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2016年冬季仿真会议的会议记录T. M. K. Roeder, P. I. Frazier, R. Szechtman, E. Zhou, T. Huschka, and S. E. Chick, eds.
通过投资于不可移动的半拖车的转运技术，提高了穿梭列车在多式联运的能力利用率
Ralf Elbert Daniel Reinhardt
德国达姆施塔特管理和物流技术大学的主席
摘要：
具有固定运输能力的穿梭列车是多式联运的主要经营形式，由于运输附加装载单位的边际成本较低，提高产能利用率就至关重要。因此，为不可移动的半拖车提供铁路运输服务，可能会给铁路公司带来额外收益。然而，这些收益必须补偿技术的投资成本。本文在动态投资计算的基础上，提出了一种从铁路公司的角度对非可移动半拖车的转运技术的经济盈利能力进行评价的模拟模型。结果取决于铁路公司所面临的产能利用风险。特别是，如果铁路公司没有长期向货运代理或多式联运经营人出售所有的列车运力，那么投资于非可移动的半拖车的技术就可以在经济上盈利。
- 介绍
预计未来几年的货运量将会增加，而这一增长的大部分预计将会增加公路货运的运输量。据预测，到2030年，欧盟的公路货运总量将增长到2442亿吨（tkm），与2005年相比增长了43% (Rich and Hansen 2009)。
这些趋势给道路基础设施带来了巨大压力，而且卡车运输的高昂外部成本，被认为对环境不利。因此，欧盟运输政策的目标之一是，到2030年，将30%的公路货运转移到其他交通运输方式，如铁路或水路运输（欧盟委员会2011年）。因此，多式联运的重要性日益增加。根据欧盟委员会的定义，多式联运是“货物在一个和同一装载单位或道路车辆的流动，它使用了两种或多种运输方式，而不需要在改变模式下处理货物”（UN/ECE 2001）。多式联运链可分为至少三条腿：运输前、主运输和运输（Stedieseifi et al，2014年）。在运输前和运输中，当地的提货和运输业务通常由卡车进行，以规模经济为特征的运输模式被用于主要运输（Bektas和Crainic 2007; Bontekoning, Macharis, and Trip 2014）。由于这篇论文的重点是基于铁路的多式联运链，多式联运指的是使用装载单位集装箱、交换体和半拖车的道路（运输前和运输）和铁路（主运输）的组合。虽然集装箱和交换体是多式联运的主要装载单位，但在公路运输中通常使用半拖车。
在德国，2014年约70%的公路货运（310亿tkm）是用半拖车（德国联邦汽车运输局2015）进行的。因此，它们对于从单式公路运输到多式联运的转变至关重要。半挂车可以在不可伸长的、可伸长的半拖车中进一步分离，这些拖车装备有抓东西的工具，可以通过常规的转运设备（堆高机和门吊架）在终端上进行。然而，欧洲的大多数半拖车（超过85%）是不可移动的。在此基础上，开发了几种非可弯半拖车的横向或纵向转运技术。
因此，根据技术的不同，对终端基础设施的投资和/或额外的转运设备是必要的。从铁路公司对转运技术投资的角度看，必须保证这些投资的经济盈利能力。通过为不可移动的半挂车提供运输服务而吸引新客户所产生的额外需求，可以提高穿梭列车的运力利用率，这是跨式联运的铁路运输的主要经营形式（Woxenius 2007, Macharis and Bontekoning 2004）。穿梭列车由固定数量的车厢组成，并按照预定的时间表运行。由于铁路运输的成本主要是固定成本（Woxenius、Persson和Davidsson 2013），提高产能利用率直接导致额外利润。这一利润必须与投资成本和可能的额外费用（如处理/维护）相比较。
到目前为止，还没有考虑到铁路公司对转运技术投资的看法。本文针对铁路公司面临的产能利用率的各种风险情况，探讨了这一研究差距，并对这一投资决策进行了调查。这三种调查方案的不同之处在于，根据长期销售能力的百分比，对铁路公司的客户，即多式联运经营人和货运代理。
因此，研究的问题是：在这种情况下，产能利用率的风险假设是，从铁路公司的角度，对不可移动的半拖车的转运技术进行投资？为了考虑现金流的时间分布，根据动态投资计算对经济盈利能力进行评估。净现值（NPV）方法用于对不同投资期的未来现金流进行贴现。然而，现金流可以被认为是不确定的，并且根据容量利用率的风险情况、终端的必要转运设备的可用性以及对不可移动的半拖车的多式联运服务的需求以及其他操作影响而不同。
