（交通运输规划与管理专业论文）不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究.pdf

中文摘要 摘要 随着国际贸易的迅猛发展，全球集装箱货运量大幅提升，对规模经济效益的 追求所导致的船舶大型化趋势愈演愈烈，由此导致的港口功能分化也日趋明显， 进而影响到整个海上集装箱班轮网络体系的演化。目前，集装箱班轮运输已经形 成了干线和支线一体的航线网络，而作为集装箱班轮航线网络的重要组成部分， 支线班轮运输网络是集装箱枢纽港和干线运输的重要支撑，也是干线运输网络顺 利运转的重要保障。因此如何科学地解决支线集装箱班轮运输网络优化问题，提 高支线运营收益，己成为班轮公司关注的重点。此外，航运市场的经营活动具有 较强的不确定性，如何将这种不确定性用定量的方法体现在支线网络的优化上对 于航运企业的航线网络规划有着举足轻重的作用。本文旨在研究不确定环境下支 线集装箱班轮网络的优化问题，试图为支线运输网络的优化提供可行的理论和方 法。 本文在认真分析了国内外相关研究的基础上，首先阐述了支线集装箱运输的 基本知识，并简要介绍了不确定系统优化的基本理论；其次，从系统收益优化的 角度出发，将随机变量和模糊变量同时引入模型中，构建了不确定环境下支线集 装箱班轮网络优化模型，通过运力、运量、网络以及时间的约束，使得整个支线 网络的运营收益最大，并引入改进的蚁群算法进行求解；最后以经营长三角内支 线运输的a 公司为例，对其所经营的长三角支线网络进行了优化，得出了较为合 理的长三角内支线集装箱运输网络。 结果表明，经过对支线网络的的优化组合，a 公司的运营收益大为增加，说明 本文所提出的模型对于支线集装箱运输网络优化问题具有较强的适用性和有效 性；同时将不确定的规划理论引入到支线班轮网络的优化模型中，使得该模型更 符合市场的波动情况，具有较好的市场适应性。 关键词：支线运输；网络优化：不确定性；蚁群算法 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n a t i o n a lt r a d e ，t h en u m b e ro fg l o b a lc o n t a i n e r s t r a n s p o r t e di n c r e a s e sg r e a ta n d t h et e n d e n c yo fc o n t a i n e rs h i p sb e i n g b i g g e ra n db i g g e r i n c r e a s e si n t e n s e ，w h a t sm o r e , t h ed i f f e r e n t i a t i o no ft h ef u n c t i o n so fp o r t sg r o w s g r a d u a l l yo b v i o u s n o w a d a y s ，t h el i n e rt r a n s p o r t a t i o n h a sb e e nt h es e a w a yr o u t e n e t w o r kt h a tm a k e st h et r u n ka n dt h ef e e d e ra sw h o l e ，a n da st h ee s s e n t i a lp a r to f c o n t a i n e rl i n e rn e t w o r k , t h ef e e d e rt r a n s p o r t a t i o np r o v i d e sh u g es u p p o r tt ot h eo p e r a t i o n o ft h eh u ba n dt h et r u n kl i n e sf o rc o n t a i n e r st r a n s p o r t a t i o n , w h i c ha l s og u a r a n t e e st h e o p e r a t i o no ft h et r u n kl i n e ss m o o t h l y s oh o w t ow o