英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

长江集装箱船中心辐射航运网络设计

作者：郑建峰（大连海事大学交通运输管理学院）

杨冬（香港理工大学物流与海运学院）

摘要

集装箱船的吨位越来越大已成为长江上的常见景象，长江航运网络正在相应的转变。 本文讨论了一个符合长江长江航运公司特色的中心辐射网络的设计。 我们首先通过应用实际数据来探索集装箱航运经济发展。 接下来，在考虑了船运和集装箱处理成本后，我们提出一个混合整数线性规划模型。 然后我们进行数值实验，并对模型的有效性进行测试，最后讨论中心辐射航运网络设计的意义。 本次调查结果符合长江货物集中和港口区域化的趋势。

关键词：内河运输；中心辐射网络设计；混合整数线性规划；货物集中和港口区域化

1.背景介绍

近年来，航运业规模最大的集装箱船已经出现了惊人的增长。 例如，海运集装箱的平均规模从1996年的1500 TEU（二十英尺当量单位）增加到2014年的近3400标准箱。世界上最大的集装箱航运公司，马士基航运公司订购了20mega集装箱船（即18,000 -TEU船） 这种规模的增长是追求规模经济的结果，因为有关船只相对较小，在海运方面很少调查。 然而在中国，自2001年河船标准化以来，由于经济发展，尽管受到限制性草案等物理限制的约束，内河集装箱船规模依旧大幅度增长。图1 介绍了从2001年到2012年船舶平均规几乎翻了三倍。

图1 长江集装箱船平均规模变化曲线

图2显示长江沿岸港口，可分为三个主要区域：下游，从上海到湖口（接近九江）；中游，从湖口到宜昌；上游，从宜昌到宜宾（接近泸州）。上海到南京之间的长江水深超过12m;安庆到南京段的水深在6m左右；安庆到武汉段的水深在4.5m左右；武汉到城陵矶段的水深在3.7m左右；重庆到宜宾段的长江水深不到3m。长江各段不同的水深限制了船舶的大小。

图2 长江沿岸港口分部图

两种船可以在长江上行驶：内河船和江海直达船。我们假设河船不能在海洋港口停靠，而江海直达船可以在内河港和海洋港两类港口停靠。虽然长江可以通航这两种类型的船舶，但由于成本较高，上游很少有江海直达船。集装箱和散装货物是沿河运输的两种最重要的货物类型。 在本文中，我们只考虑固定航线运输公司。由于进出口不平衡，这些公司必须运输货物和空的集装箱，但我们考虑前者。

长江下游水足够深，特别是南京和上海之间。对于海上航行船舶，可以之间到达亚洲的某些地方，例如韩国的釜山。上海设有外高桥和洋山两个港口区，两个港口目前是海外港口的区域转运枢纽港口。外高桥是位于长江入海口的的内河港口，这意味着内河船可以之间到达并停靠。相反，洋山是距离河口约32公里的海港。 它是中国最大的转运港口，连接了许多班轮运输服务。江海直达船舶通常都是从下列大型内河港载运集装箱到洋山港：南京、太仓、外高桥。洋山港的第四期码头将于2017年完成，目的是吸引更得吞吐量的来自长江集装箱。上海港务集团已经在太仓港，南京港，武汉港等长江沿线港口投资，期望将它们打造成为洋山港转运中心的一部分。经过30多年的快速发展，中国经济进入了“新的正常”阶段，面临着多重挑战。中国政府提出了结构调整过程，其目的是防止经济增长率下降。 港口行业外部需求减弱，江苏沿江港口吞吐量增长率由2010年的19.7％，降至2014年的5.6％（江苏省统计局http://www.jssb.gov.cn/tjxxgk/tjsj/ndsj/）。可能原因是因为该地区港口之间的竞争日益激烈。为了避免这些港口之间的混乱和严峻的竞争，以及为了提高效率和效益，区域政府正在积极寻求智囊团和学术界对港口系统可持续发展的解决方案。本文基于一个咨询项目，旨在帮助区域政府更好地了解沿江，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河流集装箱航运规模经济，并根据提出的混合整数线性规划模型设计一个高效的中心辐射航运网络来回应政府的解决方案。政府政策在塑造中国港口发展格局方面发挥了重要作用。 例如，参考文献[24]中认为，中央政府对上海全球化的大力支持有利于洋山新港改造为集装箱转运中心，相对于邻近港口（例如宁波）。一旦区域政府通过了相关的合作文件，可能会有很多有利的结果，如投资，优惠政策，补贴等等，这将重新调整港口制度布局，影响长江沿岸港口发展格局。请注意，本文不考虑地方政府可能起到的副作用。

