集装箱航线结构模式的选择
第36卷 第4期2010年11月
文章编号:1006 7736(2010) 04 0035 04
大连海事大学学报Journal of Dalian Maritime University
Vol. 36 N o. 4N ov. , 2010
集装箱航线结构模式的选择
陈 超, 苏 雅
(大连海事大学交通运输管理学院, 辽宁大连 116026)
摘要:针对不同船型, 研究基本港航线结构模式和核心港航线结构模式适宜选择和优化转化. 提出以航次单位时间投资收益为度量的解决思路, 运用数学分析方法构建两种航线结构模式的运行模型和优化转换的条件要求. 以东北亚至美国西海岸贸易区域航线为例, 运用M atlab 编程进行求解, 获得现行市场状况下, 不同船型对航线结构模式选择的适宜性和相互转换的优化船型, 验证了本文提出的思路和设计的模型具有很好的实用性.
关键词:集装箱; 航线结构模式; 基本港模式; 核心港模式; 单
位时间单舱投资收益
中图分类号:F55 文献标志码:A
0 引 言
集装箱航线结构模式的选择, 是研究当航线区域内港口间货量需求保持一定情况下, 船型大小变化是如何影响航线结构模式的形成和不同航线结构模式间相互转换的过程. 在大型船舶使用过程中, 为保证船舶的受载要求, 当航线区域内港口货量需求没有发生相应增长时, 增加航线挂靠港口的数量往往是保证航线运行收益提高的有效选择. 但是由此延长的航线运行时间, 又会降低航线运行的单位收益效率. 因此, 如何根据航线区域内港口货量需求的水平情况, 针对船舶大小的变化, 设计和选择合理的集装箱航线结构模式, 处理好舱位受载要求和航线运行时间之间的制约关系, 实现航线运行效率随着船舶规模的增加而增长的要求, 已经成为生产实践需要面对的现实问题和理论研究关注的热点问题.
目前, 有关集装箱航线结构模式选择的研究文献还很少, 并且大都侧重于不同货运需求的航线优化设计:文献[1-2]设计了一港装多港卸的航线优化模型和整数规划处理; 文献[3]构建了以集装箱航线运行成本最低为目标的数学模型; 文献[4]研究了毂辐射核心港航线结构模式中的船队优化问题; 文献[5]建立了运量确定情况下班轮的航线混合整数规划模型. 本文以现行两种主要航线结构模式 基本港结构模式和核心港结构模式为研究对象, 考虑其在运价收益和运行时间上相互影响和相互联系的特点, 提出以航次单位时间投资收益为基准的衔接不同航线结构模式运行效应转换的解决思路, 并以航次单位时间投资收益最高为目标, 以船舶大小为决策变量, 构建两种航线结构模式的航线运行模型(NIPP) 并建立两者之间的关联方式. 最后, 通过
Choice of the container line structure mode
CHEN Chao, SU Ya
(Transpor tation and M anagement Colle ge , Dali an M ari time University, Dalian 116026, China)
Abstract :Appropriate selection and optimization conversion be tw een the base port structure mode and the hub port structure mode were studied considering the different ship sizes. Choosing t he unit time per ship slot profit as the basic standard, oper at ing models of the two shipping structures and their r equirements of optimization conversion via mathematical analysis met hod were established. T aking the line from northeast Asian to w est co ast of A merican as ex ample, the opt imal mode under the g iven ship size was obtained and the balanced ship size w as go t by program ming with the M atlab softw ar e, w hich proves t hat t he optimized model ag rees w ell w ith practice.
Key words :container; mode of the line structure; base port
str ucture mode; hub po rt str ucture mode; unit time per ship slot profit
收稿日期:2010 05 27.
: () , , E
36 大连海事大学学报 第36卷 东北亚至美国西海岸贸易区域航线的案例测试, 验证了该模式对于确定不同航线结构模式转换的边界船舶、不同船型适宜的航线结构模式选择有着很好的效用.
