長江集裝箱運輸系統仿真模型研究

丁　棟，周　強，劉巧斌

（武漢理工大學　物流工程學院，湖北　武漢　430063）

長江集裝箱運輸系統仿真模型研究

丁棟，周強，劉巧斌

（武漢理工大學物流工程學院，湖北武漢430063）

在回顧長江集裝箱運輸系統相關文獻的基礎上，總結長江集裝箱運輸系統發展的主要問題，自上而下地分析長江集裝箱運輸系統的層次邏輯關系，構建運輸節點以及運輸通道的概念模型，利用WITNESS仿真軟件建立長江集裝箱運輸系統仿真模型，進行仿真試驗研究長江中上游集裝箱產生量變化對下游南京港設施設備的影響。理論上該模型能夠有效地分析該層面的物流活動所能反映的各種系統問題，可以給政府相關部門未來的有關決策提供參考依據。

長江流域；集裝箱運輸系統；仿真模型；WITNESS

1　引言

近年來，長江流域集裝箱運輸發展十分迅速，但是在發展的過程中也存在很多問題，國內學者針對長江集裝箱運輸系統的不同方面做了深入研究。高斌［1］根據目前長江港口現狀及箱源情況，選取了典型航線，并對各個航線以經濟性為評價指標選取最優江海直達船型。周凱捷［2］根據技術性指標和經濟性指標等建立了長江集裝箱運輸船型優選方案的多目標多層次模糊優選模型。楊忠振［3］等以所有集裝箱運輸總成本最小為目標，優化長江水道上集裝箱航線網絡，確定各航線靠港、靠泊順序及所用船舶的類型與數量。劉帥［4］針對中三角區域至上海集裝箱運輸系統，建立運輸路徑復雜網絡，提出成本最低的目標函數，利用標號法求解模型的解，找到各節點之間集裝箱運輸的最優路徑。張哲輝［5］比較了長江地區集裝箱到洋山出口通過直航、一次中轉和二次中轉三種運輸方式下的運輸成本。劉德鵬［6］根據長江集裝箱運輸系統的運輸特點，運用EM-Plant軟件建立了仿真模型，進行了計算仿真。鄧延潔等［7］利用Flexsim仿真軟件對長江典型區段集裝箱運輸組織進行系統仿真，優化運輸總成本和船型配比。綜上，可以看出，目前對于長江集裝箱運輸系統的研究主要集中在兩個方面：船型優化研究和航線優化研究。船型優化研究，一般是以經濟性為評價指標建立船型優選方案，選擇最優船型；而航線優化研究主要包括集裝箱運輸航線配船優化研究和集裝箱船舶路徑優化研究（即運輸組織方式優化研究）。但是，許多論文的研究往往只突出某一方面，忽略了其他因素的交叉影響；而且，總結過去的文獻還可以發現，對港口在長江集裝箱運輸系統作用方面的研究不突出。其實，長江集裝箱運輸系統發展的主要問題來自航道整治、港口建設、船舶發展等三大根源因素以及它們之間的交叉作用，其他問題都是這三大根源因素的延伸，這三大因素的作用促使長江流域集裝箱運輸系統的元素組成、關聯構型和系統行為不斷地演化發展。另外，長江流域經濟的發展，適箱貨源的增加，構成了長江流域集裝箱運輸系統的環境輸入壓力，也會激發三大因素對運輸系統所起的演化作用。長江集裝箱運輸系統問題因素的關聯關系整理如圖1所示。

圖1　長江流域集裝箱運輸系統問題關系圖

集裝箱運輸系統的特性受集裝箱船型、船舶數量、運輸能力、港口裝卸作業能力等多方面因素影響，而且系統運行過程中的動態隨機性、各種運輸方式間的相互影響等都會增加系統的復雜性。數學分析模型對于確定性的條件比較有意義，但對于某些動態性的條件進行求解相對比較困難，且忽略了一些運輸過程的隨機性，而通過仿真分析的方法能夠較好地解決這一問題。WITNESS作為新一代的仿真軟件具有以下特點：交互式面向對象的建模環境、靈活的執行策略、工程友好性強、靈活的輸入和輸出方式等。因此，基于對長江集裝箱運輸系統自上而下的層次分析，采用WITNESS建立的仿真模型適應性好，理論上能夠有效地分析該層面的物流活動反映的各種系統問題。

