铁路快捷货运服务网络设计研究综述
总结归纳出在频度服务网络设计、动态服务网络设计、随机机会约束规划等方面的最新研究成果及进展，并提出在现有模型的优化设计上，应兼顾考虑货主需求、市场波动、铁路运营的情况，同时指出今后可进一步研究基于可靠性的铁路快捷貨运服务网络设计问题，以更好地提高客户服务质量。
关键词：铁路运输;快捷货运;服务网络设计
中图分类号：U113文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）04-0134-04
Research Summary of the Design of Railway Express
Freight Transportation Service Network
ZHOU Weui WANG Ye
（School of Traffic and Transportation， Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou Gansu 730000）
Abstract： Reasonable design scheme of railway express freight service network can provide transport support for social transformation and development， and provide high-quality and convenient railway transportation services for shippers. Based on the background and significance of the design of railway express freight transport service network， this paper analyzed the current research situation of the design of railway express freight service network， and summarized the latest research results and progress in frequency service network design， dynamic service network design， stochastic chance constraints planning， and put forward that in the optimization design of the existing model， consideration should be given to the needs of cargo owners， market fluctuations and railway operation. At the same time， it was pointed out that the design of railway express freight service network based on reliability could be further studied in the future so as to better improve the quality of customer service.
Keywords： railway;express freight transportation;service network design
1 铁路快捷货运服务网络设计问题的提出
铁路快捷货运是指以高附加值货物为主要服务对象，按照特定的运输组织方式，实现将货物快速、准确、安全、便捷地运达目的地的铁路货运产品。我国现已建成“四纵四横”高速铁路网络，释放了大量运力，为铁路企业开发时效性更高的快捷货运产品提供了有利条件。但是，我国铁路运输资源分布不均衡、快捷货运产品物流化程度较低，导致利用铁路运输时，出现大量货物无法追踪和积压的情况，快捷货运的时效性和可靠性难以保障。
