趙曉燕， 胡堅(jiān)堃， 黃有方

(上海海事大學(xué) 物流研究中心, 上海 201306)

近年來，隨著世界各國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product,GDP)增速減慢、貿(mào)易總量增長(zhǎng)乏力，航運(yùn)市場(chǎng)整體需求不振，集裝箱運(yùn)輸市場(chǎng)供需嚴(yán)重失衡，多數(shù)班輪企業(yè)出現(xiàn)業(yè)績(jī)虧損、入不敷出的情況，運(yùn)營(yíng)壓力持續(xù)增大。2016年起，我國(guó)的大型航運(yùn)公司開始進(jìn)行兼并重組，與以往班輪聯(lián)盟采取共同派船、艙位租用等手段聯(lián)合調(diào)度不同，班輪企業(yè)合并之后仍面臨著服務(wù)網(wǎng)絡(luò)深層次調(diào)整的需求等諸多問題。本文主要研究班輪企業(yè)合并后如何對(duì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源的進(jìn)一步整合。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的研究已取得不少成果，例如:MENG等[1]研究班輪服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題,并具體介紹“航段”的概念；壽涌毅等[2]在船舶調(diào)度問題中引入港口時(shí)段和班次要求；張芳軍等[3]通過箱種代用的方式優(yōu)化班輪公司航線，減少空箱調(diào)運(yùn)量；MONEMI等[4]研究班輪網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、船隊(duì)部署和空箱調(diào)運(yùn)的問題，將服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和設(shè)計(jì)作為內(nèi)生變量進(jìn)行求解；AKYUZ等[5]考慮船速和運(yùn)輸時(shí)間限制因素，研究服務(wù)網(wǎng)絡(luò)分配和集裝箱路徑問題；楊秋平等[6]在規(guī)劃期內(nèi)以獲得最大的折現(xiàn)值為目標(biāo)，提高班輪公司的營(yíng)運(yùn)現(xiàn)金流量，進(jìn)行船隊(duì)規(guī)劃；張芳軍[7]采用多類型集裝箱箱種代用和投入使用可折疊空箱兩種方式優(yōu)化空箱調(diào)運(yùn),并進(jìn)行對(duì)比分析；于冬艷[8]基于降低運(yùn)輸成本的目標(biāo)，考慮碳排放造成的環(huán)境成本。此外，關(guān)于班輪公司聯(lián)盟或合并問題的研究也有很多，例如：PANAYIDES等[9]對(duì)班輪航運(yùn)全球聯(lián)盟的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估；ALIX等[10]強(qiáng)調(diào)聯(lián)盟并不是在全球航運(yùn)業(yè)中生存的唯一途徑，為后來班輪企業(yè)合并提供借鑒；吳瓊等[11]以獲得聯(lián)盟整體利潤(rùn)最大為目標(biāo)，研究班輪聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題；陳繼紅等[12]在航運(yùn)聯(lián)盟下，采用改進(jìn)的班輪配船模型研究箱位租賃問題，并進(jìn)行航線規(guī)劃;楊華龍等[13]基于集裝箱運(yùn)輸需求的隨機(jī)波動(dòng)性，研究近洋航線艙位互租與艙位分配綜合規(guī)劃問題。

以往的研究也存在一些不足：

1) 對(duì)集裝箱調(diào)度優(yōu)化問題的研究大多以單個(gè)承運(yùn)人航線運(yùn)營(yíng)收益最大或成本最小為目標(biāo)，對(duì)班輪公司合并后資源整合的研究較少；

2) 以往的航運(yùn)聯(lián)盟是基于艙位租用和共同派船等方式實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略聯(lián)合調(diào)度的，很少涉及服務(wù)網(wǎng)絡(luò)變化和航線結(jié)構(gòu)調(diào)整。

