高速铁路捎带模式下公铁联运适用范围及其影响因素特征分析

Application Scope and Influencing Factor Characteristics of Road-rail Intermodal Transportation under High Speed Rail Piggybacking

摘要

高铁快运作为一种新型运输模式，可有效减少公路运输造成的环境污染，在促进高附加值、小批量货物运输的可持续发展方面具有重要意义。利用高速铁路富余能力组织快件“捎带运输”有着巨大发展空间，如何发挥公铁联运优势并优化高铁快运模式决策成为亟待解决的关键问题。据此，以运输成本最小化为目标，建立高速铁路捎带下公铁联运和公路运输2种模式的成本分析模型，并进一步分析模式选择的适用范围。以哈大高速铁路为例，分析2种运输模式的成本与影响因素特征，将不同站点环境下货车晚点到站对模式选择影响的风险等级进行划分，可为快递运输公司快件集疏运模式选择提供决策参考。

Abstract

As a new transportation mode, high speed rail express can effectively reduce the environmental pollution caused by road transportation, which is of great significance to further promote the sustainable development of high added value and small batch cargo transportation. Using the surplus capacity of high speed rail to organize "piggyback transportation" of express has a huge development space. How to give full play to the advantages of road-rail intermodal transportation and optimize the decision of the high speed rail express mode has become the key problem to be solved urgently. On this basis, with the aim of minimizing the transportation cost, the cost analysis models of the two modes of road-rail intermodal transportation and highway transportation were established, and the application scope of mode selection was further analyzed. Taking Harbin-Dalian High Speed Rail as an example, this paper analyzed the cost and influencing factor characteristics of the two transportation modes and divided the risk levels of the influence of late arrival of trucks on mode selection under different station environments, which could provide decision-making reference for express transportation companies in the selection of express transportation modes.

Graphical abstract

关键词

交通运输工程 / 高速铁路捎带运输 / 公铁联运 / 影响因素特征 / 风险等级划分

Key words

Traffic and Transportation Engineering / High Speed Rail Piggybacking Transportation / Road-rail Intermodal Transportation / Influencing Factor Characteristics / Risk Level

0　引言

近年来，随着快递业务量的持续增加，环境污染及城市交通拥堵问题日益严峻，减缓公路运输压力，促进城市绿色可持续发展势在必行。采用高铁快运与公路运输共同完成快件集疏运的公铁联运作为一种新兴运输模式，可有效缓解公路运输压力，且能充分利用高速铁路富余运能，提高快递运输效率。

关于高铁快运的相关研究，Pazour等^[1]指出高铁货运能够有效缓解公路运输压力。Zhang^[2]基于铁路运力的动态性和不确定性，分析了高速铁路线路容量使用情况。Ertem等^[3]论证了客货混运的高速铁路运行模式比货运专列更省时，且具有更高的经济效益。Yu等^[4]建立了高速铁路承运快件的两阶段模型，并充分验证了该模型的经济性和实用性。Bi等^[5]将高速铁路运力分为不可用运力、潜在运力和实际运力，为高速铁路捎带运输的研究提供了理论依据。张康迪^[6]结合现有高速铁路车站的结构特点，提出一系列关于高铁快件的集散、存储、装卸及运送模式的解决方案，为高速铁路运送快件的可行性提供了依据。李辰中等^[7]提出了动车组不售票车厢等6种快运组织模式。刘潇^[8]提出以物流标准箱为载体进行高铁快件运输。刘英杰^[9]设计了高速铁路确认车、载客高速铁路捎带和客货混编列车相组合的开行方案。刘勇等^[10]根据既有旅客列车运行图下的高速铁路运输组织方案建立了优化模型。仇戈等^[11]基于高铁快运中的现存问题，提出在高速铁路站点建设快件作业中心、优化站内快件处理程序等建议。于雪峤等^[12]通过优化快件作业重点流程，有效提升高速铁路快件承运效率和服务水平。李思萌等^[13]指出依照我国近期阶段的国情，应当以捎带运输和快件业务外包为主体。吕璞等^[14]分析高铁快件参与方的特点，构建了基于网络的高铁快件合作博弈模型。王英辉等^[15]提出第三方物流企业可以与高速铁路企业合作，通过“门到站”“站到站”“站到门”3个运输阶段，实现高铁快件“门到门”集疏运。

