长江集装箱航运轴辐式网络设计外文翻译资料

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长江集装箱航运轴辐式网络设计

文章历史：

收到日期：2015年1月5日

2016年7月1日收到修订版，2016年7月4日接受，2016年7月17日在线提供。

摘要

越来越多的大吨位集装箱船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辐条网络的设计。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，最后讨论了轴辐式式航运网络设计的意义。本文的研究结果支持了长江沿岸货物集中和港口区域化的趋势。

关键词：内河航运、轮辐式网络设计、混合整数线性规划、货物集中与港口区域化

正文

近年来，航运业在其最大集装箱船的规模上经历了惊人的增长。例如，海洋集装箱船的平均尺寸从1996年的1500标准箱（相当于20英尺）增加到2014年的3400标准箱。世界上最大的集装箱航运公司马士基航运公司在2011年订购了20艘巨型集装箱船（即18000标准箱船）。这种规模增长是追求规模经济的结果，因为相关船舶相对较小，所以很少在内河航运中进行调查。然而，在中国，自2001年内河船舶标准化以来，由于规模经济的原因，内河集装箱船的规模已经显著增长，尽管它们仍然受到诸如吃水限制等物理限制的约束。图1显示了2001年至2012年的船舶尺寸变化，这一时期的平均船舶尺寸几乎翻了三倍。图2显示了长江沿岸的港口，可分为三个主要区域：下游，从上海到湖口（靠近九江）；中游，从湖口到宜昌；上游，从宜昌到宜宾（靠近泸州）。上海与南京之间的水深超过12米，南京与安庆之间约6米，安庆与武汉之间4.5米，武汉与城陵矶之间3.7米，重庆与宜宾之间小于3米。不同的河流深度可以容纳不同大小的船只。

图1 中国内河船舶平均规模的年度过渡

数据来源：http://www.jttj.gov.cn/gongbao.asp（中文）

图2 长江沿岸的港口

两类船舶可以沿长江航行：内河船舶和江海船舶。我们假设内河船不能停靠海港，而内河船可以停靠河港和海港。虽然长江可以同时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。集装箱和散货是沿河运输的两种最重要的货物。在本文中，我们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，但我们仅检查前者。

长江下游足够深，尤其是南京和上海之间，远洋船只可以直接驶往韩国釜山等亚洲目的地。上海拥有外高桥和洋山两个港口区，两个港口区目前都是通往海外港口的区域转运枢纽港。外高桥是一个位于长江口的内河港口，这意味着内河船舶可以直接进入。洋山位于长江口32公里处，是一个海港。它是中国最大的转运港，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、外高桥等大型河港将集装箱运往洋山。该港口的第四阶段码头将于2017年完工，目的是吸引更多来自长江的集装箱吞吐量。上海港集团已投资沿江几个港口，包括太仓、南京和武汉，以期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，面临着多重挑战。中国政府提出了一个结构调整过程，旨在防止经济增长率可能下降。在港口行业，随着江苏沿江港口吞吐量的增长，对外需求减弱。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/）。同样的结果是，该地区各港口之间的竞争日趋激烈。为了避免这些港口之间可能出现的混乱和激烈竞争，并最大限度地提高它们的效率和效力，的区域政府正在积极地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，旨在帮助区域政府更好地了解长江沿线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内河集装箱运输的规模经济，并基于一个拟议的混合整数线性规划模型设计一个高效的枢纽轮辐航运网络，来回答政府的解决方案要求。政府政策对我国港口发展模式的形成起到了重要作用。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）。一旦该文件的成果被区域政府采纳，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，影响长江沿线港口发展格局。注意，本文不考虑区域政府可能开展的活动的副作用。

本文的重点是长江沿岸的国内航运服务网络。遵循Konings等人（2013年），我们构建了一个枢纽和辐条网络，以模拟河流的航运活动。与海运或远洋运输不同，在内河运输中，（i）内河船舶不能停靠海港，（i i）运输成本因方向而异，（i i i）内陆需求波动太大，每周的服务可能会不足。前两个因素可以很容易地通过选择实际参数来解决。第三，在模型中引入了一个决策变量，根据给定的运输服务期间的需求水平，为特定的服务频率分配相应数量的船队。实际上，班轮运输公司每三到六个月改变一次航运服务网络，以适应季节性集装箱需求的波动。

