基于双层规划模型的铁路货运服务定价研究

孙乐 ,  肖睿 ,  武旭

铁道运输与经济 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (10) : 194 -199.

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铁道运输与经济 ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (10) : 194 -199. DOI: 10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2024.10.21
经济研究

基于双层规划模型的铁路货运服务定价研究

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Pricing for Railway Freight Service Based on Bilevel Programming Model

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摘要

灵活的、具有竞争性的运价,对提高铁路运输市场占有率具有重要作用。通过梳理铁路运输企业运费计收和运输收入清算办法,分析货主选择运输方式时考虑的广义费用。在此基础上,研究运价制定时货主与运输企业之间的主从博弈关系,决策层优化企业运杂费费率定价,以达到最大收益;从属层以货主最小支出为目标并进行公铁竞争下的货主货流分配,并构建了铁路运输企业定价优化的双层规划模型。设计了阶段模拟退火算法对模型进行求解,并运用实际数据和算例对模型和算法进行验证,求解得出的费率与当前铁路运输企业实际执行定价较为接近。研究提出的方法贴近实际,且较全面地考虑了运价制定的相关因素,可以为铁路运输企业运价制定提供参考。

Abstract

A flexible and competitive freight price plays an important role in increasing the market share of railway transportation. Generalized costs considered by cargo owners in choosing transport modes were analyzed by sorting the settlement rules of freight fee charging and income of railway transportation enterprises. On this basis, the Stackelberg game between cargo owners and enterprises during the pricing process was studied. The leader level optimized the pricing for freight and miscellaneous charges rates of enterprises to ensure the maximum revenue, and the follower level aimed to minimize cargo owners' costs and allocated their freight flow under road-rail competition. In addition, a bilevel programming model was constructed to optimize the pricing by railway transportation enterprises. A phased simulated annealing algorithm was designed to solve the model, and the real data and cases were used to validate the model and algorithm. The obtained results were approximate to the current prices made by the enterprises. It can be concluded that the proposed method is in line with the reality. As it comprehensively considers factors related to pricing, it can provide theoretical support for the pricing of railway transportation enterprises.

Graphical abstract

关键词

铁路货运 / 运杂费 / 定价 / 双层规划模型 / 模拟退火算法

Key words

Railway Freight Transport / Freight and Miscellaneous Charge / Pricing / Bilevel Programming Model / Simulated Annealing Algorithm

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孙乐,肖睿,武旭. 基于双层规划模型的铁路货运服务定价研究[J]. 铁道运输与经济, 2024, 46(10): 194-199 DOI:10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2024.10.21

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2015年10月,中共中央、国务院发布《关于推进价格机制改革的若干意见》,针对交通运输产业价格问题,指出要逐步放开铁路运输竞争性领域价格,扩大由经营者自主定价的范围;完善铁路货运与公路挂钩的价格动态调整机制,简化运价结构。为了适应市场化改革,应对公路竞争,提高铁路定价的灵活性,满足货主需求,中国国家铁路集团有限公司提出了“一口价”策略[1],即铁路运输企业根据客户选择的服务项目需求,测算发到站货物运费,加总各项货运杂费,给出相比公路有优势的“一口价”运费。铁路货运市场灵活定价的需求,引发国内学者针对铁路运价优化问题开展相关研究。黄霖锦[2]研究了基于深度学习的铁路货运运价预测;陈阳[3]研究了基于均衡定价理论的铁路集装箱运输折扣运价的制定办法;崔朝晖等[4]提出铁路运价与物价的联动机制,建立了优化铁路货物运价的双层规划模型等。但是既有研究往往忽视了铁路运费构成中发生在运输过程两端的杂费,而且没有考虑运输企业的成本支出。
货物运输费用主要包括货物运费和货运杂费,为此考虑运输费用的构成,在满足货主需求、实现铁路运输企业保有利润、提升铁路运输市场竞争力条件下,研究铁路运输费用“一口价”制订办法,以解决铁路运输企业实际运输生产问题。

1 铁路运输费用构成和定价影响因素分析

1.1 货物运费

货物运费是对铁路运输企业所提供的各项生产服务消耗的补偿,包括车站费用、运行费用、服务费用和额外占用铁路设备的费用等[5]。货物运费由运价里程、计费重量、运价号和该批货物适用的运价率计算确定。

影响铁路货物运费主要要素如下。

(1)运价号。不同类型的货物在运输生产过程中耗费成本不同,因此依据货物属性及货物运输过程中的车辆或装载容器,共设11个运价号,整车货物7个运价号,零担货物2个运价号,集装箱2个运价号。