Crainic[1]提出运输服务网络的概念，即决策者在运输物理网络基础上制定具体的运输服务方案，包括运输服务路径、中间停站信息、运输服务频率、运输服务水平等。Marin[2]通过综合考虑运输需求、运载设备和运输基础设施等因素，以确定运输服务网络的集合，使运输产品可以满足货主运输需求，并且使铁路企业总运输成本最小。铁路快捷货运服务网络是由节点和衔接节点的运输服务组成的一种逻辑网络，即[Gs=（N，As）]，其中[N]有2种属性，包括车站（作业点和作业时间点）;[As]为节点间的运输服务弧，包含列车的车次、运行径路、中间停站、等级、速度、容量、各OD货运量、各车站服务频率、作业持续时间、作业等待时间及时刻表等信息，用以研究与运输时效性、运输成本经济性和运力资源配置有效性等方面的相关问题。
铁路快捷货运服务网络设计是利用运筹学理论和网络优化理论，通过构建服务网络设计模型，描述快捷货物在服务网络上运输的全过程，以解决成本控制、运量分配、运输路径设计、运输时间表制定等问题[3-6]。Lopez-ramos等[3]考虑新建铁路网络，以降低快捷货运服务的运营成本为目标，构建字典目标规划模型，采用两阶段启发式算法进行求解。Harry[4]为优化货流集结过程，研究有限预算下的网络设计问题，并应用于铁路领域的货流编组。何世伟等[5]从系统和运输需求角度，提出铁路网络系统新概念，构建基于K短路径的总体有效运能模型，并采用遗传算法求解。刘欣萌[6]研究运输需求波动下的快捷货运服务网络设计问题，建立了鲁棒优化模型。合理的铁路快捷货运服务网络设计，有助于提高货物运达速度、实现货物追踪和运输集中化。
上述文献充分利用网络优化理论、运筹学理论等方法，对铁路快捷货运服务网络设计问题展开深入研究。通过分类汇总，总结出目前铁路快捷货运服务网络设计研究主要解决以下问题：①在满足各铁路区间容量的前提下，合理分配各车站间的货物流量;②选择货物列车的开行路径和货物车辆的中转方式;③制定货物列车时刻表;④空车调配方案。对于这些问题，需要决策者充分利用现有运输资源，合理安排货物运输作业，实现货运服务质量和铁路运营成本的全面优化，因而频度服务网络设计模型、动态服务网络设计模型、随机机会约束规划模型及相关优化算法的研究应运而生。关于铁路快捷货运服务网络设计的文献总结如图1所示。
2 铁路快捷货运服务网络设计模型
2.1 频度服务网络设计模型
铁路企业受运输成本的限制，在网络节点和线路上的运输能力有限，且运输需求存在不确定性，因而，在设计服务频度时，首先要预测OD间的运输需求，再设计合理的服务频度，解决这类问题的模型即为频度服务网络设计模型[7-9]。频度服务网络设计模型是解决服务网络设计的基础，主要为铁路企业提供货物列车开行方案的选择、货物运输路径选择、货流分配和列车编组计划等，侧重实现铁路企业现有资源的空间优化配置，使铁路企业在满足货运需求的同时降低成本。其模型的目标为：
[minsφsf+pkθkpf，x] （1）
式中：[f]为频度变量[fs]组成的向量，[fs]为服务[s]的频度;[x]为流变量[xkp]的集合，[xkp]为商品[k]分配到路径[p]的流量;[φsf ]为服务[s]的运行费用;[θkp]为商品[k]经由路径[p]的运输费用。
模型的约束包括容量限制约束、流量守恒约束、商品流非负约束和服务频度非负约束。
频度服务网络设计模型的求解一般有两种方法：①采用拉格朗日松弛法和列生成法等方法处理约束条件，将初始问题简化为多阶段的单目标设计模型;②采用启发式方法求解。
2.2 动态服务网络设计模型
服务网络设计问题不仅要求铁路企业合理设计运输服务的频度和规模，更要求其在时间和空间上充分整合优化现有资源。为此，专家学者在频度服务网络设计模型的基础上引入时间维的概念，建立基于时空网络的动态服务网络设计模型[10-12]，解决如服务路径选择、运输方式安排、运输时刻表制定、货物运到时限等问题。该模型具有2类变量：一类是连续变量，表示货流在网络弧上分配的大小;另一类是整数变量，表示货物列车是否开行。其模型的目标为：
[minaωaxa+fpypfcpf+lqzqlcql] （2）
式中：[ωa]为运输服务弧[a]的成本;[xa]是决策变量，为网络中是否插入服务弧;[ypf]为货流[f]在径路[p]上的流量;[cpf]为货流[f]在径路[p]上的成本;[zql]为车辆流[l]在径路[q]上的流量;[cql]为车辆流[l]在径路[q]上的成本。
模型的约束条件包括货流和车辆流的流量守恒约束、列车最大及最小编组约束和服务弧容量约束等。
由于动态运输服务网络设计模型中引入了时间维，其模型的基础时空网络的规模非常庞大，造成其求解要比频度服务网络设计模型更加困难。如果初始问题难以简化，则需要针对特定问题设计相应智能算法进行求解。