r ko u tt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m so f t h ef e e d e rn e t w o r kf o r c o n t a i n e r st r a n s p o r t a t i o ns c i e n t i f i ca n di n c r e a s et h er e v e n u eh a s b e c o m et h ef o c u so ft h er e s e a r c ho ft h es h i p p i n gc o m p a n i e s m o r e o v e r , t h ef l u c t u a t i o n o ft h es h i p p i n gm a r k e ti sc o m p a r a t i v e l yg r e a t ，a n dh o wt oq u a n t i f yt h eu n c e r t a i nf a c t o r s p l a y sag r e a tr o l eo nt h ed e c i s i o no ft h eo p e r a t i o no ft h es h i p p i n gc o m p a n y t h i sp a p e r s t u d i e st h eo p t i m i z a t i o no ft h ef e e d e rn e t w o r kf o rc o n t a i n e r st r a n s p o r t a t i o ni nu n c e r t a i n c i r c u m s t a n c e ，a n dt r i e st oo f f e rs o m ef e a s i b l et h e o r yf o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h ef e e d e r n e t w o r kf o rc o n t a i n e r st r a n s p o r t a t i o n b a s e do nc a r e f u la n a l y s i so ft h er e s e a r c hi na n da b r o a d ，t h i sp a p e rf i r s te x p o u n d s t h es u m m a r i z a t i o no ft h ef e e d e rt r a n s p o r t a t i o n ，a n di n t r o d u c e st h et h e o r yo fu n c e r t a i n p l a n n i n g s e c o n d l y , t h em o d e lt oo p t i m i z et h ef e e d e rn e t w o r kf o rt h e c o n t a i n e r s t r a n s p o r t a t i o ni se s t a b l i s h e df r o mt h ev i e wo fr e v e n u eo p t i m i z a t i o nw i t ht h ec a p a c i t y 、 v o l u m e 、n e t w o r k sa n dt h et i m ec o n s t r a i n t sa n dt h ei m p o r to fu n c e r t a i nf a c t o r ss u c ha s t h er a n d o mv a r i a b l ea n dt h ef u z z yv a r i a b l e ，a n dt h e nt h ei m p r o v e da c oi su s e dt o f i g u r eo u tt h em o d e l f i n a l l y , w et a k eac o m p a n yw h om