封學(xué)軍，王 偉，張 艷

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

綜合運輸體系、多式聯(lián)運系統(tǒng)以及海港建設(shè)的快速發(fā)展導(dǎo)致海港腹地的動態(tài)化，加劇了海港間對內(nèi)陸腹地的激烈爭奪;隨著海港對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的支撐和引領(lǐng)作用為更多人所認(rèn)識，在內(nèi)陸地區(qū)實現(xiàn)除船舶裝卸以外的海港功能成為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的迫切要求。在這兩股需求和動力的作用下，作為海港參與腹地競爭的主要手段和內(nèi)陸經(jīng)濟發(fā)展的推進器，無水港近年來發(fā)展迅速。海港群-無水港物流系統(tǒng)正成為區(qū)域物流的核心，并表現(xiàn)出顯著的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化特征。截至2011年底，中國已建或在建的無水港超過100家，僅天津港主導(dǎo)建設(shè)的無水港就超過20家，若加上其他有顯著無水港特色的公路物流港、鐵路物流樞紐，數(shù)量則更加驚人。這些無水港的建設(shè)在緩解港口發(fā)展矛盾、支撐地方經(jīng)濟發(fā)展和協(xié)調(diào)港口供應(yīng)鏈有序運營中發(fā)揮著重要作用，同時，亦為解決港口-腹地關(guān)系提供了新的思路。

國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對區(qū)域海港群-無水港系統(tǒng)布局問題進行了相關(guān)研究。Hoyle［1］在對東非海港研究的基礎(chǔ)上，修訂了Bird海港發(fā)展的任意港模式，總結(jié)出6個階段的東非海港發(fā)展模式。Notteboom等［2］在此基礎(chǔ)上提出了海港發(fā)展的第4階段——區(qū)域化階段，認(rèn)為到該階段，海港發(fā)展主要集中于腹地拓展。Rodrigue等［3］將腹地的概念進一步擴展為陸向腹地和海向腹地兩個方面。Cemt［4］認(rèn)為內(nèi)陸腹地資源勢必成為海港在激烈的市場競爭中增強競爭力的基石，同時，多式聯(lián)運模式的迅速發(fā)展帶動了內(nèi)陸集裝箱設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，內(nèi)陸集裝箱設(shè)施的建設(shè)又促進了集裝箱向內(nèi)陸發(fā)展。20世紀(jì)80年代至90年代初，集裝箱經(jīng)營者已經(jīng)開始在歐洲、北美和亞洲內(nèi)陸建立復(fù)雜的集裝箱內(nèi)陸運輸網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可以認(rèn)為是無水港的初始模式——集裝箱內(nèi)陸無水港。

20世紀(jì)90年代后關(guān)于無水港的研究發(fā)展較快。國際上，Notteboom等［2］根據(jù)港口區(qū)域化的理念，認(rèn)為是由于集裝箱化、供應(yīng)鏈管理和內(nèi)陸無水港的發(fā)展而形成了港口動態(tài)腹地;Violeta等［5-6］指出，在集裝箱船舶大型化的背景下，無水港成為連接港口與內(nèi)陸腹地的重要環(huán)節(jié)，無水港以多式聯(lián)運的模式將海港向內(nèi)陸擴展，有助于緩解海港擁擠的運輸狀況，并分析了無水港建設(shè)的影響因素;Heaver等［7-12］針對在無水港建設(shè)中港口的職責(zé)和無水港的空間布局等提出了不同設(shè)想;Hua［13］應(yīng)用多屬性決策方法以及多目標(biāo)決策方法分別對美國德克薩斯州的內(nèi)陸港選址問題和內(nèi)陸港投資決策問題進行了研究;Xu［14］提出了以離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)、以營運贏利為目標(biāo)函數(shù)的內(nèi)陸集裝箱選址模型;Gendron等［15］提出了建立雙層顧客流的一個空箱站選址模型。在我國，席平等［16］根據(jù)國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，結(jié)合西安實際情況，提出建設(shè)西安無水港的設(shè)想;關(guān)峰［17］分析了我國無水港未來的發(fā)展模式及面對的問題;王紅衛(wèi)［18］將無水港與集裝箱貨運站、堆場進行比較，并從貨主成本著手，利用離散選擇理論推導(dǎo)了無水港選址模型;馬文祥［19］介紹了天津港進行無水港選址的元胞自動機模擬程序;蔡玉鳳等［20］分析了我國無水港的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了5種無水港與海港的聯(lián)動發(fā)展模式。綜合來看，由于無水港發(fā)展時間不長，至今還沒有一個布局模型來幫助內(nèi)陸政府、沿海港口和經(jīng)營者建立兼顧效率和吞吐量的無水港網(wǎng)絡(luò)。

