江海聯運網絡優化
——以寧波舟山港為例

陳 旭，張向陽，孫之翼，陸麗麗

（寧波大學 海運學院，浙江 寧波 315211）

0 引言

江海聯運作為一種特殊的多式聯運模式，將海洋運輸和內河運輸進行有機結合。內河航運為海運提供廣闊的腹地和充足的貨源，海運為內河航運對接國際市場提供運輸通道，延伸和拓展內河航運。江海聯運的大力發展對于加強內河與海洋之間的溝通與聯系，促進兩個物流運輸系統的整合和協作，以及進一步加強沿海地區與沿江地區之間的經濟聯系有著重要意義。因此，有必要對江海聯運進行深入研究。

江海聯運最初僅指江海直達這一類型，朱麗麗以武鋼集團鐵礦石運輸模式為例，建議加大采用江海直達運輸模式的數量。而后，廣義的江海聯運又包含了江海中轉這一類型，這也是目前最主流的江海聯運運輸方式。岳馳對舟山-武漢散貨運輸進行研究，將江海直達與江海中轉進行對比，得出江海直達具有節省時間、綠色環保和部分貨種經濟性明顯等優勢；Charles則建立了基于噸位因素的江海直達和江海中轉成本模型，以確定羅納-索恩走廊不同港口間這兩種江海聯運模式的競爭力。肖月利用經濟指標對其他港口至舟山金塘港的江海直達和江海中轉進行計算與分析，比較兩種運輸類型的優劣，但為了簡化計算，僅將必要運費率作為金塘港江海聯運發展考慮的唯一指標。隨著江海聯運的進一步發展，又出現了江海直駁這一新技術概念。江海直駁介于江海中轉與江海直達之間，利用江海駁船實現江海之間的直達運輸，一般采用載駁子母船和頂推分節駁組。Konings，等構建了基于運輸效率和可用運輸量的模型，以確定江海直駁系統中最有效的運輸服務。王盛洋認為江海直駁較江海中轉而言，降低了貨物的二次裝卸和堆存情況，能夠降低貨物的運輸成本，提出應大力發展江海直駁的建議。總體而言，現有文獻至多針對一種或兩種不同的運輸類型進行研究，未將江海直達、江海中轉和江海直駁綜合考慮進行決策。

在對江海聯運基本類型和效用選擇研究與分析的基礎上，更多的學者轉向了江海聯運網絡優化的研究，其中絕大多數研究采取成本最優策略進行建模。溫旭麗，等結合龍潭港貨物運輸實際，考慮網絡規模、成本、時間及運力限制因素，以最低成本為目標建立模型。游甜以舟山江海聯運為基礎，引入虛擬港口的概念，考慮船型、港口、需求和航道因素建立最低運輸成本下的優化模型。張懿慧以珠江水系為研究對象，從貨運需求、港口費用、船隊運力供給等方面做出了定性的敏感性分析；謝昳辰，等從浙江江海河聯運經濟效益入手，結合載貨量、公路短駁距離、貨物價值等因素構建了運輸成本模型。但江海聯運網絡高度耦合，且具有復雜特性和不確定性，通過單一成本模型進行研究并不全面，于是多目標建模成為新的研究方向。例如，張文瀛提出了一種在不確定性理論框架下的內河軸輻式多式聯運網絡雙目標優化決策模型，即總成本最小化和承諾交貨時間最小化。

綜上所述，當前的江海聯運網絡優化模型對于不同運輸類型成本的考慮仍不夠全面，且優化目標較為單一，難以客觀評價某地能否發展江海聯運。因此，本文針對當前研究存在的不足，首先細化不同的運輸成本構成并構建不同的成本模型，其次從微觀層面和宏觀層面分別構建江海聯運運作模式的優化模型和江海聯運航線網絡優化解析模型，最后以寧波舟山港為例進行模擬仿真，最終得到寧波舟山港江海聯運網絡優化表。

1 江海聯運網絡優化模型

1.1 建模內容

模型主要包含三個方面：

（1）江海聯運的運輸成本構成。建立江海直達、江海直駁和江海中轉三種江海聯運模式的成本模型。江海聯運成本由港口的裝卸搬運成本、經營管理成本和船貨在港成本三部分構成，針對不同的江海聯運模式細化其成本構成。

