砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案优化探讨

砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案优化探讨

金  伟

摘  要：城市内砂石骨料物流是确保城市规模化建设、集约化发展的重要支撑。针对公路运输造成的城市道路拥堵、空气污染加剧等突出问题，传统以公路运输为主的砂石骨料物流模式，已经难以适应城市绿色发展需要。通过分析城市“外集内配”绿色铁路物流模式，提出适应砂石骨料的“外集内配”绿色铁路物流模式，构建砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案优化模型，以北京市为例，设计砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案,有助于城市内砂石骨料物流方案和城市绿色物流体系构建。

0 引言

砂石骨料是工程建设中混凝土和堆砌石等构筑物的主要建筑材料。近年来，随着城市规模的扩大和空间布局规划的调整，城市现代化建设和集约化改造对砂石骨料物流提出更高的要求。同时，大城市的土地利用、交通拥堵及环境污染问题突显，减少城市内公路货运车辆，加快城市绿色物流体系建设势在必行。而城市铁路物流基地逐步外迁建设，城市内许多既有铁路货场处于闲置状态，物流功能难以得到有效发挥。从日本、法国等发达国家发展经验来看，“外集内配”已经成为大型城市绿色物流体系发展的重要趋势之一。作为混凝土、堆砌石等构筑物的主要建筑材料，砂石骨料是城市供应物资中需求规模最大的品类，年市场需求量高达 200 亿 t。

国内外学者已经开展相关研究。在“外集内配”绿色铁路物流体系顶层研究方面，王涵晴等[1] 提出城市“外集内配”绿色铁路物流体系总体架构及路径；在城市“外集内配”绿色铁路物流体系建设方面，杨海涛[2] 结合天津市物流运输现状，研究天津市“3+11”绿色物流体系建设方案，李东力[3] 基于北京市铁路货场布局情况，探讨北京市城市铁路物流“2+9”节点布局方案以及智慧物流云平台建设方案，张梦琪[4] 针对上海枢纽城市配送需求，分析上海市“外集内配近港”城市配送整体架构及“3+6+4”节点布局方案；在砂石骨料铁路运输方面，王建设等[5] 结合砂石骨料企业调研情况，构建北京砂石骨料绿色供应链建设方案，杨春雷等[6] 研究砂石骨料铁路集装化运输模式。

这些研究虽然针对城市砂石骨料“外集内配”绿色物流进行探索，但是缺乏对砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案的研究。因此，针对当前城市内部铁路货场功能定位与城市发展定位不匹配的突出问题，通过构建砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案优化模型，从定量化的角度为北京市设计砂石骨料绿色铁路物流方案，有助于减少公路运量，缓解大气环境污染，改善城市交通拥堵，保障城市建设质量。

1 砂石骨料城市绿色物流模式需求分析

随着运输结构调整战略不断深入推进，煤炭、矿石等大宗物资“公转铁”行动已经取得显著成效。砂石骨料作为城市基础设施建设的重要原材料之一，市场需求量巨大，但目前仍以公路运输为主，未来将成为“十四五”时期“公转铁”重点品类。

1.1 砂石骨料物流模式

砂石骨料传统物流模式中，主要环节包括开采( 矿山 )、运输、加工 ( 搅拌站 )、使用 ( 建筑工地 )，砂石骨料传统物流模式如图1所示。以北京市为例，砂石骨料主要从张家口、承德、唐山等区域的矿山开采，由栏板式敞篷重型柴油货车运输至城市内搅拌站，在搅拌站加工形成水泥混凝土、沥青混凝土等各类建筑原材料，再由水泥罐车在市内配送至建筑工地，全程平均运输距离约 200 km。

图 1  砂石骨料传统物流模式

受到铁路两端装卸、短驳成本限制，当运输距离超过500km时，铁路运输成本才能低于公路运输成本，因此货主普遍选择公路运输承担砂石骨料物流干线运输环节，由此导致严重的城市道路拥堵及环境污染问题。以北京市为例，全市砂石骨料年需求量为 1 亿 t，为运输矿建材料需要重柴货车约1万辆次 /d，每年将带来 1.9 万 t 污染物排放，成为导致城市道路拥堵和环境污染的重要影响因素。

综上分析，相比于其他品类，砂石骨料运输体量大而且对时效要求相对白货较低，可以作为最具“公转铁”潜力的货类。因此，适合借鉴城市“外集内配”绿色铁路物流发展思路，将砂石骨料干线运输转移至铁路，以缓解砂石骨料物流过程中产生的负面效应。

1.2城市“外集内配”绿色铁路物流模式

城市“外集内配”绿色铁路物流是一种以公铁联运为主要特征的城市物流新模式，充分利用深入城市腹地的既有铁路货场及干线运输资源，由铁路承担城市供应物资从产地向城内铁路货场的干线运输，由新能源汽车进行“最后一公里”共同配送，构建全程绿色的城市供应物资物流供应链。根据物流节点及运输组织的差异，可以将城市“外集内配”绿色铁路物流分为以下 3 种模式[1] 。

