长江集装箱航运枢纽辐板网络设计外文翻译资料

 2022-08-23 16:01:33

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长江集装箱航运枢纽辐板网络设计

摘要：越来越多的大型、大吨位集装箱船正在成为长江上的一道风景线，航运网络也随之发生了变化。本文介绍了一个符合长江特点的航运公司枢纽轮辐网的设计。我们首先运用实证数据探讨集装箱运输的规模经济。接下来，我们提出一个混合整数线性规划模型，将船舶营运成本和集装箱装卸成本考虑在内。然后进行了数值试验，验证了模型的有效性，最后讨论了轮辐式航运网络设计的意义。本文的研究结果支持长江沿岸货物集中和港口区域化的趋势。

关键词：

内河航运

辐式网络设计混合整数线性规划

货物集中与港口区域化

  1. 介绍

近年来，航运业最大集装箱船的规模出现了惊人的增长。例如，海洋集装箱船的平均规模从1996年的1500标箱（20英尺当量单位）增加到2014年的近3400标箱。2011年，世界最大的集装箱运输公司马士基航运公司订购了20艘大型集装箱船（即18000-TEU船）。这种规模的增长是追求规模经济的结果，在内河航运中很少调查到这种经济，因为有关船舶相对较小。然而，在中国，自2001年内河船舶标准化以来，由于规模经济，内河集装箱船的规模显著增长，尽管它们仍然受到诸如吃水受限等物理限制的约束。图1显示了2001年至2012年船舶尺寸的变化，在此期间平均船舶尺寸几乎增加了三倍。

图2为长江沿岸港口，可分为三个主要区域：下游，上海至湖口（九江附近）；中游，湖口至宜昌；上游，宜昌至宜宾（泸州附近）。上海与南京之间水深超过12米，南京与安庆之间水深约6米，安庆与武汉之间水深4.5米，武汉与城陵矶之间水深3.7米，重庆与宜宾之间水深不足3米。不同的河流深度接纳不同大小的船只。

有两类船舶可以沿长江航行：江河船舶和江海船舶。我们假设内河船舶不能停靠海港，而内河船舶可以停靠内河港口和海港。

虽然长江可以容纳这两种类型的船舶，但江海船舶很少向上游航行，因为它们的成本较高。集装箱和散装货物是沿江运输的两种最重要的货物。本文只考虑班轮运输公司。由于进出口不平衡，这些公司必须同时运输满载和空箱，但我们只检查前者。

长江下游足够深，尤其是南京和上海之间，可以让海船直接航行到某些亚洲目的地，如韩国釜山市。上海有外高桥和洋山两个港区，两个港区目前都是区域中转枢纽港。外高桥是一个位于长江入海口的江港，意味着江河船舶可以直接进入外高桥。相比之下，洋山是一个距离河口大约32公里的海港。它是中国最大的中转港，连接着众多的班轮运输服务。江海船舶一般可以从南京、太仓、外高桥等大江港向洋山运送集装箱。港口第四期码头将于2017年建成，目的是吸引长江更大的集装箱吞吐量。上海港集团投资了包括太仓、南京和武汉在内的沿江多个港口，期望它们成为洋山港转运枢纽的一部分。

经过30年的快速发展，中国经济已进入“新常态”阶段，面临多重挑战。中国政府提出了一个结构调整过程，其目的是防止经济增长率可能下降。在港口业方面，外部需求减弱，沿江港口吞吐量增长速度加快

全省从2010年的19.7%下降到2014年的5.6%（江苏省统计局，http://www.jssb.gov.cn/tjxxgk/tjsj/ndsj/）。可能的结果是该地区港口之间的竞争越来越激烈。为避免这些港口之间可能出现的无序和激烈竞争，最大限度地提高港口的效率和效益，区政府正积极从智囊团和学术界寻求港口系统可持续发展的解决方案。

本文基于一个咨询项目，旨在帮助地区政府更好地了解长江沿岸，特别是江苏省港口发展的可能趋势。本文的目的是通过探索沿江集装箱运输的规模经济，设计一个基于混合整数线性规划模型的高效枢纽轮辐航运网络，来响应政府的解决方案号召。政府政策在我国港口发展模式的形成中发挥了重要作用。例如，Wang和Ducruet（2012）认为，中央政府对上海全球化的大力支持有利于洋山新港转变为集装箱转运中心，而不是邻近港口（如宁波）。一旦该文件的结果被地区政府采纳，许多有利的结果可能随之而来，例如