無水港建設(shè)是在海港之間和營運人之間競爭合作關(guān)系的大環(huán)境下實施的，區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)的布局取決于可供選擇的區(qū)位、周邊集疏運條件和其引力范圍內(nèi)的物流需求量等眾多因素。為了有效地解決無水港選址問題，必須系統(tǒng)地研究海港、貨主、貨運企業(yè)和無水港之間的供需選擇行為。本文以貨主為研究對象，用概率選擇模型描述貨主選擇無水港服務(wù)行為的概率，基于此，提出在明晰無水港和海港之間互動關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)布局優(yōu)化模型及其求解算法，在降低區(qū)域物流成本的同時保障無水港系統(tǒng)的有效運行。

1 區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)布局優(yōu)化模型

區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)是由點要素(包括海港、預(yù)選無水港、腹地需求點即貨源點)、線要素(由腹地需求點與無水港間、無水港與海港間以及腹地需求點與海港間的物流通道構(gòu)成)和面要素(所在區(qū)域內(nèi)的物流系統(tǒng))三者構(gòu)成，其中預(yù)選無水港包括已有和新建無水港，如圖1所示。

圖1 區(qū)域海港-無水港網(wǎng)絡(luò)流線Fig.1 Network flow pattern of regional seaport-dry port system

1.1 模型假設(shè)

構(gòu)建單貨種、多級混合結(jié)構(gòu)的海港-無水港網(wǎng)絡(luò)配置優(yōu)化模型，假設(shè)具有如下條件:

a.考慮以出口外向型為主導(dǎo)的區(qū)域，僅考慮出口物流的布局決策問題。

b.已知網(wǎng)絡(luò)中貨源發(fā)生點和海港的位置、各點的原始發(fā)生量和原始吸引量以及各點對之間的原始物流量;已知備選無水港址、通道的位置、最大容量，預(yù)先確定原始運輸網(wǎng)絡(luò)。

c.已知運輸、倉儲等物流費率不受市場波動影響，且運輸費用為線性函數(shù)，倉儲費用受到無水港規(guī)模的影響。

d.各備選無水港和通道的基建費用由固定費用和變動費用構(gòu)成，費率已知。

e.假設(shè)貨物或物流服務(wù)是同質(zhì)的，即具有相同的價值和裝運條件，對物流鏈具有同樣的選擇行為，物流鏈的選擇遵循效用最大準(zhǔn)則。

f.假設(shè)海港與無水港的選擇行為是一個海港可以選擇建設(shè)多個無水港，而無水港與海港的選擇行為分為兩類:(a)一個無水港可選擇多個海港(無水港共用);(b)一個無水港只可選擇一個合作海港(獨占)。

g.假設(shè)貨物從貨源發(fā)生點至海港最多只經(jīng)過一個無水港。

另外，無水港布局優(yōu)化考慮新建無水港和已有無水港共存的狀況。

1.2 模型的構(gòu)建

海港-無水港系統(tǒng)優(yōu)化問題可用一個多階段優(yōu)化問題來描述:(a)確定無水港的數(shù)量和選址;(b)無水港選擇合作海港;(c)腹地貨物選擇合適無水港;(d)無水港至海港的運輸線路安排?？紤]無水港共用和無水港獨占兩種情況，構(gòu)建雙層規(guī)劃模型:上層規(guī)劃模型確定無水港的數(shù)量、選址、規(guī)模以及與海港間的互動關(guān)系;下層規(guī)劃模型為貨主選擇物流服務(wù)鏈以及服務(wù)無水港的行為。

1.2.1 無水港共用

a.上層規(guī)劃模型:以區(qū)域海港群-無水港系統(tǒng)總運輸成本最小為目標(biāo)。模型如下:

