基于港航聯動的船舶航行計劃優化

王 霞, 胡堅堃, 黃有方

(上海海事大學 物流科學與工程研究院, 上海 201306)

隨著國際貿易的發展，海洋運輸愈加繁忙，作為海運核心的港口與船舶，兩者間的信息不對稱會嚴重影響海運效率，港航聯動已成為現實需求。[1]2017年6月，中遠海運集團以189億元收購上港集團15%股份，開啟港口企業與航運企業間港航合作的新時代。加強港航聯動，航運企業即可合理安排船舶航行計劃，靈活調節船舶航速；而港口企業可提前獲得信息，合理安排港口業務，減少與航運企業間因信息不對稱而造成的作業效率低下等問題。因此，港航聯動也是應對船舶大型化和巨型聯盟化發展的主要方向。[2]在實際情況中，港航協作一體化發展能夠大幅度提高港航企業的整體競爭力，是港航現代化發展的必由之路。[3-4]

在船舶航行計劃優化研究中，SHINTANI等[5]假設港口貨運需求可變，嘗試在船舶航線上同時優化靠泊港口選擇、靠泊順序等問題來降低成本；RICHA等[6]假設允許航線運營者為獲取更大利潤而放棄部分需求，利用時間網絡拓展優化船隊規劃和靠泊順序。許多學者通過研究港口貨運需求和航線選擇來規劃船舶航行計劃。GIADA等[7]認為港口碼頭與海運班輪之間的合作可節省成本，并對集裝箱碼頭的泊位分配動態優化，實現船舶到港時間和停靠位置的協調；IMAI等[8]提出港口動態到達泊位分配，通過港航聯動實現船舶等待時間與作業時間最小化；杜玉泉[9]從碼頭一個企業單獨決策的角度研究面向綠色服務的泊位和岸橋聯合調度問題，然后考慮航運公司的航速控制行為，研究港航協作條件下的綠色泊位分配問題；勾巖[10]為實現船舶與港口的雙贏，建立以船舶在港總時間和船舶等待時間方差最小為目標的雙目標優化模型，求得模型的Pareto最優解，既保證服務公平性又保證資源的作業效率；汪挺松等[11]從港口的角度出發，在港航合作模式下，為實現港口低碳發展，建議到港船舶改變航速，并引入價格補償機制，避免船舶因航速變動而造成的損失。結合眾多學者的研究，在港航合作時機愈加成熟的背景下，本文以優化船舶航行計劃為目的，設計一種科學有效的港航聯動機制，以期借助聯動，在整條航線上有效降低船舶航行成本。

1 問題描述

班輪的船期是事先確定的，但在行駛過程中常會受到如極端天氣、設備故障等意外因素影響，導致班輪不能按計劃行駛，因而改變航速，延誤進港時間；進港時間的不確定性，易造成港口擁堵等問題而引起連鎖反應，嚴重影響港口效率。[12]這些問題是由海運不確定性造成的，要解決該問題，就必須在港航信息互通的基礎上實現港航聯動。

港航聯動是指港口與船舶間信息互動，通過港口與船舶的協作優化航行計劃。[13]船舶在即將到達港口時會報告其船型、貨物等相關信息。同時，港口將建議的抵港時間反饋給船舶。[9]為合理安排船舶航行計劃，最大可能地降低船舶在整條航線上的成本，船舶要決定是否接受港口建議。[14]

本文設計一種港航聯動機制，將船舶航行劃分為原速行駛階段和規劃階段,見圖1。規劃階段指協調時船舶所處位置到港口間的航行階段，規劃階段的空間距離稱為規劃距離。港航聯動機制運行流程見圖2。在該機制運行下，港口可確定在一定時間范圍內的泊位安排計劃，船舶到達規劃階段時與港口協調到港時間。船舶判斷協調的到港時間是否在可接受范圍內，若在，則計算船舶到達港口所需的航行成本，如果此成本小于原速行駛下船舶航行成本，則船舶接受協調后的到港時間，這一階段即成為規劃階段。否則，船舶原速行駛，規劃階段的航速與原速行駛階段航速相同。船舶進入下一航段，在原速行駛階段的行駛速度由船期所剩余的行駛時間、剩余行駛距離確定。

圖1 港航聯動機制下船舶航行階段劃分

圖2 港航聯動機制運行流程

2 模型建立

2.1 參數設置

N為港口(N=1,2,…,I)；n為航段(n=1,2,…,I)；Dn為第n段航段的距離；D1n和D2n分別為第n航段的原速行駛階段和規劃階段的距離；v1n和v2n分別為第n航段的原速行駛階段和規劃階段的航速；I為船舶掛靠港口(航段)的數量；β為港口可確定泊位安排的時間范圍；T1N為船舶在第N港口的預計在港等待時間；T2N為船舶在第N港口的實際在港等待時間；tN為船舶與港口協調后的到港時間；T1a和T2a分別為船舶在整條航線上的計劃航行時間和實際航行時間。

2.2 模型構建

2.2.1航行成本

2.2.1.1 重油成本

主機燃油成本CM主要與航速有關，船舶在單位時間內的主機重油成本為

CM=fmv3PM

(1)

式(1)中:PM為重油價格;fm為主機機能系數;v為航速。

2.2.1.2 輕油成本

船舶行駛和停泊時副機都在運行。副機消耗輕油成本為

CA=PAf2Ta

(2)

式(2)中:PA為輕油價格；f2為船舶副機油耗量,t/h；Ta為船舶在整條航線上的航行時間。

2.2.1.3 港口費

(3)

