考慮貨-港雙方利益的港口經(jīng)濟(jì)腹地劃分模型

初良勇, 許小衛(wèi)(集美大學(xué) .現(xiàn)代物流研究中心; b.航海學(xué)院， 福建 廈門 361021)

考慮貨-港雙方利益的港口經(jīng)濟(jì)腹地劃分模型

初良勇a,b, 許小衛(wèi)a
(集美大學(xué) a.現(xiàn)代物流研究中心; b.航海學(xué)院， 福建 廈門 361021)

港口經(jīng)濟(jì)腹地的合理劃分關(guān)系著港口生產(chǎn)與發(fā)展大局。對(duì)此,為準(zhǔn)確劃分港口經(jīng)濟(jì)腹地范圍，綜合考慮貨主方成本和港口方收益的因素，從“效用”的角度出發(fā)，提出劃分港口經(jīng)濟(jì)腹地范圍的新模型。同時(shí),應(yīng)用蟻群算法進(jìn)行求解，并以廈門港和寧波港經(jīng)濟(jì)腹地范圍劃分實(shí)例為例，驗(yàn)證模型的正確性和實(shí)用性。

交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)學(xué)； 港口腹地； “效用”模型； 蟻群算法； 貨主成本； 港口收益

港口是港城發(fā)展的生命線，而港口經(jīng)濟(jì)腹地則是港口生存和發(fā)展的基石。目前各港口搶占經(jīng)濟(jì)腹地的大潮已經(jīng)到來(lái)，準(zhǔn)確劃分出經(jīng)濟(jì)腹地范圍已成為港口合理規(guī)劃腹地、安排港口生產(chǎn)和制定發(fā)展目標(biāo)的前提。1934年德國(guó)學(xué)者高茲在其《海港區(qū)位論》中論證了海港的區(qū)位是根據(jù)綜合費(fèi)用最小原則確定的，開(kāi)始強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)腹地因素對(duì)海港區(qū)位的作用；MAYER等[1-3]分析勞動(dòng)費(fèi)用、港口可達(dá)性和交通集疏運(yùn)完備程度等因素對(duì)經(jīng)濟(jì)腹地的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的影響；PATTON等[4-5]著重從國(guó)家和區(qū)域政策的角度討論經(jīng)濟(jì)腹地對(duì)港口發(fā)展的支持作用；TAN[6]以新加坡和加爾各答兩港為例，從港口城市的角度分析不同類型的經(jīng)濟(jì)腹地與港口的關(guān)系。此外，近年來(lái)國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者在港口經(jīng)濟(jì)腹地劃分問(wèn)題上也取得了較豐碩的研究成果:王杰等[7]通過(guò)引用經(jīng)濟(jì)地理學(xué)中的圈層法和點(diǎn)軸法，提出2種經(jīng)濟(jì)腹地劃分的方法，并以大連國(guó)際航運(yùn)中心為例進(jìn)行驗(yàn)證分析；馮社苗[8]通過(guò)引入最佳運(yùn)輸線路的概念，分析港口間接腹地的特點(diǎn)，并應(yīng)用蟻群算法對(duì)內(nèi)陸城市的出海通道進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)港口間接腹地的劃分；楊家其[9]結(jié)合港口經(jīng)濟(jì)腹地引力劃分模型和模糊判斷模型，確定港口對(duì)經(jīng)濟(jì)腹地的吸引力和范圍，并用實(shí)例驗(yàn)證模型的可靠性和實(shí)用性；姜曉麗等[10]在研究遼寧沿海港口腹地演變規(guī)律時(shí)引入Huff模型，通過(guò)計(jì)算港口對(duì)腹地城市的影響勢(shì)能值分析港口腹地空間的演變規(guī)律。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果已充分論證經(jīng)濟(jì)腹地對(duì)港口的重要意義；同時(shí)，港口經(jīng)濟(jì)腹地范圍的定量劃分模型(如引力模型、電子云模型、煙羽模型等)和貨主成本最低的最優(yōu)化模型也都對(duì)港口腹地劃分研究做出了貢獻(xiàn)。但現(xiàn)實(shí)中，港口貨物運(yùn)輸涉及港口和貨主雙方共同的利益，港口方希望通過(guò)更多的貨物進(jìn)出增加收益，而貨主方則希望貨物運(yùn)輸總成本最小，從而形成一定程度上的相互對(duì)立。因此,若能綜合考慮這兩方面因素建立模型，將會(huì)有效提高腹地范圍劃分的準(zhǔn)確性。

