（技术经济及管理专业论文）基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究.pdf

摘要 摘要 在当今世界，集装箱以其高效、安全、优质、方便等特点受到货主和船公司 的青睐。同时航运业的兴盛也带来了许多管理方面的问题，其中以集装箱空箱调 运问题最为突出。如何降低班轮公司空箱调运成本，提高集装箱利用率成为航运 界和学术届共同研究的问题。但由于集装箱空箱调运问题非常复杂，并且含有不 确定性因素。同时大部分的研究成果都没有考虑到客户需求不能及时满足这一情 况，因此本文将该因素考虑进来，通过两阶段决策方法对调运过程中的不确定性 进行处理，对空箱调运问题有了一个更为全面的理解。 本文首先介绍了研究的相关理论背景和现实背景，提出了相应的研究目的和 研究意义，通过对集装箱空箱调运问题的介绍，抽象出海运集装箱空箱调运过程 中的影响因素。在明确了的研究问题域后，本文将研究内容划分为两个部分，即 客户需求不能被延迟满足情况下的硬需求情况和客户需求能够被延迟满足的软 需求情况。由于调运过程中空箱供给和需求存在着不确定性因素，本文采用了两 阶段的分析模型，第一阶段即空箱调运发生前阶段，此时班轮公司可以利用确定 性信息做出租箱、调箱、存箱决策，第二阶段即空箱调运发生当期，在该阶段班 轮公司可以利用第一阶段的存箱以及第三方租箱公司提供的空箱满足随机性需 求。最后本文通过班轮公司具体经营数据，分别对硬需求和软需求两种模型进行 了求解，并通过调整模型中不同参数对所建立的模型进行分析，从而验证了模型 的有效性。 本文从系统观念出发，采用优化技术对集装箱空箱调运进行了详细研究，其 研究成果给航运企业提供了有益的理论指导和方法支持。 关键词：空箱调运；软需求；两阶段模型 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sw o r l d ，c o n t a i n e r sp l a ya ni r r e p l a c e a b l er o l ei ng l o b a ls h i p p i n gi n d u s t r yb y t h e i re f f i c i e n c y , c o n v e n i e n c e ，s e c u r i t y a n dt h ed e v e l o p m e n to fs h i p p i n gi n d u s t r yh a s a l s ob r o u g h ta b o u tas e r i e so fp r o b l e m s ；t h em o s to u t s t a n d i n go n ei st h er e p o s i t i o no f e m p t yc o n t a i n e r s h o wt oc u td o w nc o s td u r i n gt h ep r o c e s so fc o n t a i n e r sa l l o c a t i o n h a sc h a l l e n g e dt h es h i p p i n gi n d u s t r ya n da c a d e m i cf i e l d t h i sp r o b l e m , h o w e v e r , i s v e r yc o m p l i c a t e da n du n c e r t a i n a n ds of a rm o s ts t u d i e sh a v en o tc o n s i d e r e dt h e s i t u a t i o nt h a td e m a n do fc u s t o m e r sc a nn o tb ed e l a y e d t h et h e s i st o o kt h i sf a c t o ri n t o c o n s i d e r a t i o n , a n du s e dt w o - s t a g em o d e lt od e a lw i 也u n c e r t a i n t y t h i st h e s i s ，f i r s t l y , i n t r o d u c e st h et h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lb a c k g r o u n di nt h i sf i e l d o fr e s e a r c h , a n dd e m o n s t r a t e dt h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c h ，t h e ni n t r o d u c e st h e p r o b l e mo fe m p t yc o n t a i n e r sr e p o s i t i o n , g e ts o m ei n f l u e n c ef a c t o r si nt h