从已有研究中可以看到，关于高速铁路捎带运输的研究较少。而高速铁路捎带运输更符合我国高铁快运初始阶段的特征，是充分利用高速铁路潜在运力、避免高速铁路资源浪费的有效手段；因此如何充分利用高速铁路富余运能开展捎带运输，以发挥公铁联运优势并进行运输模式决策成为亟待解决的关键问题。据此，以快递运输公司为主体，进行高速铁路捎带下公铁联运与公路运输模式选择的适用范围及其影响因素特征分析，并对各线路进行风险评估，为快递运输公司规避风险并实现成本的最小化。

1　问题描述

纯公路运输模式与公铁联运模式的运输组织如图1所示。研究将基于高速铁路捎带运输公铁联运进行展开。在该模式下，需要快递运输公司安排一定数量的货车在高速铁路车站与配送中心之间进行接驳运输(如图1中配送中心和高速铁路车站之间的实箭线)，再经由高速铁路进行捎带运输(如图1中的虚箭线)，最终从高速铁路车站运至另一个配送中心的集疏运过程，即进行“中心对中心”运输。

以快递运输公司为主体，在已知计划期内高铁车次、停站方案以及总快递需求量的前提下，以成本最小化为目标，建立高速铁路捎带下公铁联运与公路运输模式选择的成本分析模型。并以哈大高速铁路(哈尔滨西—大连北)站点为例，通过设定高速铁路捎带运输的可行运输距离范围，比较2种运输模式的经济优势，并验证决策的合理性与可行性；最后对不同站点环境下货车晚点到站对模式选择影响的风险等级进行划分，为快递运输公司运输模式选择提供决策支持。

2　高速铁路捎带运输模式选择的模型构建

2.1　模式选择的边界条件确定

将高铁快运的送达时效划分为“当日达，当日送”“当日达，次日送”“次日达，次日送”“次日达，隔日送”“隔日达，隔日送”以及其他送达时效6类。不同时效对应的运费和适用的经济里程区间有差异，而前述条件是运输模式选择的重要边界。因此，对以上6类快件送达时效进行分析，设定公铁联运与纯公路运输的运价率并划分不同时效的里程区间。

结合价格与路线的相关性分析，以及一个标准箱所能容纳的重量上限，将公铁联运和纯公路运输的运价率分别设定为1.5元/(t·km)和0.5元/(t·km)。此外，根据《道路交通安全法实施条例》相关规定，在“当日达，当日送”时效下，当里程小于400 km时建议采用纯公路运输；在“次日达，隔日送”“隔日达，隔日送”以及其他送达时效下，当运输里程大于1 200 km时，采用公铁联运进行快件的集疏运；在“当日达，次日送”和“次日达，次日送”时效下，当里程区间为400~1 200 km时，2种运输模式的选择需进一步分析，该里程区间具有重要研究意义，以下将进一步对2种运输模式的成本进行计算和分析。上述里程区间的划分为快递运输公司选择运输模式提供了重要参考意义。

2.2　问题假设与符号定义

该问题做如下假设：①高速铁路列车为8辆编组；②列车准时到站和驶离；③每个高速铁路车站仅对应1个配送中心，每个配送中心可对应若干个高速铁路车站；④所有参与公铁联运的快件均符合高速铁路运输条件，并以标准箱为单位进行运输；⑤高速铁路可用于装卸快件标准箱的时间即为列车在站点的停留时间；⑥所有快件不进行高速铁路运输中转；⑦所有高速铁路车站的快件装卸能力满足装卸需求；⑧为保证运输安全，旅客和快件的总重不能超过列车的最大载重限制。

