Integration of inter‑terminal transport and hinterland rail transport

碼頭間運輸與腹地鐵路運輸一體化

 Qu Hu； Bart Wiegmans；Francesco Corman；Gabriel Lodewijks

摘要

本文研究了港口區域内集裝箱和車輛的碼頭間移動問題，以實作港口内和腹地的綜合有效運輸。來自不同港口碼頭的集裝箱首先被運送到鐵路堆場，然後通過鐵路運送到腹地。為了讓港務局和碼頭營運商等利益相關者深入了解戰術規劃問題，例如碼頭之間的協調、鐵路時刻表和列車大小，本文提出了一個描述集裝箱和各種車輛在碼頭之間和碼頭内移動的優化模型。該模型旨在考慮鐵路腹地運輸和碼頭裝卸作業，改善從集裝箱碼頭到腹地的集裝箱運輸。以現實生活中的港口區及其腹地為靈感的網絡被用作測試不同元件的測試用例，即終端間運輸連接配接、列車編隊、鐵路時刻表。滾動範圍架構用于提高大型運輸需求情況下的計算效率。優化的結果有助于确定最有希望的特征，即終端之間的更多連接配接和靈活的出境鐵路時間表有助于改善 綜合集裝箱運輸績效。

Keywords：

• Intermodal transport
• Container terminal
• Railway transport
• Inter-terminal transport

1 引言

集裝箱港口需要處理大量集裝箱，例如，每天有成千上萬的集裝箱通過海運到達鹿特丹港。通過連接配接碼頭和腹地的公路、内河水路和鐵路運輸 來運輸這些集裝箱。傳統上，公路運輸在港區内和腹地的貨運市場中占有最大份額。然而，港口當局鼓勵水路和鐵路運輸作為經濟和環境友好的替代方案。 例如，港務局釋出了一項戰略計劃，即“港口願景 2030”，指出鹿特丹港内的利益相關者已同意減少公路運輸的使用：到 2030 年，最多 35% 的集裝箱通過公路進出馬斯平原 （鹿特丹港，2011 年）。 該戰略計劃涵蓋到 2030 年，在最近的進展報告中，它指出應優先發展鐵路運輸，鐵路運輸份額未能達到 2030 年港口願景（鹿特丹港 2014）中确定的目标。

發展多種運輸方式，一方面提高運輸能力；但另一方面，導緻更高的基礎設施投資和更多的港區内模式之間的營運。在鹿特丹港，港務局通過運輸方式之間的合作來尋求提高港口效率和可達性（鹿特丹港 2011）。例如，建立了駁船服務中心以提供更好的水路運輸，鐵路運輸也是如此。該碼頭處理内河駁船并将集裝箱發送到其他碼頭，反之亦然。此外，港務局還補貼 PortShuttle 服務，該服務通過支線列車連接配接馬斯平原的鐵路站場和腹地的鐵路服務中心（“PortShuttle 增加了第二班車”2017）。本文旨在改善港區的多式聯運系統。我們将重點放在鐵路-公路運輸系統上，研究如何将集裝箱從不同的港口碼頭轉移到港區的鐵路堆場，然後通過鐵路将集裝箱運送到腹地。

本文中的集裝箱運輸包括在碼頭内移動集裝箱，使用多種方式（鐵路和公路）在港口碼頭之間移動集裝箱，以及使用鐵路将集裝箱從港口區的鐵路堆場運送到腹地。通常，港區内有兩種鐵路聯運碼頭，即鐵路公路碼頭 (RTR) 和公路和碼頭鐵路聯運 (MTRR) 海運碼頭。在這些碼頭内，可以進行轉運，海運和/或公路運輸的集裝箱可以轉運到鐵路運輸。在另一種稱為具有公路連接配接和碼頭鐵路 (MTR) 的海運碼頭中，集裝箱不能直接轉運至鐵路運輸——集裝箱必須通過碼頭間運輸 (ITT) 轉移至 RTR 或 MTRR第一。實際上，ITT 還連接配接了 MTRR 和 RTR，這使得在港區的不同鐵路站場之間交換集裝箱成為可能，以便将集裝箱裝滿火車前往腹地。

碼頭内移動集裝箱（公-鐵）、碼頭之間移動集裝箱、使用鐵路将集裝箱從港口區的鐵路堆場運送到腹地

要實作 ITT 和腹地鐵路運輸的一體化，需要解決幾個規劃問題。在戰略層面，必須建立适當的 ITT 網絡來連接配接碼頭。 ITT 網絡涉及碼頭和在它們之間移動集裝箱的 ITT 車隊之間的連接配接。在戰術層面上，港務局和碼頭營運商必須首先确定是否以及如何共享資源，例如鐵路站場和 ITT 列車。值得注意的是，并非所有集裝箱都可以在所有碼頭之間交換，因為 ITT 需要碼頭營運商和貨運托運人之間的協調，這意味着資訊和設施應該共享，協調的好處必須明确。然後，必須設計出能夠保證鐵路運輸效率的鐵路時刻表和列車規模。在營運層面，碼頭營運商還必須根據 ITT 網絡以及出站列車的時間表來決定何時以及如何将集裝箱運送到鐵路堆場。