投资、优惠政策、补贴等，将反过来重塑港口体系布局，影响长江沿岸港口发展格局。请注意，本文件没有考虑到区域政府可能开展的活动的副作用。

本文的主要研究对象是长江沿岸的国内航运服务网络。以下是Konings等人。（2013年），我们构建了一个中心辐射网络，以模拟河流的航运活动。与海运或远洋运输不同的是，内河运输，（i）内河船舶不能停靠海港，（ii）运输成本因方向而异，（iii）内陆需求波动太大，每周服务可能不足。前两个因素可以通过选择实际参数来轻松解决。第三，在模型中引入决策变量，根据给定航运服务期内的需求水平，分配相应数量的具有特定服务频率的船队。实际上，班轮运输公司每三到六个月改变一次运输服务网络，以适应季节性集装箱需求波动。

二．文献综述

在过去的十年中，海运引起了相当大的关注，其研究主题包括从调度和船队部署到航线设计、空箱重新定位和速度优化等。详情见Ronen（1983年、1993年）、Christiansen等人的评论文章。（2004）和Meng等人。（2014年）。McLellan（1997）、Gilman（1999）、Cullinane和Khanna（1999、2000）和Imai等人。（2006）调查了大型集装箱船的规模经济，并在内河航运方面探讨了规模经济。例如，Charles（2008）讨论了Rhocirc;ne Saocirc;ne走廊的干散货和集装箱。最近，Konings等人。（2013）开发了一个枢纽和辐条网络，以从规模经济中获益，并改善鹿特丹腹地的集装箱驳船运输。Racunica和Wynter（2005）和Meng和Wang（2011b）研究了内陆联运的规模经济。规模经济也经常与枢纽位置问题有关（Alumur和Kara，2008），这是枢纽和辐条网络设计中的一个主要因素。传统的轴辐式网络设计很少考虑货物的路由，尽管最近货物的路由和逃逸

部署已整合到轮毂和轮辐网络设计的制定中（Meng and Wang，2011a；Zheng et al.，2014，2015）。

与海运/海运相比，内河航运研究受到限制——ed.Marbury（1979）研究了最小化油耗的最优内河速度。Rissoan（1994）、Konings和Ludema（2000）以及Charles（2008）讨论了海河航运的竞争力。一些研究调查了河流航运和港口网络。例如，王和SLACK（2000）考察了香港集装箱港口体系的发展，重点是中国与珠江三角洲其他港口的相互作用。Notteboom和Konings（2004）探索了莱茵河上的河港，并建立了一个类似的模型，展示了集装箱驳船网络是如何随着时间的推移而发展的。Konings（2007）评估了鹿特丹腹地集装箱驳船服务重组带来的改善。Freacute;mont和Franc（2010），Wilmsmeier等人。（2011）和Caris等人。（2014）讨论了包括内河航运在内的多式联运货运。此外，研究人员还调查了河流航运中的排放量（Liao等人，2011年）、气候变化的影响（Jonkeren等人，2011年）、运营能源效率（Sun等人，2013年）和环境政策（Kaiser等人，2013年）。

本文补充了有关内河航运服务和港口地理的文献。Jia等人。（2006）分析了上游集装箱运输，以确定水陆运输的偏好。罗和孙（2006）和钟和程（2008）调查了某些港口的运输方案。最近，Yang等人。（2014）提出了一个整数规划模型来优化路线选择。他们的模型包括舰队部署、港口呼叫频率和转运操作，但他们的发现依赖于几个不现实的假设。例如，他们假设船舶在每个港口花费相同的时间，而不管处理多少集装箱，并由公路局类型职能部门制定路线成本（见Kim，1990年），这妨碍了装卸和转运成本的确定。关于港口地理文献，Notteboom和Rodrigue（2005）提出了一个港口系统演化模型，随后的研究人员应用该模型研究长江航运系统的发展（例如Veenstra等人，2008年；Notteboom，2007年；Rimmer和Comtois，2009年；Wang和Ducruet，2012年）。Veenstra和Notteboom（2011）也调查了河流的结构变化。

本文在前人研究的基础上，做出了三个新的贡献。首先，我们运用实证数据来探讨规模经济，并提供长江流域成本函数为凹形的证据。其次，结合内河航运的特点，采用混合整数线性规划方法，对内河航运网络进行优化。第三，从河运领域航运网络设计的角度，对丰富港口地理学的研究作了初步尝试。