设参数定义如表1所示，变量定义如表2所示。

2.3　基于成本分析的模式选择模型

以单位标准箱的运输成本为衡量标准，在400~1 200 km里程区间内，将高速铁路捎带模式下公铁联运的单位标准箱运输成本与纯公路运输的单位标准箱运输成本进行对比分析，进而为运输模式选择提供依据。模型的目标函数为选择公铁联运和纯公路运输中成本较低的运输模式进行快件集疏运，目标函数C计算公式为

C=\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left\{C_{\mathrm{联}},C_{\mathrm{公}}\right\}⑴

公铁联运总成本C_联和纯公路运输成本C_公分别由不同的成本构成。

（1）公铁联运总成本C_联由公路运输成本C_公’和铁路运输成本C_高组成，其可表示为

C_{\mathrm{联}}=C_{{\mathrm{公}}^{\mathrm{\text{'}}}}+C_{\mathrm{高}}⑵

（2）公铁联运中的公路运输部分的成本由行驶成本和装卸标准箱成本组成，其可表示为

C_{{\mathrm{公}}^{\text{'}}}=c_{\mathrm{行}}^{\text{'}}\cdot \left(d_{a{s}_a}+d_{s_{b}b}\right)+c_{\mathrm{装}}^{\text{'}}\cdot \left({\omega }_a+{\omega }_{s_b}^k\right)+c_{\mathrm{卸}}^{\text{'}}\cdot \left({\Omega }_b+{\Omega }_{s_a}^k\right)⑶

（3）公铁联运中高速铁路捎带运输部分的成本由高速铁路的行驶成本、装卸成本以及因接驳货车晚点造成的等待时间惩罚成本构成，可表示为

C_{\mathrm{高}}=c_{\mathrm{行}}\cdot d_{s_a{s}_b}+c_{\mathrm{装}}\cdot {\omega }_{s_a}^k+c_{\mathrm{卸}}\cdot {\Omega }_{s_b}^k+c_{\mathrm{l}}\cdot \left(\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(t_{s_a}^k-\tau l_{s_a}^k,\mathrm{0}\right)+\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(t_{s_b}^k-e_{s_b}^k,\mathrm{0}\right)\right)⑷

（4）纯公路运输成本C_公由货车行驶成本、装卸标准箱成本以及时间成本构成，可表示为

C_{\mathrm{公}}=\alpha \cdot （d_{ab}\cdot c_{\mathrm{行}}^{\mathrm{\text{'}}}+c_{\mathrm{装}}^{\text{'}}\cdot {\omega }_a^q+c_{\mathrm{卸}}^{\mathrm{\text{'}}}\cdot {\Omega }_b）+\beta \cdot c_{\mathrm{时}}\cdot \mathrm{\Delta }{t}_{ab}⑸

3　实证研究

选取哈大高速铁路作为算例分析的主体，并根据列车时刻表选择配送中心对应的高速铁路始发站和终到站，根据选取原则，最终将公路运输距离在400~900 km之间的配送中心及其对应的哈大高速铁路站点作为算例分析对象，进行2种运输模式的成本计算与对比分析。

3.1　哈大高速铁路捎带模式运力稳定性分析

由大连北—哈尔滨西的列车时刻表可知，该路线列车基本于6：00—24：00完成快件承运，发车间隔和频率稳定，且高速铁路列车的车厢大件行李处、最后一排座椅后等剩余空间可用于存放高铁快运箱。按照平均大型行李存放处50%的摆满率，每车次高速铁路列车的车厢大件行李处可放置大约36个高铁快运箱，最后一排座椅后可放置大约42个高铁快运箱。结合不同上座率的哈大高速铁路(15个车次)以及当前的现实运力需求情况和发车时间要求，将下午和晚上发车的5个车次的运力进行扣除后，不同上座率情况下的高铁快运运力容量(10个车次)如表3所示。此时即使在100%的理想客运上座率的情况下，一天内哈大高速铁路(10个车次)也可承运780个高铁快运箱；而在上座率不达100%的情况下，货运运力容量将进一步增加。假设平均上座率为75%时，其运力容量为2 280个高铁快运箱。上述分析说明了当前哈大高速铁路用于捎带运输的运力稳定性。