港装多港卸. 该种模式货物运输为海上直达, 因此运价收益较高. 但是, 随着船舶载箱能力的不断增长, 当港口货量维持一定时, 增加挂靠港口数量就成为保障船舶舱位受载要求的唯一选择. 这种操作模式虽然增加了运价收益, 但在增加挂靠港口数量的同时, 也增加了航线的营运费用和运行时间, 其航线运行的航次单位时间投资收益也会随着挂靠港口数量的增加, 经历由不断增长再走向逐步衰减的过程.
1 问题描述
1. 1 航线结构模式的形成
在集装箱船舶大型化发展过程中, 集装箱航线结构模式的形成和演化总体上经历了3个阶段并形成了3种主要结构模式. 在集装箱海上运输发展最初阶段, 由于港口货量需求规模不大, 运营船舶大都为改装集装箱船和小型的专用集装箱船, 船型级别多为500TEU 左右, 航线多为一港装一港卸的形态, 由此形成了点对点结构运行模式. 20世纪90年代中期, 随着集装箱船舶建造技术的发展, 千箱位级别的大型集装箱船舶纷纷投入运营. 与此同时, 在世界经济一体化进程的推动下, 集装箱海上货物运输处于明显的增长时期, 许多港口的年货物吞吐量都达到或超过了500万或1000万TEU 的规模, 洲际航线上运营的船型大都达到了6000 8000T EU 不等. 为保证船舶受载要求, 主要采用多港装多港卸式航线运行模式, 即形成了基本港航线结构模式. 21世纪初, 随着集装箱船舶建造技术的不断突破, 更大规模的集装箱船舶不断投入使用, 从突破10000T EU 到现在14500TEU, 如此超大型船舶一方面对挂靠港口的要求更高, 另一方面时间损失的机会成本更大. 因此, 仅选择挂靠区域终端内的某一个港, 即形成了核心港航线结构模式. 这3种航线结构模式已经成为当今集装箱海上班轮航线并存的主导运营模式, 点对点结构模式比较适合区域内短距离直达航线或喂给支线; 基本港结构模式比较适合区域内或洲际间的航线; 核心港结构模式主要针对洲际间的环球航线.
1. 2 航线结构模式的特点
本文针对基本港航线结构模式和核心港航线结构模式形成与相互转换进行研究. 1. 2. 1 基本港航线结构模式
基本港航线结构形态与运行路径如图1所示, 该航线运行要求船舶逐个挂靠区域内选定的港口. 挂靠港口数量的多少, 取决于船舶的受载要求, 即港口货量越大, 需要挂靠港口的数量就越少; 反之, 港口货量越小, 需要挂靠港口的数量就越多. 同时, 航线上同一终端港口群中挂靠港口的货量通常按比例
, , 图1 基本港航线结构模式示意图
1. 2. 2 核心港航线结构模式
核心港航线的结构形态与运行路径如图2所示, 运营船舶只挂靠每个终端港口群中一个港, 即核心港. 每个终端港口群中其他港口的货物分别由公共支线集中到或分散出该终端港口群的核心港. 显然, 核心港航线结构模式因航线挂靠港口数量较少, 相对减少了航线运行时间, 并且, 如果当每个终端港口群覆盖足够的港口数量时, 不论航线运行的船舶规模多大, 均不需要增加挂靠港口数量来保证舱位受载要求, 因此, 运行时间效率高是其一项突出优势. 但是, 由于各个终端港口群中非核心港港口之间的货物运输是经过中转完成的, 因此, 航线运营的运价收益自然需要相应的降低. 如果航线运行的船舶大小不受港口条件限制和造船技术的制约, 核心港航线结构模式运行的航次单位时间投资收益将会随着船舶大小的增长而保持持续增长.
图2 核心港航线结构模式示意图
通过以上集装箱航线结构模式的形成和特点分析可以看出, 集装箱航线运作的目标就是不断地追.
