

圖1 依序累加與直航成本的比較
軸輻網(wǎng)絡(luò)求解問題屬于二次指派,由于優(yōu)化方程具有非凹性,故無法保證所求的解為全局最佳解。本研究將采用O’Kelly所提出的啟發(fā)式解法HEUR[22],不考慮以線性化的方法求解。具體方法為列舉所有的軸心港組合,并在每一種軸心港中,指派集貨港給距離最近的樞紐港,最后計(jì)算運(yùn)輸總成本,選擇總成本最小的組合作為最優(yōu)解。
1.2 數(shù)據(jù)來源和處理
本研究的原始數(shù)據(jù)源自歐盟統(tǒng)計(jì)局(Eurostat),為了減少數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性和不可獲得性,本研究建立了非對(duì)稱成比例模型來獲得港口之間的集裝箱運(yùn)輸O-D數(shù)據(jù)。模型假設(shè)單一港口與其他港口之間的運(yùn)輸量是不對(duì)稱的,也就是說,港口的進(jìn)口量和出口量是不相同的。其次,港口i從另一港口j的進(jìn)口量與港口i從另一港口j所在國(guó)家進(jìn)口量成正比,也與另一港口j向港口i所在國(guó)家的出口量占港口j所在國(guó)家總出口量的比例成正比,反之亦然。研究對(duì)每個(gè)港口進(jìn)出口的集裝箱量分別進(jìn)行了計(jì)算,分別得到東向(西北歐-中國(guó))和西向(中國(guó)-西北歐)集裝箱運(yùn)輸數(shù)據(jù)。模型公式可以用方程(6)和(7)表示:

(6)

(7)

非對(duì)稱成比例模型以現(xiàn)有港口向不同國(guó)家進(jìn)出口的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過模型進(jìn)行分解,得到港口對(duì)港口的運(yùn)輸數(shù)據(jù),相對(duì)與其他的重力學(xué)模型[27-28]和貨物轉(zhuǎn)化模型[29],具有更高的有效性和可行性。
1.3 研究區(qū)域
在全球三大集裝箱東西運(yùn)輸航線中,亞歐航線是運(yùn)輸量最大也是最重要的的一條。中國(guó)的集裝箱運(yùn)輸在近年來的發(fā)展突飛猛進(jìn),中歐之間的集裝箱運(yùn)輸也呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。研究區(qū)域選擇中國(guó)和西北歐的共計(jì)36個(gè)集裝箱港口。本研究以港口為單位而非港區(qū),當(dāng)?shù)貐^(qū)具有多個(gè)港區(qū)時(shí),將各港區(qū)集裝箱吞吐量合并單一港口處理。港口分布方面,中國(guó)12個(gè),西北歐24個(gè)。
2 模型結(jié)果
2.1 軸輻網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性
相對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸形式,軸輻網(wǎng)絡(luò)具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)行模型進(jìn)行模擬,在不同的折扣系數(shù)和不同的樞紐港個(gè)數(shù)情況下,選擇不同折扣系數(shù)網(wǎng)絡(luò)總成本最小值,結(jié)果表明軸輻網(wǎng)絡(luò)總運(yùn)輸成本低于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線網(wǎng)絡(luò)(表1)。雙向的總成本中,當(dāng)折扣系數(shù)a為0.5時(shí),總成本為55 709×106TEU·n mile,是傳統(tǒng)直線網(wǎng)絡(luò)總成本的53.64%,而折扣系數(shù)從0.5增加到0.9時(shí),總成本分別為66 063×106,76 404×106,86 710×106和99 236×106TEU·n mile,都低于傳統(tǒng)直線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸?shù)目偝杀荆杀竟?jié)約率分別為63.61%,73.57%,83.49%,95.55%。在東向和西向航線的獨(dú)立分析中,軸輻網(wǎng)絡(luò)形態(tài)總成本也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì),相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總成本,軸輻網(wǎng)絡(luò)總成本僅占53%~95%。

