李志平， 真 虹， 陳繼紅， 趙 楠

(1. 上海海事大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 上海 201306； 2. 上海國際航運(yùn)研究中心， 上海 200082)

全球海運(yùn)業(yè)規(guī)模化的發(fā)展既增加港口方自身的發(fā)展壓力，同時(shí)又加劇港口間的競爭矛盾，為此，港口方也在不斷進(jìn)行資源整合以提升其競爭力。這種趨勢使得全球主干航線更加集中于某些核心樞紐港，增大港口的資源和環(huán)境壓力。

航線網(wǎng)絡(luò)形成的決定主體并不統(tǒng)一，國際干散貨運(yùn)輸航線的決定主體往往是貨主，而國際班輪運(yùn)輸航線則是由班輪公司發(fā)布的。BROUER等[1]認(rèn)為傳統(tǒng)運(yùn)籌學(xué)方法在班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題中應(yīng)用的主要阻礙是海運(yùn)運(yùn)輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)問題。PLUM等[2]以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組為基礎(chǔ)，建立基于船舶運(yùn)輸企業(yè)服務(wù)流的混合整數(shù)規(guī)劃模型。ZHEN等[3]對當(dāng)前班輪運(yùn)輸路線的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較后，提出包含未來運(yùn)輸需求分布信息的非近視策略啟發(fā)式運(yùn)輸線路設(shè)計(jì)策略。WANKE等[4]在研究關(guān)于巴西港口的貨物分配問題時(shí)提出影響港口貨物分配的因素主要有港口與腹地距離、港口貨物處理成本、港口設(shè)施等9個(gè)方面。NG[5]在研究集裝箱船隊(duì)的配置問題時(shí)提出應(yīng)考慮船舶運(yùn)輸需求的不確定性。GUERICKE等[6]為研究班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中貨物分配問題建立一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃模型。GUO等[7]分析港口資源的整合、港口持續(xù)投資和處理能力的提升對資源整合的影響等問題。ALHARBI等[8]認(rèn)為港口泊位資源有限性是班輪運(yùn)輸公司設(shè)計(jì)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)日程首先考慮的因素。KARSTEN等[9]重點(diǎn)研究船舶和貨物中轉(zhuǎn)時(shí)間限制對運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的影響。

通過對以上研究進(jìn)行梳理得出：貨物運(yùn)輸需求是船舶運(yùn)輸方航線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮的因素，其次是港口條件等因素。班輪運(yùn)輸業(yè)獨(dú)有的壟斷性使得航線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)存在效益損失。通過引入資源共享理論并以港口群為研究對象，探討港口群內(nèi)核心樞紐港的主干航線及相應(yīng)支線航線的確立方式，充分發(fā)揮港口方的信息節(jié)點(diǎn)功能，改善港口群內(nèi)泊位資源利用的不均衡問題。

1 港口群干支航線網(wǎng)絡(luò)仿真模型構(gòu)建

1.1 模型假設(shè)及符號說明

對港口群內(nèi)貨物信息和港口泊位資源信息進(jìn)行整合，海運(yùn)物流的需求方可根據(jù)系統(tǒng)提供的物流方案主動選擇為其提供服務(wù)的港口和船公司，以形成由物流服務(wù)需求驅(qū)動的市場分配機(jī)制。

1.1.1模型假設(shè)

構(gòu)建港口群干支航線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型的過程時(shí)需要以下假設(shè)：

1) 港口群內(nèi)至少有2個(gè)港口，港口直接腹地貨物到該港口的陸上成本最低，到其他港口的水上運(yùn)輸成本低于陸上運(yùn)輸成本，該港口與其他港口交叉腹地的貨物運(yùn)往這些港口的運(yùn)輸成本無差異。

2) 腹地貨物產(chǎn)生周期表示腹地貨物運(yùn)輸?shù)礁劭诘臅r(shí)間。

3)文中所指主干航線是指運(yùn)往港口群以外港口的航線，支線航線則是指在港口群內(nèi)分配的主干航線貨物的運(yùn)輸支線。

1.1.2符號說明

港口群內(nèi)任意兩港的運(yùn)輸時(shí)間矩陣為

(1)

(2)

(3)

(4)

DGT+T0(:,j)=DGT+T0(:,j)+DGT(:,j)

(5)

IDGT+T0,1(:,j)=IDGT+T0,1(:,j)+IDGT,1(:,j)

(6)

IDGT+T0,2(:,j)=IDGT+T0,2(:,j)+IDGT,2(:,j)

(7)

式(5)～式(7)為若某周期內(nèi)主干航線未能開通，則本周期貨物轉(zhuǎn)至下周期處理。

(8)

(9)

