基于道路网络分析的省际粮食运输成本研究

摘 要：借助GIS软件平台，结合铁路、水运航线、运费、转运费等数据，建立了道路网络数据模型，利用网络分析工具，分别获取了基于最低成本和最短运距下的两种运输路径及成本数据。对比分析发现：水路和铁路运输凭借其成本较低的优势在我国省际粮食运输中占据主要地位。在最低成本条件下，运输优路径经沿海和长江中下游航线频次最高，公路运输因其成本较高主要集中于省内或短途运输；省际粮食运输最高运费段为哈尔滨—拉萨段，总里程5 133km，经铁路一次性运输，运费为770元/吨；最低运费段为上海—南京段，总航程350km，经水路一次性运输，运费仅6元/吨。

关键词：粮食运输；最优路径；地理信息系统；网络分析

中图分类号：F50 文献标识码：A

Abstract： Inter-provincial grain transport plays an important role in our grain logistics system. The function of GIS network analyst had been the one of main methods of this kind of actual problem to solve the transport costs and paths. The study built the model of street network combined with railway， water transport routes， freight cost， transfer cost and others under the software platform of GIS. Obtained two kinds of transport route and cost data based on the lowest cost and the shortest dietance by the network analysisi. The study found that， shipping and rail transport occupied the main position in the inter-provincial grain transport of China because of the advantage of low cost. The optimal path through coastal and Yangtze River routes most frequently under the conditions of the lowest cost. Because of the high cost of road transport is mainly concentrated in the province or short-distance transport. The highest inter-provincial grain transport freight segment is Harbin-Lhasa section， the total mileage 5 133km， disposable transport by rail， and the freight is 770 yuan/ton， while the minimum freight segment is Shanghai-Nanjing section， total distance 350km， one-time transportation by sea， and the freight is 6 yuan/ton.

Key words： grain transportation； optimal path； GIS； network analyst

0 引 言

省际粮食运输是指粮食实体在生产、收购和销售过程中在国内省级行政区域之间的转运和流通，是研究我国粮食物流体系的重要环节，也是我国粮食流通市场化的重要保证。近年来，随着我国跨省区粮食流通运量的增加，国内粮食流通和进口粮食分流的道路运输已成为影响我国粮食物流体系的主要因素[1]。目前，我国粮食运输主要存在运输散乱、方式落后、损耗较高等主要问题[2]。据调查，我国粮食从生产区到销售区的物流费用占整个粮食销售价格的30%～35%，而美国粮食物流成本大约只相当于我国的40%，由于运输工具落后等问题导致我国粮食运输年均损失800万吨，这些都导致我国粮食物流成本居高不下[3]。粮食物流问题也引起学术界的高度重视，目前，有关粮食运输研究主要集中在物流量估算、运输方式转变和主要运输通道建设等方面，但从省际粮食综合运输费用出发，利用GIS（地理信息系统）的网络分析功能求算省际粮食运输费用和最优路径的研究方法还比较少见。梁书民、刘小和等，曾于2007年在《我国粮食综合运输费用与最优物流路经研究》中，以国内11个城市为准建立了一套实验数据。获取省际粮食运输路径和成本数据，建立粮食运输最优路径将对我国目前粮食物流体系建设提供重要参考。同时，运用GIS网络分析技术解决粮食运输道路选择和成本计算问题，也将是今后粮食物流体系建设的主要研究方向之一[4]。

1 研究方法

1.1 运输成本涉及因素

现代粮食物流体系包括铁路、水路和公路三种主要交通方式，散粮运输和包粮运输是目前两种主要粮食运输方式。据2005年全国货运量数据显示，铁路、公路和水路三种主要交通方式中，公路运输所占比重在50%左右，铁路和水路运输分别占30%和10%左右，其中公路运输则主要以短途运输为主，中长途的省际粮食流通则主要依靠铁路和水路两种方式[5]。省际粮食运输费用来源主要有包装费、装卸费、转运费和吨公里运费等几大类，其中包装费、装卸费、转运费是基于粮食运量的运输成本，吨公里运费可以看作是基于运距的运输成本。

1.2 最优网络路径计算方法

作为空间分析的一个重要方面，GIS网络分析功能的主要目的是对地理网络（如交通网络）、城市基础设施进行模型化和地理分析。其主要内容是在网络数据集基础上，依据网络拓扑关系（线状地物之间、线状地物与点状地物之间、点状地物与点状地物之间的连结、连通关系），并借助空间、属性数据对网络的性能特征进行多方面的分析和计算。在各种GIS网络分析应用中，最基本最关键的问题还是最优路径问题。从网络模型的角度看，最优路径求解就是在网络中的两结点间寻找一条阻碍强度最小的路径，须按照结点的选择顺序访问网络中的所有结点[6]。网络在数学和计算机领域中被抽象为图，所以网络的基础就是图的存储表示，在GIS中的道路网络在具有图理论基本特征的同时也具有一些实际特点。关于最短路径问题，目前为大家所公认的求解方法是由Dijkstra提出的标号法，即Dijkstra算法，算法的关键部分就是不断地从目标点集中找出距离源点最短距离最小的点并加入到已知点集中，同时更新目标点集到源点的新的最短距离。这一过程是最短路径算法的关键，并且与网络的复杂程度有着重要的相关性[7]。