模式 1 ：由产地向城外物流基地 ( 即外集点 )开行直达班列，在物流基地内对城市供应物资进行集结、加工、仓储、包装等，再通过向城市内铁路货场 ( 即内配点 ) 开行的小运转列车实现物资向城市内部转运，最后利用新能源汽车进行“最后一公里”配送。此种模式适应于粮油、果蔬等生活物资的物流过程，此类物资销地分布于城市内部，且每个销地需求量较少，需要外集点发挥蓄水池功能，由小运转列车实现市区内各销地间的调配。城市“外集内配”绿色铁路物流模式 1 如图 2 所示。

图 2  城市“外集内配”绿色铁路物流模式 1

模式 2 ：由产地直接向城市内部铁路货场开行直达班列，利用新能源汽车进行“最后一公里”配送。此种模式适应于钢铁、砂石骨料等生产物资的物流过程，此类物资销地分布于城市内部，且销地具备品类整列到达需求，不需要再经过外集点进行调配。城市“外集内配”绿色铁路物流模式 2 如图 3 所示。

图 3  城市“外集内配”绿色铁路物流模式 2

模式 3 ：由产地向城外物流基地开行直达班列，利用新能源汽车进行最后一公里配送。此种模式适应于农业机械、工业机械等，此类物资销地在城市外围，不需要通过铁路进入城市内部。城市“外集内配”绿色铁路物流模式 3 如图 4 所示。

图 4  城市“外集内配”绿色铁路物流模式 3

1.3  砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流模式需求

对标城市“外集内配”绿色铁路物流 3 种模式的适应场景，砂石骨料适合采用模式 2 进行运输，砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流模式如图5所示。

图 5  砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流模式

砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流模式与传统物流模式相比，在干线运输、城市内节点组织、城市配送等环节存在较大差异，因此在进行物流方案设计时，需要在运输时效、公铁联运、场站布局等方面满足个性化要求。

（1）运输高时效性要求班列客车化开行。相较于普通大宗品类运输，砂石骨料对时效性要求更高，需要稳定准时的运输产品提供运力保障。因此，砂石骨料在干线运输过程中，需要在固定发与到站之间，有固定的车次和运行线、明确的开行周期和运行时刻，按照“客车化”模式组织开行铁路砂石骨料班列。

（2）公铁无缝联运要求定制化班列方案。为降低物流过程中仓储成本，缓解城市铁路货场物资仓储压力，应该从需求侧出发，以实现铁路货场“零库存”为目标，制定适应城市内部搅拌站需求的砂石骨料运输班列开行方案。

（3）供需分布差异要求优化服务网络。深入分析砂石骨料产销分布情况，合理规划铁路卸车节点，尽量减少铁路干线运输距离及新能源汽车末端配送距离，降低砂石骨料物流成本。

2 砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案优化方法

基于砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流模式需求，以“铁路干线运输距离 + 新能源汽车末端配送距离”最小为目标，考虑产地生产能力、铁路货场装卸能力、搅拌站需求约束，提出砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案优化方法。

2.1 基本假设

已知条件：①由装车点到城市铁路货场、由城市铁路货场到搅拌站的单位运输价格和运距均已知；②城市铁路货场的装卸能力已知；③搅拌站的需求已知；④砂石骨料具有同质性，搅拌站对砂石骨料没有特殊要求；⑤铁路运输过程采用直达列车。

假设有 I 个砂石骨料装车点向 J 个城市铁路货场输送砂石骨料，每个装车点 i 可以从临近产地最多提供 Si 的砂石骨料，i∈ (1，2，…，I)，装车点i 最大装卸能力为 Ai 。同时 J 个城市铁路货场向 K个搅拌站进行砂石骨料配送，每个铁路货场 j 的最大装卸能力为 Bj，j∈ (1，2，…，J)，每个搅拌站 k的需求总量为 Ck，k∈ (1，2，…，K)。砂石骨料“外集内配”运输过程如图 6 所示。

图 6  砂石骨料“外集内配”运输过程

2.2 模型构建

基于以上假设及问题描述，建立模型为

式中：Ri, j 表示装车点 i 与铁路货场 j 间的铁路运价，与运输距离成正比；Tj, k 表示铁路货场 j 与搅拌站 k间的公路运价，与运输距离成正比；xi, j 为决策变量，表示装车点 i 为铁路货场 j 运输砂石骨料的数量；yj, k 为决策变量，表示铁路货场 j 向搅拌站 k 运输砂石骨料的数量；zj 为 0，1 变量，如果备选铁路货场 j 被选中，则 zj = 1，否则为 0。

式 ⑴ 为目标函数，代表铁路运输段与公路运输段总费用最小；式⑵至式⑸为供给与需求约束，式 ⑵ 表示装车点装车量小于装车点附近产地的产量，式⑶表示装车点装车量小于装车点最大装卸能力，式 ⑷表示装车点为内配点运输的物资量小于该场站的装卸能力，式 ⑸表示内配点向末端节点运输的供给量大于末端节点的需求量；式 ⑹ 为零库存约束，表示内配点调出物资总量等于调入物资总量；式⑺为 0-1 变量约束，如果备选内配点j 被选中则为 1，否则为 0 ；式⑻至式⑼为决策变量非负约束。