1 問(wèn)題的描述

通常情況下，內(nèi)陸腹地貨主選擇港口進(jìn)行貨物運(yùn)輸時(shí)，主要考慮港口的可達(dá)性、臨港交易(服務(wù))環(huán)境、對(duì)貨物和船舶的處理與接納能力、陸路運(yùn)輸費(fèi)用、港口作業(yè)費(fèi)用及時(shí)間成本等因素；相對(duì)的，港口通過(guò)采取降低港口費(fèi)用、制定寬松的港口政策、優(yōu)化集疏運(yùn)體系和增強(qiáng)大型船舶的掛靠能力等多種措施不斷拓展經(jīng)濟(jì)腹地范圍,以提高港口貨物吞吐量來(lái)增加收入、拉動(dòng)港城經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。港口方若想吸引更多、更遠(yuǎn)距離的貨物抵達(dá)港口，除了不斷提升港口服務(wù)質(zhì)量和基礎(chǔ)設(shè)施水平以外，還需降低港口費(fèi)用。一個(gè)發(fā)展較為成熟的港口城市的港城經(jīng)濟(jì)與港口經(jīng)濟(jì)的互動(dòng)關(guān)系通常較為緊密，因此在研究港口的收益時(shí),除了考慮貨物產(chǎn)生的港口費(fèi)用和運(yùn)輸船舶的港口費(fèi)用以外，還要考慮港城因貨、船到達(dá)而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)增量。假設(shè)針對(duì)內(nèi)陸腹地不同地區(qū)的某類貨物選擇沿海不同港口中較為合適的港口運(yùn)輸，其間(如有必要)需經(jīng)過(guò)中間城市進(jìn)行換裝作業(yè)，大體可表示為圖1。假設(shè)圖1中的港口均符合貨物處理和船舶掛靠的條件,傳輸過(guò)程中貨主方追求成本最低,港口方追求收益最大，兩方面不能單獨(dú)考慮。因此,選擇從貨-港雙方整體層面考慮，以“效用”來(lái)描述港口收益與貨主成本之間的關(guān)系，根據(jù)“效用”值的大小重新定義內(nèi)陸腹地與港口的緊密程度。

圖1 內(nèi)陸腹地經(jīng)中間城市到港口進(jìn)出貨物網(wǎng)絡(luò)圖

2 模型的建立與算法設(shè)計(jì)

2.1相關(guān)函數(shù)分析

2.2“效用”模型

(1)

s.t.

i∈{1,2,…,n},j∈{1,2,…,m}∪{1,2,…,p},

q∈{1,2,…,q},X={x1,x2,…,xm},

Z={z1,z2,…,zp},m,p∈{1,2,…,k},k≥1

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(ηi1=ηi1,ηi2=0),?ηi1=ηi2,

且Ci1,q1Qi1,q1≤Ci1,q2Qi1,q2

(9)

式(1)定義了目標(biāo)函數(shù)，即“效用”值函數(shù)，f(Q)和f(C)分別為港口收益Q及貨物運(yùn)輸成本C的函數(shù)；式(2)為貨主成本及變量取值；式(3)為港口收益；式(4)表示貨物有無(wú)中間城市的換裝作業(yè)；式(5)表示港口能處理該類貨物，且貨物總量不超過(guò)港口的最大處理能力；式(6)表示貨物整體運(yùn)輸；式(7)為時(shí)間的懲罰函數(shù)[3]，且ET和LT分別為最長(zhǎng)和最短運(yùn)輸時(shí)間；式(8)表示不同內(nèi)陸腹地之間不能相互運(yùn)輸貨物，且貨物起運(yùn)到中間城市后也不能回運(yùn)到另外一個(gè)起運(yùn)的內(nèi)陸腹地再進(jìn)行運(yùn)輸；式(9)表示在同一內(nèi)陸腹地出發(fā)經(jīng)不同線路到達(dá)不同港口時(shí)，若“效用”值相等，則取費(fèi)用和收益乘積最小的路徑。

2.3模型分析

由于所提出的“效用”模型的實(shí)質(zhì)是建立在港口方收益和貨主方成本比值上的經(jīng)濟(jì)關(guān)系，因此在式(2)～式(9)條件下將出現(xiàn)以下3種現(xiàn)象。

