周 翔 陳小鴻 董潔霜

（同濟大學交通運輸工程學院1） 上海 200092）

（上海市城市規(guī)劃設計研究院2） 上海 200040）

（上海理工大學管理學院3） 上海 200093）

20世紀80年代，研究者開始關注貨運交通，并提出交通運輸?shù)母灸康氖菍嵤┤撕拓浀挠行У囊苿?Friesz等［1-3］提出了包括承運方的空間價格均衡概念.Guelat等［4］提出網(wǎng)絡均衡與空間價格均衡間的關聯(lián)性，將空間經(jīng)濟、生產(chǎn)力布局和交通運輸系統(tǒng)聯(lián)系在一起，并在90年代提出了一個考慮多貨種多方式，包括路徑和節(jié)點轉(zhuǎn)移廣義費用在內(nèi)的貨運交通戰(zhàn)略規(guī)劃模型［5］，開發(fā)了專用軟件包STAN，且成功應用于如上海國際航運中心港口集疏運系統(tǒng)這樣的大規(guī)模貨運網(wǎng)絡［6］.本文在港口集疏運系統(tǒng)優(yōu)化模型基礎上，采用廣義費用定量化分析集疏運過程中各環(huán)節(jié)引起的各類成本，實現(xiàn)上海國際航運中心的區(qū)域主要港口集疏運系統(tǒng)建模，找出集疏運網(wǎng)絡中的問題，提出優(yōu)化對策.

1 港口集疏運系統(tǒng)的物理描述

1.1 單個港口的集疏運過程

如圖1所示，港口集疏運系統(tǒng)中存在2種貨物運輸：（1）貨物由起點經(jīng)過公路短途運輸轉(zhuǎn)運鐵路或內(nèi)河運輸，或者直接以某一運輸方式運送至港口，然后以海運的運輸方式運送至迄點；（2）貨物由起點通過海運的運輸方式到達港口，以鐵路或內(nèi)河等長距離運輸后經(jīng)公路轉(zhuǎn)運到達迄點，或者直接以某一運輸方式運送至迄點.

圖1 單一港口的集疏運過程

1.2 上海國際航運中心的多核化港口集疏運網(wǎng)絡

上海國際航運中心位于我國沿海及長江2大經(jīng)濟帶的交匯處，處于國際物流與國內(nèi)物流的節(jié)點，是長江三角洲和長江沿線經(jīng)濟發(fā)展的重要依托.因此，面對全球化的國際競爭，上海國際航運中心必然要以區(qū)域資源優(yōu)勢迎接挑戰(zhàn)，積極并主動整合長三角港口資源，形成高效有序、主輔協(xié)作的區(qū)域化港口群，構(gòu)建上海港、寧波-舟山港和蘇州港三港一體的組合樞紐港布局，并逐步完善支線港、喂給港，形成由多個核心編織而成的網(wǎng)絡化綜合集疏運系統(tǒng)，見圖2.

圖2 上海國際航運中心多核編織集疏運網(wǎng)絡

2 港口集疏運系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)建模思路及方法

本文基于上海國際航運中心的主要港口及其集疏運系統(tǒng)特征和市場自主選擇港口運輸?shù)那闆r，采用貨運分析軟件STAN 實現(xiàn)網(wǎng)絡構(gòu)建與計算分析.如圖3所示，以集裝箱為例，腹地生成量是系統(tǒng)建模中的系統(tǒng)集疏運需求量，采用廣義費用最小的目標函數(shù)來計算集裝箱生成量由各腹地向港口的運輸過程中可能選擇經(jīng)過某個港口的箱量和比例.

圖3 區(qū)域港口集疏運需求預測方法

2.2 基于廣義費用最小化的集疏運系統(tǒng)優(yōu)化模型［7］

在綜合運輸網(wǎng)絡路徑選擇中，廣義運輸費用為重要的指標.本文中的廣義運輸費用F包含路段廣義費用Fl和轉(zhuǎn)運樞紐廣義費用Ft.對于港口集疏運系統(tǒng)而言，運輸費用最小化是多式聯(lián)運的目的，即某一次集疏運過程選擇多種運輸方式和路徑.具體數(shù)學模型描述如下.

式中：L為路段集合；T為轉(zhuǎn)運樞紐集合；O為起點集合；D為迄點集合；M為集疏運方式集合；Kp為從O點到D點運送貨種p的路徑集合；v為貨種p在路段l上的流量；c為貨種p在轉(zhuǎn)運樞紐t上的流量；為貨種p在路段l上的單位費用；為貨種p在轉(zhuǎn)運樞紐t上的單位費用；為從O點到D點貨種p的需求量；hk為路徑k上的流量；σlk為路段l與路徑k的關系參數(shù)；σtk為轉(zhuǎn)運樞紐t與路徑k的關系參數(shù).