(2)运价里程。根据《货物运价里程表》,按发到站间最短径路或计费里程计算。

(3)计费重量。货物运费的计费重量依据相关规定以货物实际重量,或者货车的标记载重计算。

考虑到货物运输环节主要包括在途运输及两端作业,运价率也据此制定基价1和基价2,基价1主要反映节点作业费用,计算运费时只与货物重量相关;基价2主要反映在途运输费用,计算运费时与货物重量及运距相关。

1.2 货运杂费

铁路货运杂费是对铁路运输企业所提供的各项与运输生产服务相关的服务、额外占用铁路设备的补偿,分为货运营运服务费,延期使用运输设备及违约费用,租、占用运输设备费用3类,共计26项,根据运输生产过程中实际发生情况收取。

1.3 货主运输成本分析

货主在选择运输方式时,不仅关注货物运输费用,而是考虑运输的广义费用。广义费用是指运输全过程产生的总成本,包括运输费用、运输耗费的时间成本、运输安全性成本以及运输对环境影响造成的负外部性社会成本,其中最主要的是运输费用,但其他费用也不可忽视。时间成本是指在货物运输过程中所消耗的时间对经济和商业方面造成的影响,包括货物的时间价值成本和贬值率。安全性主要指货物在运输过程中可能会遭受的损坏或丢失的风险,通常以货物的折损率进行计算。负外部性社会成本主要涉及到货物运输方式所带来的环境和污染影响,特别是碳排放污染所造成的损害,通常以运输方式排放率进行货币折算[6],这些成本由政府出台的环保政策内化为货主的运输成本,实现外部成本内在化。例如,运输带来的环境污染问题、政府出台的“公转铁”政策会增加货主选择公路运输的成本[7]

1.4 我国铁路运输收入的清算办法

由于我国铁路线路辐射范围大、网络节点多,货主在始发站托运货物后,多个铁路运输企业参与运输过程,并产生运输成本,因此始发站铁路运输企业所收取到的货物运费不全部归始发局所有,要按照一定的规则,对运输过程中涉及到的各铁路运输企业进行运输收益分配,也称清算。目前我国铁路货运采取的是承运清算[8],将承运企业取得的全程货物运费进款,按计费工作量和对应清算单价向提供服务企业付费后,所得盈余作为承运企业的经营效益。

按照“一口价”项目管理办法和清算规则,铁路“一口价”项目运价浮动不能折减清算给提供运输服务的铁路运输企业的那部分费用[9],也就意味着只有承运企业发生的运输费用及杂费可以纳入“一口价”折减部分。

2 双层规划模型建立

2.1 问题描述和模型假设

以铁路局集团公司实际的“一口价”项目定价过程,构建铁路货运服务定价模型。考虑OD两点间,托运人有一定数量的货物需要运输,有公路和铁路2种运输方式可以选择。铁路运输企业在运费计算的基础上,确定“一口价”运费。

货物运输费用确定涉及到承运人和托运人的经济利益。在目前的清算办法下,跨局运输部分清算的费用不会因为铁路运价下浮而减少清算,因此承运企业要根据清算规则确保货物承运后,必须保有一定的利润才有驱动力争取货源,并以利润最大化为目标。托运人将公路运输费用及其他外部性成本合并后,作为其选择铁路运输的对比决策依据。决策过程中,铁路运输企业制定的价格策略会影响托运人的运输方式选择;另一方面,托运人的决策反过来又会影响铁路运输企业的收益,最终影响铁路运输企业的费率决策。2类主体的决策相互反馈和作用,这种具有主从关系的决策博弈过程可以用双层规划模型描述[10]

基于上述分析,做出以下假设。

(1)OD间某种货物的总运输量固定,只涉及运输方式间的分配。

(2)不考虑各种运输方式的能力限制。

(3)为便于与公路全程服务对比,铁路运输时,两端公路运输部分由铁路运输企业组织,发生的费用以接取送达费计入杂费。

(4)按“一口价”规定,运费下浮前,杂费一降到底,本研究中的杂费是将各项杂费求和后只按成本系数计算杂费成本,不考虑杂费收入。

2.2 铁路运输企业的利润函数

铁路承运企业的利润等于运输收入减去成本,运输收入包括铁路运费和杂费2部分,运输成本主要指清算费用和杂费成本,杂费成本以杂费乘以成本系数进行计算,则利润函数表示如下。

maxR=θα1j+α2jL1q1-Σc-kΣβm
s.t.Σc=a1L1q1P+a2L1q1P+a3L1q1+a4q1+a5
θ110%
q1D
R>0

式中:R为企业利润,元;θ为铁路运费折扣系数;α1jj货物品类铁路运费基价1,元/t;α2jj货物品类铁路货物运费基价2,元/(t·km);L1为铁路运价里程,km;q1为铁路运输方式承担的货运量,t;Σc为铁路各项运费清算项目求和,元;k为杂费成本系数;Σβm为铁路各项杂费费收之和,元;P为货车标记载重,t;a1为清算项目中的线路使用费率,元/辆公里;a2为清算项目中的车辆服务费率,元/辆公里;a3为清算项目中的机车牵引费率,元/t;a4为清算项目中的到达服务费率,元/t;a5为清算项目中的综合服务费,元;D为货主运输需求总量,t。

