基于軸輻式網(wǎng)絡(luò)的長江集裝箱航運(yùn)樞紐港選擇

于風(fēng)義

摘要：為解決目前長江集裝箱運(yùn)輸組織模式不符合“大船配大線，小船配小線”的問題，通過調(diào)查長江集裝箱運(yùn)輸現(xiàn)狀，綜合考慮航線、船型、運(yùn)量和服務(wù)頻率等因素，提出集裝箱運(yùn)輸軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型。模型以總成本最小為目標(biāo)，最終選取武漢港為樞紐港，即以武漢港—上海洋山港為軸，其他各港口到武漢港為輻。研究結(jié)果表明，較傳統(tǒng)運(yùn)輸組織方式而言，新的軸輻式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸組織方式廣義總成本（包括運(yùn)輸成本和時(shí)間成本）節(jié)約15%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：

水路運(yùn)輸； 軸輻式網(wǎng)絡(luò)； 樞紐港； 集裝箱航線

中圖分類號： U695.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Hub port choice of Yangtze River container shipping based on hubandspoke network

YU Fengyi

（School of Ocean， Yantai University， Yantai 264000， Shandong， China）

Abstract：

To solve the problem that the current container shipping organization mode of Yangtze River does not comply with the principle that "large ships with long lines， small ships with short lines"， the container shipping situation of Yangtze River is surveyed， the shipping lines， ship types， freight volume and service frequencies are considered， and then the hubandspoke network model of container transport is proposed. The object of the model is to minimize the total cost. As a result， Wuhan Port is chosen as the hub port， which means that the axis is the line between Wuhan Port and Shanghai Yangshan Port， and the spokes are the lines between Wuhan Port and other ports. Compared with traditional mode of shipping organization， the new mode of hubandspoke network can reduce the total cost （including transportation cost and time cost） by about 15%， and is of excellent economic benefits.

Key words：

waterway transportation； hubandspoke network； hub port； container line

0引言

長江集裝箱運(yùn)輸結(jié)合了水路運(yùn)輸運(yùn)量大、成本低和運(yùn)輸高效便捷的特性，具有顯著的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。長江集裝箱船從中上游的重慶港、瀘州港、岳陽港、武漢港和蕪湖港等出發(fā)，前往上海洋山港（多以出口為目的），此類航線多以直達(dá)運(yùn)輸為主。受三峽船閘通行能力和中游航道“瓶頸”的限制，從上游出發(fā)的集裝箱船載重量普遍偏小，其中大部分都達(dá)不到經(jīng)濟(jì)船型的要求，不符合集裝箱航線組織中“大船配大線，小船配小線”的基本規(guī)律[1]；并且，由于長江中上游始發(fā)港口分散，各航線貨源很難集中，集裝箱船大型化很難得到貨量支撐，航運(yùn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)未能充分發(fā)揮。通過軸輻式網(wǎng)絡(luò)，可以有效解決以上問題。軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型是一種進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)輸組織優(yōu)化的有效方式。軸輻式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于樞紐港之間可以產(chǎn)生折扣成本，從而產(chǎn)生規(guī)模運(yùn)輸效益。

軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化效果建立在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，而集裝箱運(yùn)輸組織大型化同樣是規(guī)模經(jīng)濟(jì)理論的應(yīng)用，二者具有極大的相似度。WANG等[2]使用成本最低函數(shù)關(guān)系來確定船舶的選取和指派，函數(shù)關(guān)系中考慮了轉(zhuǎn)運(yùn)中的各種約束條件對軸輻式運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的影響。MA等[3]將港口群中每個(gè)港口的轉(zhuǎn)運(yùn)成本都通過軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行成本核算，挑選成本最低的港口作為主樞紐港。LEE等[4]采用基于貨流的目標(biāo)成本函數(shù)計(jì)算軸輻式網(wǎng)絡(luò)成本，并依據(jù)各鏈輪上貨流量的變化調(diào)整航運(yùn)距離和時(shí)間。趙宇哲等[5]著重研究了國際海運(yùn)集裝箱港口的布局問題，在使用軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，使用線性優(yōu)化與非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的求解方法，確定最優(yōu)樞紐港的選址。徐國平等[6]通過對比軸輻式網(wǎng)絡(luò)和直達(dá)航線兩種運(yùn)輸方式的成本，確定了軸輻式網(wǎng)絡(luò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的臨界值，并據(jù)此提出適合軸輻式運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件。綜合來看，已有的研究很少關(guān)注內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸，而且也沒有對軸輻式運(yùn)輸?shù)膬?yōu)化方案進(jìn)行具體的成本測算。

