多核化樞紐港集疏運系統優化研究＊

周 翔 陳小鴻 董潔霜

（同濟大學交通運輸工程學院1） 上海 200092）

（上海市城市規劃設計研究院2） 上海 200040）

（上海理工大學管理學院3） 上海 200093）

20世紀80年代，研究者開始關注貨運交通，并提出交通運輸的根本目的是實施人和貨的有效的移動.Friesz等［1-3］提出了包括承運方的空間價格均衡概念.Guelat等［4］提出網絡均衡與空間價格均衡間的關聯性，將空間經濟、生產力布局和交通運輸系統聯系在一起，并在90年代提出了一個考慮多貨種多方式，包括路徑和節點轉移廣義費用在內的貨運交通戰略規劃模型［5］，開發了專用軟件包STAN，且成功應用于如上海國際航運中心港口集疏運系統這樣的大規模貨運網絡［6］.本文在港口集疏運系統優化模型基礎上，采用廣義費用定量化分析集疏運過程中各環節引起的各類成本，實現上海國際航運中心的區域主要港口集疏運系統建模，找出集疏運網絡中的問題，提出優化對策.

1 港口集疏運系統的物理描述

1.1 單個港口的集疏運過程

如圖1所示，港口集疏運系統中存在2種貨物運輸：（1）貨物由起點經過公路短途運輸轉運鐵路或內河運輸，或者直接以某一運輸方式運送至港口，然后以海運的運輸方式運送至迄點；（2）貨物由起點通過海運的運輸方式到達港口，以鐵路或內河等長距離運輸后經公路轉運到達迄點，或者直接以某一運輸方式運送至迄點.

圖1 單一港口的集疏運過程

1.2 上海國際航運中心的多核化港口集疏運網絡

上海國際航運中心位于我國沿海及長江2大經濟帶的交匯處，處于國際物流與國內物流的節點，是長江三角洲和長江沿線經濟發展的重要依托.因此，面對全球化的國際競爭，上海國際航運中心必然要以區域資源優勢迎接挑戰，積極并主動整合長三角港口資源，形成高效有序、主輔協作的區域化港口群，構建上海港、寧波-舟山港和蘇州港三港一體的組合樞紐港布局，并逐步完善支線港、喂給港，形成由多個核心編織而成的網絡化綜合集疏運系統，見圖2.

圖2 上海國際航運中心多核編織集疏運網絡

2 港口集疏運系統建模

2.1 系統建模思路及方法

本文基于上海國際航運中心的主要港口及其集疏運系統特征和市場自主選擇港口運輸的情況，采用貨運分析軟件STAN 實現網絡構建與計算分析.如圖3所示，以集裝箱為例，腹地生成量是系統建模中的系統集疏運需求量，采用廣義費用最小的目標函數來計算集裝箱生成量由各腹地向港口的運輸過程中可能選擇經過某個港口的箱量和比例.

圖3 區域港口集疏運需求預測方法

2.2 基于廣義費用最小化的集疏運系統優化模型［7］

在綜合運輸網絡路徑選擇中，廣義運輸費用為重要的指標.本文中的廣義運輸費用F包含路段廣義費用Fl和轉運樞紐廣義費用Ft.對于港口集疏運系統而言，運輸費用最小化是多式聯運的目的，即某一次集疏運過程選擇多種運輸方式和路徑.具體數學模型描述如下.

式中：L為路段集合；T為轉運樞紐集合；O為起點集合；D為迄點集合；M為集疏運方式集合；Kp為從O點到D點運送貨種p的路徑集合；v為貨種p在路段l上的流量；c為貨種p在轉運樞紐t上的流量；為貨種p在路段l上的單位費用；為貨種p在轉運樞紐t上的單位費用；為從O點到D點貨種p的需求量；hk為路徑k上的流量；σlk為路段l與路徑k的關系參數；σtk為轉運樞紐t與路徑k的關系參數.

由廣義費用函數的形式可以看出，廣義費用函數是一個單調遞增的函數，因此上述模型的目標函數是凸函數，約束集也同樣為凸的，所以該模型是一個凸規劃問題，必有解且有唯一解，模型可以通過Frank-Wolfe方法來求解.

2.3 路段廣義費用函數

港口集疏運系統的路段廣義費用fl由3個部分構成，分別為基本運行的金錢費用、延誤產生的時間費用和其他的社會成本費用.具體如下.

式中：T1（x）為運行費用函數；T2（x）為時間費用函數；T3（x）為外部成本費用函數；θi為各類費用的權重系數.

2.3.1 函數形式

各類運輸方式因硬件設施和運輸過程不同而具有不同函數形式.運行費用函數T1（x）通過回歸計算法求得，其函數形式是一元線性方程.時間費用函數T2（x），公路運行時間使用經典BPR 函數計算，雙線鐵路及水路由于不考慮擁擠問題，故采用物理學中一般的速度位移公式，而對單線鐵路則采用多項式非線性函數，大量實踐證明它們具有較高的準確性，同時也滿足均衡分配限制條件.對于運輸外部成本費用函數T3（x），目前還沒有能夠計算所有方式和所有因素的通用方法，本文結合運輸經濟學的已有成果，直接利用經驗數據（水路運輸外部成本忽略不計）.各類運輸方式的路段廣義費用模型的基礎函數形式見表1.

