◎ 王智利 謝蘭蘭 王澤龍 李永清 李丹妮 萬(wàn)柏玲

1.廣州航海學(xué)院；2.廣州港船務(wù)有限公司

公共駁船（以下按習(xí)慣稱“穿梭巴士”）業(yè)務(wù)是連接樞紐港與喂給港的重要工具，以滿足樞紐港集裝箱集疏運(yùn)的需求為目標(biāo)，在樞紐港與其喂給港之間開展穿梭船業(yè)務(wù)，以此降低運(yùn)輸價(jià)格，提高服務(wù)水平。廣州港已經(jīng)基本確立了以南沙港為中心、具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的“穿梭巴士”運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)體系，已開通運(yùn)營(yíng)72條“穿梭巴士”駁船支線，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)珠三角區(qū)域中小碼頭業(yè)務(wù)全覆蓋。本文通過(guò)對(duì)珠三角區(qū)域航線設(shè)計(jì)與運(yùn)力配置問(wèn)題的研究，采用基于均衡性的思路對(duì)現(xiàn)有的穿梭式航線進(jìn)行混合航線模式設(shè)計(jì)，在對(duì)集疏運(yùn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期優(yōu)化效果來(lái)看，能夠提高船舶周轉(zhuǎn)率和集裝箱的運(yùn)輸效率，在一定程度減少船隊(duì)固定成本的支出，有助于支線港達(dá)成更高的準(zhǔn)班率要求、更高效地完成集疏運(yùn)運(yùn)輸任務(wù)。也將有效減少樞紐港船舶擁堵問(wèn)題，對(duì)環(huán)境保護(hù)和成本節(jié)約方面均有重要意義。

1.廣州港“穿梭巴士”船舶航線存在的問(wèn)題

1.1 集疏運(yùn)的不均衡性

廣州港集疏運(yùn)基本采取的是以南沙港區(qū)為中心，將集裝箱由南沙港運(yùn)向各個(gè)周邊港口的疏運(yùn)過(guò)程和從各周邊港口運(yùn)往南沙港的集運(yùn)過(guò)程的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”傳統(tǒng)的直達(dá)運(yùn)輸模式。該模式簡(jiǎn)單但少有多港掛靠的現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致對(duì)航線需求數(shù)量較大。且當(dāng)腹地支線港口群的貨源差異性較大時(shí)，支線港口之間的運(yùn)量波動(dòng)規(guī)律和運(yùn)量水平差異均較大。

1.2 航線空重箱的不均衡性

廣州港“穿梭巴士”各個(gè)支線港口的空箱剩余量較多，調(diào)到樞紐港的空箱集運(yùn)量大于空箱疏運(yùn)量，疏運(yùn)重箱大于集運(yùn)重箱，集運(yùn)方向上的重箱與疏運(yùn)方向上的空箱波動(dòng)趨勢(shì)大體同步，但運(yùn)量水平存在一定差距，且無(wú)論集運(yùn)還是疏運(yùn)方向，均存在空重箱轉(zhuǎn)化不完全和空重箱運(yùn)輸平衡性不佳問(wèn)題。

1.3 運(yùn)營(yíng)成本較高

內(nèi)支線集裝箱運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)量一般較小、進(jìn)出口貨物數(shù)量不平衡，以“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”為主的直達(dá)運(yùn)輸模式導(dǎo)致集疏運(yùn)和航線空重箱的不均衡性突出，投入使用的船舶數(shù)量較多且總運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致船舶運(yùn)營(yíng)成本較高；其次集運(yùn)和疏運(yùn)雙向上運(yùn)輸?shù)南湮焕寐什痪?，浪費(fèi)船舶箱位，導(dǎo)致單位貨物的運(yùn)輸成本較高；最后通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的港口間穿梭運(yùn)輸模式構(gòu)成的航線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在部分航線上以遠(yuǎn)超航線網(wǎng)絡(luò)平均水平空載率完成運(yùn)輸，較低的載箱率帶來(lái)了較高的經(jīng)濟(jì)成本。

