兩岸集裝箱貨運市場協同發展研究
——關于珠三角/臺灣直航運輸的優化

王智利，李伯棠

（廣州航海學院，廣東 廣州 510725）

1 引言

近年來，兩岸的貿易進出口總額整體波動變化，總趨勢是上升的，珠三角與臺灣的貿易規模在兩岸經濟發展與市場開放中持續擴大。然而，受貿易戰和港臺航線低價搶貨等因素的影響，使得珠三角和臺灣集裝箱直航班輪航線的整體艙位利用率只有50%，因此尋找科學高效的集裝箱直航班輪航線配船方案成為解決問題的關鍵。

當前，國內外研究人員已開展航線系統配船問題的相關研究，如JARAMILLO等[1]首次對航線配船問題進行提研究，并建立了相應的航線配船混合整數線性規劃模型；楊華龍等[2]通過研究國內航運企業的運營情況，構建了適合我國企業的航線配船線性規劃模型；GELAREH等[3]考慮船舶的經濟航速以及周期較短的航線配船問題，建立了一個混合整數非線性規劃模型；靳志宏等[4]在航運市場周期性的影響下，考慮船舶租賃和閑置的特點，構建了相關的航線配船混合整數規劃模型；WANG等[5]在所存在問題和已知模型的基礎上，考慮轉運、需求不確定、空箱調運、航速優化和船舶再部署等特點，總結出了集裝箱班輪部署模型；謝新連等[6]從問題分類、研究特點、模型類型與求解方法等方面，綜述了現有集裝箱班輪航線配船文獻。對于運輸需求不確定的航線配船問題，MENG等[7-8]采用隨機規劃、情景魯棒優化方法解決該問題，后來NG[9,10]在MENG等研究的基礎上采取基于需求信息的不同統計特征的方式，構建了模型并采用算法進行求解。

在航線配船問題上，關于運輸需求如何確定，企業管理者在確定時往往使用預測或基于歷史數據來獲取確定性運輸需求量數據，但是此舉一般不符合實際運輸需求量隨著外部情況變化的情況，從而導致企業所做決策效果不佳。大部分學者在考慮需求不確定的航線配船研究中，開始采用隨機規劃或情景優化方法，但是這就需要確定隨機分布的概率密度函數或獲取不同需求情景發生情況的概率分布信息，在現實中是難以實現的。針對隨機規劃和情景優化的不足之處，已有少數學者運用魯棒優化方法[11]減少決策的失誤。隨著研究的深入，D.Bertsimas等[12-13]在前人研究的基礎上，提出了新的魯棒優化框架，根據不確定參數集的不同選擇，得到不同的魯棒對應式，并將其成功應用于具有不確定需求的管理中。

綜上所述，本文針對需求不確定的情況，運用魯棒優化方法，建立直航班輪航線配船魯棒優化模型，并在參數變化的情況下對模型進行分析，最后根據實證分析的結果和從企業角度和政府角度，提出珠三角與臺灣雙邊航運協同發展的建議。

2 模型的建立

本文是針對珠三角航運企業對已有的班輪航線和所擁有不同類型的船舶數量進行分配，即將一定數量且不同類型的船舶用于某一班輪航線上運營。船舶在航線上能夠完成的航次數是根據船舶在該航線上往返航次時間的長短確定的，其中考慮了航線距離的長短、掛靠的港口數目、船舶航速等因素。每艘船舶在某條航線上往返航次的成本包括海上航行和港口停泊發生的總費用。另外，船舶在執行某航線上的運輸任務時，也需保證船舶的艙位利用率。

實際運營中，由于不確定因素的干擾，班輪企業管理者不能準確地預測運輸市場的變化。因此，本模型設定運輸需求具有不確定性，參數的變化用對稱區間表示。

在上述條件下，以航線系統總成本最小化和艙位利用率最大化為目標，研究不同船型在不同航線上每季度完成往返航次數的問題，針對需求為不確定的情況，建立基于魯棒優化的數學模型，分析不確定參數的變化對班輪航線配船方案的影響。

2.1 假設條件與符號說明

假設條件有：（1）企業擁有一定數量且船型不同的可用船舶；（2）企業已開辟了不同的集裝箱航線；（3）每條船舶有確定的裝載能力；（4）運輸需求為不確定量。

定義如下符號：

（1）集合：I為船型集合；J為航線類別集合。

（2）參數：cij為船型i在航線 j上的運營成本，美元/次；ai為船型i的數量，艘；rij為船型i在航線 j上的最大往返航次數，次/季度；bi為船型i的裝載能力，TEU；d~j為航線 j的運輸隨機需求量，TEU。