铁路运输企业目标函数式⑴为从铁路企业角度出发,使得始发局获得最佳收益,即运输费用收入减去运费清算成本与杂费成本最大;约束条件⑵为依据清算规则,运输清算成本的具体项目构成;式⑶表示运费折扣系数应该在政府的要求范围之内,即上浮不超过10%,下浮不设限;式⑷表示货运量要小于货主需求约束条件;式⑸表示运输利润大于零。

2.3 货主选择不同运输方式的广义费用函数

作为理性经济人,货主在选择运输方式时总会以广义费用最小为决策依据[11]。本研究考虑的广义费用包括运输费用、时间成本、安全性成本和碳排放成本。

(1)运输费用。Fi表示选择铁路或公路运输方式所需要支出的运输费用,i为运输方式,i=1为铁路,i=2为公路。货主需要支付的铁路运输费用往往就是铁路运输企业给货主的“一口价”竞争运费,F1=θα1j+α2jLq1。而公路运输费用则为公路运输企业给货主的运输费用报价,实际运输生产过程中,铁路运输企业会调研“一口价”项目的公路运费,在此按公路运费F2已知考虑。

(2)时间成本。Qi1为选择运输方式i时货物运输产生的时间成本。由货物在运输过程中被占用所带来的货物时间价值系数Ri1和货运运输过程中贬值而产生的货物费用贬值价值系数Ri2决定。针对不同种类,不同价值的物品将赋不同加权系数。

Qi1=Ri1Tiqi+Ri2Tiqi

式中:Ti为第i种运输方式所花费的时间,d;qi为货主选择第i种运输方式的运输量,t。

(3)安全性成本。Qi2为选择运输方式i时货物运输产生的安全性费用,通过货物最终的损失成本表征。不同运输方式、不同货物种类的损耗率不同。

Qi2=εiwqi

式中:w为货物单位价值,元/t;εi为货物在不同运输方式下的损耗率。

(4)碳排放成本。环境费用以碳排放成本体现,用Qi3表示。

Qi3=μiHi

式中:Hi为铁路或公路碳排放量,t;μi为碳排放价格,元/t。

在当前碳中和政策引导下,不同运输方式的碳排放成本,可通过交易平均价格与碳排放量相乘计算求得。根据2023年中国碳市场年报发布数据,2023年2月中国碳排放交易平均价格约为56元/t。

铁路运输的碳排放量与其总重量有关,在此采用基于列车重量的碳排放计算方法[12]

H1=10 000×q1×φ×L1×λrail×ξrail

式中:H1为采用铁路运输的碳排放量,t;q1为铁路运输的总重,t;φ为列车单耗,kW·h/(万t·km);λrail为能源折算为标煤的能耗系数,吨标煤/(kW·h);ξrail为标煤碳排放系数,推荐值为0.68 t/吨标煤。

公路运输的碳排放量采用Gambhir[13]对我国 2010—2050年公路运输碳排放量测算中的计算方法来计算。

H2=mnq2100Pml2σmηmnroadλmnroadξroad

式中:H2为采用公路运输的碳排放量,t;q2为公路运输总重,t;Pm为公路m类型车辆的标准载重,t;l2为公路运输行驶距离,km;σmm类型车辆所占比例;ηmnroadm类型车辆中n型发动机所占比例;λmnroadm类型车辆中n型发动机百公里的油耗,L;ξroad为燃油的碳排放系数,t/L。

(5)货主广义费用总计。根据前述分析,货主广义费用Fall表示如下。

Fall=i=12Fi+i=12n=13Qin

从货主的角度出发,某种运输方式的运输费用上升时,其选择该种运输方式承担的货运量将减小。考虑实际情况后,采用Logit模型[14]对货主选择2种运输方式的概率进行估算,D为货运总量;z为铁路与公路单位广义费用之差。铁路承担货运量公式如下。

qi =D1+ez=D1+ef1q-f2q

铁路和公路运输的总运量不超过总的运输需求量,约束表示如下。

i=12qi=D
qi0

2.4 铁路货运服务定价的双层规划模型

铁路运输企业在政府的宏观调控下,在自身允许的运价变动范围内,考虑货主对铁路运输方式的选择,以确定最佳的铁路运费标准,使得铁路运输企业在获得最大利益时模型系统达到最优。建立以铁路运输企业运输利润最大化,货主运输费用支出最小化为目标的双层规划模型如下。

