丁　棟，周　強，劉巧斌

（武漢理工大學　物流工程學院，湖北　武漢　430063）

長江集裝箱運輸系統(tǒng)仿真模型研究

丁棟，周強，劉巧斌

（武漢理工大學物流工程學院，湖北武漢430063）

在回顧長江集裝箱運輸系統(tǒng)相關(guān)文獻的基礎上，總結(jié)長江集裝箱運輸系統(tǒng)發(fā)展的主要問題，自上而下地分析長江集裝箱運輸系統(tǒng)的層次邏輯關(guān)系，構(gòu)建運輸節(jié)點以及運輸通道的概念模型，利用WITNESS仿真軟件建立長江集裝箱運輸系統(tǒng)仿真模型，進行仿真試驗研究長江中上游集裝箱產(chǎn)生量變化對下游南京港設施設備的影響。理論上該模型能夠有效地分析該層面的物流活動所能反映的各種系統(tǒng)問題，可以給政府相關(guān)部門未來的有關(guān)決策提供參考依據(jù)。

長江流域；集裝箱運輸系統(tǒng)；仿真模型；WITNESS

1　引言

近年來，長江流域集裝箱運輸發(fā)展十分迅速，但是在發(fā)展的過程中也存在很多問題，國內(nèi)學者針對長江集裝箱運輸系統(tǒng)的不同方面做了深入研究。高斌［1］根據(jù)目前長江港口現(xiàn)狀及箱源情況，選取了典型航線，并對各個航線以經(jīng)濟性為評價指標選取最優(yōu)江海直達船型。周凱捷［2］根據(jù)技術(shù)性指標和經(jīng)濟性指標等建立了長江集裝箱運輸船型優(yōu)選方案的多目標多層次模糊優(yōu)選模型。楊忠振［3］等以所有集裝箱運輸總成本最小為目標，優(yōu)化長江水道上集裝箱航線網(wǎng)絡，確定各航線靠港、靠泊順序及所用船舶的類型與數(shù)量。劉帥［4］針對中三角區(qū)域至上海集裝箱運輸系統(tǒng)，建立運輸路徑復雜網(wǎng)絡，提出成本最低的目標函數(shù)，利用標號法求解模型的解，找到各節(jié)點之間集裝箱運輸?shù)淖顑?yōu)路徑。張哲輝［5］比較了長江地區(qū)集裝箱到洋山出口通過直航、一次中轉(zhuǎn)和二次中轉(zhuǎn)三種運輸方式下的運輸成本。劉德鵬［6］根據(jù)長江集裝箱運輸系統(tǒng)的運輸特點，運用EM-Plant軟件建立了仿真模型，進行了計算仿真。鄧延潔等［7］利用Flexsim仿真軟件對長江典型區(qū)段集裝箱運輸組織進行系統(tǒng)仿真，優(yōu)化運輸總成本和船型配比。綜上，可以看出，目前對于長江集裝箱運輸系統(tǒng)的研究主要集中在兩個方面：船型優(yōu)化研究和航線優(yōu)化研究。船型優(yōu)化研究，一般是以經(jīng)濟性為評價指標建立船型優(yōu)選方案，選擇最優(yōu)船型；而航線優(yōu)化研究主要包括集裝箱運輸航線配船優(yōu)化研究和集裝箱船舶路徑優(yōu)化研究（即運輸組織方式優(yōu)化研究）。但是，許多論文的研究往往只突出某一方面，忽略了其他因素的交叉影響；而且，總結(jié)過去的文獻還可以發(fā)現(xiàn)，對港口在長江集裝箱運輸系統(tǒng)作用方面的研究不突出。其實，長江集裝箱運輸系統(tǒng)發(fā)展的主要問題來自航道整治、港口建設、船舶發(fā)展等三大根源因素以及它們之間的交叉作用，其他問題都是這三大根源因素的延伸，這三大因素的作用促使長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)的元素組成、關(guān)聯(lián)構(gòu)型和系統(tǒng)行為不斷地演化發(fā)展。另外，長江流域經(jīng)濟的發(fā)展，適箱貨源的增加，構(gòu)成了長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)的環(huán)境輸入壓力，也會激發(fā)三大因素對運輸系統(tǒng)所起的演化作用。長江集裝箱運輸系統(tǒng)問題因素的關(guān)聯(lián)關(guān)系整理如圖1所示。