（3）決策變量：xij為船型i在航線 j上每季度完成往返航次數，次/季度；yj為航線 j上剩余的艙位量，TEU。

2.2 目標函數的建立

本文以航線系統總成本最小化和艙位利用率最大化來研究集裝箱直航班輪航線配船優化問題，其中，航線配船系統總成本指不同船型分配到航線上所用運營成本的總和（目標1）：

另外，艙位利用率指每條航線所承載的運量與投入運量的比值（目標2）：

2.3 約束條件

根據假設條件，所定義的符號需滿足如下約束條件：

其中，式（3）為船隊能力約束，表示i型船分配到所有航線的船舶數量不能超過該型船的數量；式（4）為運輸需求約束，表示航線j上所有船舶的運輸等于該航線運輸需求量與航線j上剩余艙位量之和；式（5）限制變量為正整數；式（6）限制變量大于等于0。

2.4 模型的處理

本節所建模型是一個多目標混合整數非線性隨機規劃模型，其中非線性部分在于目標函數2，通過利用ε-約束方法使模型線性化并得到Pareto解，以最重要的目標為主要目標，以其他目標為約束[14]，即總成本被視為主要目標，而艙位利用率最大化的目標函數2被改為新的約束條件，得到單目標混合整數線性隨機規劃模型：

其余約束同式（3）-（6）。

通過改變約束目標函數2的右側εk（目標2限制的最小值），可得到問題的有效解。獲得了所有的解決方案后，決策者可以根據其結果做出決策[15-16]。

對于式（4）中運輸需求不確定的情況，運用文獻[11]的處理方法對其進行魯棒對等式的變換。首先把看作一個有界對稱的隨機變量并取值于，這里dj代表需求量的名義值，代表名義值的最大偏差值。為了控制需求量的魯棒性，對每個約束j，引入一個新的參數Γj，取值范圍為[0,1]，用于調整模型的保守性，Γj不一定取整數。從式（4）發現，不等式的右端只有一個參數，所以這里Γj代表d~j的保守度的變化程度，根據魯棒優化方法得到式（4）的魯棒對應式。

wj和mj是根據對偶理論所增加的變量。

從以上分析得到本文所建模型對應的可解模型為以式（1）為目標，以式（3），式（5）至式（10）為約束條件的單目標混合整數規劃魯棒優化模型。

3 實證分析

本文以主要經營珠三角對臺灣直航集裝箱班輪航線的A公司為例，此公司主要從事國際集裝箱運輸、臺灣海峽兩岸集裝箱班輪直航運輸、沿海及長江內貿集裝箱運輸、內支線運輸等業務。目前專注于海峽兩岸海上直航、東南亞、印巴的集裝箱運輸服務。目前已知此公司經營如下航線，相關數據見表1、表2：

表1 A公司經營的航線

表2 各航線的每季度最大航次數、單船單航次成本

將保守性Γj取[0,1]之間的數，εk取值為50%～90%之間的數，并且通過使用CPLEX12.8進行求解，所得計算結果見表3，并根據表3繪制出圖1。

在εk的50%～90%范圍內，上述四條航線的艙位利用率最低值分別為99.53%、99.67%、99.65%和99.98%，且對于每一個保守性，總成本和航線配船結果不隨著εk值變化而變化，這是因為所提優化模型是根據運輸需求進行配船，即盡量達到運力和運量平衡，所以每條航線的艙位利用率都近乎100%。本文優化模型所得結果與實際不同之處在于：企業按照預期估計的運量而投入過多運力，導致運力過剩，艙位利用率變低。因此，在實際配船時，企業管理者可以分時段對本公司所設航線進行適當船舶運力的分配。

表3 不同保守性下總成本和航線配船結果

根據表3可知，配船計劃總的趨勢是：隨著保守性水平的上升，配船系統總成本不斷增加，配船系統所需船舶增加，并從使用噸位大的船舶逐步增加使用噸位小的船舶。當保守性水平較低，此時運輸量較少，噸位大的船舶優先分配到了各航線，而噸位較小的船舶由于單位運輸成本高而未被安排；當保守性水平較高時，此時運輸量較多，船隊中大部分的船舶都被分配到相應的航線上。

圖1 總成本隨保守性水平的變化

如圖1所示，隨著參數Γj數值的增加，需求擾動的范圍變大，航線配船系統總成本遞增，這是由于需求所屬的集合變大，使得模型可行域變大，導致目標值變大。另外，隨著保守性水平的增加，航線配船系統總成本的增幅是不規律的，這說明外界的不確定性對航線配船方案的影響是較為明顯的。