其中

式中:Z——區(qū)域海港群-無水港系統(tǒng)總運輸成本;Qijk——貨源點i的貨物至海港j經(jīng)過無水港k的貨運量;Cij，Cik，Ckj——貨源點i與海港j、貨源點i與無水港k、無水港k與海港j之間的單位運輸費率;Qk——無水港k的中轉(zhuǎn)量;lij，l1ik，l2kj——貨源點i與海港j、貨源點i與無水港k、無水港k與海港j之間的運輸距離;m——預(yù)選無水港的數(shù)量;Sj——海港j的作業(yè)需求量;Qjk——海港j經(jīng)過無水港k的貨運需求量;a1，a2——系數(shù)，可采用問卷調(diào)查統(tǒng)計分析結(jié)合極大似然估計法標(biāo)定，也可采用層次分析法(AHP)確定各類效用的權(quán)重，由最小二乘法擬合得到;θ1，θ2——無水港至海港作業(yè)、海港作業(yè)的規(guī)模效應(yīng)系數(shù);max Fjk——無水港k至海港j的貨運量滿足無水港k至海港j通道的能力限制;max Pj——海港j的作業(yè)量滿足海港j的能力限制，Wk——無水港k中轉(zhuǎn)量滿足無水港k的能力限制;φjk——海港j的貨物是否經(jīng)過無水港k，如經(jīng)過φjk=1，不經(jīng)過則φjk=0。

b.下層規(guī)劃模型:

其中

式中:Pijk——貨源點i的貨物至海港j且經(jīng)過無水港k的概率;Vijk——貨源點i的貨物至海港j經(jīng)過無水港k的效用;Rijk——貨源點i的貨物至海港j經(jīng)過無水港k的廣義費用，受無水港k的規(guī)模效應(yīng)的影響;Qi——貨源點i的貨運需求量。

1.2.2 無水港獨占

無水港獨占條件下的上、下層規(guī)劃模型與無水港共用條件下的式(1)一致，只增加一個約束條件:

2 基于貪心法與遺傳算法的求解算法

區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)布局優(yōu)化的特點是，在已知無水港備選點和通道備選線路的情況下，確定區(qū)域海港-無水港網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點與線路的數(shù)量、規(guī)模、地址，且運輸、庫存、建設(shè)費用的系統(tǒng)成本最小。基于本文建立的雙層規(guī)劃模型的非凸性、非連續(xù)性等特點，決定了用常規(guī)的優(yōu)化方法不能有效地求解該問題。本文將遺傳算法與貪心法相結(jié)合對區(qū)域海港-無水港網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題進行求解。

2.1 初始解的確定

采用貪心法求解模型初始解的基本思路為:從問題的某一個初始解出發(fā)逐步逼近給定目標(biāo)，以盡可能快地求得更好的解。當(dāng)達(dá)到某算法中某一步不能再繼續(xù)前進時，算法停止。該算法的問題是不能保證求得的最終解是最佳的。若某個問題可以通過貪心法來解決，那么貪心法一般是解決這個問題的最好算法。由于貪心法的高效性及其所求得的答案比較接近最優(yōu)結(jié)果，也可以將貪心法用作輔助算法或者直接解決一些要求結(jié)果不特別精確的問題。

2.2 區(qū)域海港-無水港網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化的遺傳算法

遺傳算法基本思路如下:確定上層決策變量，即區(qū)域海港-無水港網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案(無水港候選地址和通道的規(guī)模、布局方案)的編碼方案，隨即產(chǎn)生初始群體，群體中各個體對應(yīng)不同的無水港網(wǎng)絡(luò)布局方案;分析區(qū)域海港-無水港網(wǎng)絡(luò)變遷對區(qū)域貨運需求及其分布的影響，進而產(chǎn)生新的區(qū)域貨運OD;通過求解下層模型得到每一個布局方案下貨運需求量對物流鏈的選擇方案及其對應(yīng)的區(qū)域海港-無水港分配結(jié)果，進而可以計算上層目標(biāo)函數(shù)值，從而得到各個體的適應(yīng)度。對這一群體進行選擇、交叉、變異遺傳運算，若干代后，算法收斂于最優(yōu)無水港規(guī)劃方案。在區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)優(yōu)化中，采用實數(shù)編碼，適應(yīng)度函數(shù)采用上層問題的目標(biāo)函數(shù)，約束條件采用罰函數(shù)法;遺傳操作采用基于排名的輪盤式選擇算子，交叉操作采用單點算術(shù)交叉。針對約束條件在適應(yīng)度函數(shù)中加入懲罰因子進行處理。具體求解步驟如圖2所示。