a k e sf e e d e rt r a n s p o r t a t i o n b u s i n e s si ny a n g t z er i v e rd e l t af o re x a m p l e , a n dg e tt h er e s u l t so ft h eo p t i m i z a t i o n t h er e s u l ts h o w st h eo p e r a t i o nr e v e n u eo fac o m p a n yi n c r e a s i n gg r e a tb y o p t i m i z a t i o n , w h i c hp r o v e st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em o d e lt ot h ef e e d e rt r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k ，a n dt h em o d e lh a sp r e f e r a b l ea d a p t a b i l i t yf o ri n t r o d u c i n gu n c e r t a i np l a n n i n g t h e o r y k e yw o r d s ：f e e d e rt r a n s p o r t a t i o n ；o p t i m i z a t i o no fn e t w o r k ；u n c e r t a i n ；a c o 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 ：丕确定巫撞工童绫篡菱笪逛趁圆终选丝硒塞= = 。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：j 妞 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密囤( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：闪承坤l 导师签名：醐 日期：年月日 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 随着全球贸易的快速增长，国际集装箱货运量大幅提升，带动了整个班轮运 输业的快速发展。为了追求规模经济效益，集装箱船舶的大型化趋势愈演愈烈， 集装箱港口的功能分化也日益明显，规模经济效益催生了干线集装箱船舶大型化 的同时也在不断增加运营成本，实际运营中为了减少大型集装箱船舶的在港成本， 大型干线集装箱船舶只能挂靠数量有限的港口，而其他港口的货物只能通过支线 中转进入干线运输，由此导致了全球干支线集装箱运输的不断发展与分化。作为 集装箱班轮航线网络的重要组成部分，支线班轮运输网络是集装箱枢纽港和干线 运输的重要支撑，也是干线运输网络顺利运转的重要保障。而目前支线集装箱班 轮航线的确定主要是船公司基于经济估计和有限方案的比选而做出的决策，这种 比选是通过直觉和个人操作经验选择的，很难做出最优的选择。因此如何科学地 解决支线集装箱班轮运输网络优化问题，降低支线运营成本，提高支线运营收益 进而最大化班轮公司的市场占有率，己成为班轮公司关注的焦点，也是航运界面 临的重要课题。 此外，航运市场需求的变化以及国际燃油价格的波动对集装箱班轮运输网络 的优化影响较大，且航运市场的需求以及国际燃油价格的变化较大，呈现不确定 性的特征。而目前有关班轮运输网络的优化研究基本上都是基于确定性环境的， 因此，将不确定性因素引入到支线集装箱班轮运输网络优化中对于航运企业的决 策有着重要的作用，可以为其做出更恰当的决策提供保障。 1 1 2 研究意义 在此背景下，本文结合支线集装箱运输的发展特点，充分考虑了航运企业在 支线集装箱网络优化决策上所必须面临的市场不确定性，运用随机模糊优化理论， 第1 章绪论 通过数理统计模拟营运参数，从而在此基础上建立不确定环境下航运企业的支线 集装箱班轮网络优化模型，并进行求解分析。该模型的建立具有理论与实际研究 的双重意义。 