本文將軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于長江集裝箱運(yùn)輸，以區(qū)域內(nèi)總成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，選取最優(yōu)化的樞紐港，以降低此區(qū)域內(nèi)的總成本和總能耗，提高長江集裝箱運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

1.1軸輻式網(wǎng)絡(luò)概述

軸輻式運(yùn)輸理論中的“軸輻”是一個(gè)節(jié)點(diǎn)路徑系統(tǒng)。貨物從不同的出發(fā)地到達(dá)不同的目的地，或者從相同的出發(fā)地到達(dá)不同的目的地；貨物在“軸輻”系統(tǒng)中都必須先到一個(gè)中間地點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)載，然后享受優(yōu)惠的直達(dá)式運(yùn)輸服務(wù)，目的是為了集中交通流量，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益?！拜S輻”系統(tǒng)原理見圖1。endprint

理論和實(shí)踐表明，軸輻式運(yùn)輸組織方式的最大特征是貨物運(yùn)輸在干線上高度集聚，從而使貨物單位運(yùn)輸成本降低。即使運(yùn)輸鏈路稍長，軸輻式運(yùn)輸組織方式也有利于整個(gè)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)成本的降低[7]。

1.2模型假設(shè)條件

（1）以現(xiàn)有的既定發(fā)船班次作為各集裝箱港口的服務(wù)頻率；（2）各集裝箱港口的服務(wù)頻率是港口運(yùn)量和船舶載箱量的函數(shù)；（3）貨物的到達(dá)規(guī)律符合泊松過程；（4）當(dāng)貨物離開樞紐點(diǎn)，前往終點(diǎn)時(shí)，無多余貨物滯留在此節(jié)點(diǎn)上，即航線上船舶的總運(yùn)輸能力足夠大，是一個(gè)無限制容量系統(tǒng)；（5）系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備集散運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>

1.3軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)成

變量說明：

R為所有航線的集合，r∈R；Sr為航線r的所有路徑的集合，j∈Sr；P為按運(yùn)力大小分類的船型的集合；Cpt為使用p型船的單位運(yùn)輸成本，萬元/（km·TEU）；dpr為p型船在航線r上的總路程，km；Cd為貨物在港口中轉(zhuǎn)的單位時(shí)間成本，萬元/（TEU·h）；τ為樞紐港完成中轉(zhuǎn)作業(yè)的平均時(shí)間，h；nr為航線r上包含的樞紐港個(gè)數(shù)；Ch為單位貨物在中轉(zhuǎn)港口的換裝成本，萬元/TEU；H為一個(gè)航次時(shí)間內(nèi)等待服務(wù)的次數(shù)；qpj為p型船在路徑j(luò)上的服務(wù)頻率，與船型和船舶負(fù)載率有關(guān)；βpj為p型船在路徑j(luò)上的負(fù)載率，一般取值在55%～95%范圍內(nèi)；vp為p型船的航速，km/h；wij為從港口i到港口j的集裝箱貨物運(yùn)量，萬TEU；M為貨物的集合，根據(jù)起訖點(diǎn)和運(yùn)量定義；Rm為運(yùn)輸貨物m的航線集合；J為所有路徑的集合；Fpj為p型船在路徑j(luò)上的可行服務(wù)頻率集合；∝pjf為p型船在路徑j(luò)上以頻率f服務(wù)時(shí)的運(yùn)輸能力。

航線r上貨物m的運(yùn)輸成本可表達(dá)為

Cmr=wijp∈PCptdpr+Cdτnr+Chnr+

CdHp∈Pj∈Sr12qpj+Cdp∈Pdprvp

（1）

式（1）所表達(dá)的航線成本包含5種：航線上的運(yùn)營成本、在港口中轉(zhuǎn)的時(shí)間成本、貨物的合并成本、中轉(zhuǎn)貨物等待再次分配的成本和取決于運(yùn)輸距離的運(yùn)輸成本。

根據(jù)軸輻式網(wǎng)絡(luò)的基本理論，要使整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)總成本最小化[8]，關(guān)鍵在于樞紐港和服務(wù)水平。根據(jù)長江集裝箱運(yùn)輸實(shí)踐，這個(gè)最小化就是集裝箱運(yùn)輸成本最小和運(yùn)輸時(shí)間最短，它們與樞紐港選擇和集裝箱班輪服務(wù)頻率（即港口集裝箱班輪發(fā)船密度或發(fā)船間隔）直接相關(guān)。為此，首先定義xmr和ypfj兩個(gè)決策變量：當(dāng)航線r被用于運(yùn)送貨物m時(shí)xmr=1，否則xmr=0；當(dāng)p型船以頻率f服務(wù)于航段j時(shí)ypfj=1，否則ypfj=0。xmr表示是否經(jīng)過樞紐港，ypfj表示航段服務(wù)水平（頻率）。

