考虑碳排放的公铁两网货流转移调控理论与方法

【摘要】：随着大气污染问题的日益严峻,发展低碳经济已得到国际社会的普遍重视。对我国而言,为响应国际社会的号召,并推进我国经济、社会可持续发展的战略,国家对治理大气污染、降低碳排放也给予了高度重视。在众多的碳排放来源中,交通运输行业是比重相对较大的一个。因此发展低碳运输是促进节能减排的重要手段。与公路相比,铁路具有运量大、排放少的优点。因此,提高整个运输行业中铁路的运量比重将是优化交通运输结构、发展低碳运输的有效措施。但是,在实践层面,由于相关政策措施及运力资源配置优化不到位,目前仍有大量适用于铁路运输的中长距离货流选择了公路运输,使得部分公路路段的负荷高于预期,导致公铁两网的货流负荷情况偏离了理想的比例,增加了交通运输系统的碳排放。因此,设计合理的调控手段,使部分公路货流转移至铁路以降低碳排放,成为交通运输领域亟待解决的一个重要问题。然而在理论层面,这方面的研究还相对欠缺。为此,本文在借鉴一些既有研究成果的基础上,结合我国公路和铁路运输的特点,对低碳运输背景下的公铁两网货流转移调控理论与方法做了深入的研究和探讨,以期为我国低碳运输的发展提供理论参考。论文的主要工作如下:1)首先基于我国公路和铁路货物运输的发展现状和运输组织特点对比了二者的主要差异。然后根据货物运输涉及到的相关市场主体及交易过程分析了公铁两网货流负荷的形成机理。进而分析了我国当前公铁两网货流不合理分布的形成原因,并据此提出了从诱导货主运输方式选择行为和优化运力资源配置两方面入手的基本调控思路。2)根据公铁两网货流负荷的形成机理,设计了基于数学规划手段的计算特定情形下公铁两网货流负荷的方法,包括基于货主运输方式选择行为的公铁两网货运需求OD计算,铁路网流量负荷计算,铁路不可行流计算,公路网货运OD修正,公路网流量分配等步骤。并针对公路网流量分配模型高阶非线性的问题给出了相应的线性化方法。3)根据经济学中的外部性及外部性内在化理论,设计了以征收碳税为主要措施的公铁两网货运需求调控方法,从而将碳排放造成的环境成本与货主的利益建立相关关系,进而影响货主的运输方式选择行为。然后基于该调控措施对公铁两网货流负荷计算模型进行了修正,并在此基础上结合算例对调控措施的效果进行了灵敏度分析。4)针对铁路网上的瓶颈区段制约公铁货流转移的问题,提出了采用公铁联运的形式将公路长程货流部分运程转移至铁路以充分利用铁路空闲能力并降低碳排放的策略。然后基于综合体现公路运输、铁路运输、货物装卸和中转过程的广义网络,构建了公铁联运方案优化模型。模型在考虑基本的时间、费用因素的同时还引入了碳税、公路拥堵成本等因素。针对模型非线性的问题,采用线性化手段将其转化为线性模型,进而完成了算例求解,并定量分析了实施公铁联运方案对公铁两网碳排放总量的影响。5)为降低铁路瓶颈区段对公铁货流转移的影响,研究了部分铁路货流转移至次短路以腾出铁路繁忙区段能力以吸引公路货流的方法,并为此构建了考虑不可行流的铁路网货流分配混合整数规划模型。为协调公铁货流转移量最大和铁路运输总成本最小两个目标,模型以包含碳税成本在内的铁路总效益最大为目标,并综合考虑了货流不可拆分、绕行率限制等约束。针对模型中存在的非线性项,提出了通过构造辅助决策变量和约束条件的方法将其线性化。最后根据模型求解结果定量分析了铁路货流调整对促进公铁货流转移的作用。6)针对优化运输组织方案后铁路网仍存在制约公铁货流转移的瓶颈区段的问题,研究了公铁货流转移背景下的铁路网规划模型。为体现路网结构变化对货主运输方式选择行为的影响,模型采用双层规划的结构,上层用于改扩建决策及流量分配,下层用于计算路网结构变化后任意两点间的最短路,从而可以据此修正运输方式划分结果并带入上层规划模型。然后根据模型的特点设计了基于两阶段策略的求解方法。在模型求解结果的基础上,采用引入碳排放相关参数构建综合效益评价指标的方法分析了考虑碳排放因素对决策结果的影响。本文从多个方面研究了公铁两网货流转移调控的基本原理和调控措施的设计思路,针对涉及到的优化问题构建了对应的数学规划模型,并结合算例提出了对调控措施的效果进行量化分析的方法。上述研究成果将为我国相关决策层的政策研究工作提供理论参考。