表1 不同運輸方式路段廣義費用函數的基礎形式

表1中：L公，L鐵，L水分別為公路、鐵路、水路運輸距離；T3公，T3鐵，T3水分別為公路、鐵路和水路運輸的外部成本；V公，V鐵，V水分別為公路、鐵路和水路運輸路段的貨物流量；C公，C鐵，C水分別為公路、鐵路和水路運輸路段的通行能力；VOT為貨物時間價值；t0為該路段的零流時間；Sp水，Sp鐵分別為水路和鐵路的運輸速度；θi為各部分費用的權重系數.

2.3.2 權重系數θi

θi是廣義費用函數各服務屬性的權重因子，反映某種服務屬性對港口集疏運系統的影響程度.對不同地區托運不同品類貨物的典型機構采集評價這些服務屬性之間重要性關系數據，得出服務屬性重要性關系的判斷矩陣，運用層次分析法得出整體評價，從而求得廣義費用函數中的權重系數.模式中權重系數并非定值，因港口的不同、所在城市的不同、研究目標年的不同而有所差異，得到上海國際航運中心各主要港口的權重系數，見表2.

表2 路段廣義費用函數權重系數取值

2.3.3 時間價值系數VOT

貨物時間價值較為復雜，其因貨種、經濟運距和運輸區間的不同有較大的差異.對于貨物運輸而言，貨主往往把貨物在途時間延長視為一種損失，一方面是因為貨物本身對資金的占用，另一方面是在途時間延長會增加周轉及其他環節所需的費用.因此，本文將貨物時間價值按下式計算：

式中：VOT為貨物單位時間費用，元／d；P為在途貨物平均價格，元；i為社會折現率，本文取8%.

2.4 轉運樞紐廣義費用函數

2.4.1 轉運樞紐的功能

在港口集疏運網絡中，轉運樞紐是各種運輸線路或是同一種運輸方式各條運輸線路的匯集點，組織貨流的集散和中轉，包括辦理各種手續、協調運輸工具、貨物承運及換裝等生產作業和相應服務.見圖4.

圖4 港口集疏運系統中轉運樞紐的功能

2.4.2 函數形式

對于公鐵轉運樞紐，貨物在樞紐中滯留時間遠遠大于裝卸時間，因此系統可簡化為M／M／1系統.對于水陸轉運樞紐，需通過碼頭進行裝卸和貨物重組，實現陸運與水運的轉換，共有四種形式：公路→水路、鐵路→水路、水路→公路和水路→鐵路.水路→公路的情況下可實現即到即發，即貨流湊足了就發車，因此在港滯留時間因子中可忽略等待汽車的時間，只由裝卸時間和服務時間組成；而其他3種方式時，需主要考慮在港或站等待時間，該等待時間由到港班輪（列）的頻率決定，近似等于車頭時距的一半.根據以上分析，給出轉運樞紐廣義費用模型的基礎函數形式.見表3.

表3 主要轉運方式的廣義費用函數匯總

表3中：Ft為樞紐t的廣義費用；ρ為樞紐t的裝卸費用，元／TEU；λ為樞紐t的倉儲費用，元／（TEU·d）；Vt為樞紐t的通過交通量；Sert為樞紐t的平均服務時間；CAPt為樞紐t的容量；Vboat，Vtrain分別為港口貨物所需的運輸船、火車列車數；N為規劃時段內的發船頻率、“五定班列”的開行頻率；lp為規劃時長.

3 港口集疏運系統分析結果

3.1 模型分析平臺——貨運規劃軟件STAN

STAN 是一種用于多貨種多運輸方式分析的專業軟件系統，多應用于國家或區域貨物運輸戰略規劃.該軟件包由40個左右模塊組成，主要分為方案工具、路網編輯、矩陣編輯、函數編輯、分配程序和分配結果等幾個組.同時，軟件系統提供了一個綜合且靈活的模型框架，以及最新的算法和強大的計算能力，可以實現對用戶自定義模型的網絡分析.

3.2 港口集裝箱吞吐量

根據區域港口集疏運系統模型分析，2020年上海國際航運中心主要樞紐港的集裝箱吞吐總量將達到8530萬TEU，模型中考慮了長三角范圍內港口中轉吞吐量.該結果與港口總體規劃中確定的吞吐規模控制基本相符.從吞吐量分布上來看，上海港承擔46%的吞吐量，為上海國際航運中心的主樞紐港，但未來10年的增量主要在于寧波-舟山港和蘇州港，分擔比例也大大提高.因此，上海國際航運中心內部將由單核向多核化發展，呈現出以區域港口資源服務腹地經濟的態勢.

3.3 港口集疏運量分布及功能

根據模型分析結果，航運中心內部港口間的集裝箱中轉量占吞吐總量的20%，且以蘇州港與上海港之間為主.上海港、寧波-舟山港由航運中心內部中轉的集疏運量占吞吐比例均在15%以下，呈腹地型樞紐港特征，而蘇州港比例高達40%，將發揮為主樞紐港進行中轉服務功能.

