公铁联运下我国中西部地区低碳运输实证研究.pdf
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1、第23卷第4期2023 年 8 月交通运输系统工程与信息Journal of Transportation Systems Engineering and Information TechnologyVol.23 No.4August 2023文章编号:1009-6744(2023)04-0024-10中图分类号:U15文献标志码:ADOI:10.16097/ki.1009-6744.2023.04.003公铁联运下我国中西部地区低碳运输实证研究王超*1a,1b,2,怀旭1a,伍佳妮1a,1b(1.长安大学,a.经济与管理学院,b.陕西高校青年创新团队,西安 710064;2.山东大学,威海前
2、沿交叉科学研究院,山东 威海 264209)摘要:现代化综合运输体系的构建对高效和绿色提出了新要求。本文选取我国中西部地区公铁联运为研究对象,采用熵权-TOPSIS方法求出枢纽城市物流网点集装箱货运需求量,构建运输成本和碳排放量最小的双目标公铁联运优化模型,并模拟与中西部地区公铁联运相关的4种情景进行求解,通过敏感性分析探讨公路单位运价、碳排放强度和碳税税率对低碳运输的影响。结果表明:与公路单一运输方式相比,采用公铁联运可以实现低碳化和低成本运输;运输成本和碳排放量随着铁路货运规模的增加而降低;灵活性强的公路运输仍然是主要的运输方式;相比于降低公路单位运价,政府应制定相应的铁路运价优惠政策,促
3、使企业优先选择铁路运输;鼓励使用新能源物流配送车,降低公路碳排放强度,减少碳排放量;政府部门应因地制宜调整合理的碳税税率,促进运输的低碳化转型。关键词:综合运输;低碳运输;双目标优化;公铁联运;熵权-TOPSISEmpirical Study on Low-carbon and Rail-road IntermodalTransport in Middle West ChinaWANG Chao*1a,1b,2,HUAI Xu1a,WU Jia-ni1a,1b(1a.School of Economics and Management,1b.The Youth Innovation Team
4、of Shaanxi Universities,Changan University,Xian 710064,China;2.Weihai Institute for Interdisciplinary Research,Shandong University,Weihai 264209,Shandong,China)Abstract:Abstract:The construction of modern integrated transportation system puts forward new requirements for highefficiency and green.In
5、this paper,the rail-road intermodal transport in central and western China are selected as theresearch object.The entropy weight TOPSIS method is used to calculate the container freight demand of hub citylogistics network,and a dual-objective optimization model of railway combined transport with min
6、imum transport costand carbon emission is developed.Four scenarios related to rail-road intermodal transport in central and westernregions are simulated to solve the problem,and sensitivity analysis is carried out by discussing the influence ofhighway unit freight rate,carbon emission intensity and
