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北海航线背景下的中欧集装箱航运网络研究
赵辉 郝虎 伊松林
中国上海市东川路800号上海交通大学交通运输与物流系和海洋工程国家重点实验室
中国上海东大名路378号中远集装箱运输公司欧洲贸易部
摘要
新兴的北海航线（NSR）代表了中国 - 欧盟集装箱航运现有班轮网络的变化。 有必要在这种背景下重新审视集装箱网络，并协助班轮公司做出决策。 本文通过建立两阶段优化模型来评估NSR在设计多端口多线程服务时的潜力。 基于NSR航线的估计数据，提出了NSR航线和常规航线上的船舶航线方案。 确定沿NSR的集装箱服务在很大程度上受到破冰费，季节性和货物体积的影响，这使得NSR更有可能在短期或中期作为班轮运输网络的补充线路。 结果还表明，使用NSR可能会推动航运网络和枢纽港的长期重新部署。 这项研究的结论可能对班轮公司，港务局和政府的战略规划有益，通过NSR评估班轮服务的运营。
1.介绍
海运运输是国际物流网络的一个组成部分，有利于全球贸易和商业的发展。工业，流浪汉和班轮运输是海运的三种运营模式，其中班轮运输是最常用的，因为守时和规模经济。自20世纪60年代以来，集装箱已被广泛使用。随着集装箱化的继续，过去二十年来贸易和生产进一步国际化的趋势。2014年世界集装箱货运量为1.21亿二十英尺等效单位（TEU）（贸发会议，2015年;Verny2007）。亚欧航运公司于2014年运输了2,300万TEU集装箱，是全球航运网络中最繁忙的班轮航线之一（贸发会议，2015年）。苏伊士运河航线（SCR）是连接亚洲和欧洲市场的传统和最重要的航线。根据苏伊士运河管理局的统计数据，约有4200万TEU的集装箱货物，占全球货物的24.5％，通过苏伊士运河运输;不过，苏伊士运河通道已经受到贸易量增长的影响（Verny，2007）。自2000年以来，中转货量增加了一倍多，2000年为3.68亿吨，2014年为8.22亿吨。汹涌的交通可能冲击运河的通行能力在未来创造一个等待通过的船队的长队（布里格姆和埃利斯，2004年;Notteboom，2012）。由于大多数班轮公司选择苏伊士运河以节省时间和成本，拥挤可能会破坏传统航线的优势，并会导致船东寻找其他通道（Verny，2007）。为了避免苏伊士运河等待时间的增加，应该设想新的航线和网络为亚欧市场服务。因此，跨越北冰洋的新兴极地海洋航线正在吸引海洋市场的关注。
北冰洋是美洲，欧洲和亚洲的顶点，为这些地区之间的航运提供了捷径在过去的几十年中，全球变暖导致北极海冰迅速退缩，从而促进了北极海路线（ASR）用于商业航行的潜力。 预计ASR在21世纪中叶夏天将不再有冰，并且随着船舶技术和基础设施建设的投资将在近期改善海上通道（Stephenson等，2013）。与南部海洋航线相比，海上航行季节继续增加并吸引ASR商业运输（Khon等人，2010）。ASR可以分为两个对称的海洋通道：北海航道（NSR，也称为东北航道），沿北亚海岸从新地岛延伸至白令海峡，西北航道（NWP），穿过北美北部沿海的加拿大北极群岛。在亚欧班轮运输中，通过NSR航行避免了通过拥挤的苏伊士运河，并使距上海至鹿特丹约7869海里的航程更短，与传统的10,450海里的SCR相比（图1）。与传统的通道相比通过北极海航线（ASR）运输的苏伊士运河或好望角显然可以节省运输距离和燃料成本，避免地理热点和运河拥堵，并为更灵活和灵活的班轮运输做出贡献（Schoslash;yen和Braring;then，2011年）。最近，旅游业，shing，液化天然气（LNG），石油和散装运输是NSR的主要活动之一（AMSA，2009）。 根据NSR新闻办公室记录的过境船舶数据，2014年仅有一艘集装箱船（上海至杜丁卡的Zapolyarniy）通过NSR。