本文的主要重点是长江沿岸国内航运服务网络。根据参考文献[23]，我们建立了一个中心和辐射网络来模拟河流的航运活动。与海洋航运或远洋航运不同，在内河航运中，（1）河船不能停靠海港，（2）运输成本因方向而异，（3）内陆需求波动如此广泛，每周服务可能不足。 前两个因素可以通过选择现实参数来轻松解决。 第三，对模型引入了一个决策变量，根据给定的需求水平，分配相应数量的具有特定服务频率的船队运输服务期。 实际上，班轮运输公司每三到六个月改变运输服务网络，以适应季节性集装箱需求波动。

2.参考文献评论

海洋航运在过去十年中引起了相当大的关注，研究课题从调度和船队部署到路线设计，空集装箱规划和速度优化等方面。详细信息可以在评论文献[18]和[21]中找到。文献中调查了大型集装箱船的规模经济，并在内陆航运的基础上探索了规模经济。例如，扎尔斯（2008）在罗恩 - 索恩走廊上讨论了干散货和集装箱的情况。最近肯尼等人 （2013年）开发了一个中转站网络，以便从规模经济中受益，并改善鹿特丹腹地的集装箱驳船运输。 拉科尼察和温特（2005），孟和王（2011b）调查了内陆多式联运的规模经济。 关于中心位置问题（阿拉木尔和卡拉，2008）也经常讨论规模经济，这是中心辐射网络设计的主要因素。传统的中心和辐射网络设计中很少考虑货物路由，尽管最近货运路由和车队部署已经集成在中心辐射网络设计的制定中（孟 和王2011年出版的文章；郑建峰2014 和2015年的文章）。

与海运相比，马布里（1979）研究了最佳的河流速度，使燃油消耗降低。 瑞斯奥安（1994），肯尼和露德玛（2000）和扎尔斯（2008）讨论了海运航运的竞争力。一些研究调查了河运和港口网络。例如，王和松（2000）审查了华南集装箱港口系统的发展情况，重点关注了香港与珠三角其他港口的相互作用。西奥·诺特布姆和肯尼（2004）探索了莱茵河上的河流港口，并建立了一个模拟模型，展示了一段时间内集装箱驳船网络的发展。科宁斯（2007）评估了重组鹿特丹腹地的集装箱驳船业务所取得的进步。弗雷蒙特F（2010），威尔斯米勒（2011）和卡里斯等人（2014年）讨论了多式联运，包括内陆航运。此外，研究人员已经调查了排放量（廖春爽2011），气候变化的影响（琼卡尔恩等，2011），运行能源效率（孙.，2013）和环境政策在河运的影响（卡斯尔 2013）。

本文增加了关于河流运输服务和港口地理学的文献。 贾 （2006）分析了上游集装箱运输情况，以确定对水或陆运的偏好。罗和孙（2006），钟和诚（2008）调查了某些港口的运输方案。最近，杨等人（2014）提出了一种整数规划模型来优化路由选择。他们的模型包括车队部署，港口停靠和转运操作，但他们的发现依赖于几个不切实际的假设。例如，他们假设船舶在每个港口花费相同的时间，无论有多少个集装箱被处理，并且由公共道路类型的功能部门制定路线费用，这阻碍了装载，卸载的识别和转运费用。关于港口地理文献，西奥·诺特布姆和让伯尔·罗德里格（2005）提出了一个随后的研究人员应用于研究长江航运系统发展的港口系统演化模型也研究了河流的结构变化。