本研究側重于戰術規劃問題，即不同的 ITT 連接配接、列車編隊政策和鐵路時間表将如何影響集裝箱傳遞性能？此外，我們還開發了一個滾動時域架構，以保證該模型可用于營運規劃，即規劃集裝箱裝卸作業和設計車輛路線。我們假設港口區域内的碼頭可以在一定程度上互相協調，并且在碼頭之間共享ITT卡車和ITT火車等資源。是以，ITT 組織可以根據碼頭處理能力和鐵路時間表做出決定，以最大限度地提高一定時間段（例如一天）内通過火車運送的集裝箱數量。然後，提出了考慮終端處理能力的車輛和集裝箱運動的數學模型。在該模型中，使用給定的 ITT 英尺對不同的 ITT 連接配接、腹地列車大小和鐵路時間表進行了測試，以深入了解可能的政策，進而改進向腹地的綜合集裝箱運輸。

本文的其餘部分組織如下。 第 2 節回顧了關于碼頭營運和 ITT 的研究。 第 3 節将詳細定義本文研究的綜合港口集裝箱運輸系統。 在第 4 節中，問題使用時空圖進行數學模組化，并使用不同的傳輸政策測試性能。 第 5 節包含實驗和第 5 節。 6 給出結論和進一步研究。

2 ITT和集裝箱碼頭營運文獻綜述

本節回顧了從港區到腹地的集裝箱運輸不同方面的相關研究：ITT的研究主要集中在碼頭之間的集裝箱和車輛運動； 碼頭作業研究涵蓋起重機排程、集裝箱轉運、列車裝卸等問題。

ITT本身可以基于不同的模式，如鐵路、公路和内河航道。可以在 Heilig 和 Voß (2017) 中找到對 ITT 的詳細評論。在多個碼頭之間實施多模式 ITT 系統通常需要碼頭營運商和港務局之間的協調。 Duinkerken et al. (2006)提出了一個 ITT 系統，該系統在鹿特丹馬斯萊可迪的碼頭之間共享。Heilig et al. (2017) 調查了第三方 ITT 提供商提供的基于卡車的 ITT 系統。 ITT 供應商收集需求資訊、監控卡車位置并安排卡車路線。Schepler et al. (2017)研究了基于公路、水路和鐵路運輸的 ITT 系統，并在車輛路線方面為港務局和碼頭營運商提供建議。我們的研究考慮了 ITT 的鐵路-公路網絡以及通往腹地的鐵路連接配接。所研究的ITT系統為港區多個碼頭提供服務，旨在提高ITT運輸系統的效率。

現有的 ITT 研究大多隻集中在港區内的運輸上。奧特傑斯等人 (2006) 研究了鹿特丹 Maasvlakte 碼頭的基于 AVG 的 ITT 系統，并測試了碼頭之間的流量。亨德裡克斯等人(2012) 重點研究了考慮碼頭起重機營運成本和 ITT 成本的多個碼頭之間的泊位配置設定問題。在李等人 (2017a) 和 Li 等人 (2017b)，内河船舶用于在港口的某些碼頭之間運送 ITT 集裝箱。兩項研究都旨在減少船舶在港口停留的時間，同時增加可運輸的 ITT 集裝箱數量。我們的研究考慮到鐵路運輸到腹地，是以必須考慮鐵路時間表。蒂爾尼等人(2014) 提出了第一個使用時空圖的 ITT 完全定義的數學模型。基于該圖，作者提出了一個整數規劃模型來優化終端之間的集裝箱和車輛流動。在我們的研究中，我們也使用了時空模型，但我們擴充了 Tierney 等人開發的模型。研究與詳細的碼頭營運和腹地鐵路連接配接相結合的 ITT。

