港口群泊位資源共享的干支航線網絡仿真

李志平， 真 虹， 陳繼紅， 趙 楠

(1. 上海海事大學 交通運輸學院， 上海 201306； 2. 上海國際航運研究中心， 上海 200082)

全球海運業規模化的發展既增加港口方自身的發展壓力，同時又加劇港口間的競爭矛盾，為此，港口方也在不斷進行資源整合以提升其競爭力。這種趨勢使得全球主干航線更加集中于某些核心樞紐港，增大港口的資源和環境壓力。

航線網絡形成的決定主體并不統一，國際干散貨運輸航線的決定主體往往是貨主，而國際班輪運輸航線則是由班輪公司發布的。BROUER等[1]認為傳統運籌學方法在班輪運輸網絡設計問題中應用的主要阻礙是海運運輸的數據結構問題。PLUM等[2]以標準數組為基礎，建立基于船舶運輸企業服務流的混合整數規劃模型。ZHEN等[3]對當前班輪運輸路線的設計方法進行比較后，提出包含未來運輸需求分布信息的非近視策略啟發式運輸線路設計策略。WANKE等[4]在研究關于巴西港口的貨物分配問題時提出影響港口貨物分配的因素主要有港口與腹地距離、港口貨物處理成本、港口設施等9個方面。NG[5]在研究集裝箱船隊的配置問題時提出應考慮船舶運輸需求的不確定性。GUERICKE等[6]為研究班輪運輸網絡中貨物分配問題建立一個混合整數規劃模型。GUO等[7]分析港口資源的整合、港口持續投資和處理能力的提升對資源整合的影響等問題。ALHARBI等[8]認為港口泊位資源有限性是班輪運輸公司設計運輸網絡日程首先考慮的因素。KARSTEN等[9]重點研究船舶和貨物中轉時間限制對運輸網絡設計的影響。

通過對以上研究進行梳理得出：貨物運輸需求是船舶運輸方航線網絡設計應首先考慮的因素，其次是港口條件等因素。班輪運輸業獨有的壟斷性使得航線網絡設計存在效益損失。通過引入資源共享理論并以港口群為研究對象，探討港口群內核心樞紐港的主干航線及相應支線航線的確立方式，充分發揮港口方的信息節點功能，改善港口群內泊位資源利用的不均衡問題。

1 港口群干支航線網絡仿真模型構建

1.1 模型假設及符號說明

對港口群內貨物信息和港口泊位資源信息進行整合，海運物流的需求方可根據系統提供的物流方案主動選擇為其提供服務的港口和船公司，以形成由物流服務需求驅動的市場分配機制。

1.1.1模型假設

構建港口群干支航線網絡系統模型的過程時需要以下假設：

1) 港口群內至少有2個港口，港口直接腹地貨物到該港口的陸上成本最低，到其他港口的水上運輸成本低于陸上運輸成本，該港口與其他港口交叉腹地的貨物運往這些港口的運輸成本無差異。

2) 腹地貨物產生周期表示腹地貨物運輸到港口的時間。

3)文中所指主干航線是指運往港口群以外港口的航線，支線航線則是指在港口群內分配的主干航線貨物的運輸支線。

1.1.2符號說明

港口群內任意兩港的運輸時間矩陣為

(1)

(2)

(3)

(4)

DGT+T0(:,j)=DGT+T0(:,j)+DGT(:,j)

(5)

IDGT+T0,1(:,j)=IDGT+T0,1(:,j)+IDGT,1(:,j)

(6)

IDGT+T0,2(:,j)=IDGT+T0,2(:,j)+IDGT,2(:,j)

(7)

式(5)～式(7)為若某周期內主干航線未能開通，則本周期貨物轉至下周期處理。

(8)

(9)

1.2 港口群干支航線網絡系統的具體算法設計

1) 上述M，L，動態仿真觀察周期TV，腹地貨物產生周期T0，α,β,H,λ,ω,Pi,pi,DGT,IDGT,1,IDGT,2,Ts等賦值，并給定初始值T=0，j=0。

3) 計算港口i干(支)線泊位對第T周期內腹地產生的干(支)航線的貨物處理時間。如果AT(i,j)=1，則

(10)

如果AT(i-1,j)=AT(i+1,j)=0，則

(11)

如果AT(i-1,j)=1,AT(i+1,j)=0，則

(12)

如果AT(i-1,j)=0,AT(i+1,j)=1，則

(13)

如果AT(i-1,j)=0,AT(i+1,j)=1，則

(14)

4) 計算港口i干、支線泊位貨物的總處理時間

(15)

8) 如果T≤TV，返回步驟2)，否則仿真試驗結束。

2 港口群泊位共享的干支航線網絡系統仿真

2.1 數據和方法說明

選取連云港、鹽城港、南通港、上海港、寧波舟山港、臺州港、溫州港共7個港口為仿真對象；統計數據顯示以上港口開通的主干航線包括東盟、東亞、非洲、澳大利亞、南美、北美和歐洲等；Alphaliner的數據顯示裝載量在4 000 TEU以下的船舶主要集中于東亞近洋航線。當某港口的直接腹地單周期內產生某主干航線的貨物達到3 200 TEU即開通該航線。長三角地區主要海港集裝箱泊位岸線長度見表1，其中支線泊位(萬噸級以下泊位)長度為預測值。