本文從服務(wù)網(wǎng)絡(luò)整合的角度出發(fā)，考慮船型配置、船速設(shè)定和空重箱運(yùn)輸之間的關(guān)聯(lián)性，建立班輪公司合并后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度優(yōu)化模型，并以原中國(guó)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸集團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱中遠(yuǎn))與原中國(guó)海運(yùn)集團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱中海)合并為例進(jìn)行模型驗(yàn)證，對(duì)班輪公司合并前后的航線網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)輸成本進(jìn)行對(duì)比。

1 問題描述

將班輪航線的掛靠港口作為節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)和有向邊組成班輪服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，建立基于多港掛靠和軸輻式網(wǎng)絡(luò)的班輪服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。該模型在混合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)下運(yùn)行，即各港口之間既有直線運(yùn)輸又有中轉(zhuǎn)運(yùn)輸。甲和乙在亞洲—大洋洲區(qū)域的班輪網(wǎng)絡(luò)分別見圖1和圖2。

航線1：上?！录悠隆祭锼拱唷つ帷珷柋尽獧M濱—上海(如圖1所示)。航線2：新加坡—墨爾本—悉尼—布里斯班—新加坡(如圖1所示)。航線3：上?！愀邸つ帷珷柋尽祭锼拱唷咝邸愀邸虾?如圖2所示)。航線4：巴生—新加坡—悉尼—墨爾本—阿德萊德—巴生(如圖2所示)。

2個(gè)班輪網(wǎng)絡(luò)均覆蓋上海港、新加坡港、布里斯班港、悉尼港和墨爾本港。首先確定甲、乙兩公司的船型運(yùn)力和運(yùn)營(yíng)成本，然后隨機(jī)生成運(yùn)輸需求，將5個(gè)重合港口的運(yùn)輸需求合并。結(jié)合航段集、航程集、港口空箱數(shù)據(jù)和重箱運(yùn)輸計(jì)劃，并將船型、航速、重箱量、空箱量和航行時(shí)間等作為決策變量，將航行成本和在港成本構(gòu)成的總運(yùn)輸成本最小作為目標(biāo)函數(shù)，確定航線配船類型、數(shù)量、船速、空重箱調(diào)運(yùn)方案和裝卸時(shí)間等。

2 班輪服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 模型假設(shè)

1) 班輪航線、掛港順序和船型種類已給定。

2) 假設(shè)每條航線的規(guī)劃期相同。

3) 假設(shè)所有集裝箱都是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)箱，不考慮集裝箱的大小差異。

4) 假設(shè)空箱可在任何港口中轉(zhuǎn)。

5) 假設(shè)同一船型船舶在不同港口的裝卸費(fèi)和裝卸效率相同。

2.2 參數(shù)和決策變量

2.2.1航線和船舶參數(shù)

2.2.2時(shí)間參數(shù)

2.2.3成本參數(shù)

Cv為v類型船舶每周的航行費(fèi)用，包括船員工資、船舶折舊費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、維護(hù)維修費(fèi)和管理費(fèi)用等；Qvs為v類型船舶在sv的速度下的油耗量，t/h；η為油價(jià)，美元/t；fh為重箱的單位裝卸成本，美元/箱次；fe為空箱的單位裝卸成本，美元/箱次；ft為船舶在港口的停靠成本，美元/h；e為港口的裝卸效率，h/TEU。

2.2.4決策變量

αlvs為0或1變量，當(dāng)航線l上分配的v類船舶以速度s航行時(shí)，αlvs=1，否則αlvs=0；αvl為0或1變量，當(dāng)航線l上分配v類型船舶時(shí),αvl=1，否則αvl=0；Qdl為從港口m到港口n這段航程d上運(yùn)輸?shù)闹叵淞?；Qkl為通過航線l運(yùn)輸?shù)闹叵溥\(yùn)輸方案k上的重箱運(yùn)輸量；Qpyl為在航線l上港口p裝運(yùn)的空箱作業(yè)量；Qpxl為在航線l上港口p卸載的空箱作業(yè)量；Qel為在航線l上兩個(gè)相鄰港口組成的航段k運(yùn)輸?shù)目障淞俊?/p>