1.2 港口群干支航線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的具體算法設(shè)計(jì)

1) 上述M，L，動態(tài)仿真觀察周期TV，腹地貨物產(chǎn)生周期T0，α,β,H,λ,ω,Pi,pi,DGT,IDGT,1,IDGT,2,Ts等賦值，并給定初始值T=0，j=0。

3) 計(jì)算港口i干(支)線泊位對第T周期內(nèi)腹地產(chǎn)生的干(支)航線的貨物處理時(shí)間。如果AT(i,j)=1，則

(10)

如果AT(i-1,j)=AT(i+1,j)=0，則

(11)

如果AT(i-1,j)=1,AT(i+1,j)=0，則

(12)

如果AT(i-1,j)=0,AT(i+1,j)=1，則

(13)

如果AT(i-1,j)=0,AT(i+1,j)=1，則

(14)

4) 計(jì)算港口i干、支線泊位貨物的總處理時(shí)間

(15)

8) 如果T≤TV，返回步驟2)，否則仿真試驗(yàn)結(jié)束。

2 港口群泊位共享的干支航線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仿真

2.1 數(shù)據(jù)和方法說明

選取連云港、鹽城港、南通港、上海港、寧波舟山港、臺州港、溫州港共7個(gè)港口為仿真對象；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示以上港口開通的主干航線包括東盟、東亞、非洲、澳大利亞、南美、北美和歐洲等；Alphaliner的數(shù)據(jù)顯示裝載量在4 000 TEU以下的船舶主要集中于東亞近洋航線。當(dāng)某港口的直接腹地單周期內(nèi)產(chǎn)生某主干航線的貨物達(dá)到3 200 TEU即開通該航線。長三角地區(qū)主要海港集裝箱泊位岸線長度見表1，其中支線泊位(萬噸級以下泊位)長度為預(yù)測值。

表1 長三角地區(qū)主要集裝箱海港干、支泊位長度 m

利用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析，根據(jù)以上算法設(shè)計(jì)考慮腹地貨物產(chǎn)生數(shù)量、裝卸時(shí)間和泊位資源等約束條件的干支航線網(wǎng)絡(luò)確立系統(tǒng)，對比分析3個(gè)因素不同狀態(tài)下對港口群內(nèi)航線確立的影響，同時(shí)分析每種狀態(tài)的運(yùn)輸效率變化。

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1不同中轉(zhuǎn)時(shí)間約束下港口群干支航線網(wǎng)絡(luò)仿真

首先，假設(shè)港口群內(nèi)的各港口的干、支泊位的單位處理能力相同，以上海港碼頭泊位的單位處理能力為例，上海港各主要集裝箱碼頭的單位泊位處理能力數(shù)據(jù)見表2。假設(shè)港口群內(nèi)各港口的支線泊位的處理能力為3 TEU/(m·d)，干線泊位的處理能力為5 TEU/(m·d)，仿真過程中假設(shè)腹地貨物產(chǎn)生周期和觀察周期均為5 d。在其他因素不變，港口群內(nèi)各港口間干支泊位中轉(zhuǎn)時(shí)間差閾值λ,ω變化時(shí)的干支航線網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果見圖1a)和圖1b)。

表2 上海港主要集裝箱碼頭的單位處理能力

注：圖中粗線箭頭表示主干航線，細(xì)線箭頭表示支線航線，雙線箭頭表示港口的某些主干航線貨物可以替代的支線航線，其中可替代航線的產(chǎn)生是因存在兩條或多條支線航線的中轉(zhuǎn)時(shí)間差均滿足支線確立的條件

圖1 考慮港口群內(nèi)港口中轉(zhuǎn)時(shí)間差因素的干支航線分配

對比圖1a)和圖1b)的仿真結(jié)果可知：當(dāng)中轉(zhuǎn)時(shí)間差閾值條件由1 d變?yōu)? d時(shí)，某些支線港口可供選擇的樞紐港范圍增加，如圖中連云港的支線航線增加，這也說明中轉(zhuǎn)時(shí)間要求的存在確實(shí)會增大某些樞紐港中轉(zhuǎn)壓力，見表3。

干線泊位處理能力的改善明顯強(qiáng)于支線泊位的情形引起干、支泊位資源不平衡現(xiàn)象將會改變港口群內(nèi)樞紐港格局。假設(shè)港口群內(nèi)各港口的干線泊位處理能力由5 TEU/(m·d)變?yōu)?0 TEU/(m·d)，支線泊位處理能力保持不變，中轉(zhuǎn)時(shí)間差閾值條件仍然為2 d，仿真結(jié)果見圖1c)。