因此，采用一种模拟的方法，对能够装载不可移动半拖车的航天飞机的运行进行建模，以估算动态投资计算的现金流。开发的模型遵循基于代理的建模方法，允许一个人对由称为代理的自治实体组成的复杂系统进行建模，这些系统具有各自的行为并与其他代理交互（Macal和North 2010）。基于代理的建模使人们能够精确地模拟各种实体（如火车、订单、转运设备），这些实体是运输过程的一部分。该模型是与一家领先的铁路公司合作开发的，并得到了行业专家的认可。在本文中，它用于为特定的源-目的地（o/d）对进行案例研究。
本文的其余部分的结构如下。在接下来的部分中，综述了有关多式联运仿真的相关文献，并对非可移动半拖车的转运进行了综述。在此基础上，提出了投资决策的细节，并给出了铁路公司面临的产能利用率的不同风险情况。在第3部分中，在第4节中进行了一个说明性的案例研究，描述了模拟模型及其代理。在第5部分中，该论文以结论结尾，强调了进一步研究的必要性。
- 研究背景
2.1 在多式联运链和非可调半拖车的转运技术方面的模拟
各种文献综述对多式联运（Crainic and Laporte 1997; Macharis and Bontekoning 2004; Bontekoning, Macharis, and Trip 2004; Caris, Macharis, and Janssens 2008; Caris, Macharis, and Janssens 2013; Steadieseifi et al. 2014)。由于这一领域的文献综述较多，本综述的重点是在多式联运中处理基于模拟的方法的文献。在文献中描述了复杂的模拟模型，这些模型通常由连接层组成，这些层要么包含各种决策实体，要么包含物理传输/转运过程。
Baindur和Viegas（2011年）引入了一种基于代理的建模方法，以估计交易区域之间相互竞争的运输模式（道路和水上多式联运）的模态分割。虽然运输过程被封装在一个物理层中，但托运人和承运人通过模拟合同在市场层上进行交互。监管层形成了市场和物理层的框架条件。该模型可用于估计政策措施对模态分割的影响。
Gambardella、Rizzoli和Funk（2002年）介绍了一种基于代理的多式联运链的模拟模型，该模型模拟了由铁路走廊连接的内陆多式联运终端之间的多式联运终端（图）流。每个终端都有一个由道路网络连接到它的用户集水区。当一个基于代理的系统协调传输过程时，离散事件模拟被用于终端和走廊模拟。该模型还可用于评估不同的政策措施。Rizzioli、Fornara和Gambardella（2002）关注于上述模拟模型中所包含的终端模拟。基于离散事件模型，模拟了多式联运公路终端的运行情况。可根据用户定义的终端结构测试替代输入场景（如处理时间）对性能标准的影响（例如，平均停留时间）。
Ballis和戈利斯（2002）使用基于模拟的方法估算各种铁路道路终端配置的成本与体积曲线。讨论了终端的主要设计参数，并为特定的货物体积范围推荐了有效的终端配置。基于有效的终端操作所节省的时间效率取决于应用的轨道运行形式，Ballis和戈利斯（2004）扩大了调查范围。通过将终端模拟和成本曲线应用到一个模拟不同轨道运行形式的宏观货运模型中，不同的终端配置可以在运输网络中进行测试。Holmgren等人（2012年）开发了基于代理的运输和生产模拟装置（TAPAS），它能够模拟各种运输链，分析运输相关的政策和基础设施措施。它们还区分了物理（生产和运输）和市场层（决策和参与者之间的交互）。代理在市场层上所做的决定导致了物理层上的操作。TAPAS并不只专注于多式联运，但模型中所包含的代理可以被组合成复制多式联运链。
Macharis和Pekin（2009）为比利时的多式联运终端（LAMBIT）提供了一个位置分析模型，该模型可用于比较多式联运（铁路和内河航道）和单式公路运输。可以分析各种政策措施，如引入新的终端和补贴。
在几篇论文中只讨论了非可移动半拖车的转运技术。Chiara, Deflorio, and Spione（2008）调查了采用水平转运技术为不可移动的半拖车提供的单峰路运输选择的可能性。：对于Modalohr技术，他们估计无伴随和伴随的运具分配（拖拉机和半挂车在火车上）的联运和意大利和法国阿尔卑斯山之间的单式公路运输。根据随机效用理论，校准模态分割模型估计，当每天有四次行程时，大约4%的总发货量将使用多式联运，如果每天有10个服务，则增加到9%。