首先，将不确定性因素引入到支线集装箱班轮运输网络的优化中，对集装箱 支线班轮运输网络优化理论的发展做出了贡献。 其次，由于引入了不确定性因素，该模型相比较于传统的支线集装箱班轮运 输网络模型更符合市场的实际情况，为航运企业的支线集装箱班轮运输网络的合 理设置提供了积极参考，同时对于航运企业降低支线集装箱的运输成本，提高运 输效率也有一定的积极意义。 1 2 国内外研究综述 集装箱运输目前已发展成海运市场的主流，实际经营中为了降低营运成本及 提高营运收益，强化班轮公司的服务质量和最大化市场竞争力，集装箱班轮航线 网络优化问题逐渐成为航运界面临的重要课题。我们在对相关问题研究和资料的 收集过程中发现国内外对于班轮航线及其网络优化设计等相关的领域已经有了一 些研究，涉及到的方法主要是传统方案法、船舶运行图法和数学规划法。 1 2 1 国外研究综述 关于班轮航线网络优化方面的研究，近年来国外的相关研究较多，但大多是 基于干线班轮网络方面的研究，且着眼点在于整个运营过程中的成本最小，所选 用的方法也集中于船舶运行图法、动态规划方法以及一些启发式的智能算法。 d a v i dr o n e n ( 1 9 8 6 ) n 1 所研究的船舶调度优化问题中，装载港只有一个，但是 却有多个目的港。文章中考虑了多种船型和不同货种的搭配运输问题，船舶在相 同时间点内只能承运一种货物，但船上所运货物可以有多个卸货港，而卸货港数 我们可以根据具体的货运合同来确定。由于本文所研究的问题没有回程货，船舶 在完成一个航次任务后会直接返回装货港，等待下一个航次的命令。文章中作者 将目标函数定位于运输成本最小，将运输成本分为船舶的时间成本和港口使费， 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 使用了精确求解法、启发式单步成本最小法、有偏随机求解法三种不同的方法求 得最优解。 d e u n e 等( 1 9 8 7 ) 胆1 给出了一个旨在优化班轮航线服务效率的航线配船模型， 该模型假定在一段时间内某条班轮航线上的集装箱货运量我们是已知的，同时将 目标函数的着眼点定位于成本最小。作者在研究的过程中将复杂的航线配船问题 分化为航线的选择、船舶运行计划等步骤，通过数次实证分析，提出了将该模型 应用到实际中的可能性。 p e r a k i s 和j a r a m i l l o ( 1 9 9 1 ) 1 充分考虑到船队在实际运营过程中的各项成本支 出，使用线性规划方法求解了一个将现有船队的集装箱船舶分配到给定的航线上 的配船问题，对于求解过程中出现的航速和航线班期等非线性因素，在求解之前 已经利用相关的智能算法转化为线性因素进行求解。 c h o 和p e r a k i s ( 1 9 9 6 ) h 1 对一家班轮公司的船队规模问题进行了研究，同时针 对相应的航线网络的设置进行了优化。首先针对船公司现有的船型，作者给出了 一些待选的航线，应用相应的线性规划理论的知识对其进行了求解，从中找出最 优的航线。此后c h o 和p e r a k i s ( 2 0 0 1 ) 幅1 将该模型扩展为混合整数规划模型并考 虑了将船队规模扩大后求解的可行性等问题。 i a k o v o u ( 1 9 9 9 ) 阳1 对海上危险品的运输航线进行了规划研究。考虑到对危险品 运输做的相关规定，作者将目标函数定位为成本最小，试图建立海上危险品的航 线运输网络，以求解多货种、多挂靠港的航线优化问题，最后作者以两阶段法对 求解过程进行了模拟。此外，e l e f l h e r i 和i a k o v o u ( 2 0 0 1 ) n 1 研究海上原油运输路径 优化问题的同时，将运营过程中的风险问题考虑到模型中，建立了一个成本和风 险最小的多目标规划模型，并运用网络决策支持模型i o t s 进行了求解，并将该理 论模型成功运用到墨西哥湾原油运输的网络优化问题中，得到了较好的优化方案。 近期关于班轮航线优化方面的文章在模型和解法上都有了改进，文章中多采 用了启发式算法，并借助计算机进行求解。f a g e r h o l t ( 1 9 9 9 ) 陋1 对一个给定船型的班 轮运输航线优化问题进行了研究，作者将该问题定性为一个多目标的旅行商问题， 求解过程中主要考虑两个方面：首先为船队中的每种船型遴选可行的航线，考虑 第1 章绪论 每条航线的成本因素以及时间因素，其次将上述提到的待选航线作为整数规划模 型的输入值，从而求解模型，最后为每种船型选择使得整个船队运营成本最小的最 优航线。 