其他集装箱船被雇用于区域运输。大多数使用NSR的船舶是油轮，散货船，冰箱船，普通货船和某些工程船。目前，由于季节性，高风险和资本成本，NSR的集装箱运输潜力相对较弱（Lasserre和Pelletier，2011年）。 然而，通过SCR运输的大约一半货物是集装箱货物，这些货物仍然是亚欧贸易的主要货物类型。 由于亚洲和欧洲之间的集装箱运输需求扩大，因此NSR将在未来占有一部分总量的结论是合理的。 越来越多的无冰季节和冰冻船舶和北极海港的发展也将促进NSR集装箱运输（Xia等人，2013）。NSR很快将成为国际班轮航运网络中拥有最高商业价值的新航道。本文的目的是研究NSR集装箱航运网络设计问题：构造成本估算，港口选择，港口序列和船舶航线，以从全年可通航NSR获得最大年度保障。 我们还从不同的破冰费用水平下的班轮运输网络方面评估了NSR的经济可行性，并讨论了季节性，港口选择和货运量的影响。 与其他关于NSR容器的研究不同航运，我们估计NSR的潜力基于一个更灵活的网络与多个海港和旅行。预计建议的基于NSR的船舶路径选择方案可以帮助班轮运输的利益相关者重新规划其服务，并按照北极海上的定期班轮运输审查NSR的经济原则。本文的结构如下。 第一部分介绍本文的背景和设计基于NSR的线性网络的必要性。在回顾了有关ASR和班轮网络设计问题的相关文献后，第三部分阐述了集装箱航运网络设计模型。 然后，我们估计NSR航运的主要参数和数据，规划班轮网络，并在几种情况下比较NSR的经济效率，最后进行讨论并研究了结论。
2.文献评论
许多研究从经济，政治，法律和技术方面考察了NSR。 所审阅的文献分为四类：经济评估和模拟，关于航运人员态度的讨论，航行条件和政治/经济环境。 对ASR的经济潜力的研究仍然是一个热门话题，并就ASR是否可行提出了许多争议。 拉萨尔 (2014) 回顾了模拟北极航运经济的主要模型。 他们中的大多数都展示了集装箱交通模拟（26项研究中有18项）。Somanathan等人。（2009年） 对西北航道（NWP）的经济可行性进行了评估，并发现这条航线与巴拿马运河相比具有较低的优势，因为冰冻船舶的资金和维护成本很高。 Verny和Grigentin (2009) 通过构建NSR Express通过NSR的集装箱运输创建了港到港的装运时间表，并比较了单位成本。中国和欧洲之间的几个集装箱运输链接。这些研究人员得出结论认为，穿过苏伊士运河的黄金路线仍然是最便宜的选择，NSR是第二层选择之一。而不是比较成本， 刘和克朗巴克 (2010) 考虑到不稳定的燃料成本，无冰季节和破冰费用，通过ASR和苏伊士运河评估运输的质量。与指定单程航运的研究不同， Xu等人 （2011年） 通过北海航线假设了一个集装箱班轮服务，并带有固定的船号和时间表，以使其更接近真实的商业环境。Schoslash;yen 和Braring;then（2011） 研究散货运输而不是集装箱，并讨论了ASR如何使供应链更有效。Lasserre（2014） 总结了这些模型所考虑的因素，并提出了一个考虑营销问题的NSR集装箱航运的新模拟。 在他的研究中发现，装载因素和运输速度对NSR集装箱运输的可行性构成了重要影响。Furuichi和Otsuka（2015） 建立了NSR / SCR联合航运，并将两条航线的成本，运力，运输时间和排放量在一个共同的平台上进行了比较。 在Furuichi和Otsuka的研究中，情景更为复杂，详细分析了运营成本，无冰季节，船舶规模和其他因素。 在他们的研究中得出的结论是，如果无冰季节很短，NSR /SCR-联合集装箱运输可能在经济上不可行。然而，NSR / SCR联合航线的价格随着航行季节的增长而增加，并将削弱SCR中的规模经济优势，这意味着NSR在足够的可用时间下可能更具可行性。