由廣義費用函數(shù)的形式可以看出，廣義費用函數(shù)是一個單調(diào)遞增的函數(shù)，因此上述模型的目標函數(shù)是凸函數(shù)，約束集也同樣為凸的，所以該模型是一個凸規(guī)劃問題，必有解且有唯一解，模型可以通過Frank-Wolfe方法來求解.

2.3 路段廣義費用函數(shù)

港口集疏運系統(tǒng)的路段廣義費用fl由3個部分構(gòu)成，分別為基本運行的金錢費用、延誤產(chǎn)生的時間費用和其他的社會成本費用.具體如下.

式中：T1（x）為運行費用函數(shù)；T2（x）為時間費用函數(shù)；T3（x）為外部成本費用函數(shù)；θi為各類費用的權(quán)重系數(shù).

2.3.1 函數(shù)形式

各類運輸方式因硬件設施和運輸過程不同而具有不同函數(shù)形式.運行費用函數(shù)T1（x）通過回歸計算法求得，其函數(shù)形式是一元線性方程.時間費用函數(shù)T2（x），公路運行時間使用經(jīng)典BPR 函數(shù)計算，雙線鐵路及水路由于不考慮擁擠問題，故采用物理學中一般的速度位移公式，而對單線鐵路則采用多項式非線性函數(shù)，大量實踐證明它們具有較高的準確性，同時也滿足均衡分配限制條件.對于運輸外部成本費用函數(shù)T3（x），目前還沒有能夠計算所有方式和所有因素的通用方法，本文結(jié)合運輸經(jīng)濟學的已有成果，直接利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)（水路運輸外部成本忽略不計）.各類運輸方式的路段廣義費用模型的基礎函數(shù)形式見表1.

表1 不同運輸方式路段廣義費用函數(shù)的基礎形式

表1中：L公，L鐵，L水分別為公路、鐵路、水路運輸距離；T3公，T3鐵，T3水分別為公路、鐵路和水路運輸?shù)耐獠砍杀?；V公，V鐵，V水分別為公路、鐵路和水路運輸路段的貨物流量；C公，C鐵，C水分別為公路、鐵路和水路運輸路段的通行能力；VOT為貨物時間價值；t0為該路段的零流時間；Sp水，Sp鐵分別為水路和鐵路的運輸速度；θi為各部分費用的權(quán)重系數(shù).

2.3.2 權(quán)重系數(shù)θi

θi是廣義費用函數(shù)各服務屬性的權(quán)重因子，反映某種服務屬性對港口集疏運系統(tǒng)的影響程度.對不同地區(qū)托運不同品類貨物的典型機構(gòu)采集評價這些服務屬性之間重要性關系數(shù)據(jù)，得出服務屬性重要性關系的判斷矩陣，運用層次分析法得出整體評價，從而求得廣義費用函數(shù)中的權(quán)重系數(shù).模式中權(quán)重系數(shù)并非定值，因港口的不同、所在城市的不同、研究目標年的不同而有所差異，得到上海國際航運中心各主要港口的權(quán)重系數(shù)，見表2.

表2 路段廣義費用函數(shù)權(quán)重系數(shù)取值

2.3.3 時間價值系數(shù)VOT

貨物時間價值較為復雜，其因貨種、經(jīng)濟運距和運輸區(qū)間的不同有較大的差異.對于貨物運輸而言，貨主往往把貨物在途時間延長視為一種損失，一方面是因為貨物本身對資金的占用，另一方面是在途時間延長會增加周轉(zhuǎn)及其他環(huán)節(jié)所需的費用.因此，本文將貨物時間價值按下式計算：

式中：VOT為貨物單位時間費用，元／d；P為在途貨物平均價格，元；i為社會折現(xiàn)率，本文取8%.

2.4 轉(zhuǎn)運樞紐廣義費用函數(shù)

2.4.1 轉(zhuǎn)運樞紐的功能

在港口集疏運網(wǎng)絡中，轉(zhuǎn)運樞紐是各種運輸線路或是同一種運輸方式各條運輸線路的匯集點，組織貨流的集散和中轉(zhuǎn)，包括辦理各種手續(xù)、協(xié)調(diào)運輸工具、貨物承運及換裝等生產(chǎn)作業(yè)和相應服務.見圖4.