2.均衡性設(shè)計(jì)思路

通過(guò)對(duì)珠江水系自然條件加以分析和利用，基于歷史運(yùn)輸數(shù)據(jù)的分析，對(duì)港口的運(yùn)量特征進(jìn)行刻畫，依照港口間的特點(diǎn)進(jìn)行匹配，并對(duì)航線班期最小化的集疏運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)中集疏運(yùn)均衡性和空重箱量均衡性之和原則進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，指派合理的船型在經(jīng)港口匹配后生成的各條航線上運(yùn)營(yíng)使船隊(duì)總體營(yíng)運(yùn)成本最低，可有效降低船舶空載率，提高船舶利用率，降低運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)航線優(yōu)化。

3.二階段航線優(yōu)化過(guò)程

3.1 航線構(gòu)造過(guò)程

基于廣州港“穿梭巴士”集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)所在流域的水文地理特征和港口間的連通性，使用K-means思想的聚類方式考慮港口間的連通性及航程距離對(duì)支線港口群進(jìn)行聚類劃分，然后基于聚類結(jié)果對(duì)各個(gè)聚類中的子港口群按箱量特征進(jìn)行匹配并對(duì)均衡性水平逐次進(jìn)行啟發(fā)式算法并計(jì)算驗(yàn)證，將原有的多條南沙到支線港的穿梭航線依照其運(yùn)輸結(jié)構(gòu)與運(yùn)量的特征整合為一條含有多個(gè)掛靠港的環(huán)繞式航線，將子港口群聚類中集疏運(yùn)均衡性特征能夠?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)性互補(bǔ)以及兼顧了集疏運(yùn)雙向運(yùn)輸過(guò)程中的空重箱均衡水平的支線港口組合到同一航線的掛靠港口群中，從源頭上減少這些航線箱量不平衡性對(duì)船隊(duì)帶來(lái)的負(fù)面影響。對(duì)于不適合匹配的港口，則保留其穿梭航線的模式，最終在整個(gè)集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中依照支線掛靠港的特征優(yōu)化為成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直達(dá)穿梭航線與環(huán)繞式航線有機(jī)結(jié)合的混合航線模式。

具體而言，在航線設(shè)計(jì)上基于支線港口的貨運(yùn)特征，考慮集疏運(yùn)的均衡性和航線空重箱的均衡性對(duì)航線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)港口群之間合理組合的方式改善支線港口的運(yùn)輸均衡性，從而達(dá)到提高船舶箱位利用率、減少集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸需求的目的，并根據(jù)港口的運(yùn)量特征，因地制宜的選擇保留點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直達(dá)穿梭航線與環(huán)繞航線的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)這種混合航線模式的應(yīng)用保證航線模式的適應(yīng)性，如圖1所示。

圖1 混合航線網(wǎng)絡(luò)模式

3.2 系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本比較過(guò)程

在航線設(shè)計(jì)的結(jié)果預(yù)期中，通過(guò)模型組合而成的大部分環(huán)繞式航線均能夠有效降環(huán)繞航線中各支線港以相互獨(dú)立的穿梭式航線完成運(yùn)輸時(shí)的船舶運(yùn)力需求，但由于部分支線港之間航行距離過(guò)遠(yuǎn)，組合為環(huán)繞式航線后,對(duì)于部分支線港而言相比原有穿梭航線模式增加了運(yùn)輸距離，從而存在對(duì)單位運(yùn)輸成本起到負(fù)面效果的可能。因此,本文計(jì)劃對(duì)提出的航線改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行船舶運(yùn)力優(yōu)化配置，通過(guò)對(duì)船舶的運(yùn)力配置進(jìn)行更新，將匹配好的港口集合按照箱量和船舶運(yùn)輸能力進(jìn)行匹配規(guī)劃，然后對(duì)最優(yōu)成本進(jìn)行計(jì)算，比較在原有穿梭式航線在更新運(yùn)力配置前后的成本、集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中全部采用環(huán)繞航線設(shè)置的模式與混合式航線三種模式下相同運(yùn)力配置規(guī)則之下的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本。

4.模型設(shè)計(jì)

