開放沿海運輸權下選擇港口優先級的研究*

□ 陳鎧敏，王 晶，張曉芹

(廣東東軟學院 信息管理與工程學院，廣東 佛山 528225)

中國是全球最大的集裝箱貨物貿易國家，大型班輪公司已在中國植根多年，外資班輪公司經常在不同場合呼吁中國開放外資班輪沿海捎帶業務。所謂沿海捎帶業務，通常是指允許外籍船舶在中國沿海港口之間從事外貿集裝箱的國內段運輸，性質屬于國內沿海運輸。2002年開始實施的《中華人民共和國國際海運條例》第57條明確規定，在兩個中國港口間的集裝箱運輸屬于沿海運輸權范疇，未經批準，境外航運企業不得經營中國港口間的海上貨物運輸[1]。

班輪運輸是國際貨物運輸的主要方式，在各個國家尚未開放沿海運輸權的情況下(圖1),A、K、C三個國家之間有貨物運輸需求，若A國籍船舶從A國出發駛向K國的K1港口，在K1港口裝卸K1、K2港口的貨物，運往K2港口的集裝箱可經內貿船由K1運往K2，A國籍船舶則需直接駛往C國家，不得在K國的其它港口中轉。同樣，A國籍船舶在C國的C1港口裝卸完成后不可在C國的其它港口中轉，直接駛往別的國家或者返回A國。整個航線網絡循環需要外籍船舶和內貿船舶的配合，才能實現貨物到達最終目的地。這樣增加的轉運的復雜程度，更降低了船舶的滿載率和運輸效率。

在K國和C國對外開放沿海運輸權的情況下(圖2)，A、K、C三個國家之間有貨物運輸需求，若A國籍船舶從A國出發駛向K國的K1港口，在K1港口裝卸貨物后仍可繼續前行駛向K2港口。同理，A國籍船舶從K2港口裝卸完成后可繼續依次駛往C國的C1和C2港口，完成集裝箱的裝卸后再駛回A國，完成一個周期的班輪運輸。

圖1 傳統航線網絡示意圖

圖2 開放沿海運輸權后的航線網絡示意圖

目前，已有一些沿海運輸權政策對航運業和經濟的影響研究的文獻。Cavana[2](2004)將國內航空運輸的定性分析方法應用到新西蘭實行沿海運輸權制度，從利益相關者的角度分析開放沿海運輸制度帶來的負面影響。丁一等[3-5](2015)設定開放沿海運輸權下建立軸輻式海運網絡優化模型、集裝箱路徑模型以及集裝箱倉位分配與動態定價模型。馬得懿[6](2014)解讀世界各國開放沿海運輸權的法律政策。香港港口發展策略2030研究[7]中指出，香港港口開放沿海運輸權后，吞吐量逐年上漲，并將繼續增加。香港港口在國際中轉箱的運輸中，中轉大陸的貨運量占60%左右。在激烈競爭的班輪運輸市場，需要構建有效且合理的班輪航線網絡對馬士基船公司的現有資源進行合理分配，從而將馬士基公司的運營成本降低來擴大其在航運市場的競爭優勢。本文從馬士基船公司的角度考慮中國開放沿海運輸權的情況下，運用軸輻式航線網絡模型解決選擇港口優先級的問題。

軸輻式網絡在船舶大型化不斷發展的趨勢下逐漸成為集裝箱班輪航線網絡的主要模式。國外對軸輻式網絡的研究起步較早，多集中在航空、通信和郵政運輸領域，對海運領域研究在近年逐漸增多。Faferholt[8](1991)從船公司角度研究由一個樞紐港及多個支線港組成的支線網絡航線設計問題。Meng Qiang等[9](2011)提出了班輪運輸服務網絡設計問題。Gelareh S等[10](2010)針對在激烈競爭環境下的班輪運輸網絡設計問題提出了一個新穎的混合整數線性規劃數學模型，該模型擴展和推廣了現有文獻中軸輻式型網絡設計的不同方面。Inmaculada Rodrí等[11](2008)解決了確定路線下一組貨物以最低成本在給定弧和樞紐港的容量和成本的網絡中從起始地到目的地的運輸問題。Takano Kelly等[12](2009)研究不同船型下的軸輻式網絡模型。王建偉等[13](2015)研究中小物流企業聯盟運輸網絡下混合軸輻式網絡運輸優化。楊斌等[14]考慮綠色物流概念的軸輻式運輸網絡的優化。