2.3 成本分析

總運(yùn)輸成本主要分為航行成本和在港成本，其中:航行成本是指在船舶航行時(shí)產(chǎn)生的成本，與航行時(shí)間有關(guān)；在港成本是指船舶到港后產(chǎn)生的成本，主要與船舶噸位和裝卸箱量有關(guān)，包括進(jìn)港費(fèi)用、裝卸成本和在港等待的時(shí)間成本等。

2.3.1航行成本

航行成本分為船舶的油耗費(fèi)用和船舶的固定運(yùn)營(yíng)成本2種，主要包括船員工資、船舶折舊費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、維護(hù)維修費(fèi)和管理費(fèi)用等。由于不同航線的里程不同,不同船舶的單位油耗也不同。在一周的時(shí)間內(nèi),所有航線的航行總成本為

(1)

2.3.2在港成本

船舶在港成本分為2種:一種是重箱和空箱的裝卸費(fèi)，與裝卸的集裝箱量和單個(gè)集裝箱的裝卸費(fèi)用有關(guān)；另一種是船舶在港等待發(fā)生的時(shí)間成本。裝卸成本和時(shí)間成本合計(jì)為在港成本，即

(2)

2.4 模型建立

minW=W1+W2

(3)

(11)

(12)

(13)

αlvs∈{0,1},l∈L;v∈V;s∈Sv

(14)

αvl∈{0,1},l∈L;v∈V

(15)

Qd,l≥0,Qkl≥0,Qpyl≥0,Qpxl≥0,Qel≥0

(16)

Nvl∈{0}∪Z+

(17)

式(3)由船舶油耗成本、周固定運(yùn)營(yíng)成本、重箱空箱裝卸成本和在港等待時(shí)間成本等4部分構(gòu)成，使總運(yùn)輸成本最小;式(4)為當(dāng)運(yùn)行完單個(gè)航次的時(shí)間為tsail時(shí)，在規(guī)劃期t內(nèi)，為確保掛靠頻率為fl，班輪公司在航線l上要投入運(yùn)營(yíng)的船舶總數(shù)量約束；式(5)為班輪公司投入到航線l上v類型船舶的數(shù)量不超過其擁有的v類型船舶的數(shù)量；式(6)為合并后的班輪公司在航線l上要投入運(yùn)營(yíng)的船舶總數(shù)量約束；式(7)為合并后的班輪公司投入到航線l上v類型船舶的數(shù)量不超過其擁有的v類型船舶的數(shù)量；式(8)為容量限制，在航線的任何航段或航程中，重箱和空箱的數(shù)量不超過該航線上船舶的運(yùn)載能力；式(9)假定每條航線只配置1種船舶或取消運(yùn)營(yíng)；式(10)為需求守恒約束，要求每個(gè)OD需求被滿足；式(11)為空箱調(diào)運(yùn)平衡約束，即航線上所有的空箱需求量被滿足；式(12)為保證從第1個(gè)港口到第n個(gè)港口的空箱需求得到滿足；式(13)為保證航行時(shí)間、重箱裝卸時(shí)間、空箱裝卸時(shí)間之和不超過航行規(guī)劃期的最大時(shí)間；式(14)為航線l上分配的v類型船舶以速度s航行時(shí)，αlvs=1，否則αlvs=0；式(15)為航線l上分配v類型船舶時(shí)，αvl=1，否則αvl=0；式(16)為對(duì)某些決策變量的非負(fù)約束；式(17)為某決策變量的正整數(shù)約束。

3 算例與分析

3.1 算例描述

以原中國(guó)遠(yuǎn)洋集裝箱運(yùn)輸集團(tuán)有限公司(A)、原中國(guó)海運(yùn)集裝箱運(yùn)輸有限公司(B)兩家班輪公司在亞洲—大洋洲—?dú)W洲區(qū)域具有代表性的部分航線為實(shí)例，對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證。其中:A公司的班輪網(wǎng)絡(luò)包括22個(gè)港口12條候選航線(見表1)；B公司的班輪網(wǎng)絡(luò)包括43個(gè)港口11條候選航線(見表2)；2家公司和合并后的公司船隊(duì)中各有4種類型的船舶，分別對(duì)各公司各類型船舶每周的航行費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見表3～表5)。不同類型的船舶在不同航速下消耗的燃油有所不同(見表6)。