7、carbon tax rate on low-carbon transport.The results show thatcompared with the single highway transportation mode,the combined transportation of public and railway can achievelow carbon and low cost transportation.Transportation cost and carbon emission decrease with the increase of railwayfreight s
8、cale.Road transport,which is flexible,remains the main mode of transport.Compared with reducing the unitfreight rate of highway,the government should formulate corresponding preferential policies for railway freight rate toencourage enterprises to give priority to railway transport.Encourage the use
9、 of new energy logistics distributionvehicles to reduce road carbon emission intensity,so as to reduce carbon emissions;Government departments shouldadjust the reasonable carbon tax rate according to local conditions to promote the transformation to low-carbontransportation.Keywords:Keywords:integra
10、ted transportation;low-carbon transport;dual-objective optimization;rail-road intermodal transport;entropy weight-TOPSIS收稿日期:2023-05-01修回日期:2023-05-30录用日期:2023-06-06基金项目:陕西省社会科学基金/Social Science Foundation of Shaanxi Province,China(2022D138);陕西省科技发展计划项目/Natural Science Foundation of Shaanxi Province
11、,China(2023-JC-YB-630);山东省重点研发计划(软科学项目)/Key R&D Planof Shandong Province(Soft Science Project)(2023RZA02019)。作者简介:王超(1984-),男,山东威海人,教授。*通信作者:第23卷 第4期公铁联运下我国中西部地区低碳运输实证研究0引言作为国民经济的支柱性、战略性和先导性产业,物流运输是重要的碳排放源,其产业关联度高,对其他行业碳排放具有显著的辐射与拉动作用,物流运输的低碳转型是中国碳中和的重要一环,对我国加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系至关重要。其中,公铁联运作为新兴的运输组织方式
12、,对物流的降本增效以及碳减排具有重要作用。相比于东部沿海地区,我国中西部地区具有地广人稀的特点,物流运输方式主要以公路和铁路为主,其物流系统的发展不平衡问题较为突出,主要表现为区位优势较弱、交通基础较差和物流运输成本较高,而区域性发展不均衡也将阻碍绿色物流运输整体产业链资源协调整合1。此外,不靠海的我国中西部地区可通过把铁路为主的骨干运输和公路为主的末端运输进行有效衔接,充分映射出两种运输方式各自优点,优化公路铁路运输方式占比,改善运输结构,提升区域内物流运输的高效和绿色化水平。国务院发布的 推进多式联运发展优化调整运输结构工作方案(20212025年)提出,要完善多式联运骨干通道,补齐中西部