圖1　長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)問題關(guān)系圖

集裝箱運輸系統(tǒng)的特性受集裝箱船型、船舶數(shù)量、運輸能力、港口裝卸作業(yè)能力等多方面因素影響，而且系統(tǒng)運行過程中的動態(tài)隨機性、各種運輸方式間的相互影響等都會增加系統(tǒng)的復雜性。數(shù)學分析模型對于確定性的條件比較有意義，但對于某些動態(tài)性的條件進行求解相對比較困難，且忽略了一些運輸過程的隨機性，而通過仿真分析的方法能夠較好地解決這一問題。WITNESS作為新一代的仿真軟件具有以下特點：交互式面向?qū)ο蟮慕－h(huán)境、靈活的執(zhí)行策略、工程友好性強、靈活的輸入和輸出方式等。因此，基于對長江集裝箱運輸系統(tǒng)自上而下的層次分析，采用WITNESS建立的仿真模型適應性好，理論上能夠有效地分析該層面的物流活動反映的各種系統(tǒng)問題。

2　系統(tǒng)組成與構(gòu)型

2.1系統(tǒng)組成

長江集裝箱運輸系統(tǒng)是以上海港為主樞紐港，長江三角洲區(qū)域為其直接腹地，整個長江流域為其間接腹地，通過長江水路、鐵路、公路等運輸方式將各個物流樞紐節(jié)點連接起來所形成的輻射整個區(qū)域的網(wǎng)絡系統(tǒng)，因此，根據(jù)該系統(tǒng)內(nèi)各元素功能劃分，包括的元素有：物流樞紐節(jié)點（港口節(jié)點、火車站節(jié)點、物流園節(jié)點）、運輸線（火車線、船舶航線、公線）、運輸工具（船舶、火車、汽車）、集裝箱、船閘。包含的要素有：船舶、港口、火車線。由于長江流域產(chǎn)生的集裝箱大都通過上海出口，因此，可以看出該系統(tǒng)元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系有：

（1）所有節(jié)點產(chǎn)生或消費的集裝箱都與上海節(jié)點互為運輸目的地關(guān)系；

（2）長江沿岸節(jié)點可通過船舶與上海節(jié)點建立為航運關(guān)系；

（3）流域的非沿江節(jié)點可通過公路、鐵路、沿江節(jié)點與上海節(jié)點建立為運輸關(guān)系。

2.2系統(tǒng)構(gòu)型

元素之間不同的連接關(guān)系，構(gòu)成不同的秩序，即元素之間不同的關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)成不同的系統(tǒng)構(gòu)型。分析長江各港口城市與上海之間的聯(lián)運關(guān)系，理論上可以建立三種主要的系統(tǒng)構(gòu)型。

2.2.1分層星型構(gòu)型。以某一節(jié)點為中心，其余節(jié)點與該中心節(jié)點連接，該中心節(jié)點再與末端節(jié)點聯(lián)接。比如以重慶、武漢為中心，然后重慶、武漢與上海連接，又稱為“區(qū)域航運中心”模式。作為長江中上游經(jīng)濟中心城市和交通樞紐，重慶和武漢具備了成為區(qū)域航運中心的重要條件。另外，重慶、武漢至上海之間的集裝箱班次多，船型大，周邊各地區(qū)集裝箱集中到重慶和武漢轉(zhuǎn)運，從船公司的角度來看，船舶裝載率高，降低了成本。

該種構(gòu)型的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2.2單一星型構(gòu)型。沿江各節(jié)點都只與末端節(jié)點（上海）聯(lián)系，稱為“分布節(jié)點直運模式”。由于受各地區(qū)地方政府相關(guān)政策鼓勵，由各港口地區(qū)開展直達上海班輪，該種運輸方式減少了中間環(huán)節(jié)，節(jié)約了運輸時間，避免了貨物運輸。但是由于受航道水深限制，上游集裝箱船型較小，裝載量少，增加了能源消耗和環(huán)境污染，且在安全性上不及大型船舶。

