化阶段发展，正如Notteboom 和 Rodrigue (2005)所述：集装箱货物功能的相互依存、共同发展和多通道物流平台腹地的产生，直到一个地区负荷中心网络的形成，都是在于物流一体化过程的发展。
2.3. 陆地港物流的优化：文献综述和开放问题
越来越多先进物流平台的出现代表着与货运物流相关的发展趋势，这需要引进开发货物多级网络分布优化管理的工具和方法，而这些先进物流平台的特点是货运分布系统中不同部分层次之间相互影响。
当前关于货运物流管理的科学文献上提出了一个基于陆地港的货运分布过程中产生的优化问题的解决方法。 因此，下面我们介绍一些在陆地港集装箱货物运输过程中遇到的优化问题，并且回忆总结关于这个主题文献中提出的为数不多的科学贡献。
为了达到这一目标，我们可以根据不同的规划和决策分类级别考虑将物流优化问题进行分类：长期或战略层面、期中或战术规划、短期或操作级别。我们是根据不同类型的利益相关者和决策者来考虑优化问题的，在接下来，我们将提供这些综合信息。
2.3.1战略层面
第一个有关战略规划问题的例子是由一个或多个陆地港的位置带来的关于集装箱分布网络网络的设计，在有些文献中已经给出了一些解决办法，如Chang和Notteboom在2012年，Wei et al在2010年发表的文献中就使用了模糊数学的方法来处理陆地港选址的的问题，Chang和Notteboom在2012年提出了模糊 c均值聚类方法，Wei et al在2010年提出了模糊网络分析法的方法，这两种方法都是基于一系列影响陆地港选址的因素和系统评价指标之上提出来的。Li et al在2011年进一步提出了亲和力传播聚类法，这方法被应用于解决中国西南地区陆地港的选址问题。
不同的方法都是为了解决陆地港选址分析问题。例如，那些基于数学规划和精准数学或近似算法就可以用来解决陆地港选址的优化问题。例如，Feng et al在2013年就用遗传算法来解决海港——陆地港系统的位置选择问题。
陆地港位置选择的问题也可以用相关的战略决策来解决，比如：与物理铁路网连接港口、陆地港和其他内陆联运码头有关的设计。因此，研究人员从选址——服务设计问题方面提出了一种基于陆地港货运分布系统的方案来解决优化问题， Henttu et al .在2011年从交通网络中的陆地港系统引入了成本效益的想法，他采取了引力模型和通过整数线性规划来解决了相关的优化问题。
与陆地港系统相关的设计和实现问题都强烈影响着客户未来的决策，他们的决定取决于他们与海港和陆地港之间的相对位置，正如上面所讨论的(查看Roso et al在2008年提出的陆地港的概念和图1中所示的内容)。因此，当处理基于陆地港的联合运输系统选址和设计优化问题时，必须考虑航运需求的配置。
战略层面过程的一个问题是陆地港由于设施布局设计减少的问题。考虑到陆地港在内陆物流终端的具体性质和各种不同类型的操作问题，因此必须适当地考虑用战略层面这种方式来优化集装箱的运输以及提高运输的效率水平。通过对这类优化问题的调查得知，我们其实可以参考Drira et al在1999发表的文献；而关于公共物流终端位置和范围尺寸的优化问题，我们则可以参考T
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