与之相似，k g e t i l ( 2 0 0 4 ) 旧1 对一个给定船队的班轮航线路径优化问题进行了研 究，而对于解决该问题的方法，作者给出了较为新颖的解决方案，即罗列出每条 船所有可能的待选方案以及相应的成本及时间因素等，这里作者将航线方案作为 整数规划问题的输入，通过求解该整数规划问题，为每条船舶找到最优的航线路 径，同时使得整个船队的运营成本最小。 s h i h c h a n t i n g 和g w o h s h i i m g ( 2 0 0 3 ) n 伽将动态规划理论应用到一个航线的 船期问题中，建立了一个基于航线班期问题的动态规划模型，旨在帮助经营者在 约定的规划期内做出更优的船期安排。 d o n g p i n g s o n g 和j i e z h a n g ( 2 0 0 5 ) 1 针对传统的集装箱班轮网络优化问题，运 用启发式算法成功解决了班轮网络成本优化问题以及运输网络中集装箱径流向问 题。 c h a u g i n gh s u 和y u p i n gh s i e h ( 2 0 0 6 ) n 2 1 所建立的双目标决策模型把问题的 着眼点放在了运输成本和库存成本的最小，解决了点对点运输和带有转运港约束 的轴辐式网络设计问题，在求解过程中使用了改进的遗传算法。 k o i c h is h i n t a n i ，a k i oi m a i ，e t s u k on i s h i m u r a ，s t r a t o sp a p a d i m i t r i o u ( 2 0 0 5 ) n 3 1 将空箱调运问题引入到集装箱航线网络设计中，将其看成是一个两阶 段问题，并利用基于启发式的遗传算法进行了求解分析。同时通过大量的数字仿 真实验，印证了将空箱调运因素引入到集装箱航线网络设计中的可行性。 此后，a k i oi m a i 等人( 2 0 0 9 ) n 钔对该问题进行了更为深入的研究，对不同船 型的两种典型的航线网络方案进行了探讨，即针对常规船型的多港挂靠方案和针 对大型船舶的轴辐式网络方案进行研究，其在求解过程中依然采用两阶段的方法： 航线网络的设计和集装箱的调运。最后针对亚一欧和亚洲一北美航线进行了数字仿 真实验。 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 此外在班轮航线优化方面的研究中，不少学者利用纯数学和系统论的相关知 识对其进行了整体的研究。例如，k r i s h a nr a n a 和r g v i c k s o n ( 1 9 8 8 ) n5 1 研究了针 对给定港口，需从中选择适宜的港口进行挂靠，并进行相应航线的优化，以使得 总的营运利润最大，在所建立的非线性模型中，约束条件充分考虑了整个船队的 运力、运量以及营运时间的限制等问题，在求解方法上采用了拉格朗日松弛算法 并利用计算机编写程序求解问题。而后k r i s h a nr a n a 和r g v i c k s o n ( 1 9 9 2 ) n 印又运 用拉格朗日松弛分析法对集装箱班轮航线网络优化问题进行了研究，构建了多港 口、多船舶的集装箱班轮航线网络优化模型，并给出具体实例进行分析求解。此 外，韩国入赵诚哲和a n p e r a k i s ( 1 9 9 1 ) n ”建立了= 集装箱班轮航线网络优化的整数 规划模型，通过构建航线一货流矩阵，把货流、港口、船舶以及航线系统结合到 一起，为今后航线网络优化研究做出了一定的贡献。 1 2 2 国内研究综述 关于班轮航线网络优化方面的研究，早期我国在这方面所作的研究不多且论 文和相关著作也较少，进入二十一世纪后相关的著作和研究才逐渐增多。 早期，吴长仲教授编写了航运管理一书，书中作者针对我们所熟知的航 线配船、船队规划以及船舶调度等问题进行了针对性的论述；而在谢新连教授所 著的船舶调度与船队规划方法一书中，作者应用了大量的线性规划、非线性 规划、动态规划等数学规划方法对我们所熟知的航线配船、船队规划以及船舶调 度等问题进行了分析研究，并编写了相关的计算机程序进行了求解演示。 