圖4 港口集疏運系統(tǒng)中轉(zhuǎn)運樞紐的功能

2.4.2 函數(shù)形式

對于公鐵轉(zhuǎn)運樞紐，貨物在樞紐中滯留時間遠遠大于裝卸時間，因此系統(tǒng)可簡化為M／M／1系統(tǒng).對于水陸轉(zhuǎn)運樞紐，需通過碼頭進行裝卸和貨物重組，實現(xiàn)陸運與水運的轉(zhuǎn)換，共有四種形式：公路→水路、鐵路→水路、水路→公路和水路→鐵路.水路→公路的情況下可實現(xiàn)即到即發(fā)，即貨流湊足了就發(fā)車，因此在港滯留時間因子中可忽略等待汽車的時間，只由裝卸時間和服務時間組成；而其他3種方式時，需主要考慮在港或站等待時間，該等待時間由到港班輪（列）的頻率決定，近似等于車頭時距的一半.根據(jù)以上分析，給出轉(zhuǎn)運樞紐廣義費用模型的基礎函數(shù)形式.見表3.

表3 主要轉(zhuǎn)運方式的廣義費用函數(shù)匯總

表3中：Ft為樞紐t的廣義費用；ρ為樞紐t的裝卸費用，元／TEU；λ為樞紐t的倉儲費用，元／（TEU·d）；Vt為樞紐t的通過交通量；Sert為樞紐t的平均服務時間；CAPt為樞紐t的容量；Vboat，Vtrain分別為港口貨物所需的運輸船、火車列車數(shù)；N為規(guī)劃時段內(nèi)的發(fā)船頻率、“五定班列”的開行頻率；lp為規(guī)劃時長.

3 港口集疏運系統(tǒng)分析結(jié)果

3.1 模型分析平臺——貨運規(guī)劃軟件STAN

STAN 是一種用于多貨種多運輸方式分析的專業(yè)軟件系統(tǒng)，多應用于國家或區(qū)域貨物運輸戰(zhàn)略規(guī)劃.該軟件包由40個左右模塊組成，主要分為方案工具、路網(wǎng)編輯、矩陣編輯、函數(shù)編輯、分配程序和分配結(jié)果等幾個組.同時，軟件系統(tǒng)提供了一個綜合且靈活的模型框架，以及最新的算法和強大的計算能力，可以實現(xiàn)對用戶自定義模型的網(wǎng)絡分析.

3.2 港口集裝箱吞吐量

根據(jù)區(qū)域港口集疏運系統(tǒng)模型分析，2020年上海國際航運中心主要樞紐港的集裝箱吞吐總量將達到8530萬TEU，模型中考慮了長三角范圍內(nèi)港口中轉(zhuǎn)吞吐量.該結(jié)果與港口總體規(guī)劃中確定的吞吐規(guī)?？刂苹鞠喾?從吞吐量分布上來看，上海港承擔46%的吞吐量，為上海國際航運中心的主樞紐港，但未來10年的增量主要在于寧波-舟山港和蘇州港，分擔比例也大大提高.因此，上海國際航運中心內(nèi)部將由單核向多核化發(fā)展，呈現(xiàn)出以區(qū)域港口資源服務腹地經(jīng)濟的態(tài)勢.

3.3 港口集疏運量分布及功能

根據(jù)模型分析結(jié)果，航運中心內(nèi)部港口間的集裝箱中轉(zhuǎn)量占吞吐總量的20%，且以蘇州港與上海港之間為主.上海港、寧波-舟山港由航運中心內(nèi)部中轉(zhuǎn)的集疏運量占吞吐比例均在15%以下，呈腹地型樞紐港特征，而蘇州港比例高達40%，將發(fā)揮為主樞紐港進行中轉(zhuǎn)服務功能.

長三角區(qū)域范圍內(nèi)，各省市大多選擇本地港轉(zhuǎn)運，蘇州港、寧波-舟山港的吞吐量均有50%左右來自其本省境內(nèi)，體現(xiàn)了為本地經(jīng)濟服務的運輸樞紐功能.而上海港的集裝箱量則有35%左右來自上海本地，即長三角及長江沿線其他地區(qū)的箱源相比現(xiàn)狀將提高10%～15%，其輻射能力和長江流域中轉(zhuǎn)比例也相應有所提升，這與其國際航運中心的主樞紐服務功能定位相匹配，應相應地拓展其貨運集疏運系統(tǒng)的運輸組織范圍.在蘇州港的集裝箱集疏運量中，兩省一市以外長江流域地區(qū)箱量占比達到了28%，將構(gòu)成其重要的箱源地.