長三角區域范圍內，各省市大多選擇本地港轉運，蘇州港、寧波-舟山港的吞吐量均有50%左右來自其本省境內，體現了為本地經濟服務的運輸樞紐功能.而上海港的集裝箱量則有35%左右來自上海本地，即長三角及長江沿線其他地區的箱源相比現狀將提高10%～15%，其輻射能力和長江流域中轉比例也相應有所提升，這與其國際航運中心的主樞紐服務功能定位相匹配，應相應地拓展其貨運集疏運系統的運輸組織范圍.在蘇州港的集裝箱集疏運量中，兩省一市以外長江流域地區箱量占比達到了28%，將構成其重要的箱源地.

在上海港吞吐量基本達到設計能力的情況下，兩省一市以外的長江流域地區，選擇上海港、寧波-舟山港和蘇州港進行集裝箱運輸的比例分別為30%，45%和25%，寧波-舟山港將發揮越來越重要的海港運輸樞紐作用.

因此，隨著上海國際航運中心集裝箱吞吐規模的集聚發展，其腹地不斷向本地、本省市以外的中西部內陸延伸拓展，腹地中轉功能逐步突顯，這一特征以上海港尤為顯著.

3.4 港口集疏運方式結構

長三角地區是上海國際航運中心的直接腹地，各經濟腹地與主要港口之間的運距不超過500km，以公路和內河運輸較為適合.在江蘇省內與上海市的內河航道得以同步協調和大力發展的情況下，未來集疏運結構中內河航運將會大大提升，2020年有望達到35%～40%.浙江省境內腹地至寧波-舟山港和上海港之間的水水中轉主要通過沿海港口實現轉運，水路中轉的比例可達到15%以上.長江流域的其他地區為上海國際航運中心的間接腹地（川、渝、鄂、湘、皖、贛等6 省市），將以長江水運為主，鐵路、公路運輸為輔，目前水運占間接腹地集裝箱集疏運的比重在70%以上，其他方式約占30%.

根據網絡模型分析結果，2020年上海國際航運中心腹地范圍內各種集疏運方式的分擔情況為：公路∶鐵路∶水路=56.8%∶8.6%∶34.6%.

3.5 港口集疏運系統優化方向

通過區域港口集疏運系統分配，得到各樞紐港疊加后的公路、內河和鐵路運輸量.其中，由公路承擔的集疏運比例相比現狀均有一定比例下降，特別是上海港，但由于吞吐量的持續增長，公路集疏運壓力仍很大.

分港區疏港通道方面，上海港主要貨運通道（繞城高速）的集疏運壓力不斷增大，應通過建立區域型的公路轉運樞紐優化調整集疏運量的網絡分布情況，減少擁堵的發生；蘇州港應考慮增加疏港通道；寧波-舟山港的公路集疏運壓力將對城市道路系統產生相比現狀更為嚴重的影響，需要增加陸路集疏運通道并提高水路中轉比例，否則港口發展將受到一定的制約.

4 結束語

世界級國際航運中心的發展實踐證明，港口貨運集疏運體系建設沒有一個固定模式，但要注重結合其港口及后方集疏運系統的布局特征，發揮綜合優勢.本文緊緊抓住國際航運中心功能提升過程中樞紐港多核化以及區域港口一體化發展的趨勢，初步實現了區域港口競爭合作的集疏運網絡優化模型構建思路，將運輸方式選擇和路徑選擇兩個階段聯合建模，最終既能夠直接實現網絡配流，也能得到腹地對港口樞紐選擇的結果，即港口-腹地的集疏運量和港口吞吐量.其中，廣義費用函數的細化和校驗是模型完善的關鍵.

［1］FRIESZ T.L，VITON，P A，TOBIN R L.Economic and computational aspects of freight network equilibrium models：a synthesis［J］.Journal of Regional Science，1985，25（1）：29-49.

［2］FRIESZ T L，HARKER P T.Freight network equi-librium：a review of the state of the art［G］.Daughty A F.Analytical Studies in Transportation Economics，Cambridge：Cambridge University Press，1985.

［3］FRIESZ T L，GOTTFRIED J A，MORLOK E K.A sequential shipper-carrier network model for predicting freight flows［J］.Transportation Science，1986，20（2）：80-91.

［4］GUELAT J，FLORIAN M.A model for the strategic planning of national freight transportation by rail［J］.Transportation Science，1990，24（1）：1-24.

［5］GUELAT J，FLORIAN M，CRAINIC B C.A multimode multiproduct network assignment model for strategic planning of freight flows［J］.Transportation Science，1990，24（1）：25-39.

［6］張 雁，董潔霜，周 翔，等.上海國際航運中心貨運集疏運系統集成優化研究［R］.上海：上海市城市規劃設計研究院，上海理工大學，2011.

［7］董潔霜.港口集疏運系統優化模型［J］.上海理工大學學 報，2007，29（5）：453-456.