該種構(gòu)型的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.3復合星型構(gòu)型。上游節(jié)點與中下游某一重要節(jié)點建立聯(lián)系，然后，該節(jié)點再與末端節(jié)點（上海）聯(lián)系，稱為“中轉(zhuǎn)模式”。以武漢或南京為中轉(zhuǎn)節(jié)點，除重慶地區(qū)集裝箱直運至上海，上游其他地區(qū)集裝箱中轉(zhuǎn)至武漢或南京，再由武漢（南京）搭乘班輪前往上海。武漢作為長江流域中游經(jīng)濟中心城市及交通樞紐，港口基礎較好，擁有充足的貨源滿足武漢至上海大噸位的江海直達船舶。另外，不同船型的船舶在下游的航行速度不同，能在上游航行的船舶在下游航行速度比較低。因此，在武漢（南京）中轉(zhuǎn)可以減少一定的運輸時間，而且在載箱率相同的條件下船型越大，每箱運價越低，運輸成本越低。

圖2　分層星型構(gòu)型拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖3　單一星型構(gòu)型拓撲結(jié)構(gòu)圖

該種構(gòu)型的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

事實上，以上三種構(gòu)型相當于三種不同的運輸組織方式，在目前的長江集裝箱運輸系統(tǒng)中，船舶運營由各船公司獨立管理，由于受市場競爭、當?shù)卣咧С值仍蛴绊?，三種運輸組織方式同時存在于系統(tǒng)當中，相互影響從而構(gòu)成了復雜的運輸網(wǎng)絡。

3　仿真模型

3.1系統(tǒng)層次模型

系統(tǒng)科學的分析思想就是從系統(tǒng)整體角度看系統(tǒng)，往往從系統(tǒng)頂層出發(fā)，逐步分層細化分析系統(tǒng)的組成或成分，也可以理解為自上而下、逐步分層次地分析系統(tǒng)、描述系統(tǒng)，因此需要先建立系統(tǒng)的層次模型，然后建立系統(tǒng)各層次的邏輯動態(tài)關(guān)系，所建立的長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)層次模型如圖5所示。

圖4　復合星型構(gòu)型拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖5　長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)層次模型

3.2主要模塊內(nèi)部層次邏輯

3.2.1物流園區(qū)模塊。從物流園區(qū)實際作用看，它進行拆裝箱活動，即生成集裝箱，拆卸箱子。它屬于多輸入多輸出系統(tǒng)，輸入輸出均為集卡和集裝箱，與外界交互的界面是集卡排隊區(qū)以及集疏運卡車裝卸點。從所描述系統(tǒng)的層次上來看，不考慮園區(qū)內(nèi)部實際生產(chǎn)調(diào)度計劃的影響。圖6描述了物流園區(qū)的邏輯組成關(guān)系。

圖6　長江集裝箱運輸系統(tǒng)物流園區(qū)模塊邏輯圖

3.2.2集裝箱碼頭模塊。根據(jù)前面建立的層次模型，碼頭是長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)的基本組成單元之一。從它的實際功能作用看，它為船舶和集疏運卡車服務，裝卸轉(zhuǎn)運集裝箱；從系統(tǒng)角度看，它是多輸入多輸出系統(tǒng)，輸入輸出有船舶、集裝箱、集輸運卡車，與外界（系統(tǒng)其他元素）交互的界面是錨地、泊位、大門、集卡排隊區(qū)以及集輸運卡車的裝卸點。圖7描述了碼頭模塊的邏輯組成關(guān)系。從隨機排隊服務理論看，碼頭就是一個為多種類型顧客服務的復雜排隊系統(tǒng)。從所描述系統(tǒng)的層次上來看，碼頭內(nèi)部不予考慮，只考慮與外界交互的邏輯關(guān)系，即裝卸服務關(guān)系。

圖7　長江集裝箱運輸系統(tǒng)碼頭模塊邏輯圖

3.2.3水路航線模塊。水路航線模塊由航段和岔口組成。航段描述相鄰兩個港口之間的航運距離，反映該段的通航能力以及限制；岔口在每個航段的末端，船舶航行到岔口時，需要做出是否靠港或立即繼續(xù)下一航段的航行選擇。水路航線模塊內(nèi)部邏輯關(guān)系如圖8所示。

圖8　水路航線模塊邏輯圖

3.2.4船舶管理模塊。仿真模型中的船舶管理模塊，并不是要描述實際系統(tǒng)運行中的船舶管理。在實際中，船舶是由所歸屬的船舶公司管理。船舶管理模塊可以設置船舶的船型（裝載容量）、航線起始港、終點港、掛靠港、給航線分配的船舶數(shù)量，設置船舶出發(fā)時間間隔（隨機出發(fā)、班輪）等參數(shù)。