与海运相比，河流航运研究受到限制。Marbury（1979）研究了最大限度减少燃料消耗的最佳河流速度。Rissoan（1994）、Konings和Ludema（2000）和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）考察了华南集装箱港口体系的发展，重点是香港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流港口，并建立了一个类比模型，展示了集装箱驳船网络如何随着时间的推移而发展。Konings（2007）评估了重组鹿特丹腹地集装箱驳船服务所实现的改进。Fr_mont和Franc（2010），Wilmsmeier等人（2011）和Caris等人（2014）讨论了联运，包括内陆运输。此外，研究人员还调查了河流航运中的排放（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）。

本文增加了有关河流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，以确定水上或陆上运输的偏好。罗、孙（2006）、钟、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由选择。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，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），这妨碍了确定装卸和转运成本。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；Notteboom，2007；Rimmer和Comtois，2009；Wang和Ducruet，2012）。Veenstra和Notteboom（2011）还调查了河流的结构变化。

本文在前人文献的基础上，做出了三项新的贡献。首先，我们运用实证数据探讨了长江流域的规模经济，并提供了长江流域内凹成本函数的证据。其次，我们实施混合整数线性规划，以优化作为枢纽和辐条网络的河流航运系统，同时考虑到河流航运的特殊特点。第三，从内河航运领域航运网络设计的角度，对丰富港口地理研究进行了初步尝试。

一、规模经济

由于很难确定不同船舶尺寸的每个标准箱的平均运输成本，我们探索了每个港口对之间的往返运输服务，以揭示平均成本与每年装运的集装箱数量（每年装运的集装箱）之间的相关性。

表1和图3中的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）。图3中的插图是对数图。c（x）和x分别表示每标准箱和每年装运集装箱的平均运输成本。随着x的增加，c（x）减小。此外，它还表现出幂律关系，即c（x）~x，其中gamma;（0 bgamma;b 1）是指数。gamma;约为0.9，即线路的坡度。指数gamma;代表经济1-gamma;规模，意味着长江不同河段的规模经济是不变的。

图3 每标准箱平均运输成本与年集装箱运输成本的对比

表1 洋山与其他11个港口之间的年集装箱运输量及其平均成本

二、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。遵循Konings等人（2013年），我们构建了一个中心轮辐网络。对于成本结构，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。固定成本包括船舶维修成本、船员支付和保险成本等。请注意，尽管维护成本和机组人员付款在实践中是可变的，但为了简单起见，本文认为它们是固定的。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，并且提前知道。集装箱装卸费用是集装箱装卸和转运过程中发生的费用之和。

混合整数线性规划模型公式为如下：

其中M是一个大的正常数；

约束（4）中的168是一周内的小时数;

ℛij是从港口i到港口j的一组路线;

delta;rsk,ij是一个二进制变量，如果route（i，j）属于OD的第k个路径港口对lt;r,sgt;，则二进制变量等于1，否则为0；

目标函数（1）最小化，每周费用，包括三个部分：（i）固定运营费用，

（ii）燃料成本及（iii）集装箱处理成本；

约束（2）遵循流量守恒约束；

约束（3）描述了弧流xijv和OD路径流yijk之间的关系;

约束（4）保证船只数量在一定范围内；

约束（5）是容量约束；

约束（6）-（8）只允许开弧；

约束（9）保证一种船只有一个弧形；

约束条件（10）和（11）确保在每个港口至少有一种船舶；

约束（12）禁止河流船舶在海港停靠；

约束（13）和（14）保证那个yijk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为二进制数。

我们采用以下合理假设。

（i）容器不能转运两次以上。

（ii）集装箱仅在枢纽港口转运。

（iii）潜在的枢纽港口是事先已知的。

前两个假设很常见（例如，Alumur and Kara, 2008; Meng and Wang, 2011a; Zheng et al., 2014, 2015），第三个是降低计算复杂度。这个假设的基本原理在下一节中将进一步讨论。我们接下来分析计算复杂度。数字港口的数量是船舶类型的数量是｜V｜，以及弧的数量是｜A｜。一般来说，｜V｜lt;lt;｜A｜因为船舶拥有的船只类型给定的公司是有限的，每个港口至少访问一次每周。 OD对的数量是｜W｜，其由｜P｜²界定。集装箱主要在上海（即洋山和上海）之间旅行外高桥）和长江上的其他港口。结果，｜W｜由4｜P｜或O｜P｜进一步限制。当给出潜在的枢纽时，｜A｜由于前面提到的前两个假设，O｜W｜受到了限制。因此，我们的模型最多具有O｜W｜决策变量和O｜W｜约束因为决策变量和约束都受OD端口对的数量限制。因此，我们可以解决这个问题使用线性编程求解器（如CPLEX）的模型。

三、文献综述

海运在过去十年中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、空集装箱重新定位和速度优化等。有关详细信息，请参阅Rone

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资料编号：[2321]

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