2　系統組成與構型

2.1系統組成

長江集裝箱運輸系統是以上海港為主樞紐港，長江三角洲區域為其直接腹地，整個長江流域為其間接腹地，通過長江水路、鐵路、公路等運輸方式將各個物流樞紐節點連接起來所形成的輻射整個區域的網絡系統，因此，根據該系統內各元素功能劃分，包括的元素有：物流樞紐節點（港口節點、火車站節點、物流園節點）、運輸線（火車線、船舶航線、公線）、運輸工具（船舶、火車、汽車）、集裝箱、船閘。包含的要素有：船舶、港口、火車線。由于長江流域產生的集裝箱大都通過上海出口，因此，可以看出該系統元素之間的關聯關系有：

（1）所有節點產生或消費的集裝箱都與上海節點互為運輸目的地關系；

（2）長江沿岸節點可通過船舶與上海節點建立為航運關系；

（3）流域的非沿江節點可通過公路、鐵路、沿江節點與上海節點建立為運輸關系。

2.2系統構型

元素之間不同的連接關系，構成不同的秩序，即元素之間不同的關聯關系構成不同的系統構型。分析長江各港口城市與上海之間的聯運關系，理論上可以建立三種主要的系統構型。

2.2.1分層星型構型。以某一節點為中心，其余節點與該中心節點連接，該中心節點再與末端節點聯接。比如以重慶、武漢為中心，然后重慶、武漢與上海連接，又稱為“區域航運中心”模式。作為長江中上游經濟中心城市和交通樞紐，重慶和武漢具備了成為區域航運中心的重要條件。另外，重慶、武漢至上海之間的集裝箱班次多，船型大，周邊各地區集裝箱集中到重慶和武漢轉運，從船公司的角度來看，船舶裝載率高，降低了成本。

該種構型的拓撲結構圖如圖2所示。

2.2.2單一星型構型。沿江各節點都只與末端節點（上海）聯系，稱為“分布節點直運模式”。由于受各地區地方政府相關政策鼓勵，由各港口地區開展直達上海班輪，該種運輸方式減少了中間環節，節約了運輸時間，避免了貨物運輸。但是由于受航道水深限制，上游集裝箱船型較小，裝載量少，增加了能源消耗和環境污染，且在安全性上不及大型船舶。

該種構型的拓撲結構圖如圖3所示。

2.2.3復合星型構型。上游節點與中下游某一重要節點建立聯系，然后，該節點再與末端節點（上海）聯系，稱為“中轉模式”。以武漢或南京為中轉節點，除重慶地區集裝箱直運至上海，上游其他地區集裝箱中轉至武漢或南京，再由武漢（南京）搭乘班輪前往上海。武漢作為長江流域中游經濟中心城市及交通樞紐，港口基礎較好，擁有充足的貨源滿足武漢至上海大噸位的江海直達船舶。另外，不同船型的船舶在下游的航行速度不同，能在上游航行的船舶在下游航行速度比較低。因此，在武漢（南京）中轉可以減少一定的運輸時間，而且在載箱率相同的條件下船型越大，每箱運價越低，運輸成本越低。

圖2　分層星型構型拓撲結構圖

圖3　單一星型構型拓撲結構圖

該種構型的拓撲結構圖如圖4所示。

事實上，以上三種構型相當于三種不同的運輸組織方式，在目前的長江集裝箱運輸系統中，船舶運營由各船公司獨立管理，由于受市場競爭、當地政府政策支持等原因影響，三種運輸組織方式同時存在于系統當中，相互影響從而構成了復雜的運輸網絡。

3　仿真模型

3.1系統層次模型

系統科學的分析思想就是從系統整體角度看系統，往往從系統頂層出發，逐步分層細化分析系統的組成或成分，也可以理解為自上而下、逐步分層次地分析系統、描述系統，因此需要先建立系統的層次模型，然后建立系統各層次的邏輯動態關系，所建立的長江流域集裝箱運輸系統層次模型如圖5所示。

圖4　復合星型構型拓撲結構圖

圖5　長江流域集裝箱運輸系統層次模型

3.2主要模塊內部層次邏輯

3.2.1物流園區模塊。從物流園區實際作用看，它進行拆裝箱活動，即生成集裝箱，拆卸箱子。它屬于多輸入多輸出系統，輸入輸出均為集卡和集裝箱，與外界交互的界面是集卡排隊區以及集疏運卡車裝卸點。從所描述系統的層次上來看，不考慮園區內部實際生產調度計劃的影響。圖6描述了物流園區的邏輯組成關系。