赵刚在国际航运管理一书中就班轮航线的构建、相应航线的配船以及船 队管理等问题建立了相关的数学模型，并给出了论证和分析的方法。赵刚( 1 9 9 7 ) n 。1 就航运业实际经营中的问题，对传统的集装箱班轮航线优化模型进行了改进并提 出了迭代求解法，实证表明，改进后的航线优化模型更符合班轮运营中的实际情 况。 徐天芳，胡丽娜( 2 0 0 0 ) n 训对我国国内集装箱的货运量情况、运力的发展现状以 及未来的发展前景进行了详细的分析，并以此为基础提出了国内集装箱两点往返 第1 章绪论 型航线、钟摆型航线以及环型航线的运量、运力平衡优化模型，为经营我国沿海 集装箱运输的船公司的决策提供了积极的参考。 郭子坚等( 2 0 0 1 ) 啪1 将集装箱多式联运下港口的合理布局问题作为研究的着眼 点，给出了轴辐式网络模式下的港口布局模型。由于该模型涉及到非线性优化问 题，作者利用神经网络智能方法进行模型的求解，并在实证分析中以辽宁省的沿 海港口为例进行了求解分析，并给出了较为合理的计算结果，同时其研究也为我 国关于轴辐式网络方面的研究提供了有益的参考。此后郭子坚等( 2 0 0 7 ) 他研究了 某一地域内港口集装箱海上运输网络系统的最小费用流问题，并将新兴的智能仿 生蚁群优化算法引入到模型的求解过程中，利用蚂蚁在寻找食物过程中所表现出 来的超强寻优能力来解决模型中的非线性问题，进而建立了基于蚁群算法的区域 内集装箱海上运输网络系统的径流优化模型，并在实例分析中以某一外贸经济区 为例，针对区域内的集装箱运输网络进行了优化计算，从得到的结果我们可以分 析出，作者所构建的优化模型可以使整个运输网络系统的费用流在较短时间内收 敛到最优状态，为下一步合理进行集装箱运输网络的航线配置提供了一个参考依 据。 沈学超( 2 0 0 3 ) 胫2 1 对影响集装箱班轮航线优化的因素以及优化的基本原则进行 了探讨，并提出了集装箱班轮航线经济效益评估模型和集装箱班轮单航线优化方 法，对不同航线每个航次的经济收益情况从定量的角度进行了评述和比较。 吴文一( 2 0 0 4 ) 口3 1 从系统工程的角度出发，运用相关的方法研究了运输网络的整 体性。针对集装箱运输的特点，在保证整体系统环境最优的前提下，建立了集装 箱运输的径流向模型，并通过实证分析验证了该模型的准确性。 武振业，宋天生，赵柯( 2 0 0 6 ) 幢引在对海运集装箱运输问题特性分析的基础上， 建立了需求不确定的海运集装箱路径随机规划模型。该模型中将目标函数的着眼 点放在集装箱运输过程中利润的最大化，作者在约束条件中考虑了航段容量、装 载质量限制、重箱和空箱的需求，同时采用了机会约束规划方法进行了求解。 王文渊，宋向群，郭子坚( 2 0 0 7 ) 乜鄙针对目前集装箱船舶大型化的发展趋势， 考虑在实现大型集装箱船舶规模经济效益的前提下，尝试将混沌优化这一理论应 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 用到港口运输网络的优化中，旨在寻找合理的集装箱班轮航线以及相应的服务频 率，为我国班轮运输航线网络的决策提供依据。 王斌，唐国春( 2 0 0 8 ) 腓3 建立了集装箱运输网络优化的整数规划模型，并将重箱 和空箱统一在一个系统中进行研究。模型中，作者将目标函数定位于总的运输利 润最大，这里作者将利润定义为重箱运输利润减去重、空箱运输成本。约束条件 考虑了集装箱的空箱需求情况和重箱需求情况、运力以及空箱供给数量等。最后 作者利用计算机软件对该模型进行了求解分析，通过数值仿真来证明不同参数影 响下的调运策略，旨在为船公司提供合理的海运集装箱运输方案，从而降低船公司 的集装箱运输成本，实现船公司集装箱运输效益最大化。 徐国平，宗蓓华，李文顺( 2 0 0 8 ) 幢7 1 在对集装箱班轮运输网络中的运输成本以 及密度经济进行研究的过程中，着重考虑了两种运输形式即轴辐式航线结构与直 达航线结构，比较后得出结论：班轮运输网络中广泛采用轴辐式网络结构的一大 动因是可以增加密度经济效应，而采用此种航线结构形式的前提就是存在范围经 济。 