第4期 陈 超, 等:集装箱航线结构模式的选择 37 影响这一目标的诸多因素中, 港口货量、船型大小、航行距离、运价收入、航线结构模式等都起着重要的影响. 当港口货量维持不变时, 船型大小与航线结构模式共同作用往往就成了影响航线运行目标实现的主要因素. 船型大小的变化与航线结构模式的转换具有一定的关联性, 并且受港口货量维持水平的影响, 因此, 建立其间的作用关系就成为集装箱航线结构模式选择的主要内容. 为研究问题方便, 根据集装箱航线结构的特点, 对一些影响航线运行的相关因素作如下必要的设定:
1) 每个终端港口群应备有足够的港口以供船舶挂靠, 且每个被选港口的货量应保持相同并均小于船舶载箱容量.
2) 每个终端港口群内各个港口之间无货流需求, 且两个港口群之间各港运价相等.
3) 所有被选港口都具有相同的装卸作业效率, 且无压港现象和限制船舶挂靠的因素.
4) 船舶在往返航端上均保持满载, 且实行周班运行制.
M j =N i =
s. t
i =1j =1
C FO (X ) ! P FO ! T B +C DO (X ) ! P DO ! T B +
vo op
i =1
∀
n
C ! N i +
m
a i
j =1
∀
m
m
C j ! M j ]}
n
b
(1)
∀∀x
m
ij
n
ij
=X ;
a
j =1i =1
∀∀y
n
ji
ji
=X
b
(2) (3)
x ij #TOP ij ; y ji #T OP ji
j =1
∀x
=
j =1
∀y ; ∀y
ji
i =1m j =1m
m
=
m
i =1
∀x
ji
n
ij
(4)
1 w hen ∀x ij =0 w hen ∀x ij =
j =1n
j =1m
∀y ∀y ∀x ∀x
n n
>0
(5)
=0>0
(6)
=0
j =1
ji
1 w hen ∀y ji =
i =1n
ij
i =1
0 w hen ∀y ji =
i =1
ij
i =1
x ij ∃0; y ij ∃0; i =1, 2, , n ; j =1, 2, , m
(7)
上述模型中, 目标函数(1) 为航线航次单位时间投资收益; 约束条件(2) 规定船舶从每个终端港口群装载的货物量总和不能超过船舶载箱能力; 约束条件(3) 限制从每个港口所装载的货物不能超过该港口所拥有的最大货运需求量; 约束条件(4) 给出船舶在港口的装卸作业量限制要求; 约束条件(5) 、(6) 描述港口被选择挂靠的条件. 2. 2 核心港模式运行模型
在基本港模式优化运行模型中的字母符号表示定义基础上, P 2表示航次单位时间投资收益; R ja 表示由港口群A 中第i 港到其核心港的海上支线货运费用, R jb 表示由港口群B 中第j 港到其核心港的海上支线货运费用; C 表示船舶挂靠港口群A 中核心港的港口费用, C 为船舶挂靠港口群B 中核心港的港口费用; R H (X ) 表示两核心港之间的运费. 则核心港模式优化运行模型(M 2) 可以表示为:
P 2=
op {R H ! X -[L (X ) ! T H +X ! T H
b
a
2 航线运行数学模型
2. 1 基本港模式运行模型
如果将航线区域内的被选港口划分为两个港口群, 分别用下标A 和B 表示; P 1表示航次单位时间投资收益; X 表示船舶载箱量; i , j 分别为港口群A 和B 中的挂靠港口编号, i =1, 2, , n ; j =1, 2, , m ; x ij 表示港口群A 中第i 港到港口群B 中第j 港的货运箱量, y ji 表示B 中第j 港到A 中第i 港的货运箱量; T OP ij 表示从A 中第i 港到B 中第j 港的最大货运需求量; T OP ji 表示从B 中第j 港到A 中第i 港的最大货运需求量; T B 表示船舶航行时间(T B 船舶载箱量X 为自变量的函数, v 为船舶航速) ; T B
op
vo
G
G
vo
vo
b
a
=d (X ) v , 其中:d (X ) 为闭合航线总距离, 是以