ep r o c e s so f r e p o s i t i o n s e c o n d l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e s t w os i t u a t i o n s ，t h eh a r d - d e m a n dw h e r e d e m a n do fc u s t o m e r sc a nn o tb ed e l a y e d ，t h es o f t - d e m a n dw h e r ed e m a n do f c u s t o m e r sc a nb ed e l a y e d b e c a u s et h ed e m a n da n ds u p p l yo fe m p t yc o n t a i n e r se x i s t s o m eu n c e r t a i nf a c t o r s ，t h et h e s i sa d o p tt w o - s t a g em o d e lt or e a c ht h ed e a lw i t l lt h e u n c e r t a i n t y a tf i r s ts t a g e ，b e f o r et h er e p o s i t i o no fc o n t a i n e r s ，s h i p p i n gc o m p a n y c a n m a k ed e c i s i o n sa c c o r d i n gt os o m ed e t e r m i n a t i v ei n f o r m a t i o n a ts e c o n ds t a g e ，t h e s t a g eo fr e p o s i t i o n , s h i p p i n gc o m p a n y c a nu s et h er e s e 芏 v eo ff i r s ts t a g ea n de m p t y c o n t a i n e t sw h i c hb o r r o w e df r o mo t h e rc o m p a n i e st om e e tt h es t o c h a s t i cd e m a n d e v e n t u a l l y , t h i st h e s i su s e st h eo p e r a t i n gd a t at os o l v et h em o d e l ，a n d 删u s tt h e p a r a m e t e ri nm o d e lt ov 谢匆t h ee f f e c t i v i t y i tu s e s s y s t e m a t i co p t i m i z i n ga p p r o a c h t o a n a l y z et h i sp r o b l e ma n di t s c o n c l u s i o nc a ng i v es h i p p i n gc o m p a n i e sar e f e r e n c e k e yw o r d s ：e m p t y c o n t a i n e r sr e p o s i t i o n ；s o f td e m a n d ；t w o - s t a g em o d a l 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 年月 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： ( ) 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( v ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 务r 幽 巷 ，jj 九 日 名 签 ， 聪 月 人多 明 年 淹印f dd ， 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着国际贸易的不断深入，海上运输作为运力最大且成本最低的运输方式， 受到了人们的普遍青睐。据统计，世界上大约有8 0 以上商品流通是通过海上 运输来实现的，所以海上航运业的兴衰直接影响着整个世界经济。 并且世界上绝大部分杂货的海上运输都是借助集装箱进行运输的。以厦门港 为例，2 0 0 8 年全年集装箱吞吐量就达到5 0 0 万t e u 。采用集装箱进行海上运输 的优势有目共睹，但是这也导致了一系列问题，比如说集装箱空箱调度问题。 对整个航运业来讲，世界上每天都有大批空集装箱从余箱港运往缺箱港。并 且在整个集装箱调运环节中，空箱调运比重一直保持在2 0 以上，根据英国德 鲁航运咨询公司2 0 0 2 年的调查和估算，在全球集装箱运量2 0 1 亿t e u 中，空 箱的调运量就维持在4 1 0 0 万t e u 以上，为此班轮公司每年需要多支出1 1 0 亿美 元来完成空箱调运，而且这还不算上公路和铁路方式运送的集装箱空箱。