最短路径不仅仅指一般以地理意义上的距离最短，还可以有时间最短、费用最低、路况最佳等测度。粮食道路运输最优路径是具有多因素的复杂性问题，本文为了方便分析对比，是以最低成本和最短运距下的最优路径为目标的，简化了实际物流中粮食道路运输费用问题。

2 数据处理与分析

2.1 数据来源与处理

本文是以全国铁路、公路（国道、高速）和主要港口水运航线数据为道路网络数据集，在成本计算和路径分析过程中为了简化模型，将包装费、装卸费、转运费综合为转运费单一费用，即三种交通方式转换时每吨粮食转运成本为50元。基于运距的吨公里运费数据为：铁路0.15元，公路20元，水路0.016元。

为使原始道路数据能实现最优路径网络分析功能，须对路网数据进行必要的处理和运算，主要步骤如下：（1）制作全国（除台湾、香港外）32个省级行政区域省会城市和大连、青岛、深圳、天津港四个港口城市的点状矢量数据；（2）合并路网矢量数据，对铁路、公路、水路航线矢量数据建立拓扑关系，确保三种交通方式在各站点或港口之间的连通性，并在两种不同运输方式的转运站点添加带有转运费属性的小线段作为转运连接方式；（3）计算出路线长度，添加运费等属性字段，并通过路线长度和吨公里运费相乘运算得出路线运费属性字段；（4）在地理信息系统软件Arcgis Catalog下，用路径矢量数据制作具有拓扑关系的路径网络数据集Network Dataset[8-9]；（5）调用GIS软件Arcgis Network Analyst模块下的New OD Cost_Matrix工具，添加路网数据集，并以城市点状数据为起始站点和终止站点，以运费为阻抗，生成两两城市间运费最低的成本OD矩阵图；（6）将最低成本OD矩阵图导出为矢量数据，用工具箱中的Feature Vertices To Points工具，通过选择Point Type将其分别生成为Origin点和Destination点；（7）调用Network Analyst下New Route工具，分别添加上一步生成的Origin和Destination点，仍以运费为首要阻抗，生成最低成本下两两城市间的最优路径图；（8）导出最低成本OD矩阵的属性数据，获取最低成本矩阵表；（9）将首要阻抗参数设置为运距，重复步骤5到步骤8，则可以生成最短运距下两两城市间的最优路径图和最短路径矩阵表。

2.2 省际粮食运输路径分析

最低成本条件下各省会城市间运输方式包含单一水路运输、单一铁路运输、水路——铁路一次转运混合运输、铁路——水路——铁路两次转运混合运输等多种方式。最短运距下各省会城市间运输方式主要为铁路运输（为了方便数据对比，在计算最短运距运输路径时排除公路数据），仅在个别沿海港口城市间航线距离较短时才会选择水运航线，如上海—海口段、海口—福州段等。最低成本和最短路径两种运输路径下的运费和运距在与港口城市或水运相关的运输路段具有比较明显的差异，而在以铁路为主要运输方式的内陆城市运输路段则比较一致。自2006年青藏铁路建成通车，我国铁路已实现全国省会城市全覆盖，在省际运输下的最低成本路径已经主要涵盖水运和铁路运输两种方式，公路运输则主要集中于省内或短距运输，用于补充和完善铁路、水运不能覆盖的地区。

根据最低成本条件下全国省际粮食运输路径数据，将所有省会城市两两之间运输路径进行叠加，可以得到省际粮食运输路线频次图（图1）和运输路线频次比重（表1）。从表1中可以看出最低成本下省际粮食运输路线频次在1～15之间所占比重最大，达到46.02%，路线频次最高段为青岛—上海区间段，运输频次高达185。从图1中可以看出，我国省际粮食运输呈现出以东北地区经大连港口外运通道，黄淮海地区经青岛、天津港口外运通道，西北内陆经西安、兰州转运通道，华南地区经福州、深圳、澳门等港口流入通道和长江中下游地区沿江转运通道等为主的五大区域运输格局。依据以上运输格局合理建设和分配运输资源对解决我国粮食物流运力不足等问题具有重要意义。