1 問題描述

將研究對象設定為馬士基船公司在某一決策時點的狀態，根據馬士基船公司某一時間段內的港口現狀、業務經營范圍以及對我國集裝箱的貨運需求和中國沿海運輸現狀，研究在中國允許沿海運輸權政策的情況下，確定中國開放沿海運輸權的港口的優先級。在中國沿海港口內選擇一定數量的港口作為樞紐港，樞紐港即為允許開放沿海運輸權的港口，樞紐港口之間構成干線運輸，余下的港口作為支線港口，支線港和樞紐港之間構成支線運輸，并在樞紐港的配置中通過算例分析確定優先開放沿海運輸權的港口[15]。

圖3 軸輻式航線網絡

本文以馬士基船公司的角度研究開放沿海運輸權的港口選擇問題，軸輻式班輪航線網絡類型為支線港口間不允許通航、樞紐港間采用環繞式航線的，且支線港單分配、樞紐港無容量限制的軸輻式班輪航線網絡[15]。如圖3，直接處理貨物收發需求的輻節點構成輻集合，記為S。樞紐集合記為軸集合，記為H[16]。圖3中，S1,S2,S3,……，S10為輻節點，H1,H2,H3,H4為軸節點。在本文研究的以馬士基船公司的角度開放中國港口沿海運輸權問題中，H1表示馬士基在中國領土以外的某貨物收發需求的集散點，H2,H3,H4為在中國沿海港口中或將開放沿海運輸權的港口。貨物的流動情況分為3種情況：貨物由相同的出發地運抵不同的目的地，如{S1}→{S6,S7,S8,S9}；貨物由不同的出發地運抵相同的目的地，如{S4,S5,S6,S7,S8}→{S1}；貨物由不同的出發地運抵不同的目的地，如{S3,S4,S5,S6}→{S1}，{S7,S8,S9,S10}→{S2}[16]。貨物在節點間的流動形成運輸網絡，運輸網絡可以分為干線和支線運輸兩種：樞紐港之間的貨物流動稱為干線運輸；從輻到軸的貨物流動和從軸到輻的貨物流動稱為支線運輸。圖3所示的物流網絡稱為單一配置樞紐模型，其主要特征是每個節點只能與一個樞紐連接。

2 模型假設和參數說明

2.1 模型假設

本文以軸輻式網絡類型為切入點，研究選擇開放中國沿海運輸權港口優先級的問題，為了提高所建模型的合理性與可行性,通過軸輻式網絡類型的界定，需要對模型進行較為理想化的設想。假設：本文只考慮單分配問題，支線港與樞紐港之間采用單分配的模式，即支線港能且只能與一個樞紐港相連接；樞紐港之間采用環繞式航線，支線港之間不允許通航；各樞紐港口無容量限制；港口之間的集裝箱運輸量己知；考慮干線運輸所帶來的規模經濟效應，且單位運輸成本折扣率a己知。

2.2 符號說明

軸輻式網絡是一種以樞紐為軸，以其它節點為輻形成的空間網絡系統[16]。在軸輻式航線網絡的連通圖中，A=(N,E)，N為備選的港口集合，|N|=n，港口編號s,i，E={(s,i|s∈N,i∈N)}為港口s至i的有向??；H為樞紐港集合,|H|=p，樞紐港口的位置與數量為p，中國開放沿海運輸權港口的集合為p’，余下的(n-p)港口自然成為支線港，從而決定樞紐港與支線港的連接方式以及中國部分開放沿海運輸權的港口與世界其他國家的運輸路線。

N：港口集合，i,j,n,s,k,m為航線網絡中的港口節點；

P：表示運輸網絡中樞紐港數量，p∈N；

p’：表示運輸網絡中中國沿海港口開放沿海運輸權的樞紐港口數量，p’k∈N；

α：表示樞紐間單位轉運成本折扣系數，0<α<1；

ωij：表示港口i和港口j之間的集裝箱箱量，一般的ωij≠ωji；

Cij：港口i到港口j的單位集裝箱運輸成本；

Csp：支線運輸總成本；

Chub：干線運輸總成本；

THC：集裝箱碼頭裝卸費用；

決策變量：

yij：若i港配置到樞紐港j則取1，反之，則為0；

ykk：若將k港定義為樞紐港則取1，反之，則為0。

2.3 目標函數和約束條件

從馬士基船公司的角度衡量中國開放沿海運輸權的港口的選擇，如前所述軸輻式運輸網絡根據貨物流動情況分為三種情形，涉及到支線運輸總成本、干線運輸總成本和裝卸搬運費用。現以集裝箱運輸總成本最小為目標函數建立如下開放航權選擇港口優先級的數學模型：