在上海港吞吐量基本達到設計能力的情況下，兩省一市以外的長江流域地區(qū)，選擇上海港、寧波-舟山港和蘇州港進行集裝箱運輸?shù)谋壤謩e為30%，45%和25%，寧波-舟山港將發(fā)揮越來越重要的海港運輸樞紐作用.

因此，隨著上海國際航運中心集裝箱吞吐規(guī)模的集聚發(fā)展，其腹地不斷向本地、本省市以外的中西部內(nèi)陸延伸拓展，腹地中轉(zhuǎn)功能逐步突顯，這一特征以上海港尤為顯著.

3.4 港口集疏運方式結(jié)構(gòu)

長三角地區(qū)是上海國際航運中心的直接腹地，各經(jīng)濟腹地與主要港口之間的運距不超過500km，以公路和內(nèi)河運輸較為適合.在江蘇省內(nèi)與上海市的內(nèi)河航道得以同步協(xié)調(diào)和大力發(fā)展的情況下，未來集疏運結(jié)構(gòu)中內(nèi)河航運將會大大提升，2020年有望達到35%～40%.浙江省境內(nèi)腹地至寧波-舟山港和上海港之間的水水中轉(zhuǎn)主要通過沿海港口實現(xiàn)轉(zhuǎn)運，水路中轉(zhuǎn)的比例可達到15%以上.長江流域的其他地區(qū)為上海國際航運中心的間接腹地（川、渝、鄂、湘、皖、贛等6 省市），將以長江水運為主，鐵路、公路運輸為輔，目前水運占間接腹地集裝箱集疏運的比重在70%以上，其他方式約占30%.

根據(jù)網(wǎng)絡模型分析結(jié)果，2020年上海國際航運中心腹地范圍內(nèi)各種集疏運方式的分擔情況為：公路∶鐵路∶水路=56.8%∶8.6%∶34.6%.

3.5 港口集疏運系統(tǒng)優(yōu)化方向

通過區(qū)域港口集疏運系統(tǒng)分配，得到各樞紐港疊加后的公路、內(nèi)河和鐵路運輸量.其中，由公路承擔的集疏運比例相比現(xiàn)狀均有一定比例下降，特別是上海港，但由于吞吐量的持續(xù)增長，公路集疏運壓力仍很大.

分港區(qū)疏港通道方面，上海港主要貨運通道（繞城高速）的集疏運壓力不斷增大，應通過建立區(qū)域型的公路轉(zhuǎn)運樞紐優(yōu)化調(diào)整集疏運量的網(wǎng)絡分布情況，減少擁堵的發(fā)生；蘇州港應考慮增加疏港通道；寧波-舟山港的公路集疏運壓力將對城市道路系統(tǒng)產(chǎn)生相比現(xiàn)狀更為嚴重的影響，需要增加陸路集疏運通道并提高水路中轉(zhuǎn)比例，否則港口發(fā)展將受到一定的制約.

4 結(jié)束語

世界級國際航運中心的發(fā)展實踐證明，港口貨運集疏運體系建設沒有一個固定模式，但要注重結(jié)合其港口及后方集疏運系統(tǒng)的布局特征，發(fā)揮綜合優(yōu)勢.本文緊緊抓住國際航運中心功能提升過程中樞紐港多核化以及區(qū)域港口一體化發(fā)展的趨勢，初步實現(xiàn)了區(qū)域港口競爭合作的集疏運網(wǎng)絡優(yōu)化模型構(gòu)建思路，將運輸方式選擇和路徑選擇兩個階段聯(lián)合建模，最終既能夠直接實現(xiàn)網(wǎng)絡配流，也能得到腹地對港口樞紐選擇的結(jié)果，即港口-腹地的集疏運量和港口吞吐量.其中，廣義費用函數(shù)的細化和校驗是模型完善的關鍵.

［1］FRIESZ T.L，VITON，P A，TOBIN R L.Economic and computational aspects of freight network equilibrium models：a synthesis［J］.Journal of Regional Science，1985，25（1）：29-49.

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［4］GUELAT J，F(xiàn)LORIAN M.A model for the strategic planning of national freight transportation by rail［J］.Transportation Science，1990，24（1）：1-24.

［5］GUELAT J，F(xiàn)LORIAN M，CRAINIC B C.A multimode multiproduct network assignment model for strategic planning of freight flows［J］.Transportation Science，1990，24（1）：25-39.

［6］張 雁，董潔霜，周 翔，等.上海國際航運中心貨運集疏運系統(tǒng)集成優(yōu)化研究［R］.上海：上海市城市規(guī)劃設計研究院，上海理工大學，2011.

［7］董潔霜.港口集疏運系統(tǒng)優(yōu)化模型［J］.上海理工大學學 報，2007，29（5）：453-456.