除了关于NSR航运经济模拟的文献外，最近几篇文章探讨了NSR从其他方面的运输。 从航运演员的角度来看， Lasserre和Pelletier（2011） 对船东对ASR运输的看法进行了一次实证调查。 据了解，短期内ASR集装箱航运的热情有限，原因是预期高风险，大额投资或NSR港口货物减少。 Lasserre（2014） 同意他的模拟中包含的这些不确定性。 在导航环境方面， Khon等人。（2010年） 预测自由通行的季节性时间，并建议航行时间的增加将使NSR上的出货量比到21世纪末在SCR上的出货量大约多15％。 Stephenson等人 （2013） 还得出结论认为，海上通道正在增加，但由于航行季节的变化，加强冰的船舶仍然很重要。 一个类似的研究 Stephenson等人 （2014） 也显示航海季节受到海冰和海底测深的限制。 Farreacute;等人 （2014） 也通过NSR对航运进行了保守的观点，因为恶劣的天气，海冰，建筑投资和基础设施缺乏可能会降低其作为永久性航运路线的价值。 还有一些研究考虑了政治和经济环境。 洪（2012） 分析了中国如果要分享NSR的契机，海运业可能面临的机遇和挑战。 他建议改善经济，环境和政治方面的合作和服务对于北极地区的商业航运至关重要。 Moe（2014） 从运输活动，资源，管理和基础设施角度评估NSR的未来。 这项研究暗示NSR的运输条件有所改善，但仍然不确定，这可能使潜在用户采取观望态度。
虽然定期航行条件苛刻，但为了节约成本或提高效率，通过NSR对集装箱运输有很大需求。 这一需求可以解释为什么大部分文献都侧重于评估ASR集装箱运输。 然而，近期关于ASR经济模拟的大部分研究都集中在对经济可行性进行定性分析，并假定单一的港到港航运之旅，这与实际的往返班轮运输差异很大。 尽管一些研究考虑了班轮运输计划（例如， 徐等人，2011），他们通常假定主叫端口及其序列是预先确定的，而不是在实际业务中的情况，因为呼叫港口和船舶航线在引入新的通道时应该重新设计。 本文将这些因素考虑在内，并将经济评估与船舶路径综合为一个模型。
一些研究调查了与本文中类似的线性网络设计问题。 Lane等人 （1987） 通过提出分析模型来计划班轮集装箱运输业务，并通过列举所有可能的路线并利用集合划分模型来找出满足约束条件的最佳路线集合来解决该模型。 拉纳和维克森（1988） 提出了一种混合整数非线性规划（MINLP）模型，用于单集装箱船的船舶路径问题，并将其线性化为混合整数线性规划（MILP）问题，该问题使用Benders分解技术求解。 这个问题通过进一步评估 拉纳和维克森 (1991) 谁研究了多船舶路线。 但是，他们都假定港口呼叫序列已经预先确定。 Shintani等人。 （2007年） 放宽了这一假设，设计了考虑空箱配置的单船服务网络，并通过遗传算法解决了两阶段模型。 这些研究集中在现有的集装箱运输网络上，而较少关注新的航线（例如北极海航线）的影响，国际航运网络的潜在变化以及航线的重新分配。 此外，大多数现有模型对于实际使用来说太复杂，可能不幸使得模型在现实世界的业务中不切实际。 本文建立了两阶段优化模型，通过NSR计划班轮服务，协助船公司进入战略分析市场。
3. 航运网络设计问题
3.1问题的描述
班轮运输网络设计的目的是确定要呼叫的端口和所选端口的顺序（萌 等人，2013）。 此外，船舶尺寸，eet尺寸，船舶速度和船舶空间部署也优化为运输网络设计问题的输入或输出数据。 在实践中，班轮运输公司在进入某个市场之前，会每周估计港口间潜在的货物需求，并试图通过在规定的时间范围内考虑明确发生的成本和相应的收入来构建服务路线（或网络）Tran，2011).
图2 展示了北极航线背景下的班轮运输网络的一个例子，其中欧洲港口（港口1至港口7）和亚洲港口（港口8至港口
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