3.2.5港口模塊。港口是由許多碼頭公司組成的，比如重慶港主要由九龍坡集裝箱碼頭、寸灘集裝箱碼頭等組成。船舶到達港口要進行掛靠碼頭選擇。在大多數(shù)港口集團營運管理中，分配船舶掛靠碼頭的基本依據(jù)是屬下碼頭公司的裝卸技術(shù)能力，即以碼頭設計能力為權(quán)重的均勻分配。本模型就是按此原則分配船舶掛靠碼頭。港口模塊邏輯關(guān)系如圖9所示。

圖9　港口模塊邏輯圖

3.2.6城市模塊。長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)中的城市節(jié)點分為港口城市節(jié)點和非港口城市節(jié)點兩種類型。城市節(jié)點由港口、物流園區(qū)、火車站物流樞紐以及鐵路、公路等組成。

港口城市節(jié)點里的物流園區(qū)、火車站的集裝箱只與本城市的港口節(jié)點發(fā)生物流運輸關(guān)系；非港口城市節(jié)點里的物流園區(qū)、火車站的集裝箱與臨近城市的港口節(jié)點發(fā)生物流運輸關(guān)系，這有可能包括兩個以上的港口城市節(jié)點；對于兩個以上有關(guān)系的港口城市節(jié)點，運輸?shù)募b箱數(shù)量比例依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和未來條件而定。具體如圖10、圖11所示。

圖10　港口城市模塊邏輯圖

圖11　非港口城市模塊邏輯圖

3.3仿真模型圖

本模型包括長江流域的24個港口城市節(jié)點、13個非港口城市節(jié)點，建立了46個航段模塊、船舶管理模塊以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊等；城市節(jié)點包括港口節(jié)點、物流園區(qū)節(jié)點、火車站節(jié)點等；港口節(jié)點包括屬下的碼頭公司節(jié)點等。建立的仿真模型圖如圖12所示。

4　模型應用舉例

4.1問題分析

長江流域產(chǎn)生的集裝箱大都出口，少部分近洋出口集裝箱在蘇州或上海外高橋轉(zhuǎn)運近洋船舶，大部分近洋集裝箱和遠洋出口集裝箱在洋山轉(zhuǎn)運超大型船舶。長江流域諸城市都產(chǎn)生這兩類出口集裝箱，近洋出口集裝箱通過內(nèi)河集裝箱船舶可直接運至蘇州或上海外高橋，而遠洋集裝箱則需要在南京港、外高橋中轉(zhuǎn)近海集裝箱船舶，然后轉(zhuǎn)運至洋山港。長江中上游產(chǎn)生的集裝箱在2015年的基礎上，每次逐步遞增5%，分析長江下游（南京以下）的港口設施設備的利用狀況以及轉(zhuǎn)運效率？長江中上游集裝箱產(chǎn)生量達到多少時，長江下游的港口設施設備達到飽和利用狀態(tài)？

模型中假設:（1）長江下游地區(qū)進入長江航運的集裝箱量不變；（2）下游航道條件不變；（3）長江中上游集裝箱港口條件、航道條件以及船型都不變。

試驗中，如果出現(xiàn)長江中上游產(chǎn)生的集裝箱堵塞在本地區(qū)港口的現(xiàn)象，就增加長江運輸船舶數(shù)量或改變一些條件，確保產(chǎn)生的集裝箱能夠運輸?shù)介L江下游。

4.2仿真試驗實施方案

（1）模型參數(shù)設置。集裝箱碼頭的基礎參數(shù)主要包括：長江沿岸各港口泊位數(shù)、堆場容量、裝卸船時效率、到港船舶裝卸量分布，另外船舶在港口裝卸量根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)來確定。集裝箱中心站的基礎參數(shù)主要包括堆場容量、裝卸車時效率。物流園區(qū)的基礎參數(shù)主要包括年箱源產(chǎn)生量、堆場容量、集卡裝卸時間、各運輸路段的距離及運輸速度、長江流域集裝箱船型大小分布、船舶數(shù)量、掛靠信息（掛靠數(shù)及掛靠港）、班輪信息表，火車的載重量及列次信息表。具體見表1、表2。