另外，苏绍娟( 2 0 0 8 ) 心8 1 对航运公司船队规划的特点进行了详细的分析，考虑 到船舶技术经济指标随船龄的变化以及航运市场的不确定性，建立了基于不确定 性环境下的动态船队规划模型，并考虑到不确定性规划求解的复杂性，把带有模 糊、随机参数的机会约束转化为它的清晰等价类并根据船队规划问题具有大规模、 离散性和整数性等特点，采用离散粒子群算法进行求解，通过实例说明该方法的可 行性。 受苏绍娟( 2 0 0 8 ) 乜8 1 的启示，本文在支线班轮航线的优化研究中考虑相关经济 指标的变化，将各港口的货运量作为随机因素引入模型中，同时将燃油价格作为 模糊因素引入模型，拟建立基于不确定性环境下支线集装箱班轮航线的优化模型。 1 。2 3 小结 综上所述，针对航线网络的优化研究，国内外已有的研究虽然取得了很多成 果，但还需做进一步的深化与改进。 第1 章绪论 首先，已有研究大多将约束条件定位于对运力和运量的限制，目标函数通常 着眼于成本最低或运量最大，且其中针对不定期杂货船的研究居多，而对集装箱 班轮航线网络优化的研究较少，很大的一个原因在于针对集装箱班轮而言，船舶 运营的过程中通常需要停靠一系列的港口，模型不仅要考虑总的经济成本，还要 考虑到满足挂靠港口以及班期等要求。 其次，目前已有的关于班轮航线优化方面的研究大多是针对干线班轮航线的 研究，近几年来出现的关于班轮轴辐式网络结构的研究也多将研究的重点集中于 网络运输的整体性，所考虑的支线因素也仅仅限于支线的运营成本，而单独对于 支线网络的优化研究很少，尚未形成一套较完整的支线集装箱网络规划模式。 另外，尽管近期国内外班轮航线网络优化的相关研究正逐步增加，应用范围 也有所扩大，但是这些研究基本上是基于确定性环境来研究的。而航运企业在航 线网络优化的决策上必须要面临集装箱运输市场的高度敏感性及不确定性，因此， 本文在认真分析了国内外相关研究的基础上，结合航运市场的不确定性，并充分 考虑到支线集装箱运输航线网络的实际情况，构建了不确定性环境下支线集装箱 班轮网络优化模型，并通过实例进行验证分析，具有理论与实际研究的双重意义。 1 3 主要研究内容 本文主要研究航运企业的集装箱支线班轮航线网络优化问题，同时将不确定 规划理论引入到支线班轮航线网络的优化中，对已有的班轮航线优化理论进行扩 展。文中引入了随机变量和模糊变量，并在此基础上构建了基于随机机会约束和 模糊机会约束的集装箱支线班轮航线网络优化模型，同时利用改进的蚁群算法对 模型进行了求解说明，最后进行算例验证分析。 本文研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 介绍了本文研究的背景及意义，并详细分析了目前班轮航线优化领域的研 究状况。 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 ( 2 ) 对集装箱支线班轮运输的特点进行了分析，同时针对集装箱支线班轮航线 的特点、支线班轮航线的分类、支线班轮航线的成本构成、支线班轮航线的靠港 选择的影响因素以及支线班轮航线优化的原则也进行了详尽的说明。 ( 3 ) 对不确定系统的优化理论进行阐释，介绍了不确定规划的分类以及相关的 算法，同时详述了带有随机参数和模糊参数的混合机会约束规划模型。 ( 4 ) 引入随机变量和模糊变量，并在此基础上构建了基于不确定性环境的集装 箱支线班轮航线网络优化模型，同时针对随机参数和模糊参数的特点，给出了相 关变量的处理方法，最后利用改进的蚁群算法，对本文中的混合机会约束规划模 型进行求解分析。 ( 5 ) 进行实例分析并得出结论。 1 4 研究方法及思路 本文拟采用定量和定性分析相结合的方法，在对集装箱支线运输特点进行分 析的基础上，实际运营中引入随机参数和模糊参数，建立了基于不确定性环境的 集装箱支线班轮航线网络优化模型，该模型是以总的运营收益最大为目标的混合 机会约束规划模型。这罩我们针对不确定参数的特点，给出了具体的处理方案， 最后利用改进的蚁群算法对其进行求解说明并利用m a t l a b 7 0 软件进行求解， 并通过实例对本文建立的模型进行了验证。 本文主要研究思路如图1 1 所示： 第1 章绪论 图1 1 文章结构流程图 f i g1 1f l o wc h a r to f t h ep a p e r 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 第2 章集装箱支线运输网络基本理论 2 1 集装箱班轮航线网络 目i j 海运集装箱班轮网络系统中，所承运的集装箱货物都是有多个装货港和卸货港 的，可以选择多条班轮航线进行承运，这些港口节点和运输航线相互间构成了复杂的班 轮航线网络系统。