近年来， 随着中国以及其他亚洲国家对欧美等国贸易顺差的加大，集装箱空箱调运方面存 在的瓶颈问题也随之加大。 伴随全世界航运市场的发展，班轮公司之间的竞争也逐步加剧，集装箱运输 利润率也逐步下滑。在进入2 0 0 8 年后，由于世界范围内的经济危机导致班轮公 司的生存空间进一步被积压，因此班轮公司当前生存和发展的要务就是要严格控 制运营成本。在班轮公司的各项营运成本中，集装箱管理成本是仅次于港口运营 费的第二大成本，通常包括，空箱调运费、堆存费、修理费、集装箱租赁费、装 拆卸费用等。在这些费用中，空箱调运费和空箱租赁费以及存箱费用就占到6 0 以上。但是由于各港口的供需不均在短时间内并没有办法消失，空箱调运在所 难免，因此班轮公司就必须做出合理的空箱调运决策，降低运营成本，提高班轮 公司的竞争能力和经济效益。 因此，如何管理好集装箱空箱，如何做出正确的调箱、租箱、存箱决策等空 箱调运过程决策已经成为航运界和学术界日益关注的研究问题。 基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究 1 2 研究意义 ( 1 )降低班轮公司运营成本，提高班轮公司经济效益 集装箱空箱调运因为增加了集装箱额外的运输成本，必然会给班轮公司带来 相应的成本压力。通过对集装箱空箱调运问题的研究可以寻求到优化系统的方 法，在满足货主用箱需求的前提下，减少不必要的空箱调运，降低营运成本，提 高班轮公司经济效益。例如赫伯罗特( h a p a g l l o y d ) 公司【l 】，通过针对空箱调运问 题的研究以及管理流程的改进，在1 9 9 9 2 0 0 0 财政年度，实现了企业1 5 4 年历史以 来的最好业绩，“收入从3 0 亿欧元增长至1 j 3 6 亿欧元，折旧利息后的经营收益实现 了从1 0 9 亿欧元到2 5 亿欧元将近1 3 0 的增长。 ( 2 ) 提高运输设备利用率，降低集装箱总量 通过对空箱调运问题的研究，可以合理安排空箱调运环节，避免不必要的重 复调度，顺畅集装箱调运流程，缩短阶段性空箱调运时间，加快集装箱周转，进 而提高设备利用率，减少班轮公司总集装箱备用量，减少流动资金占用。 ( 3 ) 改善客户服务质量，提高管理水平，赢得市场 客户通常将能否及时得到所需数量的空箱视为评价班轮公司客户服务质量 的主要标准，并且通过该标准决定是否需要和班轮公司继续合作。通过对空箱调 运问题的研究，可以帮助班轮公司更好地安排交箱计划，从而提高客户服务质量， 最终帮助班轮公司提高竞争力，赢得市场。 并且通过对空箱调运问题的研究，可以触及企业集装箱管理中的多个层面， 从中反映出集装箱管理中出现的问题，可以根据空箱调运问题的研究成果来促进 企业管理制度方面的改革与完善。 2 第1 章绪论 1 3 相关研究 1 3 1 国外主要研究成果 自w h i t d 2 】首次利用运输规划理论开展空载运输工具优化调配研究以来，内陆 集装箱空箱调运的优化方法逐渐完善，在该文中作者把铁路运输系统中的空车调 运作为研究对象，通过构造一个空间时间模型来抽象铁路运输系统中的空车厢调 运问题，并给出了诱导式网络流计算方法及相应的计算例子，对某时间段内的空 箱调运方案进行优化，不过该模型并没有考虑决策的时间间隔，同时模型考虑因 素比较单一，在方法上也属于静态研究方法，没有考虑到空车调运的动态性这一 特点。继w h i t e 之后分别有学者对铁路火车空车调运问题进行定量研究， s c m i s r 0 1 3 1 在文中也应用了运输规划理论，用于对火车空车调运问题研究，并给 出了相应的线性规划模型以此解决了空车调度的节点和数量问题，不过该模型也 是利用静态的研究方法，缺乏对空车调运决策期间动态性这一特征的认识。 随着铁路集装箱运输研究的不断深入，学者们开始将目光转向集装箱空箱 调运的动态研究方法上来，在研究模型中加入决策计划期间的概念，分别就每一 期的空箱调运情况作调运计划。 w h i t e 4 】在文中进一步阐述了空箱调运问题各个方面之间的关系，假设空箱 的需求和计划期为已知变量，通过建立可随时间扩展的空箱调运网络模型求解最 优调运方案，该方法也是最早将动态研究方法应用到空箱调运问题当中的。 c e p h i l i p 和j m s u s s m a n 5 】将铁路集装箱空箱调运问题抽象为每个车站的“库存 问题，在文中引入库存理论，并且采用动态的建模方法，考虑调运的决策期间 以此解决时间点问题。h f l o r e z 6 】利用一个确定性的网络流模型来阐述动态集装 箱分配问题( d c a ) ，并使用一般的网络流算法对该问题进行求解。s k i k u c h i t r l 在文中引入了空车供给和需求的日常变动，利用改进后的线性规划问题解决供给 点和需求点之间每日的空车调运问题，并且模型还考虑了车辆的留存机制，并不 单纯地考虑调运网络中空车资源的移动。 这些早期研究成果奠定了集装箱空箱调运研究的基础，对随后相关问题研究 提供了非常重要的参考，但早期研究领域单一，仅仅考虑铁路集装箱的空箱、空 车调运，没有考虑海运集装箱空箱调运的特殊性，同时将所有的决策信息都视为 3 基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究 确定性变量，没有考虑到集装箱空箱供给、需求的不确定性。 