13、地区骨干通道基础设施短板。因此,如何充分利用既有铁路骨干通道线路运能,加快铁路干线瓶颈路段扩能改造,畅通铁路与公路的衔接水平,已成为我国中西部地区物流运输体系亟需解决的重要工作。现有文献主要从多式联运的经济性和时效性等方面开展运输组织优化研究。例如,李兆进等2考虑多式联运路径优化的订单合并和货物转运,构建混合整数规划模型,实现运输的规模经济效应。谭志加等3在多式联运网络下研究托运人路径与港口的联合选择,通过港口经济腹地分析港口选址和功能定位规划。任刚等4基于多周期、多产地以及时间窗等特征,建立带有混合时间窗的中欧集装箱多式联运路径选择优化模型,为中国电子产品企业多式联运路径选择优化提供参考。C
14、HEN等5通过优化公铁联运网络中的集装箱中转站选择,实现列车时刻表对货物运输需求的快速响应。同时,随着气候变化与环保问题的日益严峻,以及实现“双碳”目标的客观需要,交通运输的低碳化转型研究也得到学者们的关注。其中,张旭等6针对多式联运路径选择问题,构建多任务路径选择模型,提出交通运输碳减排方案。刘学之等7综合考虑运输成本、时间成本和碳排放成本,探讨货物运输方式及运输路径的最优化问题。刘杰等8提出运输总成本最小和运输碳排放总量最小的多目标规划模型,为交通运输的低碳化转型提供了参考。LIN9考虑上游买方合并和下游基于铁路的多式联运,提高公铁联运集装箱利用率,减少物流供应链的碳排放。YIN等10通过
15、开展海港与内陆地区间多式联运的组织管理研究,探讨优化运输资源配置,降低运输业的碳排放水平和物流成本问题。李晓东等11引入碳税制度,设计铁海联运、海运中转和港口扩建等不同情景,开展多式联运背景下的中国东北地区低碳运输实证研究。通过梳理还发现,虽然从运行线路和运输组织角度分析公铁联运已成为研究主流,但现有研究2,10并未将碳排放因素纳入其中。本文借鉴李晓东等11的研究,将集装箱吞吐量因素和碳排放因素纳入公铁联运决策模型中。此外,中欧班列集装箱运输作为公铁联运的代表12,相比于公路运输,其在成本、时效及低碳环保等方面优势明显,推进公铁联运成为中西部地区低碳运输亟待解决的重要现实问题。因此,在数据选取
16、方面,本文将我国内陆地区公铁联运的代表之一“中欧班列”纳入研究范畴,考虑以西安国际港站、成都城厢站、重庆团结村站和武汉吴家山站这4个中欧班列枢纽站作为货运集结中心,开展公铁联运背景下我国中西部地区低碳运输实证研究。综上,目前,学者们主要围绕多式联运的经济性、时效性及低碳化开展运输组织优化研究,而对公铁联运的研究多集中于探讨其在单一约束条件下的运输组织优化问题,鲜有同时考虑货运集结、公铁占比和碳排放对公铁联运乃至公铁联运组织优化的影响研究。本文的创新点主要包括:(1)选取我国经济腹地的公铁联运作为研究对象,围绕中西部地区低碳运输开展实证研究,可补充现有文献在研究区域方面的缺失;(2)以中欧班列为
17、例,统筹考虑集装箱集结与中转、公铁联运、运输碳排放以及碳税等问题,丰富了低碳运输建模的理论与实践;(3)利用最小化运输成本和碳排放,构建双目标公铁联运优化模型,通过调整相关参数,探讨不同公铁占比情景下的运输成本和碳排放量,为中西部地区低碳运输和中欧班列的绿色发展提供决策参考。1研究框架与指标选取1.1 研究框架本文所构建的双目标公铁联运优化模型主要25交通运输系统工程与信息2023年8月分为3部分:首先,以中欧班列开行数据、集装箱货运距离及集装箱货运需求经济指标为原始数据,预处理中欧班列开行数据,计算货运集结中心的吞吐量,并构建熵权-TOPSIS需求分配模型,确定枢纽城市物流网点的货运需求量;
18、其次,建立运输成本及碳排放量最小的双目标公铁联运优化模型;最后,分析不同公铁占比对集装箱低碳运输的影响,并对上述模型进行敏感性分析,探讨公路单位运价、碳排放强度和碳税税率对低碳运输的影响。研究框架如图1所示。图 1 研究框架Fig.1 Research framework1.2 指标选取本文选取陕西省、四川省、重庆市和湖北省这4个中西部省份(直辖市)作为研究对象,主要原因是基于2022年的中欧班列货运情况。其中,长安号开行4639列、成渝号5200余列、武汉538列,合计超过1万列,承载了中西部地区的大部分中欧班列集装箱运输。此外,本文的研究指标涵盖中欧班列开行数据、集装箱货运距离及集装箱货运
19、需求经济指标。其中,集装箱货运距离包括:边境口岸、货运集结中心及枢纽城市物流网点两两之间的距离,集装箱货运需求经济指标包括:地区生产总值(GDP)、常住人口数、社会消费品零售总额、城镇居民人均消费支出和人均可支配收入等11。2研究方法与研究假设2.1 枢纽城市物流网点货运需求确定方法(1)数据标准化处理设矩阵U=()u,表示城市数量,表示经济指标个数,u表示第个城市第个指标的值。矩阵V=()v为极差标准化矩阵,则标准化26第23卷 第4期公铁联运下我国中西部地区低碳运输实证研究处理后的正向指标和逆向指标分别为v+=u-min1umax1u-min1u,1;1(1)v-=max1u-umax1u