本文建立在以前的文献基础上，作出了三个新的贡献。 首先，我们运用实证数据探索规模经济，为长江提供凹成本函数的证据。 其次，考虑到河运的特点，实施了混合整数线性规划，优化了河流航运系统作为中心辐射网络。 第三，从河运航运网络设计的角度，初步尝试丰富港口地理学研究。

3.规模经济

由于难以确定不同船舶尺寸的每TEU的平均运输成本，因此我们将探讨每个港口对之间的班次航运服务，以揭示平均成本与每年发运的集装箱数量（年发货量）之间的相关性。

表1中列出的数据如图 3所示，是从长江航空管理局发布的长江航运发展报告（2011年，2012年）中收集到的。 图3是日志对数图。 令c（x）和x分别表示每TEU和每年发运的集装箱的平均运输成本。 随着x增加，c（x）减小。 此外，它表现出幂律关系，即c（x）〜x-gamma;，其中gamma;（0 bgamma;b 1）是指数。 gamma;约为0.9，即线的斜率。 指数gamma;表示规模经济，意味着长江不同地区的规模经济不变。

表3. 洋山和其他11个港口之间运送的年度集装箱量及其平均成本

图3 平均运输成本每TEU与年度集装箱运送量（穿梭航运服务）

4.模型

我们提出了固定整数线性规划模型，以优化长江集装箱航运网络。 根据Konings等人 （2013）的资料，我们构建了一个中心辐射网络。 对于成本结构，我们考虑运营成本和货柜处理成本。 运营成本通常是固定的总和成本和可变成本。 固定成本包括例如船舶维护成本，船员支付和保险费用。 注意，虽然维护成本和机组付款在实践中是可变的，但为了简单起见，本文中被认为是固定的。 关于可变成本，我们只考虑船舶成本，这是船舶运营成本的主要组成部分和航行速度的函数。 在这里，我们假设航行速度是固定的，并且是预先知道的。 集装箱处理费用是装卸货物和转运货物的费用总额。

模型符号如下：

P 港口，由i表示。

P1内河港口。

P2海洋港口。

P3潜在集线器端口集。

V船舶类型，由v表示。

V1河船类型。

V2江海直达船类型。

A 区域，由（i，j）表示。

qij从原产地运送到目的地j的集装箱的每周数量，即OD端口。

W OD端口对的集合，由lt;o，dgt;表示。

Disij区域长度（i，j），即端口i和端口j之间的距离。

Capv船舶的容量。

V型船舶的航行速度。

从港口i到港口j的v型船的每小时的地堡费用。

t_iv在港口i停泊的v型船舶处理的小时数。

固定v型船的每周运营成本。

在港口i装载一个TEU的成本。

在港口i卸载一个TEU的成本。

在港口转运一个TEU的费用。

决策变量如下：

如果arc（i，j）由类型为visin;V的船只服务，则二进制变量为1，否则为0。

在弧（i，j）上的visin;V型船的服务频率。

在arc（i，j）上的每周类型visin;V的船舶数。

通过类型visin;V运输的容器的每周数量在arc（i，j）上运送。

在OD端口对lt;i，jgt;的第k个路径上运输的容器的每周数量。

混合整数线性规划模型如下:

来源于张2010的不同类型船舶运营数据如下表：

表2 不同船舶类型相关数据

您可能感兴趣的文章

• 船舶在浅水航道中航行时的岸壁效应数值研究外文翻译资料
• 基于三维面元法限制水域船体下蹲的数值研究外文翻译资料
• 关于甲板大开口船体梁极限抗扭强度的实验研究外文翻译资料
• 基于斯托克斯方程计算和系统识别 方法预估实船操纵模型参数外文翻译资料
• 水面舰艇5415在PMM演习中的基准CFD验 证数据-第二部分:平均相位的立体PIV流 场测量外文翻译资料
• 初步设计阶段船舶功率推进预测第二部分初步设计中有用的服务速度船舶功率推进数学模型外文翻译资料
• 对某高速船模湍流自由表面的数值与试验研究外文翻译资料
• 第三章水下搜救与恢复操作外文翻译资料
• 液化天然气供求关系的现状与展望:一个全球性展望外文翻译资料
• 基于CFD的高层钢结构建筑风效应数值评估外文翻译资料