圖2 求解算法框架Fig.2 Algorithm framework

3 福建省沿海港口群-無水港網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化

假設(shè)福建省沿海港口群與國內(nèi)沿海主要港口間存在競爭合作關(guān)系，區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)由需求點-無水港-海港及其之間的通道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，設(shè)海港群有13個海港(天津港、大連港、上海港、寧波港、福州港、廈門港、青島港、廣州港、深圳港、汕頭港、?？诟邸⒄拷?、南寧港)，10個候選無水港(南昌、長沙、三明、贛州、龍巖、南平、九江、梅州、鷹潭、上饒)，9個貨運需求點(福州、廈門、莆田、三明、泉州、漳州、南平、寧德、龍巖)。10個候選無水港為區(qū)域與海港的物流轉(zhuǎn)運樞紐，每個候選無水港均有規(guī)模限制。海港群服務(wù)區(qū)域的9個貨運需求點(小區(qū))其需求量已知。為了提高整個地區(qū)的物流效率和效益，需要對無水港進行合理選址、布局優(yōu)化方案的設(shè)計，構(gòu)建區(qū)域海港-無水港網(wǎng)絡(luò)，使各級無水港分工協(xié)作、協(xié)調(diào)優(yōu)化，拓展海港腹地和貨源，實現(xiàn)區(qū)域物流配送成本、運作成本最小。

福建省各地市與國內(nèi)主要海港之間進出口總量如圖3所示?？紤]到海港的區(qū)位、交通、航線密度、口岸作業(yè)效率、服務(wù)水平各不相同，定義一個反映海港區(qū)位交通條件、作業(yè)效率、服務(wù)水平等因素的綜合性競爭力指標(biāo)——海港吸引力mk。假設(shè)從需求點到海港或者

圖3 福建省需求點(各地市)與海港之間進出口量ODFig.3 Import and export OD between demand points in Fujian Province and various seaports

從無水港到海港的單位物流成本為

式中:c'jk——修正后的從需求點或從無水港j到海港k的單位物流成本;cjk——從需求點或從無水港j到海港k的初始單位物流成本。

在下層規(guī)劃模型中Logit模型參數(shù)采用最小二乘法確定，見圖4。根據(jù)圖4可以確定a取值為324.7?？紤]無水港的規(guī)模效益，θ取0.1。此外，本文實例中成本和作業(yè)量均取無量綱值。

圖4 Logit模型參數(shù)值的確定Fig.4 Determination of Logit model parameter values

3.1 無水港共用

采用貪心法求解模型的初始解，方案的優(yōu)化采用遺傳算法，遺傳算子的選擇概率取0.8，交叉概率取0.5，變異概率取0.01，最大迭代次數(shù)取200，優(yōu)化運行過程如圖5(a)所示。當(dāng)200次迭代后趨于最優(yōu)解，生成如表1和圖6(a)所示的優(yōu)化方案，在沒有建設(shè)無水港的情況下總成本為1.30839873×108，初始方案的目標(biāo)函數(shù)值(總成本)為2.4182488×107，最優(yōu)解目標(biāo)函數(shù)值(總成本)為1.000304×107，表明算法具有較好的收斂性。

圖5 優(yōu)化過程Fig.5 Optimization process

圖6 無水港布局方案Fig.6 Dry port deployment scheme

3.2 無水港為海峽西岸港口群獨占

采用貪心法求解模型的初始解，方案的優(yōu)化采用遺傳算法，遺傳算子的選擇概率取0.8，交叉概率取0.5，變異概率取0.01，最大迭代次數(shù)取200，優(yōu)化運行過程如圖5(b)所示，當(dāng)200次迭代后趨于最優(yōu)解，生成如表1和圖6(b)所示的優(yōu)化方案。在沒有建設(shè)無水港的情況下的總成本為1.30 839873×108，初始方案的目標(biāo)函數(shù)值(總成本)為2.827592×107，最優(yōu)解目標(biāo)函數(shù)值-總成本為1.194766×107，表明算法具有較好的收斂性。