表1 長三角地區主要集裝箱海港干、支泊位長度 m

利用MATLAB進行系統仿真分析，根據以上算法設計考慮腹地貨物產生數量、裝卸時間和泊位資源等約束條件的干支航線網絡確立系統，對比分析3個因素不同狀態下對港口群內航線確立的影響，同時分析每種狀態的運輸效率變化。

2.2 仿真結果分析

2.2.1不同中轉時間約束下港口群干支航線網絡仿真

首先，假設港口群內的各港口的干、支泊位的單位處理能力相同，以上海港碼頭泊位的單位處理能力為例，上海港各主要集裝箱碼頭的單位泊位處理能力數據見表2。假設港口群內各港口的支線泊位的處理能力為3 TEU/(m·d)，干線泊位的處理能力為5 TEU/(m·d)，仿真過程中假設腹地貨物產生周期和觀察周期均為5 d。在其他因素不變，港口群內各港口間干支泊位中轉時間差閾值λ,ω變化時的干支航線網絡仿真結果見圖1a)和圖1b)。

表2 上海港主要集裝箱碼頭的單位處理能力

注：圖中粗線箭頭表示主干航線，細線箭頭表示支線航線，雙線箭頭表示港口的某些主干航線貨物可以替代的支線航線，其中可替代航線的產生是因存在兩條或多條支線航線的中轉時間差均滿足支線確立的條件

圖1 考慮港口群內港口中轉時間差因素的干支航線分配

對比圖1a)和圖1b)的仿真結果可知：當中轉時間差閾值條件由1 d變為2 d時，某些支線港口可供選擇的樞紐港范圍增加，如圖中連云港的支線航線增加，這也說明中轉時間要求的存在確實會增大某些樞紐港中轉壓力，見表3。

干線泊位處理能力的改善明顯強于支線泊位的情形引起干、支泊位資源不平衡現象將會改變港口群內樞紐港格局。假設港口群內各港口的干線泊位處理能力由5 TEU/(m·d)變為10 TEU/(m·d)，支線泊位處理能力保持不變，中轉時間差閾值條件仍然為2 d，仿真結果見圖1c)。

圖1c)的仿真結果表明：當港口群內干線泊位的處理能力增強時，某些干線港口的樞紐地位進一步得到鞏固，如圖中上海港，但該類型港口的承載壓力也將會加重，見表4。

2.2.2不同腹地貨源約束下港口群干支航線網絡仿真

假設在其他條件與圖1c)相同的情況下，本部分仿真通過適當降低港口群內上海和寧波舟山等核心樞紐港直接腹地的貨物數量，同時將減少的貨物增加到港口群內各港口的交叉腹地貨物中，以說明腹地貨源對港口群干支航線網絡分配的影響。

表5對比腹地貨源調整前后各主干航線貨物選擇轉運港的總中轉時間差。由表5可知，受到腹地貨源條件改善的影響，港口群內開通主干航線的港口數量有所增加，如溫州港，因該港開發利用的干、支泊位資源數量相對較少，各主干航線貨物選擇轉運港的總中轉時間差增長明顯。事實上，與上海港、寧波舟山港相比，港口群內其他港口可利用泊位資源相對充足。

表3 不同中轉時間差閾值條件下的支線航線分配的中轉時間差 d

2.2.3不同泊位資源約束下港口群干支航線網絡仿真

在本部分的仿真中，其他所有條件均與第2.2.2節相同。首先，僅增大非核心樞紐港的已開發泊位資源數量，觀察干、支航線網絡及總中轉時間差的變化。將港口群內非核心樞紐港的已利用的干、支泊位資源數量均增加50%，核心樞紐港的干、支泊位資源數量保持不變，由仿真結果可看出：當港口群內非樞紐港的干、支泊位資源數量增加50%時，干支航線網絡的分配結果基本不變，僅增加可替代支線航線的數量，但是主干航線貨物選擇轉運港的總中轉時間差有明顯改善，具體見表6第2、第3列。其次，固定其他條件與第2.2.2節仿真過程相同，分別將港口群內非核心樞紐港的已開發干、支泊位資源數量增加50%、100%和分別將港口群內非核心樞紐港的已開發干、支泊位資源數量增加100%、50%，對上述情況進行對比仿真分析，具體仿真結果見表6第4～7列。

表4 選擇不同樞紐港的中轉時間差對比 d

表5 腹地貨源調整前后主干航線貨物選擇轉運港的總中轉時間差對比 d

表6 不同泊位資源情況下主干航線貨物選擇轉運港的總中轉時間差對比 d

3 結束語

1) 適當放大選擇港口的中轉時間差閾值條件后，由于港口選擇范圍的擴大使得港口群內某些核心樞紐港的泊位資源壓力得到緩解，非核心樞紐港的泊位資源得到進一步利用。

2) 針對某些核心樞紐港不斷改善其干線泊位資源條件的現象進行仿真，雖然港口的樞紐地位得到進一步鞏固，但是由于其支線泊位條件的有限，港口群整體的轉運效率反而下降。

3) 腹地貨源對港口群干支航線網絡的形成起主導作用，雖然非核心樞紐港腹地貨源改善有助于提升這些港口的轉運功能，但是由于其已開發干支泊位資源的不足，港口群整體的轉運效率明顯下降。

4) 港口群內非核心樞紐港泊位資源的改善，尤其是支線泊位資源的改善對港口群整體轉運效率的提升貢獻明顯。

本文僅考慮泊位資源、腹地貨源和中轉時間等因素對干支航線網絡形成的影響，未來研究中可引入運輸成本和收益等經濟因素以進一步分析，包括對可替代支線航線的分析。