特鲁奇金和埃尔伯特（2013）探讨了德国运输市场的多式联运和公路运输之间的模式分割问题，这是由于对不可移动的半拖车的横向转运技术的广泛采用。利用系统动力学仿真，将离散选择模型与贝斯扩散模型相结合，对模态分割进行估计。该模型分析了运输相关政策对模态分割的影响。通过对铁路运输的直接补贴，对多式联运的最大市场渗透率进行了估计。
Ballis（2014）调查了对非可移动半拖车的转运的操作终端过程的适应。基于一种针对垂直转运的特定技术的离散事件模拟，分析了影响系统性能的参数。
现有的非可调式半拖车转运技术领域的研究主要集中在运输需求上，这种需求有可能从单式公路运输转向多式联运。相应的运输能力是根据每天的旅行次数（Chiara, Deflorio, and Spione 2008）来估算的，或者假设是无限的，就像在特鲁奇金和埃尔伯特（2013年）中一样。目前还没有考虑铁路公司运输列车的观点，并对有关转运技术的投资决策负责。
2.2 投资决策的相关框架条件
本文重点介绍了垂直转运技术，因为它们不需要在新的终端上进行额外的投资，并且可以在现有的大型转运终端中使用。本文研究了一个由运输平台和终端平台组成的系统。运输平台是一个金属框架，它被放置在一个半挂车下，在火车上装载它，并在铁路运输过程中保持在半拖车的下面。为了在运输平台上放置半挂车，需要一个额外的终端平台。关于投资成本，运输和终端平台的购买价格必须包含在分析中。关于投资成本，运输和终端平台的购买价格必须包含在分析中。根据该技术的描述，非可移动的半拖车（每装载单元最多可达5分钟）的转运过程只会稍微长一点（大约25%）。此外，由于简单的构造，技术可以被认为是成熟的。
本文认为，非可移动半挂车的需求是提高现有列车连接能力利用率的一种附加要求。由于高资本投资，铁路公司通常会提前几个月计划和固定滚动的股票容量和列车时刻表（Jaržemskienė and Jaržemskis 2009）。因此，在分析中不包括额外列车的调度。
为了评价转运技术的经济效益，本文采用NPV法。该方法已应用于物流领域，例如估算转运技术（Kim 2010）的经济盈利能力和可回收包装（Rosenau等人，1996年）。作为一种动态的投资计算方法，它解释了现金流的时间分布，并以可根据资本成本定义的利率对其进行贴现。由此产生的NPV可以被看作是投资的绝对价值，就今天的货币价值而言（Rosenau等人，1996）。因此，经济盈利能力（盈亏平衡点）的引爆点是零界状态的NPV。
关于正现金流（额外收益），不同的风险情况可以根据铁路公司所面临的能力风险的比例来区分。在第一个场景中（称为“外包风险”），为o/d配对的航天飞机的全部容量将长期出售给货运代理或多式联运运营商。因此，容量的使用是有风险的，即列车上未使用的装载空间也要支付，而投资于非可移动的半拖车的转运技术不能从铁路公司的角度提高产能利用率。在这种情况下，如果在航天飞机上为非可移动的半拖车提供空间，可以以更高的价格向多式联运运营商和货运代理出售，那么对这种技术的投资只会在经济上有利可图。
如果在航天飞机上的装载空间只在一定程度上只卖给多式联运经营人和货运代理（称为“个人承担风险”），投资于非可移动的半拖车技术可以为铁路公司带来新的客户。在这种情况下，如果由于更高的产能利用率而产生的额外收益超过了技术的投资成本，那么投资也可以在经济上盈利。
最后一个场景可以被认为是前面提到的两个场景的组合，并且将被称为“共享风险”。就像第一个场景一样，火车的全部容量被假定为货运代理和多式联运经营人。但是，如果货运代理或多式联运经营人不使用非可移动的半挂车（以下简称为不可装卸的装载空间），铁路公司将部分退还给未使用的空间，并将其卖给其他客户。在这种情况下，可以通过重新销售未使用的空间来生成额外的收益。
- 仿真模型
3.1模型结构
基于代理的仿真模型适用于由航天飞机列车服务的两个转运终端之间的多个o/d对的非可移动半拖车的运输。该模型允许基于概率或基于一个更复杂的方法，即市场和物理层的交互，模拟终端中不可移动的半拖车的可用性。本文主要讨论基于轨道的主运输，选择了用概率来近似非可移动半拖车的可用性的方法。在这种情况下，在出发时可以在终端上装载任意数量的半拖车，而模拟的物理层覆盖了主车厢。下一节中对代理的描述将重点放在这个案例上。
扩大的市场互动模式覆盖了整个多式联运链条，
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