2.3 省际粮食运输成本分析

从全国部分城市粮食运输最低成本和最短路径下的运费/运距数据（表2、表3）中可以看出：最低成本和最短路径下最高运费均为哈尔滨—拉萨段，运费为770元/吨，总里程5 133km，经铁路一次性运输。最低成本和最短路径下最小运距均为北京—天津段，运距132km，运费20元/吨。最低成本下最大运距为海口—拉萨段的6 680km，运费647元/吨，运输路径从海口由水运至武汉，在武汉经铁路转运至拉萨，其中水运航距3 025km，铁路运距3 655km；而在最短路径下此运段运距为

5 077km，运费762元/吨，由铁路经贵阳、成都、兰州沿线一次性运输，同最低成本路径相比运距缩短了1 603km，运费增加了115元/吨。最低成本下最低运费为上海—南京段，运费6元/吨，经水运一次性运输，航程350km；而在最短运距下，此段运距为302km，经铁路一次性运输，运费45元/吨，同最低成本路径相比运距缩短了48km，运费增加39元/吨。

在最低成本和最短路径下运费差距最大的为哈尔滨—海口段。最短运距下运输路径为铁路运输，经沈阳、天津、石家庄、武汉、长沙一线，全程3 946km，运费592元/吨；最低成本下运输路径由铁路运输至大连，经大连港口转水运至海口，全程运距4 038km，运费242元/吨。从运费和运距比较来看，哈尔滨—海口段粮食运输选择最低成本下运输路线更为适宜，同最短运距运输路径相比运距增加约92km，但运费减少了350元/吨，减少幅度较大，对控制道路运输费用成本具有明显的效果。最低成本和最短路径下运距相差最大的为太原—重庆段。最低成本下运输路径由铁路运至天津，经天津港口转水运至重庆，全程运距4 282km，运费204元/吨；最短运距下运输路径为铁路一次性运输，经西安运至重庆，全程1 410km，运费212元/吨。从运费和运距比较来看，太原—重庆段粮食运输选择最短运距下运输路线更为适宜，同最低成本运输路径相比运费增加约8元/吨，但运距缩短了2 872km，且不需要转运等过程，极大地减少了时间成本和运输资源占用。

综合以上分析可以看出：最低成本运输路径主要利用铁路和水运两种交通方式，国道、高速公路等公路运输方式因成本较高而未被利用；近海和沿江港口城市均涉及水运，如重庆、武汉、南京、上海、福州、海口、天津等，这些港口城市之间多为单一水运；内陆城市间主要依靠铁路运输，如乌鲁木齐—北京段、成都—拉萨段等；港口城市同内陆城市间则大多会经过两种运输方式转换运输，如海口—哈尔滨段需经大连港口转运一次，北京—上海段需经天津港口转运一次；部分非港口城市间还涉及两次转运，如哈尔滨—广州段，需先经大连港由铁路转水运后，再经深圳港由水运转铁路两次转运运输。由于三种运输方式间运输成本差异较大，铁路成本相当于水运成本的9倍，而公路成本则相当于铁路成本的130倍，所以在最低成本下的最优路径选择上第一优先权为水运，在水运运距较大，或者水运不能直接到达，需转运且包含转运费后总运费超过直达铁路运费时，最低成本路径才会选择铁路运输；同样，只有在铁路运距较大，或者铁路不能直接到达，需转运且包含转运费后总运费超过公路直达运费的情况下，最低运费路径才选择公路运输。故此，在所得结果中会出现两地实际铁路距离较近，但最优路径却选择运距较远的水运或水路铁路转运的运输方式，例如太原—重庆段、广州—重庆段等。

3 结论与讨论

（1）我国省际粮食运输呈现出以东北地区经大连港口外运通道，黄淮海地区经青岛、天津港口外运通道，西北内陆经西安转运通道，华南地区经福州、深圳、澳门等港口流入通道和长江中下游地区沿江转运通道等为主的五大运输区域格局，根据此格局可以为合理建设和分配粮食运输资源提供参考。

（2）水路和铁路运输凭其成本较低的优势在省际粮食运输中占据主要地位，公路运输在总体道路运输体系中所占比重较大，但主要集中于省内或短途运输。省际粮食运输应根据在运费成本和时间成本上的不同要求，选择合理的运输方式。提高低成本的水路运输在省际粮食运输中的比重将成为降低运输成本的重要方向，内河航运和深水港口建设将是今后粮食物流体系建设关键环节之一。

（3）我国省际粮食运输转运、装卸和包装费用一直较高，在一定程度上制约了多方式联运的应用和发展，建设现代化的散粮运输设施，发展集装箱运输，顺畅多运输方式间无障碍对接，实现多种运输方式间的低成本转运和多方式联运应该是我国物流体系建设的重要方向。

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