1) 同一內(nèi)陸腹地，經(jīng)過(guò)不同的運(yùn)輸線路到達(dá)不同的港口，出現(xiàn)“效用值”相等的情形。若不同線路出現(xiàn)相同的“效用值”，則必然是因?yàn)楦劭诜綄?duì)較遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)呢浳锸杖≥^高的費(fèi)用。

2) 不同腹地，經(jīng)過(guò)不同的運(yùn)輸線路到達(dá)同一港口，鑒于港口收費(fèi)(即港口收益值)是一定的，自然會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)摹靶в弥怠钡汀⒔嚯x的“效用值”高的情形，從這方面可直觀地理解港口與腹地聯(lián)系的緊密度問(wèn)題。

3) 不同腹地，經(jīng)過(guò)不同的運(yùn)輸線路到達(dá)不同的港口，理論上也會(huì)出現(xiàn)“效用值”相同的情形，這恰恰證明各自是其路線上港口的經(jīng)濟(jì)腹地。

因此，這里根據(jù)式(9)的約束，從理論上解決上述3種問(wèn)題，進(jìn)而保證模型在可行解的范圍內(nèi)求得最優(yōu)解。

2.4求解算法

2.4.1蟻群算法(Ant Colony Optimization, ACO)的思想

蟻群算法來(lái)源于對(duì)自然界螞蟻尋找食物行為的仿真模擬,1992年由MARCO DORIGO首先提出。通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，一群螞蟻在尋找食物的過(guò)程中會(huì)按自己的概率選擇路線到達(dá)食物所在地點(diǎn)，并在尋找食物的路徑上留下信息素(Phenomenon),這些信息素影響著螞蟻再次找尋食物時(shí)路徑的選擇，當(dāng)其中一條路徑較優(yōu)而吸引越來(lái)越多的螞蟻通過(guò)時(shí),其信息素的濃度會(huì)越來(lái)越大，該路徑也就成為螞蟻尋找食物的最優(yōu)路徑。

2.4.2內(nèi)陸腹地到港口“效用”值最大算法設(shè)計(jì)

用蟻群算法解決“效用”值求解問(wèn)題的關(guān)鍵是完成成本路徑的選擇。將內(nèi)陸腹地城市表示為蟻穴，港口表示為食物，通過(guò)中間的若干城市將內(nèi)陸腹地城市與港口連接起來(lái)，形成若干條不同的運(yùn)輸通道，這樣不同的內(nèi)陸腹地城市與不同的港口之間就形成運(yùn)輸通道網(wǎng)絡(luò)(中間城市較多時(shí)，可預(yù)先做分層處理)。算法開(kāi)始時(shí),將m只螞蟻放在n個(gè)內(nèi)陸腹地上(試驗(yàn)證明m=n最優(yōu))[11]，每只螞蟻從起點(diǎn)城市到達(dá)港口就是一個(gè)可行解方案。螞蟻i從起點(diǎn)出發(fā)，自城市x轉(zhuǎn)移到城市z時(shí)遵循以下概率。

(10)

(11)

當(dāng)所有螞蟻都從起點(diǎn)城市到達(dá)目標(biāo)港口后，僅選擇其中一個(gè)需要的“效用值”最大的路線的螞蟻標(biāo)記信息素，信息素是會(huì)隨時(shí)間(迭代)揮發(fā)的，這樣就使得算法不容易陷入局部最優(yōu)的情況。在“效用”值最大的螞蟻路徑被標(biāo)識(shí)出后，下一步就要對(duì)其路徑上的信息素濃度進(jìn)行全局更新，按以下規(guī)則。

χx,z(t+n)=(1-ρ)χx,z(t)+Δχx,z(t)

(12)

(13)

式(12)～式(13)中:ρ為信息素?fù)]發(fā)系數(shù)，且ρ?[0,1]，Δχx,z(t)為更新中x城市到z城市的信息素增量;∑χ為信息素強(qiáng)度[13]。