由表1和圖6可以看出，海峽西岸港口群無水港的建設(shè)極大地提升了其對腹地貨源的吸引力，福建省腹地口岸服務(wù)需求大部分被吸引到海峽西岸港口群，大幅降低了區(qū)域進出口物流成本，提升了服務(wù)效率，特別是當(dāng)無水港為海峽西岸港口群獨占時，福建省腹地的口岸服務(wù)需求幾乎全部被吸引過去。

表1 迭代200次以后的優(yōu)化方案Table 1 Optimization scheme after 200 times of iteration

4 結(jié) 語

從海港、無水港相互關(guān)系入手，構(gòu)建區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)布局優(yōu)化模型，并提出高效求解算法。本文僅在前人研究的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)科學(xué)和復(fù)雜科學(xué)的角度對區(qū)域海港-無水港系統(tǒng)進行了較為系統(tǒng)的分析，目的是為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)。

［1］HOYLE B.Seaports and development:the experience of Kenya and Tanzania［M］.London:Gordon and Breach Science Publishers，1983.

［2］NOTTEBOOM T E，RODRIGUE J P.Port regionalization:towards a new phase in port development［J］.Maritime Policy＆Management，2005，32(3):297-313.

［3］RODRIGUE J P，NOTTEBOOM T E.Foreland-based regionalization:integrating intermediate hubs with port hinterlands［J］.Research in Transportation Economics，2010，27(2):19-29.

［4］CEMT S.Land access to seaports［C］//Round Table 113:European Conference of Ministers of Transport.Paris:OECD，2001:15-27.

［5］VIOLETA R，JOHAN W.The dry port concept:connecting container seaports with the hinterland［J］.Journal of Transport Geography，2009，17:338-345.

［6］LEVEQUE P，ROSOV.Dry port concept for seaport inland access with intermodal solutions［D］.Goteborg:Chalmers University of Technology，2002.

［7］HEAVER T，MEERSMAN H.Do mergers and alliances influence European shipping and port competition?［J］.Maritime Policy and Management，2000，27(4):363-374.

［8］HEAVER T，MEERSMAN H.Co-operation and competition in international container transport:strategies for ports［J］.Maritime Policy and Management，2001，28(3):293-306.

［9］NOTTEBOOM T E.Consolidation and contestability in the European container handling industry［J］.Maritime Policy and Management，2002，29:257-270.

［10］NOTTEBOOM T E，WINKELMANS W.Structural changes in logistics:how will port authorities face the challenge?［J］.Maritime Policy and Management，2001，28(1):71-89.

［11］ROBINSON R.Ports as elements in value-driven chain systems:the new paradigm［J］.Maritime Policy and Management，2002，29(3):241-256.

［12］VAN KLINK H A，VAN DENBERG G.Gateways and intermodalism［J］.Journal of Transport Geography，1998(6):1-9.

［13］HUA Yang.Dry port location model under trans Texas corridor concept［D］.Texas，Austin:the University of Texas，2005.

［14］XU Yuanquan.A discrete choice based facility location modal for inland container depot［D］.West Virginia，Morgantown:West Virginia University，1999.

［15］GENDRON B，POTVIN J Y.A tabu search with slope scaling for the multi-commodity capacitated location problem with balancing requirements［J］.Ann Operations Res，2003，122:193-217.

［16］席平，嚴(yán)國榮，曹鴻.建立中國西部國際港口:“西安陸港”的設(shè)想［J］.唐都學(xué)刊，2001，17(4):15-18.(XI Ping，YAN Guorong，CAO Hong.Assumption on establishment of international port in western China:“Xi’an Dry Port”［J］.Tangdu Journal，2001，17(4):15-18.(in Chinese))

［17］關(guān)峰.無水港發(fā)展趨勢及其母港堆場規(guī)模結(jié)構(gòu)研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2008.

［18］王紅衛(wèi).“無水港’”建設(shè)及離散選擇理論在選址中的應(yīng)用［D］.上海:上海海事大學(xué)，2004.

［19］馬文祥.天津港發(fā)展無水港的戰(zhàn)略研究［D］.天津:天津大學(xué)，2009.

［20］蔡玉鳳，陳寧.無水港與沿海港口聯(lián)動發(fā)展研究［J］.中國港口，2009，10(2):26-31.(CAI Yufeng，CHEN Ning.Research on linkage development of dry port and coastal port［J］.China Port，2009，10(2):26-31.(in Chinese))