圖6　長江集裝箱運輸系統物流園區模塊邏輯圖

3.2.2集裝箱碼頭模塊。根據前面建立的層次模型，碼頭是長江流域集裝箱運輸系統的基本組成單元之一。從它的實際功能作用看，它為船舶和集疏運卡車服務，裝卸轉運集裝箱；從系統角度看，它是多輸入多輸出系統，輸入輸出有船舶、集裝箱、集輸運卡車，與外界（系統其他元素）交互的界面是錨地、泊位、大門、集卡排隊區以及集輸運卡車的裝卸點。圖7描述了碼頭模塊的邏輯組成關系。從隨機排隊服務理論看，碼頭就是一個為多種類型顧客服務的復雜排隊系統。從所描述系統的層次上來看，碼頭內部不予考慮，只考慮與外界交互的邏輯關系，即裝卸服務關系。

圖7　長江集裝箱運輸系統碼頭模塊邏輯圖

3.2.3水路航線模塊。水路航線模塊由航段和岔口組成。航段描述相鄰兩個港口之間的航運距離，反映該段的通航能力以及限制；岔口在每個航段的末端，船舶航行到岔口時，需要做出是否靠港或立即繼續下一航段的航行選擇。水路航線模塊內部邏輯關系如圖8所示。

圖8　水路航線模塊邏輯圖

3.2.4船舶管理模塊。仿真模型中的船舶管理模塊，并不是要描述實際系統運行中的船舶管理。在實際中，船舶是由所歸屬的船舶公司管理。船舶管理模塊可以設置船舶的船型（裝載容量）、航線起始港、終點港、掛靠港、給航線分配的船舶數量，設置船舶出發時間間隔（隨機出發、班輪）等參數。

3.2.5港口模塊。港口是由許多碼頭公司組成的，比如重慶港主要由九龍坡集裝箱碼頭、寸灘集裝箱碼頭等組成。船舶到達港口要進行掛靠碼頭選擇。在大多數港口集團營運管理中，分配船舶掛靠碼頭的基本依據是屬下碼頭公司的裝卸技術能力，即以碼頭設計能力為權重的均勻分配。本模型就是按此原則分配船舶掛靠碼頭。港口模塊邏輯關系如圖9所示。

圖9　港口模塊邏輯圖

3.2.6城市模塊。長江流域集裝箱運輸系統中的城市節點分為港口城市節點和非港口城市節點兩種類型。城市節點由港口、物流園區、火車站物流樞紐以及鐵路、公路等組成。

港口城市節點里的物流園區、火車站的集裝箱只與本城市的港口節點發生物流運輸關系；非港口城市節點里的物流園區、火車站的集裝箱與臨近城市的港口節點發生物流運輸關系，這有可能包括兩個以上的港口城市節點；對于兩個以上有關系的港口城市節點，運輸的集裝箱數量比例依據歷史數據和未來條件而定。具體如圖10、圖11所示。

圖10　港口城市模塊邏輯圖

圖11　非港口城市模塊邏輯圖

3.3仿真模型圖

本模型包括長江流域的24個港口城市節點、13個非港口城市節點，建立了46個航段模塊、船舶管理模塊以及數據統計模塊等；城市節點包括港口節點、物流園區節點、火車站節點等；港口節點包括屬下的碼頭公司節點等。建立的仿真模型圖如圖12所示。

4　模型應用舉例

4.1問題分析

長江流域產生的集裝箱大都出口，少部分近洋出口集裝箱在蘇州或上海外高橋轉運近洋船舶，大部分近洋集裝箱和遠洋出口集裝箱在洋山轉運超大型船舶。長江流域諸城市都產生這兩類出口集裝箱，近洋出口集裝箱通過內河集裝箱船舶可直接運至蘇州或上海外高橋，而遠洋集裝箱則需要在南京港、外高橋中轉近海集裝箱船舶，然后轉運至洋山港。長江中上游產生的集裝箱在2015年的基礎上，每次逐步遞增5%，分析長江下游（南京以下）的港口設施設備的利用狀況以及轉運效率？長江中上游集裝箱產生量達到多少時，長江下游的港口設施設備達到飽和利用狀態？