随着空箱调运研究的深入，特别是伴随着现实中海运集装箱运输的日益盛 行，关于集装箱空箱调运研究方法和研究内容出现了一些新的趋势。一方面对该 问题的研究学者们开始将空箱、空车调运中的不确定因素视为不容忽视的因素； 另一方面学者们也开始将空箱调运研究从单一的陆路调运转向空箱的水路或海 上运输。 w c j o r d a n 8 】通过动态网络优化模型对铁路空车调运流程进行分析，并在模 型中引入了缺车成本，空车存储成本因素，同时文章将空车供给和空车需求量以 及空车的达到时间视为随机变量，利用期望法求解该模型。 p d e i 一9 】等学者将集装箱空箱部分供需视为动态的和随机的，将空箱交互过 程分为两个阶段，第一阶段指所有与确定性客户需求相关的场站到场站的箱流； 第二阶段是一个简单的集装箱存储模型，用来跟踪场站的存箱如何随着随机性空 箱供需变化而变化。两阶段的空箱调运模型将集装箱空箱的确定性因素和随机性 因素分开考虑，对以后随机性供需条件下的空箱调运研究有很好的指导意义，可 是该模型没有考虑到集装箱海运的特殊性。c h c n ，c y i n 1 0 】在p d e j a x 等人的研究 基础上，综合以前对内陆集装箱空箱调运阶段的研究成果和不足，针对海运集装 箱空箱调运这一特定问题提出了一个动态随机的两阶段网络模型。第一阶段，他 把供给、需求以及船上的空箱容量看成确定性变量；第二阶段，将这些参数都视 为随机的、可变的。两阶段研究模型将班轮公司空箱调运决策分为两个步骤，比 较贴近现实的决策过程，但是模型都没有考虑班轮公司延迟交箱的可能性。 t g c r a i n i c 1 1 】等学者在研究随机性供需环境下的空箱调运问题中，首先使用 确定性模型，求出多情景下( 不同的情景会导致各港口产生不同的需求) 确定性 问题的解，然后根据专家打分，给出各个场景可能发生的权重，最终对这些情景 的解进行加权以此作为模型的最优解。在该文章中，作者考虑到了海运集装箱空 箱调运的特殊性，并且将这些特殊性加入了模型之中，比较贴近现实中的空箱调 运过程，但该研究方法并没有考虑到所有情景，如果情景增多，模型计算复杂度 也会相应增加。 a l e r e r a i l 2 】等使用鲁棒优化( r o b u s to p t i m i z a t i o n ) 的方法解决供需不确定 性条件下集装箱空箱调运问题，该模型建立在网络优化基础之上，但对于随机性 4 第1 章绪论 因素的处理并不依赖其概率分布，而将随机因素定义为一个区间，同时设定一系 列可回复( r e c o v e r a b l e ) 策略，调运计划在满足约束的条件下是可回复的，最后 通过计算实验进行仿真。但是该文章只是考虑集装箱空箱的调运来满足港1 5 1 的用 箱需求，并没有考虑班轮公司的租箱对决策的影响。 随着启发式算法应用的普及，一些学者开始将启发式算法应用到空箱调运问 题的研究之中。l a i ”】等人以香港某航运公司中东到远东的航线为例，利用启发 式方法和计算机仿真得出了一种节约实际运作成本和机会成本的空箱调运策略。 j i n g - a l l 1 4 】等在文章中结合( u ，d ) 库存策略，建立空箱调运模型。如果港口的 空箱数量低于u 则将其他港口的空箱调入该港，直到该港的空箱库存到达u 。 如果港口的空箱数量高于d ，则将该港多余的空箱调出，针对该模型作者给出了 启发式算法进行求解，但是该模型仅仅考虑班轮公司空箱库存策略的选择，并没 有考虑客户对空箱的供给与需求状况。 进入2 0 世纪9 0 年代，班轮公司、港口、船代公司逐步使用i t 系统帮助公 司提高经营效率，辅助管理者进行决策，在这种背景下智能决策日益成为学者 们研究的对象，因此部分学者开始研究智能决策在空箱调运决策中的应用。 w s s h e n ，c m k h o o n g t l 5 】针对空箱调运问题建立了网络优化模型，并基于该模型， 设计出集装箱空箱调运决策支持系统架构( d s s ) ，通过该系统帮助决策者作出 空箱调运决策。b c h e a n g l l 6 】对是否存在第三方租箱公司的情况分别建立了动态网 络优化模型，并且也开发出一套决策支持系统( d s s ) 用以解决集装箱空箱调运 决策问题。 总结起来，国外关于集装箱空箱调运问题研究在方法上由早期的静态研究方 法已经转向了动态研究方法，由确定性研究方法转向了带随机因素的研究方法； 在研究内容上随着世界海上贸易的盛行，海运集装箱空箱调运问题的特殊性已经 越来越受到学者们关注；在研究工具和模型方面，大多数学者们还是倾向于使用 基于时间轴的动态网络优化模型，但对于不确定因素时分别采用了不同的方法。 同时对于该问题的研究还出现了与港口信息化，智能决策相结合的趋势。这些研 究成果对于世界航运界实践有相当强的指导作用，而且班轮公司通过自身空箱实 践也对学者们的某些观点进行了论证。 