maxR=θa1j+a2jLq1-Σc-kΣβmminFall=i=12Fi+i=12n=13Qin

考虑到实际运输生产中,当OD确定后,两点之间运距确定,为了便于货主与公路运输进行比较,铁路营销人员往往会将铁路运费计价1与计价2计算得出的运费转换为吨运价率。因此,当Li已知时,将上述模型进行转化得到

maxR=amj'q1-Σc-kΣβmminFall=i=12Fi+i=12n=13Qin

2.5 算法设计

考虑到双层规划模型中货主与运输企业反馈调整的过程,研究提出阶段退火算法来求解该双层规划模型。在阶段退火算法的求解流程中,通过不断生成运价率的新解、计算当前能量值、判断是否接受新运价率解、更新当前解和降低温度等步骤,算法逐渐收敛到全局最优解或近似最优解[15]。当温度降低到终止温度时,完成当前阶段的搜索,考虑到运输生产过程中运输企业必须获得正收益才会承运货物。如果不满足利润为正要求,则进入下一阶段搜索,直到2个判断条件均满足时,算法停止搜索并返回最优解。

步骤1:定义能量函数,能量函数反映了当前算法寻找新解的路径,决策层目标函数参与能量函数的设置,能量函数依据铁路运输企业的利润目标设置,表示为gamj',其中amj'是运费费率。

步骤2:初始化参数,设定初始温度T0、终止温度Tend、退火系数alpha,以及决策层的初始运费定价amj'0和各项已知参数,计算从属层货流分配平衡后的铁路承担货运量q1和货主的总支出成本k

步骤3:生成新解,通过策略随机生成一个新的运费费率amj''n,并计算新解的能量函数值gamj''n+1

步骤4:根据Metropolis准则判断是否接受新解。如果gamj''n+1>gamj'n,则接受新解;否则,以概率p接受新解,其中p=expgamj''n+1-gamj'n/Tn,随着温度的下降,接受的概率将越来越低。

步骤5:更新当前解并降低温度,如果接受新解,则将新解作为当前解amj';否则保持当前解不变。同时Tn+1= alpha×Tn,alpha是一个小于1大于0.95的退火系数。

步骤6:判断当前搜索终止条件,判断是否达到终止温度Tend,若达到终止温度则停止搜索,

步骤7:判断利润为正的约束条件。若当前运费费率amj'的调整满足精度要求,则作为最终的调整最优解;否则重新生成运费amj'并返回步骤3重新迭代。

3 实例求解

以某公司为例,其产品销往全国各地,带钢产品部分销往3个城市,每月约1 400 t,目前主要通过公路发运。如果通过铁路运输,铁路运输的发站为LGG站,到站有SC站、ZZB站、CX站、QBJ站4个站。铁路运输企业为争取该货流,需要制定具有竞争性的运费费率。为此以上述双层规划模型为基础,计算发往这4个站的最优运费费率,达到铁路企业与货主双赢的效果。

3.1 参数确定

根据实际进行参数调研,并将各广义费用统一量纲,项目的运杂费率计算相关参数如表1所示。

3.2 模型求解

将参数代入模型之中,进行编程计算,其中设置初始温度T0=1 000、终止温度Tend=1、退火系数alpha=0.98。以SC站运杂费迭代过程为例,SC站运杂费迭代过程如表2所示。

算法迭代收敛图如图1所示。

可以看出使用模拟退火算法求解的过程,可以较快达到收敛,也没有陷入局部最优,能得到更好的优化效果。

模型计算结果如表3所示。

由于该项目实际已开展,根据模型计算得出的结果比实际执行的费率稍高,主要是由于模型考虑了公路的外部性,表明在考虑了铁路运输企业与货主的时间成本、安全成本,特别是社会成本后,由于公路运输的碳排放较铁路高,计算得出的铁路定价较当前实际定价有一定上浮的空间,也说明政府如果对公路采取更为严格的限制措施后,铁路的运量还可以进一步上涨。

模型在考虑到铁路与公路运输的竞争关系后,计算得出的结果可以使铁路运输企业运价在获得相当的市场份额的同时,更好地保证铁路运输企业的收益。

4 结论

(1)运用双层规划模型研究“一口价”项目背景下铁路运费的制定问题,可以在实现货主利益最大化的前提下,保证铁路运输企业的竞争力,并实现承运企业利润最大化的目标,增加承运企业扩大货源的驱动力,实现铁路运输企业和货主之间的利益协调和可持续发展。

(2)铁路运费是铁路运输收入的主要构成部分。在现有铁路运输收入清算体制以及公路的竞争下,要在保证铁路利润的同时最大限度地争取货源。

(3)铁路运输企业在制定费率折减时,不能仅考虑与公路运输的比价关系,还应重视货主选择行为对其市场竞争力的影响,而货主的广义费用是货主进行运输方式选择的依据。

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