模型中假設:（1）長江下游地區進入長江航運的集裝箱量不變；（2）下游航道條件不變；（3）長江中上游集裝箱港口條件、航道條件以及船型都不變。

試驗中，如果出現長江中上游產生的集裝箱堵塞在本地區港口的現象，就增加長江運輸船舶數量或改變一些條件，確保產生的集裝箱能夠運輸到長江下游。

4.2仿真試驗實施方案

（1）模型參數設置。集裝箱碼頭的基礎參數主要包括：長江沿岸各港口泊位數、堆場容量、裝卸船時效率、到港船舶裝卸量分布，另外船舶在港口裝卸量根據歷史統計數據來確定。集裝箱中心站的基礎參數主要包括堆場容量、裝卸車時效率。物流園區的基礎參數主要包括年箱源產生量、堆場容量、集卡裝卸時間、各運輸路段的距離及運輸速度、長江流域集裝箱船型大小分布、船舶數量、掛靠信息（掛靠數及掛靠港）、班輪信息表，火車的載重量及列次信息表。具體見表1、表2。

圖12　長江流域集裝箱運輸系統仿真模型圖

表1　碼頭節點基本參數

表2　重要船舶基本信息

（2）試驗工況條件。仿真試驗長度為320d，即7 680h。考慮剔除氣象條件和節假日的影響。每組仿真的試驗次數為10次，所得結果取平均值。

（3）試驗參數指標。主要統計南京港的泊位利用率、堆場占用率、船舶在港等待時間以及各港口集裝箱吞吐量等數據。

（4）數據分析處理。結果見表3。

表3　南京港統計數據表

（5）仿真分析結論。從表3可以看出，隨著長江中上游產生的集裝箱量逐漸增加，南京港的泊位利用率始終保持在60%到70%之間，根據河港工程設計規范JTJ212-2006，集裝箱泊位利用率在0.5到0.7之間較為合理，因此可以看出南京港的泊位情況仍能滿足當前需求。堆場占用率與集裝箱吞吐量也隨著集裝箱量增加而增加，呈現正相關性，但變化幅度不大；而船舶在錨地等待時間相對而言，增加幅度較大，可能是由于中上游集裝箱量增加，集裝箱船舶數量相應增加導致的。

5　結語

以系統思想自上而下地分析系統層次邏輯關系并對長江集裝箱運輸系統進行仿真建模，這種仿真模型既能夠體現整個系統的物流活動，也能夠反映系統的邏輯特征，對于具有高度復雜性、動態隨機性及多層次等特點的集裝箱運輸系統而言，可以很方便地從各個方面來研究系統所存在的問題以及所需要發現的問題，對政府相關部門未來的有關決策提供參考依據。因此，長江集裝箱運輸系統仿真模型研究具有較強的工程實用價值。

［1］高斌.長江干線到洋山港江海直達集裝箱船船型優選［D］.上海:上海交通大學，2005.

［2］周凱捷.長江干線集裝箱運輸市場及船型問題研究［D］.大連:大連海事大學，2014.

［3］楊忠振，董夏丹，郭利泉.長江水道集裝箱運輸航線網絡優化［J］.大連海事大學學報（自然科學版），2014，（3）:1-7.

［4］劉帥.基于復雜網絡的中三角區域至上海集裝箱運輸路徑優化研究［D］.武漢:武漢理工大學，2013.

［5］張哲輝.基于兩階段法的長江集裝箱船舶運輸系統優化［J］.水運管理，2010，32（7）:34-38.

［6］劉德鵬，曹靜.長江流域集裝箱運輸系統仿真研究［J］.湖北工業大學報，2010，25（2）:11-15.

［7］鄧延潔，劉亞麗.長江上游集裝箱運輸組織優化研究［J］.大連海事大學學報（自然科學版），2015，（2）:67-70.

［8］中國港口雜志社.中國港口年鑒2015年版［M］.上海:中國港口雜志社，2015.

［9］中國港口雜志社.中國港口年鑒2014年版［M］.上海:中國港口雜志社，2014.

Study on Simulation Model of Container Transportation System of Yangtze River

Ding Dong，Zhou Qiang，Liu Qiaobin
（School of Logistics Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

In this paper，on the basis of a review of the relevant literatures on the container transportation system of the Yangtze River，we summarized the major problems in its development，analyzed in a top-down manner the hierarchical and logical relationship in the system，established the conceptual model for the transportation nodes and channels，and used the program WITNESS to build the Yangtze River container transportation system simulation model which was then used to study the variation in the upstream container volume on the facilities and equipment of the downstream Nanjing Port.

Yangtze River basin；container transportation system；simulation model；WITNESS

U695.22

A

1005-152X（2016）06-0068-07

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.06.016

2016-05-05

丁棟（1992-），男，湖北武漢人，武漢理工大學在讀碩士研究生，研究方向：港口物流系統建模與分析；周強（1963-），男，湖北武漢人，教授，博導。