2.3 随机机会约束规划模型
实际生活中的铁路快捷货运服务网络设计问题中包含有很多不确定因素，如运输时间、货物中转作业时间、货运量需求和服务线路等。因此，将不确定规划理论应用于研究此问题，建立随机机会约束规划模型[13-15]，以提高铁路快捷货运服务网络设计的可靠性和设计方案的灵活性。其模型的目标为：
[mincx+spsQ（x，ds）] （3）
式中：[cx]为在弧上提供服务的固定成本;[ps]为场景[s]发生的概率;[ds]为场景[s]的需求量;[Q（x，ds）]為换线和服务外包的成本。
模型的约束条件包括车辆流和商品流平衡约束、车辆容量限制、商品流非负以及商品的交货期限约束等。随机机会约束规划模型大多采用计算机模拟或智能算法进行求解。
3 进一步研究方向
分析国内外关于铁路快捷货运服务网络设计问题研究的发展历程可知，服务网络设计的理论和方法正在逐步完善，并在铁路货运、公路货运、快捷货运（包括高铁快运[16]、多式联运）等多个领域得到广泛应用，为运输企业带来了一定的经济效益。结合我国铁路快捷货运的发展，未来该领域的应用可从以下方面进行研究。
3.1 结合国情进行分析
国外研究表明，铁路快捷货运服务网络设计相关理论是铁路企业解决运输资源配置问题的有效方法之一。国外研究大多以各自国家的经济、资源分布、铁路货运组织特点等为基础。在对我国铁路快捷货运企业的资源配置问题进行研究时，应在借鉴国外研究成果的基础上，结合我国的基本国情、资源分布、铁路运输组织特点和综合运输发展的基本情况，重新界定我国铁路快捷货运服务网络设计的相关要素。
3.2 动态调整模型参数
目前，铁路快捷货运服务网络设计模型大多利用线性函数将服务网络设计问题描述为一系列线性规划问题。然而，在实际背景下，受时间价值、成本费用、作业能力和服务水平等因素的影响，货物运输将不再满足于线性条件。建立优化模型时，需要在其目标函数或约束条件中，引入非线性的决策变量，或者动态调整模型的部分参数。
3.3 应向多目标综合优化方向发展
研究初期，专家学者都致力于尽可能多地节约货物运输成本，但单一的运输成本优化会引发以下新的问题：①在承担旅客运输和货物运输的主要关键节点和路段产生运输瓶颈;②货运服务网络运输能力产生不均衡;③货物运输的时效性降低;④限制货物运输计划调整的灵活性。这就要求铁路企业在快捷货运服务网络设计中，寻求运输需求、运输成本和服务水平等因素间的平衡，兼顾铁路、社会和货主三者的利益，研究各优化目标的优先结构与权重，建立多目标综合优化模型，以得到最优的服务网络设计方案，保证铁路运输企业的市场竞争力。
3.4 进一步研究铁路快捷货运服务网络设计问题的算法
精确数值算法和分阶段法在解决小规模问题时有一定优势，但无法求解大规模问题。铁路快捷货运服务网络设计问题具有规模大、约束多、变量关系复杂等特点，现有研究所采用的遗传算法、混合智能算法、禁忌搜索算法等方法，虽然能有效地求解此类问题，但这些启发式算法可能无法兼顾求解效率和满意解的精确度。为提高求解效率和满意解的精确度，现有算法趋向于采用综合数值算法的启发式算法，通过数值算法改进启发式算法，或者综合各智能算法的优点，开发新的混合式智能算法。这方面的研究也是铁路快捷货运服务网络设计问题求解方法的研究方向。
3.5 研究铁路快捷货运服务网络设计的可靠性水平
在铁路货物运输过程中，货运量存在波动性，在一定程度上影响运输服务可靠性水平和资源配置效率。在货运量不确定时，现有模型不能较好地解决实际问题，也不能有效地反映铁路快捷货运服务网络的实际情况和随机动态特性。在随机因素下，建立铁路快捷货运服务网络设计模型，虽然可能会增加运输成本，但能降低系统由于随机性而带来的不确定性。因此，基于可靠性的铁路快捷货运服务网络设计问题也是下一阶段研究的重点内容。
4 结语
铁路快捷货运服务网络设计方案是铁路货运组织管理和货运产品的核心，合理的方案有助于提高铁路市场竞争力。结合我国铁路快捷货运的实际情况、发展趋势、问题核心等来选择相应的优化模型和算法，对铁路快捷货运服务网络设计问题展开进一步研究，针对货运组织和产品设计的具体问题进行分析，将有利于铁路运输企业控制货物运输成本和提高基础设施设备的利用率，从而更好地适应快捷货物运输市场需求变化，提高铁路经营效益和社会效益。
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