表1 軸輻網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總成本對(duì)比
2.2 樞紐港個(gè)數(shù)優(yōu)化
樞紐港個(gè)數(shù)的選擇影響整個(gè)軸輻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),也影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸總成本。通過模型模擬,不同樞紐港個(gè)數(shù)情況下,網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸總成本呈現(xiàn)“U”型變化(圖2)。當(dāng)樞紐港個(gè)數(shù)p增加時(shí),運(yùn)輸總成本先減小然后再增加。以西向航線為例,當(dāng)折扣系數(shù)為0.5和0.6時(shí),在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置7個(gè)樞紐港,可以使得運(yùn)輸總費(fèi)用達(dá)到最小,增加或者減少樞紐港個(gè)數(shù),運(yùn)輸總費(fèi)用都會(huì)增加;當(dāng)折扣系數(shù)為0.7時(shí),在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置6個(gè)樞紐港,運(yùn)輸總費(fèi)用達(dá)到最??;當(dāng)折扣系數(shù)0.8和0.9時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只需設(shè)置5個(gè)樞紐港,運(yùn)輸總費(fèi)用達(dá)到最小。東向航線中,折扣系數(shù)從0.5增加到0.7時(shí),最小化運(yùn)輸成本時(shí)樞紐港設(shè)置的個(gè)數(shù)都為6個(gè);折扣系數(shù)從0.8增加到0.9時(shí),樞紐港設(shè)置的個(gè)數(shù)都為5個(gè)實(shí)現(xiàn)總成本最小化。對(duì)雙向航線綜合考慮,則折扣系數(shù)從0.5增加到0.6時(shí),最小化運(yùn)輸成本,樞紐港設(shè)置的個(gè)數(shù)都為7個(gè);折扣系數(shù)從0.7增加到0.9時(shí),要實(shí)現(xiàn)總成本最小化,樞紐港設(shè)置的個(gè)數(shù)都為6個(gè)。

圖2 不同樞紐港個(gè)數(shù)不同方向的總成本變化曲線
2.3 樞紐港位置選擇
表2-4分別是東向,西向和雙向航線中,樞紐港位置的模擬結(jié)果。在東西兩個(gè)區(qū)域中,樞紐港的位置選擇有一定的差別。在中國(guó)的樞紐港選擇中,香港,高雄和上海成為不變的選擇。在東向航線中,當(dāng)模型中樞紐港設(shè)置為3個(gè)時(shí),香港和高雄成為中國(guó)的樞紐港;而同樣情況下,西向航線中,上海和香港則為樞紐港的最優(yōu)位置;同樣在雙向航線中,上海和香港是最優(yōu)化的樞紐港。而當(dāng)模型中樞紐港設(shè)定為4個(gè)或者更多時(shí),香港,高雄和上海則一直作為中國(guó)的最優(yōu)化樞紐港選擇。
而在西北歐,樞紐港的選擇呈現(xiàn)多樣性。當(dāng)模型中樞紐港設(shè)定為3個(gè)時(shí),西北歐的澤布呂赫港成為東向、西向和雙向航線中的最優(yōu)港;當(dāng)樞紐港個(gè)數(shù)增加到4時(shí),東向和雙向航線中,無論折扣系數(shù)增減,選擇澤布呂赫港和漢堡港都是最優(yōu)解;而在西向航線中,當(dāng)折扣系數(shù)為0.5~0.8時(shí),澤布呂赫港漢堡港是最優(yōu)解,當(dāng)折扣系數(shù)升到0.9時(shí),最優(yōu)的樞紐港則變?yōu)槔瞻⒏柛酆蜐刹紖魏崭?。?dāng)樞紐港設(shè)置更多時(shí),澤布呂赫港和漢堡港則一直作為西北歐樞紐港的最優(yōu)選擇,同時(shí)其他港口,如鹿特丹港, 安特衛(wèi)普港, 費(fèi)利克斯托港、勒阿弗爾港和南安普敦港也會(huì)成為樞紐港的選擇。
不同方向的航線中,樞紐港的位置大致相同,但模型中設(shè)置的樞紐港個(gè)數(shù)為4和6個(gè)時(shí),東西向航線和雙向航線中,樞紐港位置會(huì)表現(xiàn)出一定的差別,如樞紐港個(gè)數(shù)為6個(gè)時(shí),東向航線樞紐港組合為漢堡港,澤布呂赫港,南安普敦港,香港,高雄港和上海港,或者漢堡港,澤布呂赫港,勒阿弗爾港,香港,高雄港和上海港。而西向航線的樞紐港則為漢堡港,澤布呂赫港,勒阿弗爾港,香港,高雄港和上海港或者漢堡港,鹿特丹港,澤布呂赫港,勒阿弗爾港,香港和上海港。在雙向航線中,最優(yōu)化樞紐港組合為漢堡港,澤布呂赫港,勒阿弗爾港,香港,高雄港和上海港。