4.1 航線設(shè)計(jì)模型構(gòu)建

目標(biāo)函數(shù)：

目標(biāo)函數(shù)（1）為最小化的集疏運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)中集疏運(yùn)均衡性和空重箱量均衡性之和，為評(píng)價(jià)航線設(shè)計(jì)的整體均衡性指標(biāo)?？紤]集疏運(yùn)均衡性的航線設(shè)計(jì)模型中，對(duì)于航線設(shè)計(jì)的核心思路為通過(guò)對(duì)同一聚類內(nèi)的掛靠港依照均衡性組合，其主要過(guò)程為選定航線初始港口后，將聚類內(nèi)的其他港口與之匹配組合并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃髮?duì)航線整體的集疏運(yùn)均衡及空重箱均衡記錄檢驗(yàn)，如果更貼近聚類組合的平均水平，則視為正向改進(jìn)，保留新加入的港口進(jìn)入環(huán)繞式航線的掛靠港；如果聚類內(nèi)的所有未分配的支線港均無(wú)法通過(guò)與當(dāng)前港口組合實(shí)現(xiàn)對(duì)均衡性的改進(jìn)，則將當(dāng)前選定的支線港采用穿梭式航線模式進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。

4.2 運(yùn)力配置模型構(gòu)建

運(yùn)力配置模型中主要考慮船舶投入運(yùn)輸服務(wù)的固定成本和在不同船型船舶在各條航線以不同班期運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生的變動(dòng)成本兩方面成本。

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件（4）保證各條航線的船舶配置能夠完成航線的運(yùn)輸任務(wù)，約束條件（5）對(duì)船舶發(fā)班頻次數(shù)進(jìn)行了上限限制，以避免出現(xiàn)按照過(guò)高的發(fā)班頻次設(shè)置運(yùn)力后船舶難以實(shí)現(xiàn)正常周轉(zhuǎn)的情況。目標(biāo)函數(shù)（3）在上述兩類約束條件下考慮了如何指派合理的船型在經(jīng)港口匹配后生成的各條航線上運(yùn)營(yíng)使船隊(duì)總體營(yíng)運(yùn)成本最低，其中第一項(xiàng)表示指派各型船在各航線運(yùn)營(yíng)所花費(fèi)的固定成本，第二項(xiàng)表示與航行里程相關(guān)的航行可變成本。

5.數(shù)據(jù)獲取

在對(duì)大量駁船航運(yùn)市場(chǎng)調(diào)研和業(yè)主單位調(diào)研的基礎(chǔ)上，主要數(shù)據(jù)來(lái)源于中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、克拉克森數(shù)據(jù)庫(kù)、廣州港航等相關(guān)航運(yùn)類網(wǎng)站和公眾號(hào)發(fā)布的規(guī)范、報(bào)告與數(shù)據(jù)等信息，以及廣州港船務(wù)公司提供的駁船運(yùn)輸需求的具體數(shù)據(jù)和資料。

6.航線優(yōu)化結(jié)果

6.1 整體均衡化效果顯著

以年為單位對(duì)環(huán)繞式航線整體所需的運(yùn)力需求和以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的穿梭航線模式加和所需的總運(yùn)輸需求相對(duì)比，計(jì)算出了環(huán)繞式航線對(duì)比穿梭式航線所能節(jié)約的運(yùn)力需求達(dá)38257 TEU的箱量。在疏運(yùn)方向上，實(shí)例計(jì)算采用的數(shù)據(jù)中整體集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中疏運(yùn)方向箱量占比56.2%，采用通過(guò)考慮集疏運(yùn)均衡性的航線設(shè)計(jì)算法后在整體集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)約了3.65%的箱量需求。

6.2 部分航線均衡化效果顯著

部分重要航線在考慮集疏運(yùn)均衡性的航線設(shè)計(jì)方案在集疏運(yùn)運(yùn)力需求上節(jié)約了15844 TEU的箱量運(yùn)輸需求，而在單條環(huán)繞式航線的構(gòu)造上，相較各個(gè)支線港以獨(dú)立的穿梭航線模式進(jìn)行集疏運(yùn)節(jié)約23.43%的運(yùn)力需求，并且根據(jù)集疏運(yùn)均衡性通過(guò)有選擇性的對(duì)該聚類內(nèi)的其他支線港進(jìn)行匹配，對(duì)整個(gè)聚類的運(yùn)輸節(jié)約了13.16%的運(yùn)力需求?？傊疅o(wú)論是節(jié)省的運(yùn)力需求絕對(duì)量還是節(jié)省比例上，都能較顯著地反映出在混合航線模式下環(huán)繞式航線模式相對(duì)原有穿梭式航線的運(yùn)力節(jié)約效果。