基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究 1 3 2 国内主要研究成果 国内关于集装箱空箱调运的相关研究起步较晚，但是国内学者在借鉴已有研 究成果基础上也对该问题的研究做出了巨大贡献。 周红梅【1 7 】等通过研究已有的铁路空车调运优化模型，结合运输规划理论和航 运经济学理论，通过线性规划的方法，建立集装箱空箱调运优化模型，但是该文 章没有考虑海运集装箱空箱调运的动态性，属于静态研究内容。r a nw 觚d 1 8 】等 学者首先对影响班轮公司空箱调运决策因素进行了总结，随后通过线性规划模型 对问题进行分析，最后给出了一些有用的结论供班轮公司参考。 王斌【1 9 】等在文中应用线性规划的方法从班轮公司角度考虑海上空箱调运优 化问题，建立调运优化模型，以调运费用，装、卸箱费用和租箱费用最省为目标， 同时考虑客户的需求，供给和运输能力的约束。 施欣【2 0 】以内陆集装箱运输系统作为研究对象，将空箱调运策略与租箱策略相 结合，通过构造网络优化模型，并对该模型进行仿真分析，从而揭示了决策过程 的内在规律。但是该模型仅仅以内陆集装箱系统运输作为研究对象，缺少海运集 装箱空箱调运的特殊性，比如该模型不存在集装箱运输能力限制，而事实上班轮 用来运送空箱的剩余舱位不一定会满足空箱运输的需求，运力不足的情况是很有 可能出现。随后旅欣【2 l 】结合海运集装箱空箱调运过程，建立线性优化模型，并在 模型中考虑海运集装箱挂靠港限制，而且引入了缺箱成本的概念来抽象班轮公司 因为不能及时交箱而产生的缺箱成本。但上述研究都旨在解决确定性条件下的集 装箱空箱调运问题，因此与现实中空箱供需关系的随机性这一特征有较大出入。 为了解决现实环境中空箱供需关系随机性这一特点，一些学者开始在文章中 引入随机性的空箱调运模型。刘大镕【2 2 】等学者考虑陆路空箱运输，将空箱的需求 视为随机发生的，通过数学模型求得陆路调运成本最小的调运方法，并且作者使 用机会约束的方法，将随机性需求约束转化为确定性的约束，求得模型的最优解。 但是该模型也仅仅限于陆路集装箱运输，并没有考虑海运中存在着特定因素，如 班轮空箱容量限制，港口是否可挂靠等限制。 刘克 2 3 】将马尔可夫决策过程应用于海运集装箱调运问题中，以一段时间内的 总折扣费用最小和无限期的平均费用最小作为目标建立模型，得到单港口空箱保 有量的决策和多港口间的空箱调运方法，但该模型将调运空箱作为默认的空箱不 6 第i 章绪论 足时的补进策略，只有在调运策略无法实现时才会采取租箱策略。此外，模型只 考虑了空箱需求的随机性，而没有考虑空箱供给的随机性。 卜祥智【2 4 】等人基于收益管理的思想，建立多箱种、多航段的空箱调运舱位分 配随机规划模型，并用鲁棒优化的方法对模型求解，有效解决了不确定需求环境 下，班轮公司的运输不平问题，但文章仅仅考虑静态网络控制策略，没有考虑海 运港口众多，航线复杂，多周期的动态网络情况。 王斌【2 5 】应用模糊规划的方法研究海运集装箱空箱调运问题，他以空箱调运和 租借费用最小为目标函数，并且考虑空箱供给能力、空箱需求量和空箱运输容量 限制等条件，他将集装箱的需求信息视为随机因素，并通过模糊数进行抽象。 刘恒江【2 6 】等使用p e t r i 网对集装箱空箱调运问题进行建模，并使用e x s p e c t 仿真软件对空箱调运问题进行模拟仿真，但模型考虑因素有限，与实际差距较大。 按照客户需求是否可以被延迟满足的情况国内也有学者对该情况进行研究， 胡晓龙【2 7 】在其博士论文中引入时间窗口概念，按照客户需求是否可以被延迟满足 划分为硬时间窗口和软时间窗口建立数学模型，并使用免疫算法对模型进行求 解，但该文考虑的因素较少，而且仅仅是研究铁路车站之间的空箱调运问题，并 没有考虑到海运集装箱空箱调运的特点，而且也没有考虑空箱供给和需求等不确 定因素。 由于国内关于空箱调运的研究起步较晚，并不像国外相关问题研究一样具有 一定的规律，但也多集中在海运集装箱的空箱调运问题的研究。 7 基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究 1 4 研究内容和研究方法 由于集装箱空箱调运产生的原因非常复杂，在短期之内不可能消除集装箱空 箱调运和空箱租用现象。但企业可以通过科学的调箱、租箱策略减少不必要的运 营成本，本文也旨在研究这个问题。 集装箱空箱调运的运输方式多种多样，既包括了陆地运输，海上运输以及海 陆结合的多式联运的运输方式，本文仅考虑集装箱空箱调运的海上运输。同时集 装箱空箱调运往往存在着多个利益主体，如班轮公司，货主，租箱公司，港口堆 场等等，每个利益主体都有自己的目标期望。本文站在班轮公司的角度上，假定 当前班轮公司所面临的环境在短期之内不会出现变化，建立模型研究集装箱海上 调运问题，为班轮公司提出当前环境下的最优空箱调运方案。 在研究方法上，本文在已有研究成果基础上，考虑到班轮公司在实际调运过 程中既存在确定性因素，又存在随机性因素这一特点，因此采用两阶段的建模方 法，将第一阶段定义为集装箱空箱调运确定性决策阶段。在该阶段班轮公司根据 确定的信息作为决策依据，建立确定性方程；而第二阶段则考虑随机性供需情况， 通过蒙特卡罗模拟方法找出随机性的供需关系，并结合第一阶段的信息求出整个 问题的最优解。 同时作者参考了部分学者关于客户需求可以延迟满足的研究成果。