三．规模经济

由于很难确定不同船型每标准箱的平均运输成本，我们探索了每对港口之间的班车运输服务，以揭示平均成本与每年运输的集装箱（每年运输的集装箱）数量之间的相关性。

表1和图3所示数据来自长江航空管理局发布的《长江航运发展报告》（2011年、2012年），1图3所示为日志图。设c（x）和x分别表示每个标准箱和年装运集装箱的平均运输成本。随着x的增加，c（x）减小。而且，它体现了一种幂律关系，

i、 e.，c（x）~x--gamma;，其中gamma;（0times;b1）是指数。gamma;约为0.9，即直线的斜率。指数gamma;表示

规模，意味着规模经济在长江的不同河段是不变的。

四．模型

提出了长江集装箱航运网络优化的混合整数线性规划模型。以下为Konings等人。（2013），我们构建了一个中心辐射网络。在成本结构上，我们考虑了船舶营运成本和集装箱装卸成本。船舶营运成本一般是固定成本和变动成本之和。例如，固定成本包括船舶维修成本、船员付款和保险成本。请注意，虽然维修费用和船员费用在实践中是可变的，但为了简单起见，本文将其视为固定的。对于变动成本，我们只考虑燃油成本，燃油成本是船舶营运成本的主要组成部分，是航速的函数。在这里，我们假设航行速度是固定的，并且是预先知道的。集装箱装卸费是集装箱装卸和转运费用的总和。

弧长（i，j），即i口到j口的距离。v型船的Capv容量。

其中M是一个大的正常数。168 in constraints（4）是一周中的小时数；ℛi j是从端口i到端口j的路由集；delta;rks，ij是一个二进制变量，如果路由（i，j）属于OD端口对〈r，s〉，否则为0，则等于1。目标函数（1）最小化周成本，包括三个条件：（i）固定运营成本，（ii）燃料成本和（iii）集装箱装卸成本。

约束（2）遵循流量守恒约束。约束条件（3）描述了弧流xijv和OD路径流ykij之间的关系。约束（4）强制部署船舶的数量以保持一定的服务频率。约束（5）是容量约束，约束（6）–（8）只允许开放弧。约束（9）规定最多一种类型的船舶服务于一个弧。约束条件（10）和（11）确保每个港口至少有一种类型的船舶。约束条件（12）禁止内河船舶停靠海港，约束条件（13）和约束条件（14）保证ykij和xijv是非负的。约束（15）和（16）保证fijv和mijv是非负整数，约束（17）保持zijv二进制。

我们采用以下合理假设。

（i） 集装箱转运不得超过两次。

（ii）集装箱只能在枢纽港转运。

（iii）预先知道潜在的枢纽港。

前两个假设是常见的（例如，Alumur和Kara，2008；Meng和Wang，2011a；Zheng等人，2014，2015），第三个假设是为了降低计算复杂度。下一节将进一步阐述这一假设的基本原理。

接下来我们分析计算复杂度。港口数为jPj，船型数为jVj，弧数为jAj。一般来说，jVj≪jPjbjAj是因为特定公司拥有的船舶类型是有限的，每个港口每周至少访问一次。OD对的数目是jWj，它以jPj2为界。集装箱主要往来于上海（阳山、外高桥）和长江上其他港口之间。因此，jWj进一步被4jPj或OjPj限定。当给定可能的枢纽时，由于上面引用的前两个假设，jAj受OjWj的限制。因此，我们的模型最多有OjWj决策变量和OjWj约束，因为决策变量和约束都是以OD端口对的数目为界。因此，我们可以使用CPLEX等线性规划求解器求解该模型。

五．数值例子

在这一节中，我们提供了一个数值例子来证明我们的模型的有效性。该解决方案是在Windows 7环境下，在一台3.4ghz双核4gb内存的PC机上从CPLEX获得的。数据来自一家匿名航运公司，证明了长江沿岸集装箱运输存在规模经济。

5.1．数据描述

考察了泸州、重庆、宜昌、荆州、城陵矶、武汉、黄石、九江、安庆、铜陵、芜湖、马鞍山、南京、镇江、扬州、台州、江阴、南通、太仓、外高桥、阳山等21个口岸。本文提供的所有数据均来自真实数据（尽管出于保密目的进行了修改）。值得注意的是，南京和上海之间的每一个港口都足够大和足够深，可以作为海船的枢纽。假设重庆、武汉、九江、南京、江阴、太仓、外高桥、阳山8个港口可以成为枢纽（即潜在的枢纽港）。表2列出了本文所考虑的八种船型的参数。请注意，两个燃料成本值对应于两个装运方向。由于所考虑的船舶均为小型船舶，因此南京长江大桥和吃水深度没有限制。

5.2．结果与分析

表3显示了集线器及其馈线分配的结果。根据我们的模式，选择重庆、武汉、南京、外高桥和阳山作为枢纽港。尽管有些支线港口（如芜湖）由于上下游的配送成本较低，被分配到较远的枢纽，大部分属于附近的下游枢纽。外高桥拥有最多的支线港口，也就是说，在没有转运的情况下，更多的集装箱被运往外高桥。大多数进出洋山的集装箱都喜欢在外高桥转船，在外高桥，内河和内河船舶都可以停靠，因为内河和内河船舶的费用较高，是唯一可以停靠洋山的船舶。据2013年上海港统计，外高桥转运集装箱270万标

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