3 模型的算例仿真

內(nèi)陸腹地、中間城市和港口組成的運(yùn)輸通道連同附著在上面的時(shí)間、費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)等因素一起形成了一個(gè)龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)。為驗(yàn)證式(1)～式(9)的正確性及其在劃分港口腹地問(wèn)題上的實(shí)用性，選取東南沿海比較典型的廈門港和寧波港進(jìn)行實(shí)例分析(基本原理分析如“2.1”)，設(shè)起點(diǎn)分別為內(nèi)陸地區(qū)JN和NC兩點(diǎn)，并在前期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先處理(見(jiàn)表1和表2)，同時(shí)查閱近年廈門港和寧波港港口經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，應(yīng)用投入產(chǎn)出法[14]確定式(3)中港口各自對(duì)港城經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)率γ值分別為2.4和2.1(見(jiàn)表3)。

表1 城市間運(yùn)輸費(fèi)率表

表2 時(shí)間、換裝成本換算表

表3 廈門港、寧波港收益換算表

在用C++的求解程序中，設(shè)定α=1.0，β=2.0,ρ=0.5，m=31，∑χ=100。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出:JN—明溪—漳平—廈門港與JN—南平—上饒—金華—寧波港,NC—撫州—龍巖—廈門港與NC—鷹潭—上饒—金華—臺(tái)州—寧波港分別是JN和NC到廈門港、寧波港的最優(yōu)線路，各自“效用”的相對(duì)值分別為0.685,0.341,0.655和0.663。兩兩比較可得出:JN與廈門港聯(lián)系更加緊密，NC與廈門港和寧波港緊密度相當(dāng)；同時(shí)，與NC相比，JN與廈門港聯(lián)系緊密度更高。這里僅取兩例驗(yàn)證“效用”模型的正確性和可行性，當(dāng)數(shù)據(jù)采集足夠多時(shí)，應(yīng)用模型可按“效用”值從大到小的順序，以一定的區(qū)間將其值分為若干等份，如此即可實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的港口直接腹地和間接腹地等經(jīng)濟(jì)腹地范圍的劃分。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)實(shí)中很多情況下，在貨主選擇距離較遠(yuǎn)的港口運(yùn)輸貨物或各港口開(kāi)拓內(nèi)陸經(jīng)濟(jì)腹地時(shí)，會(huì)出現(xiàn)犧牲港口方利益而盲目劃分腹地范圍的情況，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。這里提出的模型區(qū)別于以往只從港口方或貨主方一方利益考慮建立的模型，通過(guò)綜合考慮貨主和港口雙方的利益正確劃分港口腹地范圍，并以廈門港和寧波港為例驗(yàn)證模型的正確性和實(shí)用性。由經(jīng)濟(jì)腹地、中間城市和港口組合成的通道網(wǎng)絡(luò)及附著在上面的時(shí)間、費(fèi)用等因素決定這是一個(gè)龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)，因此在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)會(huì)帶來(lái)巨大的數(shù)據(jù)采集工作量。此外,模型中經(jīng)濟(jì)因子值確定的合理性和經(jīng)濟(jì)腹地與港口關(guān)系的動(dòng)態(tài)性都會(huì)對(duì)港口腹地范圍劃分的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響，這將是下一步研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

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ModelforArrangingHinterlandtoMaximizeBenefitforBothCargoOwnerandPort

CHULiangyonga,b，XUXiaoweia
(a. Modern Research Center of Logistics; b. Navigation College, Jimei University, Xiamen 361021, China)

A rational range of hinterland for a port is necessary because it supports port operation and its overall development. A new simulation model is built including both the profit of the port and the costs of the cargo owners, for the effectiveness investigation. The Ant Colony Optimization is used to solve the hinterland problem with the model to let the port enjoy higher profits while cargo owners use the port at lower transport costs. The cases of hinterland range design for Xiamen Port and Ningbo Port are performed to verify the model.

traffic transport economics; port hinterland; effectiveness model; Ant Colony Optimization; cost of cargo owner; profit of port

2015-05-10

福建省自然科學(xué)基金(2012J01302)；福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA10195)；廈門市科技項(xiàng)目(3502Z20113032)；集美大學(xué)科研基金(ZQ2008005 )；廈門市科技項(xiàng)目(3502Z20143022)

初良勇(1973—)，男，黑龍江訥河人,副教授，主要從事交通系統(tǒng)規(guī)劃、現(xiàn)代物流與供應(yīng)鏈管理方向研究。

E-mail:chuliangyong@163.com

許小衛(wèi)(1988—)，男，安徽宿州人,碩士生，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理、現(xiàn)代物流與供應(yīng)鏈管理。E-mail:704664885@qq.com

1000-4653(2015)03-0116-05

U651

A