（2）評價并選擇某特定港口江海聯運的運輸路線。從某地區貨主的角度，對某特定港口提供的江海聯運服務進行綜合評價，并與該港口競爭對手的綜合評價結果作比較，確定該特定港口能否提供給此貨主江海聯運服務。由于不同地區貨主的江海聯運需求不同，評價目標的權重也不同，提供服務的港口也不同，所以一次只針對一個地區的貨主進行評價，不能把所有地區的貨主看成一個整體。

（3）優化某港口江海聯運的網絡。把某港口涉及的所有可行的江海聯運運輸路線放在一起，形成其江海聯運網絡。港口江海聯運網絡是由一條條具體的江海聯運線路構成的，每一條線路都連接著啟運地港口、目的地港口以及中轉港口。對每一個連接啟運港和目的港的運輸需求分析所有可行線路，得到哪些是某特定港口可被選中的線路，集成到其江海聯運網絡中。

1.2 模型約束

為了更好地在模型中實現優化目標以及滿足求解要求，對建模前的約束條件進行說明如下：

（1）船舶、航道、貨物之間的匹配約束。匹配約束屬于技術約束，貨物、航道和船舶相互制約。貨主托運的貨物類型不同，導致選擇的船型不同、船舶的載重利用率也不同，同時航道的水深特點、橋梁凈高限制也約束著船舶類型及其載重利用率。長江主航道除了航道深度限制船舶類型和載重利用率外，航道水位波動情況也對船舶有要求。

（2）轉運、直達和直駁對江海聯運的模式約束。模式限制了江海聯運的成本達到最優，可用的江海聯運模式越少，則越難以實現最優的江海聯運成本。實際上，港口在提供江海聯運服務時，不局限于只提供一種模式的江海聯運，以三種模式為基礎，可以設計出基于三種模式的具體模式，由此導致其具體成本、時間、安全和穩定性均不同。

（3）貨運需求和供給形成的市場結構約束。不同的市場環境，貨運需求和供給具有不同的分布特征，如貨物類型、供應地點和需求地點的特征不同，同時也產生相應的運輸供給，運輸產品受到特定市場的約束，制約了能否選擇經過某港完成江海聯運。

1.3 模型構建

本文共構建三個模型，一是建立不同江海聯運模式的成本模型，二是計算和比較各競爭對手的費用、時間、安全和穩定的綜合效用選擇模型，三是網絡優化模型。

1.3.1 成本模型

（1）江海聯運成本基本結構

式（1）表示某類貨物M在既定OD（Original-Destination）下的總成本（元/km），其中各參數如下：

，：江段、海段航運變動成本（元）；

，：江段、海段航運投資的資金成本（元）；

，：江段、海段航運投資的資金機會成本的規范性系數；

，：江段、海段航運船舶載重能力（）；

，：江段、海段航運船舶載重能力的噸利用率（）；

，：江段、海段航運的距離(km)；

：在中轉港口的換船成本(元/km)，江海直達和江海直駁下為0。

式（1）為江海聯運總成本的基本表達，由江段航運總成本、海段航運成本以及中轉港口轉運成本三部分構成，前兩部分則各自由相應的變動成本和資金成本構成。為簡化分析，這里假設=P=P，以下就此進一步展開分析。

（2）建模過程。噸船載重能力利用率取決于所載貨物類型以及所在航道的吃水限制，因此假設航道條件下船舶載重能最大利用其吃水限制是合理的。對于貨物類型，港口裝卸作業效率也能設定一個范圍。因此，考慮江段、海段運輸距離在內的航運距離、船舶載重噸利用率以及港口裝卸作業效率能共同確定每種聯運方式最具競爭優勢的航運距離范圍。

構成總成本/噸公里(元/t·km)的分子表示總成本，由航行成本(元)、運營成本C(元)以及港口作業成本(元)構成。相應地，江段、海段每日航運變動成本C(元/d)、(元/d)可以分別由江段、海段每日航行變動成本C(元/d)、(元/d),江段、海段每日運營成本(元/d)、(元/d)，江段、海段每日港口作業成本(元/d)、(元/d)構成。航行成本和港口作業成本容易理解，而經營成本較復雜，它包括了過閘、壓艙和可能的航行中的運營活動，可以簡化為包括船舶加油及不可期的等待泊位、推駁、駁船成本等。