不同的碼頭營運問題已有了深入的研究。 Stahlbock 和 Voß (2008) 詳細回顧了海運集裝箱碼頭的營運問題。在碼頭内移動集裝箱時，起重機和卡車的移動是需要優化以加速該過程的關鍵過程。 Kim 和 Park (2004) 研究了确定船舶裝卸作業順序的碼頭起重機排程問題。作者将具有相同目的地和大小的集裝箱視為組（clusters），并假設一組集裝箱應放入船上的相鄰槽位，這被定義為集裝箱組（container clusters)。然後問題被表述為使用起重機在幾個集裝箱組和船塢之間移動集裝箱。在我們的研究中，我們關注與鐵路運輸相關的作業，是以，碼頭起重機排程問題和其他海邊作業問題，參見 Carlo 等。 (2015)，沒有詳細考慮。但是 Kim 和 Park (2004) 用集裝箱組抽象啟發了我們：在我們的研究中，一組具有相同釋出時間和來源碼頭的集裝箱被定義為一項運輸任務。在我們模型中的碼頭内，運輸任務應該在不同的碼頭位置之間使用起重機和卡車執行。弗羅伊蘭等人。 (2008) 優化海運集裝箱碼頭的陸側起重機操作。為降低複雜性，作者将問題分解為三個階段：首先确定碼頭側和陸側之間每小時的集裝箱流量；然後确定進口集裝箱在碼頭的堆放位置；最後，确定由軌道式龍門架（RMG）服務的集裝箱和卡車的順序以及堆場側集裝箱臨時堆放位置。在我們的研究中，集裝箱不僅在碼頭内移動，還在港口區域的碼頭之間移動。為了減少計算難度，我們沒有考慮集裝箱在堆場或火車上的精确位置，我們對每個集裝箱使用統一的處理時間。但是，在未來的研究中，可以考慮這些因素。

在MTRR和RTR裝載列車時，合理安排裝卸裝置和列車上集裝箱的空間布置可以減少裝置的工作時間，提高列車運載能力的使用率。 Corry 和 Kozan (2008) 提出了一個混合整數規劃 (MIP) 模型，使用 RMG 将集裝箱配置設定給鐵路貨車。 目标是盡量減少所需的鐵路貨車數量和工作時間。 Wang 和 Zhu (2014) 優化了卡車、堆場和火車之間的集裝箱轉運。 目标是最小化 RMG 的空閑時間。 在我們的研究中，使用了不同容量的列車，并且考慮了鐵路時刻表來執行列車裝載過程。

在歐洲國家，旅客列車具有更高的優先級：規定了旅客列車的時間表，貨運列車的營運商隻能要求在客運列車之間插入貨運列車，參見 Cacchiani 等 (2010)。可能不允許晚點列車進入鐵路路段以避免潛在的沖突。是以，延誤的列車必須重新安排或取消。一種提高鐵路營運商靈活性的可能方法，例如，在 D'Ariano 等人中。 (2008)，正在為火車保留更長的發車時間段，這使得時間表對于延誤更加穩健。在我們的研究中，我們使用新的發車時間段處理延遲的腹地列車。通常，一列火車從其始發站配置設定一個發車時間段，以確定這列火車可以進入内陸鐵路網絡而不會延誤其他火車。我們假設港區内的多個碼頭可以共享出發時間段；是以，碼頭營運商在組織 ITT 傳遞和腹地列車裝載方面具有一定的靈活性。定期和靈活時間表的使用在第 3.1 節中詳細說明。

總體而言，現有研究解決了不同的子問題，而忽略了這些高度互動的問題在港區及其腹地的整合。 我們的研究通過使用 RMG、共享 ITT 卡車和 ITT 列車，優化了碼頭内部和碼頭與港口腹地之間的集裝箱運輸。 目标是在特定時間段内最大化所有碼頭的集裝箱傳遞量。 使用不同的 ITT 網絡配置、列車編隊政策和鐵路時間表類型讨論了集裝箱傳遞性能。

railway terminal with road connection (RTR)

maritime terminal with both road and on-dock railway connections (MTRR)

maritime terminal with road connection and rail of-dock (MTR),

3 港區内和到腹地的集裝箱運輸

3.1 到腹地的ITT和鐵路運輸

ITT 連接配接港口區的不同碼頭。 在本研究中，MTR通過公路與其他碼頭相連； MTRRs和RTRs通過公路和鐵路與其他碼頭相連。 集裝箱在 MTR 和 MTRR 釋放，然後通過 ITT 使用共享的 ITT 火車和卡車運送到鐵路堆場。 在該系統中，ITT 卡車将集裝箱從 MTR 運送到 MTRR 和 RTR； ITT 火車和卡車在 MTRR 和 RTR 之間交換集裝箱。

為了揭示不同的 ITT 連接配接如何影響集裝箱運輸，本研究采用了兩種類型的 ITT 連接配接：完全 ITT（complete ITT） 和不完全 ITT（incomplete ITT）。 在完全 ITT情況下，可以将來自 MTR 的集裝箱移動到所有 MTRR 和 RTR； MTRR 和 RTR 接受來自任何其他碼頭的集裝箱。 在不完整的 ITT 情況下，一些連接配接被排除在外。 在這兩種情況下都使用 ITT 火車和卡車。