op
表示船舶闭合航次的运行时间(T B =T B +T , 其中, T 为在港作业时间) ; C FO (X ) 表示船舶均天重油消耗量; C DO 表示船舶均天轻油消耗量; P FO 表示重油价格; P D O 表示轻油价格; L (X ) 表示船舶日租金; R B (X ) 表示运价; C i 为港口群A 中挂靠第i 港的港口费用; C j 为港口群B 中挂靠第j 港的港口费用. 如此, 基本港航线结构模式运行模型(M 1) 可以表示为
P 1=
op 1
{R B ! X -[L (X ) ! T B +b
a
C FO (X ) ! P FO ! T H +C DO (X ) ! P DO ! T H +C +C ]}
s. t
i =1j =1n
m
m
n op
a
b
vo
(8)
∀∀x
ij
=X ;
a
j =1i =1
∀∀y
ji
=X
b
(9) (ij ij y ji #
38 大连海事大学学报 第36卷
j =1
∀x
m
ij
=
j =1
∀y ; ∀y
ji
i =1
m n
ji
=
i =1
∀x
n
ij
(11) (12) (13)
S min (R ia ) +S min (R jb ) +R H #R B
x ij ∃0; y ij ∃0;
i =1, 2, ... , n ; j =1, 2, ... , m ;
上述模型中, 除了约束条件(12) 为核心港航线结构模式的运价限制条件外, 其他限制条件的含义与基本港模式相同. 2. 3 两模式优化过渡条件
核心港航线取不同运价时, 就存在不同的航次投资收益率, 因此, 存在着一簇收益率曲线, 若从中选取两种航线结构模式下的航次投资收益率最大, 则两式应满足:
R H =f (P 2, X 0)
当
P 2=max P 1, X =X 0|(d P 1 d X ) =0
即要求核心港航线结构模式运行的舱位投资收益率曲线必须通过基本港航线结构模式运行的舱位投资收益率曲线的最大值点. 由此可以确定, 当港口货量维持一定时, 在保证航线运行均处于舱位投资收益率最大情况下的基本港航线模式和核心港航线模式优化转换的过渡船型, 以及对应的核心港运价水平.
图3 实验结果
运用MATLAB 技术进行编程求解, 得到该贸易区域两种航线结构模式转换的优化船型为7600TEU , 航次单位时间投资收益为24. 93USD TEU, 且核心港航线的运价水平为1075U SD TEU. 两种航线结构模式航次单位时间投资收益曲线及相互转换的优化船型如图3所示.
4 结 语
针对集装箱船舶大型化的发展趋势, 当港口货量还不能随之同步增长时, 考虑大小不同的船型对航线结构模式的选择和转换是航线优化设计的重要内容. 本文提出的以航次单位时间投资收益为度量的思路, 很好地解决了两种不同航线结构模式比较和转换的建模问题. 实例验证该思路和模型设计具有良好的效用性.
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3 实例应用
本文以东北亚至美国西海岸贸易区域两种航线结构模式的转换为例, 对上述数学模型进行计算应用. 实验所需数据设定如下:
1) 被选挂靠港口(30个港口) 东北亚港口群:上海、宁波、广州、天津、青岛、黄骅、大连、连云港、广州、烟台、日照、釜山、神户、名古屋、横滨.
北美西海岸港口群:长滩、洛杉矶、西雅图、奥克兰、圣迭哥、塔科马、波特兰、伯克莱、荷兰港、旧金山、圣何塞、恩塞纳达、马萨特兰、曼萨尼约.
2) 核心港航线结构模式中核心港口选择上海和长滩.
3) 燃油价格:重油496USD t, 轻油688U SD t.
4) 各个港口之间最大货物运输量限制为1200T EU.
5) 各港口货物操作时间:0. 036h TEU.
6) 靠、离泊时间:1h 次.
7) 船舶每次进出港口费用:1. 95%CAP+5200U SD.
8) 基本港模式中两港口群之间运价为1500U