①港口作業成本

其中，,U分別表示江段、海段裝卸效率（/d），簡化后：

②運營成本

其中，T,T分別表示江段、海段運營時間（d），簡化后：

③船舶航行成本

其中，,v分別表示江段、海段航行速度（km/d），簡化后：

④江海直達成本

⑤江海直駁成本

這里增加一個推船轉換時間變量，增加了推船轉換成本：

其中，表示更換推船的變動成本（元/d），表示變換推輪機會成本的規范性系數，表示變換推船的資金成本（元/d），表示推駁系統的載重能力（t）。簡化公式（9），可得：

⑥江海中轉成本

式（1）中的表示如下：

其中，表示中轉港口的變動成本（元/d），表示中轉港口的資金成本（元/d），表示中轉港口機會成本的規范性系數；表示中轉港口的作業效率（/d）；()表示江段與海段間貨物轉換數量（t）；表示中轉港貨物轉換系數。根據式（1），單位噸公里總成本可以表示如下：

1.3.2 效用選擇模型

（2）約束條件

（3）變量含義

同理：

1.3.3 網絡優化模型

（1）模型目標

其中()表示連接啟運港和目的港的江海聯運路線，并只經過港口或經過港口和另一港口的江海聯運路線的集合。是港口集合。

（2）約束條件

約束條件表示經過港口的江海聯運綜合運輸效用最大值要大于等于不經過港口的情況。

1.4 成本模型仿真

在江海聯運成本模型的基礎上，模擬江海聯運應用的現實條件和運作方案，解析江海聯運基礎仿真模型框架，對仿真流程、模塊、參數、應用等方面進行分析。江海聯運基礎仿真流程圖如圖1所示。

圖1 江海聯運基礎仿真流程圖

仿真流程開始于采購銷售訂單或運輸需求，以獲得相關輸入數據。獲得訂單數據以匹配基礎數據庫里的數據，獲得關于貨物類型、航道特點以及船舶船型的相關數據以配對江海聯運模式庫里的模式，從而獲得不同模式下相關成本的數據，由優化模型計算各聯運模式下的總成本，然后結合運輸可靠性、貨運安全性評估經驗數據給出各方案的可行性，如果方案不可行，要返回重新匹配模式，若可行則選擇實施最優方案，將實施方案的結果反饋給基礎數據庫，對方案結果進行評價，并對數據庫參數進一步修正。

根據仿真流程圖的關鍵環節，有三個基本仿真模塊：配對模塊、優化模塊和反饋模塊。

（2）優化模塊：在匹配模塊完成以后，所輸出的江海聯運模式集合中的每一種模式也是相關成本的要素集合，根據前面的優化模型算法，可以給出各種模式下的成本結果，這個優化過程也是一個約束求解的過程，滿足匹配關系，即滿足技術要求和市場要求下的各具體模式或方案的成本，稱之為成本優化。這里以江海轉運成本C、江海直達成本和江海直駁成本來代表各輸出成本。接著，對每個可選的成本方案進行綜合評價，即對江海聯運的可靠性、安全性兩方面進行評價，可以采用專家系統等方式完成，重點是成本、可靠性和安全性的綜合評價，找到帕累托前沿或帕累托最優方案。

（3）反饋模塊：一個好的仿真系統是對現實的不斷重現過程，仿真結果與現實的差異程度反映了仿真系統的優劣，系統應該有一個自適應的過程，在實現仿真的過程中不斷調整，它所依賴的就是系統的反饋。此外，即使方案可行的情況下，也要把實施情況與期望情況進行對比，把存在的問題反饋回去。系統運行是一個閉環過程，系統也是一個開放系統，除了內部調整參數、模型之外，還要根據外部動態環境及時調整參數，如新的江海直達船的出現，很可能改寫匹配模塊和優化模塊。

（4）參數選擇。江海聯運參數涉及到運輸需求、供給、技術、運營、成本、風險等多個類型，每一類型還需要細分，且不同聯運模式的參數不盡相同。因此基礎型仿真模型只做粗略介紹。另外，成本的相關數據有起訖點的裝卸貨作業成本，采用包干費更能體現實際成本的大小，模型雖然簡化處理了相關成本，但實際仿真中應真實再現各類成本，如停泊等待成本、裝卸不了的倉儲成本、資金成本等。當然，根據是否中轉則涉及中轉轉換成本。江段和海段航行成本可以用單位變動成本和固定投資的資金時間成本來核算。成本計算的原則是既要清晰又要適當簡化，反映一般規律。