式(3)中：T2N為第N個港口的實際在港等待時間；γ為港口的收費系數；TZ為所有港口裝卸貨時間總和。

2.2.1.4 港航聯動下船舶航行總成本

(4)

2.2.1.5 非港航聯動形式下船舶航行總成本

(5)

2.2.2船舶航行總成本變化

ΔCmax=C2-C1=

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)為原速行駛階段航距和規劃階段航距的關系；式(8)為對所有規劃距離大小的限制；式(9)為協調后到港時間在港口可確定泊位安排的時間內；式(10)為對船舶行駛速度的限制。

3 算例分析

以某公司亞歐航線為研究對象，該航線上共有寧波港、深圳港、費利克斯托港、漢堡港、鹿特丹港、安特衛普港、南沙港以及上海港等8個掛靠港口。各航段距離見表1，亞歐航線上船隊的相關參數見表2。本模型屬于非線性規劃模型，本文使用MATLAB 2016軟件對模型進行求解。

表1 航段距離

表2 船舶參數及模型參數取值

3.1 規劃距離與船舶航行成本優化效果ΔC/C2間的關系

由表1可知：在不采用港航聯動機制的情況下，船舶按原速行駛，到達港口后均需要排隊等待進港。船舶在港口排隊等待進港，不僅無法為船舶帶來更多的收益，也會加重港口負擔，造成港口擁堵。在本文設計的港航聯動機制下，假設港口在β=8 h內的泊位安排計劃是可靠的，根據vmax=26可知，規劃距離應小于或等于208 n mile。在實際航行過程中，船舶到達規劃距離后與港口協調到港時間，進行航速規劃。規劃距離的大小，直接影響ΔC，決定該模型的優化效果。為此，將船舶在各航段上的規劃距離設為x，以其為變量，通過尋找合適的規劃距離x，實現船舶在整條航線的成本優化效果ΔC/C2最大。

由于船舶和港口間的協調到港時間是一組隨機值，生成100組協調到港時間的數據，分別代入模型中，求得在不同規劃距離下的航行成本優化效果ΔC/C2，并將其擬合為成本優化效果隨規劃距離變動的關系曲線，見圖3。由圖3可知:規劃距離對優化效果ΔC/C2的影響是呈規律性的，且隨著距離的增大，優化效果ΔC/C2先快速升高后緩慢降低，是特殊的凸函數。當規劃距離偏小或偏大時，優化效果ΔC/C2的值相對較小。當規劃距離為70 n mile時，優化效果ΔC/C2達到最大值為4.852%。

圖3 規劃距離變動對優化效果ΔC/C2的影響

3.2 港航聯動對航行成本大小的影響

以一組協調后到港時間數據為例，選取規劃距離較小為20 n mile、較大為135 n mile和最優為70 n mile時代入模型中，計算結果見表3、表4、表5。

由計算可知:當規劃距離x=20 n mile偏小時，計算結果如表3所示，ΔC=341 83,對船舶航行成本優化效果不明顯,雖然在第2、第3、第4、第5、第6、第8航段船舶都接受港口建議，但由于規劃距離短，協調后到港時間相對較大，船舶缺少足夠的航行距離來進行航速優化，ΔC=34 183，航行成本的值降低較小，優化效果不明顯，且除第6港口外，船舶到港后都需要排隊等待，未能有效降低船舶在港等待時間。當規劃距離x=70 n mile時，計算結果如表4所示，ΔC=111 450，有效降低船舶航運成本。在第6航段，由于港口給定到港時間太短，速度超過最大

表3 x=20 n mile時船舶航行計劃優化表

表4 x=70 n mile時船舶航行計劃優化表

航速，因此船舶不接受港口建議的到港時間。在第1、第2、第3、第4、第7、第8航段船舶接受港口建議，減速到港。在第5航段船舶接受港口建議加速到港，基本實現在港零等待。當規劃距離x=135 n mile偏大時，計算結果如表5所示，ΔC=17 456，對船舶航行成本優化效果相對較低。由于規劃距離太長，船舶如果按照港口建議時間到港，則船速超過最大限制，所以第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8航段都沒有進行優化，按原計劃行駛，港航聯動機制失去優化作用。因此，在規劃距離為70 n mile時，此航線上的船舶能夠有效降低船舶航行成本。

表5 x=135 n mile船舶航行計劃優化表

從算例分析可得出結論：

1) 在港航聯動機制下船舶在某航線上存有最優規劃距離。

2) 船舶在最優規劃距離下與港口聯動能夠有效降低船舶航行成本，通過調節航速基本能夠實現在港時間零等待。

4 結束語

本文在港口與船舶信息互通的基礎上，提出一種港航聯動機制，經驗證船舶通過這種機制實現分段航速優化，可有效降低航運成本，也能在一定程度上減緩港口擁堵問題，實現港航雙方共贏。本文建立的港航協調船舶到港時間的聯動機制，創新性地將航線中各航段分為原速航行階段和規劃航行階段來進行多階段航速優化，以重油成本、輕油成本和港口成本建立船舶在港航聯動機制下單航次降低成本最大化模型，對船舶規劃階段的航速進行實時優化、減少船舶在港等待時間、降低船舶油耗。優化結果得到船舶在各航段的原速行駛階段和規劃階段的航行速度，實現在港零等待，有效降低船舶全航程航行成本，為船舶航行計劃的制定提供科學的參考依據。