结合海运 集装箱空箱调运过程中的特殊性和随机性，将客户需求能否被延迟的情况分为硬 需求( 不允许班轮公司延迟交箱的情况) 和软需求( 允许班轮公司延迟交箱的情 况) ，分别建立两阶段空箱调运模型，从而得出许多有意义的结论供班轮公司参 考。 第l 章绪论 1 5 章节安排 第一章全面介绍了海运集装箱空箱调运研究背景和研究意义，在综合目前国 内外关于该问题的研究现状的基础上，提出本文的研究内容和研究方法。 第二章介绍了海运集装箱空箱调运问题产生的原因，特点以及影响因素，并 介绍了目前国内外航运界对于空箱调运问题的具体做法和相关措施，加深读者对 空箱调运问题的认识。 第三章为硬需求下的两阶段海运集装箱空箱调运数学模型。 第四章为软需求下的两阶段海运集装箱空箱调运数学模型。 第五章本文通过仿真实验对第三章和第四章的模型分别进行求解，验证本文 模型的有效性。同时通过改变不同的参数对模型进行分析，从而得出相应的结论。 第六章总结前面几个章节的内容，同时指出了今后作者的研究方向。 9 基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究 2 1 集装箱简介 第2 章集装箱空箱调运问题概述 国际标准化组织( i s o ) 对国际标准集装箱做了如此定义：集装箱是一种运 输设备，同时具有以下特点： ( 1 ) 具有耐久性，其坚固程度足以能够反复使用。 ( 2 ) 为商品运输而专门设计的，便于在一种或多种运输方式中运输时，无需中 途换装。 ( 3 ) 便于装卸和搬运的装置，特别是一种运输方式运移到另一种运输方式时。 ( 4 ) 设计时注意便于货物装满或卸空。 ( 5 ) 容积为1 3 i f _ 方米及其以上。 同时集装箱必须是在取得有关检验机构签发的有效货运证书之后，才能投入 营运的运载设备。在营的集装箱一般都符合i s o 以及其他国家或国际标准。 表2 - 1 ：国际国内集装箱主要参数标准 分类箱型长度l m m宽度h m m高度h m m 总重k g 备注 i s o 箱l a1 2 1 9 22 4 3 82 4 3 83 0 4 8 0g b l 4 1 3 1 9 9 8 系列l c6 0 5 82 4 3 82 4 3 82 4 0 0 0i s 0 6 6 8 19 9 5 中国国家 5 d1 9 6 82 4 3 82 4 3 85 0 0 0 标准1 0 d4 0 1 22 4 3 82 4 3 81 0 0 0 0 中国铁路 t j l9 0 01 3 0 01 3 0 01 0 0 0t b 2 11 4 1 9 9 0 行业标准t j 51 9 6 82 4 3 82 4 3 85 0 0 0g b 3 2 1 8 1 9 8 2 中国道路3 t1 7 2 02 2 0 02 2 0 0 3 0 0 0 行业标准5 t3 4 8 02 2 0 02 2 0 05 0 0 0 资料来源：中国国际海运网 如果按照不同的标准，可以将集装箱进行如下分类： ( 1 ) 按照尺寸大小分类，主要有2 0 t t ，4 0 f i ，4 5 t t 几种。目前国际标准集装箱的 宽度为8 j f t ，高度有9 f t 6 i n 、8 f t 、8 f t 6 i n 和小于8 r 的箱型共四种；长度有4 0 t t 、 3 0 f t 、2 0 f t 和1 0 f t 共四种。 ( 2 ) 按集装箱使用材料分主要有钢制集装箱、铝合金集装箱、玻璃钢集装箱和 1 0 第2 章集装箱窄箱调运问题概述 不锈钢集装箱四种。 ( 3 ) 按用途分有杂货集装箱、冷藏集装箱、通风集装箱、罐式集装箱、板架集 装箱、开顶集装箱、动物集装箱等。 2 2 海运集装箱调运流程 一个典型的集装箱调运流程，首先由货主从班轮公司处领到空箱，在货主仓 库装上货物后运至码头堆场( 也可将散货运至码头集散地由集散地人员负责拼装 后运至堆场) ，重箱在堆场等待装船。班轮按照船期表定期将码头的重箱运至目 的港，并被托运到集装箱集散地，由集散地确定集装箱应该送达的目的地( 或是 由集散地拆箱后将散货送到目的地) ，客户拆箱后将空箱运至班轮公司指定的地 点。如果码头集装箱空箱不够，则班轮公司就要考虑从其他地方调运空箱，或是 向其他班轮公司或租箱公司租用集装箱，这样就产生了空箱调运决策和租箱决策 问题。同时由于港口的集装箱空箱也可能被寄存在港口堆场以备后期空箱需求之 用，因此班轮公司还需要对空箱存储量进行决策。 实际运作中的集装箱运输流转是一个极为复杂的过程，由多个子系统所构成 的复杂系统，单以载运工具为划分标准，就可以分为水路集装箱运输系统、铁路 集装箱运输系统和公路集装箱运输系统；从流转区域划为，可以分为水运系统和 内陆集装箱运输系统；从集装箱是否载货角度出发，可划分为空箱调运系统和重 箱流转系统，上述各个系统相互关联交织在一起，相互影响，相互制约。 2 3 海运集装箱空箱调运的特点 总结起来，海运集装箱空箱调运有以下几个特点【2 7 】： ( 1 ) 随机性 从集装箱供给来看，可以把集装箱来源分为班轮公司自有箱，租箱公司供箱， 客户归还集装箱，其中客户归还集装箱存在着时间和数量上的不确定性。同时从 集装箱需求上看，也存在着各个港口用箱量和用箱时间上的不确定性。 