（5）方案建議。其主要涉及方案的綜合評價問題，參與者的偏好往往會影響方案的評價與選擇。因此，相互矛盾的目標之間在一個帕累托前沿的邊界點就是所有備選方案，建議多采用不同的評價方法進行綜合判斷。

（6）決策支持。雖然仿真技術比解析技術更能全面地反映系統的事實狀態和變化趨勢，但仍不能窮盡所有可能的情況，因此仿真并不能完全保證其建議是準確的，它只能作為一個輔助支持決策系統。

（7）敏感性分析。如前所述，仿真系統不能脫離參與者的調整，脫離不了系統外在環境，作為一個開放性系統，系統的魯棒性更能反映其性能。因此，針對不同參數的變動觀察系統的結果變化范圍是必須的。此外，進行敏感性分析時還應注意多參數聯動，不能假定參數之間是相互獨立的。

1.5 效用模型決策

成本構建模型用于計算各江海直達、江海中轉和江海直駁的費用，將某方案的參數帶入到模型中可得到其費用；效用選擇模型是計算和比較目標函數中所有方案的費用、時間、安全和穩定效用值，選擇最大效用值，并選擇該效用值對應的方案。其中每個方案的效用值由該方案評價目標的權重系數和取得的目標值線性關系計算得到；網絡優化模型的目標是列出所有可行的某特定港口的江海聯運路線。這些可行的江海聯運路線是此港口與其它競爭對手相比較具有優勢或者綜合運輸效用最大的運輸路線。包括以下步驟：

（1）評估獲得運費、時間、安全和穩定參數值，形成目標值決策矩陣。為了得到最大效用，把啟運港到目的港的所有可行的運輸路線和運輸方式枚舉出來，分別計算每條線路和運輸方式的參數值，把一條線路及運輸方式稱為一個方案，分別計算各方案的效用，然后在所有方案中選擇具有最大效用值的方案。所有可行的線路都需不經過兩次以上的中轉或直駁。因此，用枚舉法就可將除兩港以外的所有剩余港口都看作可以中轉或直駁的港口，總共有||2個港口可選，若中間只停留一次，則最多有2個方案，若有兩次中間停留，則最多有( )1個方案，因此，總共最多需要比較的方案數有1個，而其中某特定港口最多參與的方案為2個，因此模型就是在最多不超過2個方案中的最大效用值與最多不超過1個方案中選擇最大效用值的方案，從整個算法來看，枚舉法是很快能得到解的。

參數值如費用和時間用成本模型計算得到，有些參數值如安全性和穩定性，需要專家估計得到，用得到的四個評價目標值構建決策矩陣。

表1 專家權重評分表

比較大的專家打

（4）計算各方案的目標值或效用值。決策矩陣向量化后，以矩陣每一行與其相應的權系數構成的權向量做點積，計算得到的加權平均值就是該方案的效用值。

（5）方案的選擇。根據所得到的效用值向量，取效用值最大的為最佳方案，也可取前幾個排在最前的方案作為最佳備選方案與之做比較。若某特定港口江海聯運效用值最大，則其為最佳備選方案。

2 模型應用實例

寧波舟山港處于“絲綢之路經濟帶”和“21世紀海上絲綢之路”的交匯點，是連接我國南北沿海交通與中西部地區的重要交通樞紐，發展江海聯運具有巨大潛力。以下將以寧波舟山港為例，對模型進行應用。