圖12　長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)仿真模型圖

表1　碼頭節(jié)點基本參數(shù)

表2　重要船舶基本信息

（2）試驗工況條件。仿真試驗長度為320d，即7 680h?？紤]剔除氣象條件和節(jié)假日的影響。每組仿真的試驗次數(shù)為10次，所得結(jié)果取平均值。

（3）試驗參數(shù)指標。主要統(tǒng)計南京港的泊位利用率、堆場占用率、船舶在港等待時間以及各港口集裝箱吞吐量等數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)分析處理。結(jié)果見表3。

表3　南京港統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

（5）仿真分析結(jié)論。從表3可以看出，隨著長江中上游產(chǎn)生的集裝箱量逐漸增加，南京港的泊位利用率始終保持在60%到70%之間，根據(jù)河港工程設計規(guī)范JTJ212-2006，集裝箱泊位利用率在0.5到0.7之間較為合理，因此可以看出南京港的泊位情況仍能滿足當前需求。堆場占用率與集裝箱吞吐量也隨著集裝箱量增加而增加，呈現(xiàn)正相關(guān)性，但變化幅度不大；而船舶在錨地等待時間相對而言，增加幅度較大，可能是由于中上游集裝箱量增加，集裝箱船舶數(shù)量相應增加導致的。

5　結(jié)語

以系統(tǒng)思想自上而下地分析系統(tǒng)層次邏輯關(guān)系并對長江集裝箱運輸系統(tǒng)進行仿真建模，這種仿真模型既能夠體現(xiàn)整個系統(tǒng)的物流活動，也能夠反映系統(tǒng)的邏輯特征，對于具有高度復雜性、動態(tài)隨機性及多層次等特點的集裝箱運輸系統(tǒng)而言，可以很方便地從各個方面來研究系統(tǒng)所存在的問題以及所需要發(fā)現(xiàn)的問題，對政府相關(guān)部門未來的有關(guān)決策提供參考依據(jù)。因此，長江集裝箱運輸系統(tǒng)仿真模型研究具有較強的工程實用價值。

［1］高斌.長江干線到洋山港江海直達集裝箱船船型優(yōu)選［D］.上海:上海交通大學，2005.

［2］周凱捷.長江干線集裝箱運輸市場及船型問題研究［D］.大連:大連海事大學，2014.

［3］楊忠振，董夏丹，郭利泉.長江水道集裝箱運輸航線網(wǎng)絡優(yōu)化［J］.大連海事大學學報（自然科學版），2014，（3）:1-7.

［4］劉帥.基于復雜網(wǎng)絡的中三角區(qū)域至上海集裝箱運輸路徑優(yōu)化研究［D］.武漢:武漢理工大學，2013.

［5］張哲輝.基于兩階段法的長江集裝箱船舶運輸系統(tǒng)優(yōu)化［J］.水運管理，2010，32（7）:34-38.

［6］劉德鵬，曹靜.長江流域集裝箱運輸系統(tǒng)仿真研究［J］.湖北工業(yè)大學報，2010，25（2）:11-15.

［7］鄧延潔，劉亞麗.長江上游集裝箱運輸組織優(yōu)化研究［J］.大連海事大學學報（自然科學版），2015，（2）:67-70.

［8］中國港口雜志社.中國港口年鑒2015年版［M］.上海:中國港口雜志社，2015.

［9］中國港口雜志社.中國港口年鑒2014年版［M］.上海:中國港口雜志社，2014.

Study on Simulation Model of Container Transportation System of Yangtze River

Ding Dong，Zhou Qiang，Liu Qiaobin
（School of Logistics Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

In this paper，on the basis of a review of the relevant literatures on the container transportation system of the Yangtze River，we summarized the major problems in its development，analyzed in a top-down manner the hierarchical and logical relationship in the system，established the conceptual model for the transportation nodes and channels，and used the program WITNESS to build the Yangtze River container transportation system simulation model which was then used to study the variation in the upstream container volume on the facilities and equipment of the downstream Nanjing Port.

Yangtze River basin；container transportation system；simulation model；WITNESS

U695.22

A

1005-152X（2016）06-0068-07

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.06.016

2016-05-05

丁棟（1992-），男，湖北武漢人，武漢理工大學在讀碩士研究生，研究方向：港口物流系統(tǒng)建模與分析；周強（1963-），男，湖北武漢人，教授，博導。