6.3 成本節(jié)約顯著

通過(guò)對(duì)穿梭航線模式、環(huán)繞航線模式以及混合式航線模式運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比，發(fā)現(xiàn)只考慮環(huán)繞航向模式的船隊(duì)運(yùn)營(yíng)成本最高，其次為穿梭航線模式，成本最低的是混合航線模式，與只考慮穿梭航線模式或者只考慮環(huán)繞航線模式的航線相比，混合航線模式可有效降低成本114.5萬(wàn)元以及455.1萬(wàn)元，集疏運(yùn)成本改進(jìn)比例分別為7.16%以及23.48%，說(shuō)明混合航線模式有效提升規(guī)模效益，降低了集疏運(yùn)系統(tǒng)中船隊(duì)的運(yùn)營(yíng)成本。

7.結(jié)論

集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上的各支線港以及航線中的集運(yùn)運(yùn)量與疏運(yùn)運(yùn)量失衡以及空重箱失衡是影響集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上航線設(shè)計(jì)與船舶調(diào)度問(wèn)題中產(chǎn)生不必要運(yùn)力需求的主要原因。在考慮集疏運(yùn)均衡性和航線空重箱均衡性對(duì)航線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因地制宜的選擇保留點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直達(dá)穿梭航線與環(huán)繞航線的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)這種混合航線模式有效降低集疏運(yùn)系統(tǒng)中不必要的運(yùn)力浪費(fèi)，達(dá)到提高船舶箱位利用率、降低運(yùn)營(yíng)成本，減少集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸需求的目的。經(jīng)過(guò)運(yùn)力配置模型的模擬計(jì)算也驗(yàn)證了該種航線模式對(duì)降低集疏運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)中船隊(duì)運(yùn)營(yíng)成本的可操作性。

由于混合式航線模式在聚類過(guò)程考慮了支線港中的航程距離，因而在航線設(shè)計(jì)過(guò)程中有效避免了環(huán)繞式航線的可能由于掛靠港過(guò)于分散導(dǎo)致的負(fù)面影響。結(jié)合對(duì)航線設(shè)計(jì)結(jié)果中的結(jié)果分析綜合來(lái)看，考慮了集疏運(yùn)系統(tǒng)中支線港口群之間的集疏運(yùn)均衡性及空重箱均衡性的航線設(shè)計(jì)模型能夠依照集疏運(yùn)特性有選擇性的應(yīng)用穿梭航線與環(huán)繞式航線模式，二者組合構(gòu)成的混合航線模式有效降低集疏運(yùn)系統(tǒng)中不必要的運(yùn)力浪費(fèi)，并有效提升規(guī)模效益，降低了集疏運(yùn)系統(tǒng)中船隊(duì)的運(yùn)營(yíng)成本。

混合模式下的航線模式對(duì)航次數(shù)有一定的減少作用，這意味著不但對(duì)于支線港和支線航線有了載箱率的提高和成本的降低。對(duì)于繁忙的南沙樞紐港區(qū)，更高的載箱率所帶來(lái)的相對(duì)更精簡(jiǎn)的船隊(duì)規(guī)模與航次密度也有利于提高樞紐港支線船舶的裝卸作業(yè)效率，減少樞紐港支線船舶的排隊(duì)等待時(shí)間與擁擠程度。此外通過(guò)對(duì)航次時(shí)間的計(jì)算，環(huán)繞式航線構(gòu)造對(duì)原有航線內(nèi)各支線港的平均航次時(shí)間的延長(zhǎng)并不明顯，仍有能力滿足干線船舶的硬時(shí)間窗約束。因此，在新的航線開設(shè)后也應(yīng)該動(dòng)態(tài)地或者周期性地根據(jù)航線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)支線港的運(yùn)量水平與運(yùn)量類型分布特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃和更新。