20、-min1u,1;1(2)(2)熵权法确定指标权重首先,根据标准化处理后的矩阵V=()v计算比重为H=v=1v(3)其次,计算信息熵为=-1ln()=1Hln()H(4)最后,求出指标j的客观权重为w=1-=1()1-(5)式中:w0,1,且=1w=1。(3)TOPSIS方法确定货运需求量首先,根据求得的权重w计算加权矩阵为R=()rr=wv,=1,2,;=1,2,(6)其次,计算正理想解和负理想解为s+=max(r1,r2,r)s-=min(r1,r2,r)(7)再次,定义第()=1,个评价指标与正理想解和负理想解的欧氏距离为D+=1()r-s+2D-=1()r-s-2(8)根据欧氏距离计算
21、综合评价指数为C=D-D+D-(9)最后,求得各枢纽城市的货运需求量为=C=1CO(10)式中:为第个城市的货运需求量;O为中欧班列起运点货运量之和。(4)枢纽城市物流网点货运需求量确定随机抽取枢纽城市的物流网点,各个省(直辖市)GDP排名第1的地级市抽取的物流网点是其余地级市的2倍,并通过取平均值的方法确定最终货运需求量。2.2 双目标公铁联运优化模型2.2.1 模型假设(1)假设公铁转运过程中仅集装箱能在转运节点进行货物的换装;(2)假设每个情景中标准箱的供给与需求相等;(3)假设边境口岸、货运集结中心及枢纽城市物流网点之间的距离均为直线距离;(4)假设枢纽城市仅在其所在省发生货物运输。2
22、.2.2 符号说明基于上述研究框架和模型假设,符号说明如表1所示。2.2.3 模型建立本文构建一个双目标公铁联运优化模型。第1个目标是从承运人角度出发,通过优化货运量最小化运输成本。从边境口岸直达和通过货运集结中心到达枢纽城市物流网点的总运输成本为F1=i=1mj=1nk=1pd(k)i,jx(k)i,j+i=1ml=1qk=1pd(k)i,ly(k)i,l+l=1qj=1nk=1pd(k)l,jz(k)l,jck(11)第2个目标是从社会福利的角度出发,最小化运输过程中的碳排放量。从边境口岸直达和通过货运集结中心到达枢纽城市物流网点过程中所产生的总碳排放量为F2=i=1mj=1nk=1pd(
23、k)i,jx(k)i,j+i=1ml=1qk=1pd(k)i,ly(k)i,l+l=1qj=1nk=1pd(k)l,jz(k)l,jek(12)通过引入碳税机制将双目标公铁联运优化模型转化为单目标优化模型,其模型及约束条件为minF=F1+F2(13)i=1mk=1py(k)i,l+j=1nk=1pz(k)l,j=sl,l=1,q;k=1,p(14)i=1mk=1px(k)i,j+l=1qk=1pz(k)l,j=bj,j=1,n;k=1,p(15)i=1mk=1py(k)i,l=j=1nk=1pz(k)l,j,l=1,q(16)i=1mj=1nx(k)i,j+i=1ml=1qy(k)i,l+l
24、=1qj=1nz(k)l,jfk,k=1,p(17)27交通运输系统工程与信息2023年8月x(k)i,j0y(k)i,l0,z(k)l,j0i=1,m;j=1,n;l=1,q;k=1,p(18)式(14)表示货运集结中心吞吐量可以满足由边境口岸通过货运集结中心和货运集结中心送达枢纽城市物流网点的货运量。式(15)表示由边境口岸和货运集结中心送达枢纽城市物流网点的货运量可以满足其货运需求。式(16)表示货运集结中心货运量进出平衡。式(17)表示公路运输和铁路运输具有货运规模限制。式(18)为货运量的非负约束。表 1 符号说明Table 1 Symbol description符号集合参数决策变
25、量MNQPslbjd(k)ijd(k)ild(k)ljckekfkx(k)ijy(k)ilz(k)lj说明边境口岸节点集合,iM;i=1,m枢纽城市物流网点节点集合,jN;j=1,n货运集结中心节点集合,lQ;l=1,q可选运输方式集合,kP;k=1,p每个货运集结中心的标准箱供给量每个枢纽城市物流网点的标准箱需求量从边境口岸直达枢纽城市物流网点采用运输方式k的运距从边境口岸到货运集结中心采用运输方式k的运距从货运集结中心到枢纽城市物流网点采用运输方式k的运距第k种运输方式的单位箱公里运费第k种运输方式的单位箱公里碳排放因子碳税税率第k种运输方式的运力限制函数从边境口岸直达枢纽城市物流网点采用
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