2.1 參數引入

（1）運輸成本參數。對于某類貨物，輸入以下參數變量：

①船舶載重能力，；船舶載重能力噸船利用率，(=P=P)；江段、海段距離，；

②江段、海段航速，；江段、海段每日航行成本,C；

③江段、海段港口裝卸速度U,U；江段、海段每日港口裝卸成本,C；

④江段、海段運營天數,t；江段、海段每日經營成本,C；

⑤江段、海段每日投資成本,K；江段、海段投資機會成本規范化系數E,E；

⑥江海直駁船裝載量；駁船換船天數；駁船換船每日成本；直駁系統轉換資金投入成本；直駁轉換投資機會成本規范化系數；

⑦以前五組參數可以用于計算江海直達每噸公里總成本。

前六組參數可以用于計算江海直駁每噸公里總成本；除第六組外，其余參數可以用于計算江海中轉時每噸公里總成本。

江海中轉貨物轉換數量()；中轉港貨物轉換系數；中轉港口作業效率；中轉港口每日變動成本；中轉港口資金每日成本；中轉港口機會成本的規范性系數。

模型參數見表2。

表2 江海聯運模型參數表

通過表2參數可以比較某類貨物在三種江海聯運方式下的噸公里成本。

（2）綜合效用的參數變量。四個目標權重參數變量()分別表示費用權、時間權、安全權和穩定權參數變量，參數值由專家打分給出。

（3）江海聯運網絡的港口參數。港口網絡由江港和海港構成，所形成的OD距離見表3。另外，沿海港口、沿江港口之間的距離見表4和表5。

表3 海港-江港距離表 單位：海里

表4 海港間距離表 單位：海里

表5 江港間距離表 單位：海里

2.2 計算過程

假設一批雜貨從廈門港運到武漢港，采用方案1，在寧波舟山港一程船中轉后用江海直達船到達武漢，輸入參數后得到江海聯運費大約為0.45元/t·km，運輸時間為32h，安全和穩定值分別為3和2。此外，還設計了3種江海聯運方案，見表6。

表6 廈門到武漢航線方案

每個方案都用模型1得到江海聯運費用和時間，并根據主觀估計得到安全和穩定值，然后用所有方案得到的目標值構建決策矩陣，見表7。

表7 廈門到武漢目標值矩陣

請當地專家對不同方案的目標給定權重值，此案例中各專家給各個方案的目標值權重是一樣的，即用一個權重最后評價各方案的效用，得到的權重分數和權重值見表8，將表7進行規范化后計算各方案效用值，結果見表9。

表8 廈門到武漢目標權重

表9 廈門到武漢各方案的效用值

根據計算結果選擇效用值最大的第一個方案。仿真運行模型1 000次，計算結果為：廈門經寧波舟山港中轉再直達武漢。

2.3 優化結果

將港口網絡中的每一條線路，仿照廈門至武漢的計算過程進行反復迭代，得出每條線路的優化結果，并找到所有寧波舟山港能被選中完成江海聯運服務的啟運港和目的港，形成聯運網絡，見表10。表中行和列表示啟運地或目的地，文字表示可行路線。網絡由三部分構成：

表10 寧波舟山港江海聯運優化網絡表

（1）所有寧波舟山港為起運地或到達地時，江海聯運都經過寧波舟山港。另一端點為寧波舟山港與蕪湖間任一港口時直達，為銅陵與沙市間任一港口時經南京中轉，為枝城與重慶間任一港口時由武漢中轉。

（2）從福州、廈門兩港到池州與漢口間任一港口時經寧波舟山港中轉，到宜昌與重慶間任一港口時經寧波舟山港和武漢兩次中轉。反向線路也成立。

（3）溫州、汕頭、黃埔、湛江、海口、八所、北海和防城港到馬鞍山與漢口間任一港口時均經過寧波舟山港，到宜昌與重慶間任一港口時先經寧波舟山港后經武漢中轉。反向線路也成立。

3 結語

本文綜合考慮航道、港口、船舶等江海聯運的關鍵要素，圍繞江海直達、江海中轉和江海直駁的不同成本構成分別建立模型，并進一步構建出效用選擇模型和網絡優化模型，而后解析模型框架，對仿真流程、模塊、參數、應用等方面予以分析，最后以寧波舟山港為例進行模型應用，獲得了經過寧波舟山港的所有可行的江海聯運線路。所構建的模型能為各港口發展江海聯運業務提供有力支持，不但可用于輔助決策，判斷港口能否滿足特定的江海聯運需求；而且可提供動態支持，獲得港口可能的江海聯運市場范圍。

本文對三種江海聯運模式的成本以及方案效用的選擇進行了較為全面的研究，但關于江海聯運的網絡優化問題，未來還可綜合考慮聯運貨物品類、碳排放等不確定因素，進行進一步探究。