本文所提出的魯棒優化模型是符合實際的。其中，對于保守性為1情況下的航線配船方案，保守性增強了，優化反而降低了；但是，在運輸需求變化時，配船方案仍然可以有效地應用于整個航線系統，給出的決策體現了最優性與魯棒性的均衡，同時也為企業管理者提供決策依據。

綜上分析，經營直航航線的航運公司有能力為給客戶提供較多頻次和較為快捷的良好運輸服務長期投入穩定的運力，并且通過使用合理的船舶配置方法，提高直航航線艙位利用率，在外界（如香港/臺灣航線的擠壓）的影響下，也可以防止出現運力過剩的現象。

4 兩岸集裝箱貨運市場協同發展建議

本文在兩岸集裝箱貨運市場發展的背景下，以珠三角/臺灣直航班輪航線系統配船為研究對象，以航線配船系統總成本最小化和艙位利用率最大化為目標，針對不確定環境建立魯棒優化模型。通過求解模型，證明了魯棒模型的合理性，所得結果為經營直航航線的航運公司決策者具有很好的指導意義。

綜上，本文給出珠三角與臺灣雙邊航運共同發展的建議：

（1）改善珠三角地區對臺航運經貿交流的政策環境，推進兩岸民間的航運交流工作，促進兩岸經貿關系正?；?推動兩岸談判逐步從事務性、經貿議題向政治議題過渡,促使兩岸和平發展架構的內外條件不斷成熟。珠三角應充分發揮“先行先試”的政策優勢，積極探索對臺的經貿與航運政策，促進兩地區的航運交流與發展，配合珠三角地區對臺直航港航企業，積極出臺支持港口的優惠措施，積極輔助政府部門推動珠三角自由經貿協定的擬定與實施，擴大開放市場，減少對臺貿易障礙，從而推動投資與貿易的便利化和自由化，為兩地港口帶來更多的貨源和發展機會。另外，珠三角港口要以與臺灣地區港口結為姐妹港、海峽兩岸經濟合作框架協議的簽署和港航企業之間以及民間團體交流為契機，不斷商討細化合作框架中的機制體制問題，促進兩地港航聯盟和航運市場發展。

（2）對新增的航商和運力審批采取全面從緊的措施，特別是嚴控已有港臺航線的航商進入直航市場，避免長期專心投入和培育珠三角對臺集裝箱直航市場的航商大幅虧損，避免對臺直航運力過剩加劇、供需失衡的程度進一步加深。

（3）鼓勵與引導珠三角對臺航線航商間建立合作機制，促使現有航線艙位利用最大化，與現有投船的航商積極洽商艙位共享和聯營合作，充分利用現有運力，培育市場，維持區域市場穩定。特別是在目前中美貿易戰日益加劇和近幾年兩岸貨運量呈下降的態勢下，通過緊密合作以及共同開發兩岸直航貨載等辦法，以減少損失、提升航線效益，進而實現共贏。

（4）由于珠三角地區對臺直航航線運價需依據主管部門規定和報備體制執行，與港臺航線的市場競爭處于下風，經營較為艱難，建議加強對港臺航線運價的督導管控，并進一步規范直航市場的運價備案和管理機制。

（5）基于兩岸和平與經濟互利的需要，兩地應建立起協調機制來規劃、協調、管理貿易合作的運行。加強兩地的溝通和協調，促使臺灣地區逐步調整其限制性的經貿政策，采取積極的措施來平衡兩地的貿易，避免可能出現的兩地間潛在的貿易摩擦，促使兩地的貿易關系得以長期、穩定和良性發展。

（6）引導與加強珠三角地區與臺灣地區港口航運企業交流，定期召開座談會和企業聯誼會，由企業牽頭開展聯誼活動，以民間化、市場化的形式繼續推動兩地航運交流進一步發展；為保證海峽兩岸航運交流的連續性，加強珠三角地區與臺灣地區港口、航運企業中低層年輕領導干部之間的聯誼與交流工作，促進兩地區航運交流的可持續性發展。

總之，要積極推進兩岸直航貿易，進一步加強珠三角地區在航運界的地位，支持珠三角與臺灣直航航運業向高增值發展，鼓勵內地和臺灣企業充分使用先進的船舶融資、租賃和管理，海事法律及爭議解決，以及海事保險等高增值服務。兩岸直航航線運輸為內地和臺灣企業架起一座橋梁，而優化兩岸間集裝箱直航運輸船隊配置以提高船隊利用率是其前提。