表2 東向航線樞紐港位置及最小化成本數(shù)1)
根據(jù)模型假設(shè),樞紐港確定后,其他港口將被配置到最近的樞紐港,而且只能配置到一個(gè)樞紐,因此選擇了樞紐港后,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也就確定。以雙向航線為例,當(dāng)折扣系數(shù)為0.9,樞紐港個(gè)數(shù)為6時(shí),整個(gè)集裝箱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。漢堡港作為德國(guó)最大的集裝箱港口,成為區(qū)域集裝箱的樞紐港,不來梅港成為其集貨港;比利時(shí)的澤布呂赫港則被配置了臨近的荷蘭,英國(guó),比利時(shí)等國(guó)的港口;法國(guó)的勒阿弗爾港作為樞紐港,則周邊愛爾蘭,英國(guó)西部,法國(guó)的港口配置為其集貨港;香港作為華南的樞紐港,深圳和廣州配置成為集貨港,高雄港被配置了臺(tái)中港和基隆港,同時(shí)廈門港成為其集貨港;位于長(zhǎng)三角的上海港除了服務(wù)于本區(qū)域的寧波港外,還輻射到了環(huán)渤海的天津港,大連港和膠州半島的青島港。在其他的樞紐港個(gè)數(shù)選擇情況下,集貨港配置和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。

表3 西向航線樞紐港位置及最小化成本數(shù) 1)

表4 雙向航線樞紐港位置及最小化成本數(shù)1)

圖3 中國(guó)-西北歐集裝箱航線配置
3 結(jié) 論
中國(guó)和西北歐之間的集裝箱運(yùn)輸正呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),這刺激航運(yùn)企業(yè)投入更多資源爭(zhēng)奪集裝箱運(yùn)輸市場(chǎng),更大型船舶用來作為國(guó)際集裝箱定期班輪運(yùn)載工具,從而實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。船舶大型化使得集裝箱班輪只能??坑邢迬讉€(gè)樞紐港,在樞紐港通過轉(zhuǎn)運(yùn)將貨物運(yùn)往支線港,航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)軸輻網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。本文以O(shè)’Kelly的航空軸輻網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ),依據(jù)海運(yùn)特點(diǎn),建立了海運(yùn)軸輻網(wǎng)絡(luò)模型,優(yōu)化國(guó)際集裝箱班輪航線網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)建立非對(duì)稱成比例模型,來分解和計(jì)算不同港口之間的O-D數(shù)據(jù)作為模型計(jì)算的數(shù)據(jù)來源。最后選擇中歐36個(gè)集裝箱港口,優(yōu)化集裝箱定期班輪的航線網(wǎng)絡(luò)。研究主要結(jié)論如下:
1)相對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),軸輻網(wǎng)絡(luò)明顯減少港口體系的運(yùn)輸總成本,不同折扣系數(shù)條件下,軸輻網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸成本是傳統(tǒng)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)形態(tài)總成本的53%~95%,表明了軸輻網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)效益。
2)在不同樞紐港個(gè)數(shù)條件下,軸輻網(wǎng)絡(luò)總成本曲線呈現(xiàn)“U”字形,隨著樞紐港個(gè)數(shù)的增加,網(wǎng)絡(luò)總運(yùn)輸成本減小,當(dāng)樞紐港個(gè)數(shù)達(dá)到特定值,網(wǎng)絡(luò)總運(yùn)輸成本最小,然后隨著樞紐港個(gè)數(shù)的增加網(wǎng)絡(luò)總運(yùn)輸成本又呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。當(dāng)樞紐港個(gè)數(shù)在6或7個(gè)時(shí),網(wǎng)絡(luò)總體運(yùn)輸成本實(shí)現(xiàn)最小化。
3)樞紐港位置在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同變化。在中國(guó),香港、高雄和上海是本區(qū)域最優(yōu)的三個(gè)樞紐港,周邊港口都被配置到這三個(gè)樞紐港中;而在西北歐,澤布呂赫港、漢堡港、鹿特丹港、安特衛(wèi)普港、勒阿弗爾港、費(fèi)利克斯托港、南安普敦港都可能成為區(qū)域的樞紐港,承擔(dān)起區(qū)域集裝箱的轉(zhuǎn)運(yùn)功能。
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