在现有高铁快运模式的基础上，采用公铁联运模式，在与快递运输公司合作的基础上，可满足快递标准箱的及时送取和承运，保证了快件运输时效。此外，该模式的推行将进一步吸引市场资源，此时可将下午和晚上的剩余运力投入使用以满足增加的快运需求量，从而保证利益最大化。

3.2　基于全程经济成本的运输距离影响对比分析

以高速铁路捎带下模式选择的模型为基础，依照高铁快运目前投入使用的高铁快运箱尺寸，推断出每个高铁快运箱大致可承运20~44个高附加值小件货物，并结合次日达时效首重费用(22元)以及次晨达与次日达的时效间隔7 h，将1个高铁快运箱的时间单位成本设置为100元/h，并将纯公路运输综合成本中装卸成本和行驶成本的权重系数\alpha和时间成本的权重系数\beta分别设定为0.7和0.3，从而计算出2种运输组织模式的成本对比。除此之外，针对公铁联运公路部分与纯公路运输距离的比值以及公铁联运与纯公路运输距离的比值进行计算，以大连北站为始发站，将哈大高速铁路部分车站做终到站，对比2种运输组织模式成本，得到哈大高速铁路部分站点的2种运输模式成本对比分析如表4所示。

其中，开原西站与昌图西站公铁联运的单位标准箱成本高于纯公路运输的单位标准箱成本，因此建议采用纯公路运输模式；其余站点均建议采用公铁联运模式。为进一步直观展示并分析2种运输模式决策的影响因素，对比各车站2种运输模式的成本对比及其距离比值，公铁联运公路部分与纯公路运输距离的比值趋向如图2所示，公铁联运与纯公路运输距离的比值趋向如图3所示。

结合2种运输模式的成本对比和图2、图3，可分析得出：当公铁联运与纯公路运输距离的比值小于110%或公铁联运中公路部分与纯公路运输距离的比值小于10%时，公铁联运的单位标准箱成本较低，建议采用公铁联运模式进行快件集疏运；当公铁联运与纯公路运输距离的比值大于等于110%或公铁联运中公路部分与纯公路运输距离的比值大于等于10%时，公铁联运的单位标准箱成本高于公路运输的单位标准箱成本，此时纯公路运输模式具有成本优势。

3.3　基于全程经济成本的运输时间影响对比分析

进一步地，分析哈大高速铁路部分车站的2种模式运输时间对比趋向如图4所示。由图4可知，公铁联运的承运时间均低于纯公路运输的承运时间，但开原西站和昌图西站的公铁联运运输时间比纯公路运输时间减少的百分比明显低于其余高速铁路车站，即这2个站点的公铁联运比照纯公路运输节约的时间无显著优势。

货车到高速铁路车站的准时性是公铁联运成本和运输时效的基本保障，当受到运输路况、天气或其他因素影响时，货车的到站时间具有一定的不确定性，不能准时抵达高速铁路车站，则当批快件将要转由下一车次高速铁路进行运输。由此可见，货车晚点会直接影响运输时效，间接增加公铁联运的运输成本，应根据货车的不同晚点情况进一步做出成本分析。以中国邮政速递物流公司大连市分公司为货车出发点，以大连北站作为高铁快运始发站，以哈大高速铁路主要车站作为2种运输模式的终到站，根据12306列车时刻表的数据计算出货车晚点的平均等待时间，进一步设定货车晚点到站的惩罚系数，并依据货车晚点时间相对于平均等待时间的倍数，分别计算单位标准箱的1倍、2倍、5倍晚点时间等待成本，货车晚点时2种运输模式的成本对比如表5所示。