基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究 ( 2 ) 多种运输方式，多种集装箱类型 集装箱运输系统除了海运运输之外还包括了铁路运输、公路运输和多式联运 等运输方式；而且集装箱类型较多，从大小来看就存在有l o f t ；，2 0 f t 和4 0 i t 等箱； 从用途来看还包括干货箱，冷冻箱等。 ( 3 ) 多利益相关者 在海运集装箱空箱调运过程中，围绕着这一问题存在多个利益相关群体。除 了班轮公司本身，还包括了租箱公司，货主，港口，堆场，陆上货运站，货代等。 这些不同的利益相关者都会对集装箱空箱调运过程施加影响，也增大了集装箱空 箱调运的复杂性。 ( 4 ) 动态性 海运集装箱运输船往往按照船期表的航程和航线进行运作，因此要求决策 者对不同的阶段，不同港口都需要进行集装箱调运决策。 ( 5 ) 运输能力和挂靠港口的限制性 班轮公司一般会按照重箱优先兼顾空箱的调度原则，优先考虑重箱运输，在 重箱调运后如果还有剩余运输能力才会考虑空箱调运，因此空箱调运存在着运力 限制。而且班轮行程遵照既定的船期表，因此班轮到港的挂靠顺序存在限制。 ( 6 ) 气候因素影响较大 恶劣的天气，如台风，会对海上航行照成巨大影响。在遭遇恶劣天气时，海 运班轮一般只有停泊在避风港口等待天气好转。 2 4 海运集装箱空箱问题产生的原因 造成集装箱空箱调运问题的原因比较复杂，而且空箱调运业务量大，各个港 口供给与需求比较分散且存在不确定性，同时还存在海运班轮运力限制，因此不 可能完全满足各个港口用箱需求。但总的来说，可以把空箱调运问题分为客观原 因和主观原因两个方面【2 8 】。 客观原因： ( 1 ) 港口进出箱量不平衡 集装箱货物贸易的最大不平衡，发生在以亚洲为一端的两大主干远洋贸易航 由于很难对天气因素进行量化，因此本文后续分析都基于良好天气情况下 1 2 第2 章集装箱空箱调运问题概述 线上，亚洲出口量远远超过进口量也因此产生了空箱调运问题。 ( 2 ) 港口进出箱型不平衡 在远东至欧洲航线上由于进出口货物种类和性质上的差异以及运费和装卸 费用标准不同，也客观上造成了进出口箱型的不平衡。 ( 3 ) 集装箱生产地到投入使用地之间的空箱运输 中国是全球制箱业霸主，干货箱几乎占9 0 ，由此造成了由中国各集装箱制 造厂向世界各地运输空箱的局面。 主观原因： ( 1 ) 港口设施还不完善，未形成国际中转枢纽大港 我国内陆大批适箱货物出口需运往日本、香港中转，使我国主要集装箱港口 及内陆货运站进大于出，形成空箱积压。 ( 2 ) 集装箱管理信息系统尚不完善 由于班轮公司及其代理机构管理水平落后，港口之间的信息交互不畅，各企 业之间系统集成性不高，造成班轮公司在做相关空箱调运决策时缺乏足够的信 息，导致决策的准确性较低。 ( 3 ) 租箱协议中有关退租地点的限制 租箱公司为了避免或弥补班轮公司在租期届满后在集装箱积压地区退租所 造成的损失，所以在租箱协议中严格规定了集装箱退租地点和退箱限额。 ( 4 ) 区域间修箱成本和修箱标准的差异 因各区域修箱费用和各班轮公司对修箱要求的不同，通常将空箱调至修理成 本较低的港口进行修理，增加了船的运载量，同时造成修理港口的空箱堆积。 2 5 海运集装箱空箱调运问题要素分析 2 5 1 海运集装箱空箱调运问题核心 海运集装箱空箱调运就是要解决空箱在各个港口，各个区域之间需求与供应 不平衡问题。有的区域空箱的供给量较大，如产箱地，有丰富的空箱可以提供。 而有的区域空箱的需求量较大，经常面临缺箱的情况。在这种情况下班轮公司就 基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究 必须做出合理的空箱调运计划来安排空箱资源，以减少班轮公司的空箱运营成 本。总的来说，空箱调运问题的核心包括以下三个主要方面： ( 1 ) 何时、何处调运多少数量的空箱到何地 班轮公司的班轮拥有既定的航线，当班轮挂靠港口时，班轮公司就需要决定 是否从挂靠港调出空箱以备后续港口的用箱需求，以及应该调出多少数量的空 箱。 ( 2 ) 何时、何处租用多少数量的空箱 由于班轮公司自有空箱资源有限，或者由于班轮公司班轮航期的限制，并不 能保证客户的用箱需求可以通过港口之间的空箱调运来满足。如果客户的用箱需 求无法满足时，班轮公司就要决定应该从外部租用集装箱来满足需求。 ( 3 ) 何时、何处存储多少数量的空箱 当班轮公司无法将港口多余的空箱调出，或该港后续会出现用箱需求时，班 轮公司就需要决定是否储存空箱，以及储存多少数量的空箱。 2 5 2 海运集装箱空箱调运问题影响因素 ( 1 ) 调运费 2 9 】 该费用为班轮公司将空箱调往目的港所产生的费用，其中包括单位运输费 用，集装箱空箱装卸费用，到港后的托运费用，以及船上空箱管理费用等。一般 而言距离较远则调运费相对较高。 ( 2 ) 租箱费 该费用为班轮公司向其他公司租用空箱所产生的费用，并且按照如下公式计 算，租箱费用- - 租箱量租金费率租期，其中租箱费率为单位集装箱租用每期 所支付的费用，一般而言，缺箱港的租箱费率较高。 ( 3 ) 存箱费 该费用为班轮公司将多余的空箱存在码头堆场所产生的费用，并且按照如下 公式计算，存箱费用= 存箱量存箱费率x 存储期限，一般而言余箱港的存箱费 率较高。 ( 4 ) 缺箱费 该费用为班轮公司因为无法在当期满足客户需求而产生惩罚费用，如果客户 1 4 第2 章集装箱窄箱调运问题概述 需求不允许延迟满足则班轮公司所面临的缺箱费将是无穷大。 ( 5 ) 空箱供需 该因素为各个港口在每期产生的空箱供给与空箱需求，通常空箱供给包括班 轮公司自购箱的交付，客户还箱，返修空箱等，同时空箱供给还具有一定的不确 定性，比如返修好的空箱等。空箱需求包括班轮公司向客户交付的空箱数，空箱 损坏等，并且空箱需求也具有一定的随机性，比如空箱损坏所产生的需求，客户 临时性用箱需求等。 ( 6 ) 挂靠港的可到达性 集装箱海运必须借助班轮进行运输，而班轮航线是根据船期表预先就已经设 定的，因此在空箱调运过程中并不能保证各个港口的空箱资源能够在各个时段随 意交流。 ( 7 ) 班轮大小 由于班轮的空间有限，而且大部分空间需要用来进行重箱运输，因此班轮的 空箱装载量也是有限的，此时班轮公司就需要合理地安排空箱调运方案提高班轮 资源的使用效率。 2 6 海运集装箱空箱调运实践 2 6 1 航运界空箱调运实践 以中国海运集团为例【3 0 】，中海集装箱运输有限公司开辟的航线有中国至日 本、韩国、北美、欧洲、地中海、澳大利亚等国际集装箱班轮航线和国内沿海内 贸线及外贸支线。在这些航线上空箱调运量约占总集装箱流动比例的2 0 ，约 4 2 万t e u 左右。为缩减空箱调运问题所导致的运营成本，全公司对空箱调运问 题研究比较多，并且领导对此也非常重视，投入了大量人力与物力。 目前公司对集装箱的管理方式主要在公司总部成立箱管中心，制定整个公司 的用箱计划，各个挂靠港设立箱管代理中心，负责所瞎地区内码头堆场及后方堆 场的具体箱务管理；总部还成立了集装箱运输部来管理载货集装箱的运输。集装 箱运输部根据客户的需要及联营方的合作关系，统计出每个时期内的用箱量、产 生的空箱量和用箱状况的概率分布等，协助箱管部空箱管理。 1 5 基于两阶段模型的海运集装箱空箱调运问题研究 中海集运空箱调运原则是从余箱港调运空箱到缺箱港，只进行一次空箱调 运，避免因二次或多次空箱调运，造成过多的调运成本。调箱计划要在满足客户 的空箱需要前提下，成本最优化( 包括堆存费、租箱费、空箱调运费、装卸费等) ， 最大程度提高空箱的周转率，减少租箱量。各个港口箱管代理完成下列工作：统 计和核实所瞎地区内的码头堆场以及港外堆场的空箱保有量，中转箱量，每天进 出港口的箱量统计( 并给出概率分布) ，余、缺空箱情况；编制港口区域的需箱 和供箱报表并且上报箱管总部；落实港口码头堆场空箱调运计划，向本区域用箱 客户提供空箱，并及时向中海集装箱总部反映工作中的问题。公司箱管中心根据 各航线的船期、舱位的利用率、货运情况和集装箱运输部的运输计划、确定调箱 计划( 调多少箱、何时调箱) ，向各港口箱管代理、航线经营人发出调箱指令。 中心对各地调箱计划统一平衡，直至满足各方面的空箱需求，才最终正式落实用 箱计划。 2 6 2 我国航运界空箱调运中存在的问题 虽然我国的空箱管理实践在科学化，规范化上已经有了很大改进，但还是存 在集装箱利用率较低，空箱调运量过大的现象。总结起来，我国的空箱调运实践 还存在如下两方面的问题： ( 1 )我国缺乏高素质的集装箱管理专业人才，港口和货代责任心不强，运输 信息不灵，生产组织水平不高，出现了很多超期箱、错用箱。 所谓超期箱是指客户使用时间过长的集装箱，也就是指在堆场、仓库以及其 它场所的堆放时间超过了规定的集装箱。超期箱的存在，严重的影响了集装箱的 周转，降低了集装箱的利用效率，造成了一些不必要的空箱调运。错用箱直接影 响了箱管中心的日常箱务管理工作的正常进行，造成了集装箱调配计划不能正常 实行，从而造成了本不应有的额外调运，增加了调运成本。 ( 2 ) 调运方案过于简单，缺乏动态性，尚存进一步压缩成本的空间。 某些班轮公司在安排调运空箱的计划时，只是简单的利用班轮空位，不考虑 空箱运输成本，随船从多箱港载入大量空箱，按照满足沿线港口的空箱需求的原 则，沿线卸下所需空箱，卸下的空箱量远远超过了暂时的需求。此种方式过于简 单，导致很多不必要的调运带来调运和装卸成本的增加。并且当航运市场情况乐 1 6 第2 章集装箱空箱调运问题概述 观、箱位紧张的时候，这种方法就很难解决重箱运输需求与空箱调运的矛盾。 2 6 3 国外航运界空箱调运问题的相关措施与经验 ( 1 ) 制定经济运作模式，合理挂靠港顺序1 3 1 l 空箱调运问题的严重，不仅使班轮公司，而且使集装箱租赁公司、中介组织、 船舶代理，甚至货物托运人等都一直在尝试采取各种措施。在2 0 世纪8 0 年代中 期，航运业内人士针对空箱流问题设计出比以往更为复杂的运作模式，目的是空 箱流的最小化。典型的例子是欧洲一中东一印度z 远东一欧洲的三角航线，这 种方式很快就以其经济性取代了传统的欧洲同海湾地区的直接航线。 ( 2 ) 扩大覆盖面广泛开展合作1 3 2 1 从理论上说，一家班轮公司的箱位越多，则可供选择节约时间和成本的路线 方案也就越多。对于一家班轮公司来说，扩大全球覆盖面的好处之一就是扩大了 可选方案的选择。世界各大班轮企业之间采取了不同的合作形式，在集装箱设备， 尤其是集装箱