3 北京市砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案优化设计

随着城市化进程推进，北京市建筑砂石骨料缺口逐年增大，年缺口量在 1 亿 t 左右 [7]，基本通过柴油货车从砂石料矿区运输至北京市行政区域内的148 个搅拌站。随着近年来环境治理、公路治超、大型车辆限行等政策影响，公路运输砂石料进京受到制约，“公转铁”需求极为迫切。

3.1 北京市砂石骨料产销分布

（1）北京市砂石骨料产地货源分布。北京市砂石骨料产地主要分布在滦州市、迁安市、滦平县、承德县、易县、涞源县、宣化县、定州市、望都县等区域 [8]，年产量在 1 亿 t 以上。北京市砂石骨料产地及铁路装车站点如表 1 所示。

表 1  北京市砂石骨料产地及铁路装车站点

（2）北京市砂石骨料市场需求分布。砂石骨料( 砂石料 ) 购买方主要为混凝土搅拌公司。目前北京市主要混凝土搅拌站、沥青厂共 148 家，主要分布在北京三环以外。北京市主要国有沥青厂和搅拌站厂年生产能力 6000万 t，其中，北京金隅集团有限责任公司年产量 1700 万 t，北京建工集团有限责任公司年生产量 1300 万 t，北京住总集团有限责任公司年产量 1000 万 t，北京城建集团有限责任公司年产量 1000 万 t，北京建工路桥集团有限公司年产量 1000 万 t。北京市混凝土搅拌站与沥青厂分布表如表 2 所示。

表 2  北京市混凝土搅拌站与沥青厂分布表

3.2 北京市砂石骨料“外集内配”绿色物流方案

（1）节点选择。北京市范围内共有 46 个铁路货运站点，可以作为砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案优化模型中城市铁路货场备选集合，使用 LINGO11 对模型进行求解，可以求得全局最优解。最终选择 8 个装车站点、8 个卸车站点，北京市砂石骨料绿色物流节点规划方案如表 3 所示。

表 3  北京市砂石骨料绿色物流节点规划方案

（2）铁路物流方案。基于模型计算结果，北京市砂石骨料绿色物流通道规划方案如图 7 所示，北京市砂石骨料绿色物流铁路班列开行方案如表 4 所示。依托京通线、京哈线、京广线、京原线、京包线 ( 北京—包头 ) 上的 8 个铁路装车点以及北京市内 8 个铁路卸车点，每日在 13 条通道上开行“客车化”砂石骨料进京班列，实现产区与发站铁路货场 ( 专用线 )、铁路干线站到站、北京市到达铁路货场 ( 专用线 ) 与搅拌站全程集装化公铁联运，为客户提供全程物流服务。

图 7  北京市砂石骨料绿色物流通道规划方案

表 4  北京市砂石骨料绿色物流铁路班列开行方案

4  结束语

北京市砂石骨料绿色物流体系建设，对落实中央运输结构调整、打赢污染防治攻坚战和蓝天保卫战战略部署，助力铁路货运增量行动，降低北京市物流成本具有积极的作用。立足铁路绿色低碳的比较优势，通过构建“8+8+13”的砂石骨料“外集内配”绿色铁路物流方案，可以加强北京市砂石骨料的供给能力，保障首都工程的建设进度，同时可以提升市内铁路货场经营活力，盘活闲置货场资源，有效推动物流业向高质量发展迈进。

参考文献：

[1] 王涵晴，周凌云，叶 飞，等.城市“外集内配”绿色铁路物流体系设计[J].铁道货运，2019，37(12)：12-18.

[2] 杨海涛. 玩滚球的十大平台：天津市绿色物流体系建设方案研究[J]. 铁道运输与经济，2019，41(7)：1-7.

[3] 李东力. 北京城市绿色物流体系研究[J]. 铁路采购与物流，2019(6)：52-54.

[4] 张梦琪.铁路参与城市配送节点布局规划研究：以上海为例[J].物流技术，2019，38(10)：1-6.

[5] 王建设，张 皓.玩滚球的十大平台：北京市砂石骨料铁路绿色供应链发展分析[J].物流工程与管理，2019，41(5)：102-103.

[6] 杨春雷，马 冰. 玩滚球的十大平台：砂石骨料绿色供应链的调研与思考[J].铁路采购与物流，2019(2)：53-55.

[7] 薛 军，郑永超，陈旭峰，等.构建绿色供应链打赢蓝天保卫战[J].建设科技，2018(17)：9-13.

[8] 薛 军，陈旭峰，郑永超，等. 依托玩滚球的十大平台协同发展战略，通过资源化利用缓解北京砂石供需矛盾[J].混凝土与水泥制品，2017(5)：1-4.

来源：中南大学交通运输工程学院  金伟