根据表5可得出如下结论：当公铁联运和纯公路运输成本的比值a>1时，无论晚点时间是平均等待时间的几倍，均选择纯公路运输模式进行快件的集疏运；当公铁联运和纯公路运输成本的比值a≤0.7时，无论是否存在晚点时间成本，均采用公铁联运模式运输快件；当0.7<a<1时，基于a的具体数值和不同的惩罚系数，2种运输模式的选择将随着晚点成本倍数的增加而变化。

考虑晚点时间的纯公路运输与公铁联运成本对比如图5所示，随着货车晚点时间相较于平均等待时间倍数的增加，其晚点时间等待成本随之增加，选择公铁联运模式的原路线中的部分路线会出现成本波动而不再具备成本优势。因此在不同倍数的晚点时间下，对各线路中2种运输模式的成本进行计算和对比，筛选出货车晚点导致成本波动较大的线路并划分风险等级，从而为快递运输公司规避风险并进行运输模式决策调整。

对图5中建议采用公铁联运模式的12个站点进行分析。在1倍晚点时间内，公铁联运不再具备成本优势的站点为2个，将其惩罚成本风险等级定义为“极高”；在2倍晚点时间内，公铁联运不再具备成本优势的站点为1个，将其惩罚成本风险等级定义为“高”，在5倍晚点时间内，公铁联运不再具备成本优势的站点为4个，将其惩罚成本风险等级定义为“中”；无论晚点时间是平均等待时间的几倍，公铁联运都具备成本优势的站点为5个，将其惩罚成本风险等级定义为“低”。惩罚成本风险等级如表6所示。

以大连北站为始发站，分析到达哈大高速铁路各车站的风险等级划分，在快递运输公司进行运输模式决策时，建议惩罚成本风险等级为“低”的车站始终采用公铁联运模式进行快件集疏运；对惩罚成本风险等级为“高”或“极高”的高速铁路车站建议当货车易晚点时改为采用纯公路运输模式进行运输；惩罚成本风险等级为“中”的车站建议进一步根据平均等待时间、晚点时间以及惩罚成本系数进行运输模式决策的调整。这也与此前公铁联运和纯公路运输模式的运输时间对比分析所得到的结论基本一致。

由于不同线路对时效性的要求和重视程度不同，对不同权重条件下的纯公路运输综合成本进行计算，从而统计公铁联运模式具有成本优势的高速铁路车站数目，得到不同权重条件配比下的公铁联运具有成本优势的高铁站数目变化趋势如图6所示。此外，由于不同类别快运产品的时效价值不同且每个高铁快运箱装载快件的数量具有一定差异，故加入对时间单位成本的灵敏度分析，不同时间单位成本下的公铁联运具有成本优势的高速铁路车站数目变化趋势如图7所示。由以上2种分析可知，线路越看重时效性或快运产品的时效价值越高，则公铁联运模式的成本优势越明显，建议采用公铁联运模式从而实现合作双方的利益最大化。除此之外，通过对高速铁路车站与配送中心的距离进行分析，发现公铁联运的成本与高速铁路车站距离配送中心的远近无直接联系。

4　结束语

随着互联网信息技术快速发展，国内快件数量持续增加，当前快件运力已饱和甚至过载。采用高速铁路捎带运输进行快件集疏运，极大程度上缓解了当前运输压力并提高了送达时效性。据此，以快递运输公司为主导，提出高速铁路捎带下公铁联运与纯公路运输模式的决策方案，进一步对决策的适用范围和影响因素特征进行分析，并划分各线路的风险等级，为快递运输公司提供降低成本的新方向和高效的实施方案，并充分利用高速铁路富余运力，可提高铁路相关部门收益，实现快递企业和铁路企业的双赢，具有较强的现实意义。

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基金资助

国家自然科学基金项目(72172023)

国家自然科学基金项目(52362055)

广西科技基地和人才专项(桂科AD22035991)