表1 A公司部分航線

表2 B公司部分航線

表3 A公司主要船型的運(yùn)力和運(yùn)營(yíng)成本

表4 B公司主要船型的運(yùn)力和運(yùn)營(yíng)成本

表5 A公司和B公司合并后的船型運(yùn)力和運(yùn)營(yíng)成本

3.2 優(yōu)化結(jié)果和分析

隨機(jī)生成OD(Origin-Destination)運(yùn)轉(zhuǎn)需求，符合[50，200]的均勻分布。令油價(jià)η為620美元/t，空箱裝卸費(fèi)為50美元/TEU，重箱裝卸費(fèi)為70美元/TEU。在VS2010環(huán)境下調(diào)用Gurobi求解器對(duì)模型進(jìn)行求解。在對(duì)航線進(jìn)行篩選和更新后，得到優(yōu)化結(jié)果見表7，其中數(shù)據(jù)表示A公司和B公司合并后14條航線的船型配置、航速和航行時(shí)間情況。由于運(yùn)輸需求的合并，航線1—1、1—4、1—5、1—6、1—7、1—9、1—11、2—3和2—6均未被選擇。通過算例可知：當(dāng)A公司和B公司獨(dú)自承擔(dān)運(yùn)輸時(shí)，在航行周期內(nèi)最小運(yùn)輸成本分別為28 878 846美元和43 318 270美元，合計(jì)為72 197 116美元；而在A公司與B公司合并之后，運(yùn)輸成本為63 569 120美元，較合并之前降低13.57%。

表6 船舶燃油消耗和運(yùn)行成本

表7 優(yōu)化結(jié)果

3.3 靈敏度分析

為考查重箱裝卸費(fèi)對(duì)班輪公司合并后路徑選擇和運(yùn)輸成本的影響(見圖3)，在空箱裝卸費(fèi)和油價(jià)不變的情況下，分析重箱裝卸費(fèi)為50美元、70美元和100美元時(shí)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的變化。結(jié)果顯示：當(dāng)重箱裝卸費(fèi)變化時(shí)，2家公司合并后的路徑選擇沒有發(fā)生變化，仍為14條航線，這是由于重箱裝卸費(fèi)的變化在所有航段同時(shí)發(fā)生。此外，重箱裝卸費(fèi)的增加使得班輪公司合并后的港口成本大幅提高，迫使船舶提升裝卸效率、縮短裝卸時(shí)間和航行周期，從而將增加的港口裝卸成本轉(zhuǎn)移到航行成本中。

圖3 班輪公司合并后重箱裝卸費(fèi)對(duì)運(yùn)輸成本的影響

4 結(jié)束語

本文討論企業(yè)合并的背景下班輪公司服務(wù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度優(yōu)化問題，考慮船舶油耗成本、周固定運(yùn)營(yíng)成本、重箱空箱裝卸費(fèi)和在港等待時(shí)間成本，建立基于混合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。同時(shí)，采用A公司和B公司合并的航線和運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)證分析。優(yōu)化結(jié)果表明：通過公司合并實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)度，可節(jié)省運(yùn)輸成本8 627 996美元，比合并前下降約13.57%；靈敏度分析結(jié)果表明：重箱裝卸費(fèi)的增加迫使船舶提升裝卸效率，將增加的港口裝卸成本轉(zhuǎn)移到節(jié)約的航行成本中。

本文對(duì)集裝箱網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸問題的研究還存在一些不足之處，后續(xù)可在以下2方面拓展研究：

1) 模型未涉及同一航線配置多種船型的情形，可在模型中加入該情形進(jìn)行研究。

2) 著重研究班輪公司合并后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的初步變化，并未深入分析航線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整問題，需在以后的研究中進(jìn)一步拓展。