圖1c)的仿真結(jié)果表明：當(dāng)港口群內(nèi)干線泊位的處理能力增強(qiáng)時(shí)，某些干線港口的樞紐地位進(jìn)一步得到鞏固，如圖中上海港，但該類型港口的承載壓力也將會加重，見表4。

2.2.2不同腹地貨源約束下港口群干支航線網(wǎng)絡(luò)仿真

假設(shè)在其他條件與圖1c)相同的情況下，本部分仿真通過適當(dāng)降低港口群內(nèi)上海和寧波舟山等核心樞紐港直接腹地的貨物數(shù)量，同時(shí)將減少的貨物增加到港口群內(nèi)各港口的交叉腹地貨物中，以說明腹地貨源對港口群干支航線網(wǎng)絡(luò)分配的影響。

表5對比腹地貨源調(diào)整前后各主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運(yùn)港的總中轉(zhuǎn)時(shí)間差。由表5可知，受到腹地貨源條件改善的影響，港口群內(nèi)開通主干航線的港口數(shù)量有所增加，如溫州港，因該港開發(fā)利用的干、支泊位資源數(shù)量相對較少，各主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運(yùn)港的總中轉(zhuǎn)時(shí)間差增長明顯。事實(shí)上，與上海港、寧波舟山港相比，港口群內(nèi)其他港口可利用泊位資源相對充足。

表3 不同中轉(zhuǎn)時(shí)間差閾值條件下的支線航線分配的中轉(zhuǎn)時(shí)間差 d

2.2.3不同泊位資源約束下港口群干支航線網(wǎng)絡(luò)仿真

在本部分的仿真中，其他所有條件均與第2.2.2節(jié)相同。首先，僅增大非核心樞紐港的已開發(fā)泊位資源數(shù)量，觀察干、支航線網(wǎng)絡(luò)及總中轉(zhuǎn)時(shí)間差的變化。將港口群內(nèi)非核心樞紐港的已利用的干、支泊位資源數(shù)量均增加50%，核心樞紐港的干、支泊位資源數(shù)量保持不變，由仿真結(jié)果可看出：當(dāng)港口群內(nèi)非樞紐港的干、支泊位資源數(shù)量增加50%時(shí)，干支航線網(wǎng)絡(luò)的分配結(jié)果基本不變，僅增加可替代支線航線的數(shù)量，但是主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運(yùn)港的總中轉(zhuǎn)時(shí)間差有明顯改善，具體見表6第2、第3列。其次，固定其他條件與第2.2.2節(jié)仿真過程相同，分別將港口群內(nèi)非核心樞紐港的已開發(fā)干、支泊位資源數(shù)量增加50%、100%和分別將港口群內(nèi)非核心樞紐港的已開發(fā)干、支泊位資源數(shù)量增加100%、50%，對上述情況進(jìn)行對比仿真分析，具體仿真結(jié)果見表6第4～7列。

表4 選擇不同樞紐港的中轉(zhuǎn)時(shí)間差對比 d

表5 腹地貨源調(diào)整前后主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運(yùn)港的總中轉(zhuǎn)時(shí)間差對比 d

表6 不同泊位資源情況下主干航線貨物選擇轉(zhuǎn)運(yùn)港的總中轉(zhuǎn)時(shí)間差對比 d

3 結(jié)束語

1) 適當(dāng)放大選擇港口的中轉(zhuǎn)時(shí)間差閾值條件后，由于港口選擇范圍的擴(kuò)大使得港口群內(nèi)某些核心樞紐港的泊位資源壓力得到緩解，非核心樞紐港的泊位資源得到進(jìn)一步利用。

2) 針對某些核心樞紐港不斷改善其干線泊位資源條件的現(xiàn)象進(jìn)行仿真，雖然港口的樞紐地位得到進(jìn)一步鞏固，但是由于其支線泊位條件的有限，港口群整體的轉(zhuǎn)運(yùn)效率反而下降。

3) 腹地貨源對港口群干支航線網(wǎng)絡(luò)的形成起主導(dǎo)作用，雖然非核心樞紐港腹地貨源改善有助于提升這些港口的轉(zhuǎn)運(yùn)功能，但是由于其已開發(fā)干支泊位資源的不足，港口群整體的轉(zhuǎn)運(yùn)效率明顯下降。

4) 港口群內(nèi)非核心樞紐港泊位資源的改善，尤其是支線泊位資源的改善對港口群整體轉(zhuǎn)運(yùn)效率的提升貢獻(xiàn)明顯。

本文僅考慮泊位資源、腹地貨源和中轉(zhuǎn)時(shí)間等因素對干支航線網(wǎng)絡(luò)形成的影響，未來研究中可引入運(yùn)輸成本和收益等經(jīng)濟(jì)因素以進(jìn)一步分析，包括對可替代支線航線的分析。