目標函數：

(1)

約束條件：

(2)

(3)

(4)

yskmi,ysk,ymi,ykk,ymm∈{0,1},?s,k,m,i∈N

(5)

以上建立的開放航權選擇港口優先級的數學模型，目標函數(1)使班輪公司某航線總運輸成本C最小，包括支線運輸成本Csp、干線運輸成本Chub以及集裝箱碼頭裝卸費用THC。

約束(2)衡量了該航線網絡中的集裝箱碼頭中轉運輸費用。中轉運輸費用的計算與起運港和目的港的性質有關。若起運港為支線港，經樞紐港中轉，到達目的港，發生一次中轉運輸費用；若起運港為支線港，經干線運輸，到達目的港為支線港，發生兩次中轉運輸費用。

約束(3)限定一個支線港僅能與一個樞紐港相連接，體現無容量限制的單分配軸輻式集裝箱海運網絡問題；

約束(4)航線網絡中共建立p’個樞紐港數量的約束；

約束(5)為整數變量的取值約束。

3 算例分析

3.1 數據收集

以馬士基船公司計劃途經中國沿海航線為例，該航線可能途徑的港口包括A區域的長灘(A1)和洛杉磯(A2)，B區域的大連(B1)、 煙臺(B2)、青島(B3)、連云港(B4)、上海(B5)、寧波(B6)、福州(B7)、廈門(B8)、深圳(B9)、廣州(B10)。表1為港口OD間集裝箱流量，即船舶從出發地到目的地的單位運輸數量，數據采用的是以周為周期的集裝箱流量，港口間的OD集裝箱流量等主要參數采用數據集LINER-LIB-2012[17]。通過BLM SHIPPING軟件獲取港口之間的航行距離即從出發地到目的地的航行距離，具體數據如表2所示。

表1 港口OD間集裝箱流量 單位/TEUs

表2 各港口間的里程 單位/海里

軸輻式網絡的OD流量w表示馬士基船公司往返亞洲-北美洲途徑各節點兩兩之間的流量?？紤]到海運網絡運輸成本的影響因素包括每日固定成本、每海里消耗的燃料成本、每日航行距離成本等，Takano Kelly[12]結合軸輻式網絡模型對不同船型和不同集裝箱大小分別進行航運成本的計算。

3.2 數值計算

根據開放航權下選擇港口優先級的0-1整數規劃模型，運用Matlab進行求解，計算樞紐港p’=0,1,2,3,…,9的情況下以及折扣系數a=0.5,0.7,0.9情況下，假定各個港口的單位集裝箱裝卸搬運費用相同，計算航行一次的集裝箱運輸總成本。得出表3、表4和表5的樞紐港數目不同時的最小成本。

如前文所述，p表示運輸網絡中樞紐港數量p’，為選擇開放沿海運輸權港口的集合。表3、表4和表5分別為折扣系數a=0.5,0.7,0.9的情況下，選擇開放沿海運輸下不同數量樞紐港的選擇對應的最小化總成本以及進出口貿易產生的支線港和樞紐港之間的最小成本。其中，開放航權選擇港口優先級的數學模型中，最小運輸成本是由表中的內運進口、樞紐運輸進口、內運出口、樞紐運輸出口和進出口?？慨a生的裝卸搬運費用組成的。表格中ports對應的10列為對應的樞紐港數量下運輸路徑所?？扛劭诘南群箜樞颍瑪底?-12代表算例所選港口，分別為長灘(1)、洛杉磯(2)、大連(3)、 煙臺(4)、青島(5)、連云港(6)、上海(7)、寧波(8)、福州(9)、廈門(10)、深圳(11)、廣州(12)。