集裝箱與來自 MTRR 和 RTR 的腹地列車一起離開港區。 腹地列車按鐵路時刻表發車。 如果列車在出發時間未滿載，則碼頭營運商必須決定列車是否應出發。 當列車無法在預定的發車時間段發車時，鐵路終端營運商和網絡營運商必須尋找另一種解決方案，例如重新安排或取消列車。

我們的研究同時考慮了定期和靈活的時間表。在周期性時刻表場景中，每列火車都有一個預定的出發時間段，從一個預定的出發終點站。是以，每列火車都可以在适當的時間離開港區并進入内陸鐵路網，而不會阻塞其他火車。我們假設在靈活時刻表場景下，鐵路營運商隻關心列車進入内陸鐵路網的時間，列車可以在港區内自由行駛。是以，港區内的所有鐵路終點站之間可以共享一個出發時隙池，并且列車可以在任何一個出發時隙從另一列火車未使用的任何一個終點站出發。此外，使用兩種類型的列車大小：40 TEU 的小型列車和 80 TEU 容量的大型列車。正如 Boysen 和 Fliedner (2010) 指出的那樣，所有列車都必須在出發前達到最低裝載率（在我們的例子中設定為 75%），隻有在整列列車被移動的情況下，列車才能盈利。

根據ITT接駁案例和到腹地的鐵路時刻表，安排港區車輛的路線，確定每一個集裝箱都能準時到達鐵路站場。 此外，還必須考慮碼頭内的轉運。

3.2 集裝箱碼頭和碼頭内的轉運

考慮了三種類型的集裝箱碼頭，即RTR，MTR和MTRR，見圖1。當我們研究從港口到腹地的集裝箱運輸時，MTR的堆場和MTRR的碼頭堆場是集裝箱的起點，且集裝箱應移至 RTR 和 MTRR 的鐵路一側。 在這些碼頭中，考慮四種類型的操作：（1）卡車裝載，（2）卡車解除安裝，（3）火車裝載，以及（4）火車解除安裝。

在MTR中，幾個存儲塊垂直位于深海泊位旁邊； 自動導引車 (AGV) 用于在泊位和存儲區之間運輸集裝箱； 裝載和解除安裝操作在 RMG 在卡車和存儲塊之間移動集裝箱的 I/O 點執行，較長的描述參見 Vis 和 De Koster (2003)。 在我們的研究中，ITT 卡車從 I/O 點拿起集裝箱并将集裝箱移至 MTRR 或 RTR。

在MTRR中，當從深海船舶上卸下出境集裝箱時，如果鐵路軌道沿碼頭建造，則可以使用RMGC或RTGC将集裝箱裝上火車； 否則，将使用卡車和正面吊等車輛将集裝箱從碼頭運輸到鐵路堆場。 在 MTRR 的鐵路貨場，RMG 在火車、鐵路側存儲區和卡車之間移動集裝箱。

在這項研究中，來自碼頭的集裝箱将首先移動到 I/O 點，然後由 RTG 裝載到 ITT 卡車上。然後卡車将集裝箱運輸到碼頭内的鐵路堆場或港區的另一個碼頭。當貨車到達港鐵的鐵路堆場時，不失一般性，貨車所載的集裝箱應先卸至堆場，然後再裝上火車。鐵路與鐵路之間的轉運也在港鐵的鐵路站場進行，起重機将集裝箱從一列火車移至另一列火車。在我們的研究中，ITT 列車之間的鐵路-鐵路轉運被排除在外，因為它可以通過運作通路所有鐵路終點站的列車來避免。假設鐵路-鐵路轉運按以下方式進行：RMG 從 ITT 列車上卸下集裝箱并将其移至存儲區；當開往腹地的火車準備好裝載時，該集裝箱将被裝載到該火車上。然而，這種假設可能會導緻 RMG 操作和轉運時間的增加。

在 RTR 中，堆場和卡車車道沿着鐵路軌道建造，軌道式龍門起重機 (RMG) 用于在卡車、堆場和火車之間移動集裝箱，例如，參見 Boysen 和 Fliedner (2010)。 在某些情況下，例如，如果堆場和卡車車道不建在鐵路軌道旁邊，則使用正面吊和叉車等額外車輛來移動集裝箱，例如，參見 Kozan (2006)。

本研究的重點是使用 RMG 的碼頭，是以，卡車解除安裝、火車裝載和解除安裝的執行方式類似于 MTRR 中鐵路站場的操作。 不考慮鐵路-公路轉運，因為由于 ITT 的典型規模（本研究中長達 20 公裡），從火車到卡車的轉移是不合邏輯的，是以，沒有卡車裝載在 RTR 或 用于 ITT 運輸的 MTRR 中的鐵路站場。 不考慮公路-公路轉運，因為它不會提高運輸性能，同時需要額外的轉運成本。 在下一部分中，将對綜合 ITT、碼頭營運和腹地鐵路運輸進行模組化。