集裝箱軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型可以表達(dá)為

minm∈Mr∈RCmrxmr+j∈Jp∈Pf∈FpjCpfjypfj

（2）

s.t.

r∈Rxmr=1，m∈M

（3）

j∈Srwij·r∈Rxmr≤p∈Pf∈Fpj∝pjfypfj，j∈J

（4）

p∈Pf∈Fpjypfj≤1，j∈J

（5）

xmr∈{0，1}，r∈R，m∈M

（6）

ymr∈{0，1}，f∈Fpj，j∈J

（7）

式（2）是以總成本最小為目標(biāo)的軸輻式網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)函數(shù)；式（3）表示一批貨物只選擇一條航線；式（4）表示航線上的運(yùn)力充足；式（5）保證一條路徑上只有一個(gè)服務(wù)頻率；式（6）和（7）都表示約束變量為非負(fù)整數(shù)。

2基于軸輻式網(wǎng)絡(luò)的樞紐港選擇方案

2.1參數(shù)標(biāo)定

模型中涉及的船型有內(nèi)河集裝箱船型和江海直達(dá)集裝箱船型，船型參數(shù)見表1和2。

船舶運(yùn)營參數(shù)如下：

（1）營運(yùn)率：內(nèi)河集裝箱船年?duì)I運(yùn)天數(shù)取310 d，即營運(yùn)率為85%；考慮到風(fēng)浪影響，江海直達(dá)集裝箱船營運(yùn)天數(shù)取292 d，即營運(yùn)率為80%。

（2）航次時(shí)間：①航次航行時(shí)間。航次航行時(shí)間與航線距離、船舶航行速度有關(guān)，其中船舶航行速度又與船舶功率大小、動(dòng)力性能、水流速度等有關(guān)。本文集裝箱船靜水航速取22.5 km/h，根據(jù)不同季節(jié)上、下水水流速度等計(jì)算出船舶航次航行時(shí)間。②港口裝卸時(shí)間。港口集裝箱船的裝卸時(shí)間與港口碼頭泊位專業(yè)化水平有關(guān)。根據(jù)長江中上游集裝箱運(yùn)輸港口的特點(diǎn)，取各港口裝卸效率為40 TEU/h，取各中轉(zhuǎn)港口的換裝效率為15 TEU/h。③其他在港等待時(shí)間。船舶其他在港等待時(shí)間與港口服務(wù)水平、航線發(fā)船密度和港口貨物集結(jié)程度有關(guān)，一般單程取1～2 d。

2.2模型求解設(shè)計(jì)

2.2.1潛在樞紐港的選擇

首先可以根據(jù)實(shí)際情況，通過定性分析選擇幾個(gè)潛在的樞紐點(diǎn)作為可行解；再通過禁忌搜索算法求最優(yōu)解。長江中上游集裝箱運(yùn)輸軸輻式網(wǎng)絡(luò)中的樞紐點(diǎn)不能僅考慮港口的吞吐量特征，還要考慮其形狀特征，因此選取武漢港、岳陽港和蕪湖港作為潛在樞紐港。

2.2.2節(jié)點(diǎn)分配

在確定幾個(gè)潛在的樞紐點(diǎn)后，可以設(shè)計(jì)出幾種不同的中轉(zhuǎn)運(yùn)輸路線。在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分配之前，要先選擇各運(yùn)輸線路上使用的船型，由于船型多，組合方式多（4種內(nèi)河集裝箱船，9種江海直達(dá)集裝箱船，3個(gè)潛在樞紐點(diǎn)，共4×9×3=108種組合方式），對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配時(shí)應(yīng)考慮船型的適用性與可行性。可以設(shè)計(jì)出62種運(yùn)輸組織方案，在此不做贅述。

2.3樞紐港選擇結(jié)果

以3個(gè)潛在樞紐港確定的最優(yōu)軸輻式運(yùn)輸組織方案見表3，運(yùn)輸組織方案示意圖見圖2。

由圖2可知，除了以岳陽港—上海洋山港為軸的軸輻式運(yùn)輸組織方案外，其他兩種軸輻式運(yùn)輸組織方案的廣義總成本皆低于傳統(tǒng)方案的。從3種軸輻式運(yùn)輸組織方案可以看到，選取以武漢港為樞紐港，以武漢港—上海洋山港為軸的長江中上游集裝箱軸輻式運(yùn)輸組織方案比傳統(tǒng)方案減少約20億元的成本。endprint