表3 開放沿海運輸權下α=0.5時樞紐港位置的選擇及樞紐港數目不同時的最小化成本

表4 開放沿海運輸權下α=0.7時樞紐港位置的選擇及樞紐港數目不同時的最小化成本

表5 開放沿海運輸權下α=0.9時樞紐港位置的選擇及樞紐港數目不同時的最小化成本

3.3 結果分析

通過計算結果表3、表4、表5可以看出，樞紐之間的轉運成本折扣系數a為0.5、0.7和0.9時。當樞紐港個數p為1的時候，開放沿海運輸權的港口數p’為0；當樞紐港p為2的時候，開放沿海運輸權的港口數p’為1。胡志華等[18](2015)認為單位流量的收集成本為1，樞紐之間的轉運成本折扣系數取0.7。我們選擇a為0.7時的樞紐港選擇情況，當p’=2,3,4,5,6,7,8,9時，對應的C均大于p’為1時的C。由此可知，當p’為1時航行一次的集裝箱運輸總成本最小，也即選擇1個港口開放沿海運輸權，選擇上海港時班輪運輸航線總成本最小。

圖4 不同樞紐港選擇的成本對比

擬開放沿海運輸權下，選擇p’為0,1,…,9時，α=0.5……1.0時對應班輪運輸航線總成本。從馬士基船公司市場需求的角度考慮，結合軸輻式網絡的計算方法，由計算結果可知，若我國在未來開放沿海運輸權，應選擇樞紐港個數為1即開放一個中國沿海港口允許外輪船舶經營沿海運輸權，應優先選擇上海港。上海港開放沿海運輸權后，外籍船舶可以在上海港?？亢罄^續駛往下一個港口，上海港自身有著較大的集裝箱貨運量，可以吸引原有從釜山港和香港港轉運的貨運量，實現運輸成本最小化。

如圖5中(a)為開放航權個數p’=0時即還沒有開放沿海運輸權的情況下，A國籍船舶從A2洛杉磯港口駛往B5上海港，將運往其它港口的貨物經由上海港轉運至其它中國沿海港口，不可在B國的其它港口中轉，須得直接返回A國。沒有開放航權下，中國大部分中轉業務集中在香港港和釜山港，并不利于發揮國內沿海業務的優勢。如圖5中(b)為開放航權個數p’=1時，也即開放沿海運輸權并選擇上海港作為對外開放的港口后，A國籍船舶的航運網絡示意圖，外籍船舶從A2洛杉磯港口駛往B2青島港，將B1,B3,B4港口的貨物裝卸完成后仍可繼續前行駛往B5上海港，在B5完成裝卸后再駛回A國家，完成一個周期的班輪運輸。開放航權后外籍船公司的國內業務將由香港港和釜山港轉移至上海港，促進國內海運經濟發展。圖5為開放沿海運輸權前后的航線網絡情況對比圖。

圖5 沿海運輸權開放前后的航線網絡示意圖

4 結論

研究的主要結論如下：

①本文根據馬士基船公司的市場狀況以及中國的對外貿易需求，結合軸輻式網絡，以集裝箱運輸總成本最小化為目標函數，構建一個開放航權選擇港口優先級的整數規劃模型，確定中國開放沿海運輸權下港口優先級的選擇問題。分析結果表明：開放沿海運輸權，對于開放沿海運輸權的樞紐港優先級，樞紐港個數選擇則優先選擇上海港。開放沿海運輸權，對于馬士基船公司而言，可以提高船舶的裝載率。

②沿海運輸權影響中國沿海樞紐港的分配。馬士基船公司屬于外資船公司，馬士基船舶屬于外籍船舶，在未經許可的情況下，馬士基船舶在國內港口裝上運往國外的貨物，不可在國內其它港口中轉，只能直接駛往國外。若開放沿海運輸權，馬士基船公司在國內的業務將會以上海港為樞紐港成為航運中心，船舶利用率增加，集裝箱流量也會相應發生改變。

③本文探討中國沿海運輸網絡分配情況，從馬士基船公司的角度選取中國沿海10個港口進行算例分析，由于港口間貿易運輸的有很多不確定性，故采取無容量約束的軸輻式單分配網絡模型。如果航運網絡結構更加復雜的話，則可能需要建立更復雜的網絡分配模型，引入相關算法綜合求解，進一步研究樞紐港到支線港間的分配情況。

④本文從馬士基船公司的角度結合軸輻式網絡模型確定中國開放沿海運輸權的優先級，根據航線網絡示意圖，可從港口間的流量、流向判斷開放沿海運輸權后的航線與傳統航線的不同。因此，確定港口優先級后的航線網絡上流量、流向比傳統航線的優劣勢分析是今后進一步研究的方向。