而作为集装箱班轮航线不断发展和完善的产物，在对支线集装箱班轮 运输网络研究前，我们有必要对班轮航线网络进行整体的分析和研究。 2 1 1 集装箱班轮航线网络的特点 集装箱班轮航线网络的产生和发展是一个复杂的过程，在这个过程中我们可以了解 到它具有以下的特点： ( 1 ) 船期准 一般集装箱船舶的航行速度都较快，且所承运的集装箱可以高效率的进行装卸，较 少会受到气候等自然条件的影响，这些都为集装箱船舶的准班运营创造了条件。 ( 2 ) 班期固定 由于集装箱船舶可以准班运营，我们可以非常容易的将其船期固定下来，如以周班 或月班的形式进行船期的编排。 ( 3 ) 挂靠港少 本着实现规模经济的目的，目前的集装箱船舶正朝着大型化、高速化的趋势发展， 这必然从一个侧面对其所挂靠的港口有了限制，同时随着近年来轴辐式网络结构的发 展，大型船舶只能挂靠少数的干线港口以满足规模经济的要求。 ( 4 ) 投入船舶艘数少 在同等条件下，我们可以将集装箱船舶同普通件杂货船舶进行对比，结果表明集装 箱船舶所能承运的货量更大，这也意味着对于相同货量的情况下，我们所投入的集装箱 船舶较少。 ( 5 ) 网络相关性 第2 章集装箱支线运输网络基本理论 目前集装箱班轮航线的发展已经日趋网络化，干线之间，干、支线间的衔接越来越 密切，航线网络中任何一个细节要素的变化都可能会要求相关的航线网络做出调整，以 最大程度的满足货运量的需求和提高航线货运效率。 2 1 2 集装箱班轮航线网络的分类 作为国际贸易的衍生产物，随着国际经济的快速发展，航运市场的需求越来越强， 同时也带动了区域内大批港口的发展，基于此条件下的集装箱班轮航线形成了多种布 局，按照不同的划分标准我们可以得到以下几种班轮航线模式： ( 1 ) 按照所属的航行区域进行划分 按照集装箱班轮所航行的区域，我们可以将其航线划分为：内河班轮航线、沿海班 轮航线、近洋班轮航线、远洋班轮航线。这里我们所提到的内河班轮航线主要指国内内 河之间以及内河与沿海相通的集装箱班轮航线；沿海班轮航线是指相同海域内邻近国家 问以及一国内港口间的海上运输路线；近洋班轮航线是指不横跨大洋间的海上运输路 线；远洋班轮航线是指横跨大洋如太平洋、大西洋以及印度洋间的海上班轮运输路线。 ( 2 ) 按照所提供的运输服务的方式来划分 根据集装箱班轮公司所提供的运输方式，我们可以将集装箱班轮航线划分为点对点 式航线、钟摆式航线以及环绕式航线等。点对点式航线指集装箱班轮公司安排船舶在两 块大陆之间来回往复航行；钟摆式航线是指集装箱班轮公司安排船舶在三块大陆间做往 复航行，同时将一块大陆作为此次往复航行的一个支点，另外两端作为该往复航行的两 摆，该种航线方式有利于提供更多的货运量给相同航线上的集装箱船舶，并且在某种程 度上也可以减少集装箱船舶在支点区域内靠港的重叠。环绕式航线则表示集装箱班轮公 司安排相应的船舶在几个挂靠港间进行单向的航行，每个航次船舶挂靠任意港口仅一 次，应用此种班轮航线模式的最大特点就是可以解决班轮航线上货运量不均衡问题，提 高集装箱船舶的负载率。 ( 3 ) 按照在班轮运输网络中的功能划分 近年来，港口的功能分化愈发明显，集装箱班轮轴辐式网络结构的布局逐渐形成。 干支线运输的无缝衔接日趋紧密，区域内枢纽港问形成了班轮航线的干线，支线港间逐 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 渐演变成班轮航线的支线部分，由他们来完成航线两端的货运量的集疏运工作。而传统 的点到点直达运输方式虽然可以使货物迅速到达目的地，但是因为各航线缺乏协作，致 使多数航线的集装箱船舶的负载率过低，难以发挥集装箱船舶的规模经济优势。班轮运 输中轴辐式网络结构的出现，可以更好的整合港口资源，实现港口间的优势互补，尽可 能的发挥大型集装箱船舶的规模经济效应，同时针对对船舶限制较为严格的支线港口， 我们可以采用支线运输方式进行协力，实现企业经营的收益最大。也正是因为这种干、 支线运输方式对班轮运输的影响越来越大，需要我们对该种运输方式进行适宜的规划， 以发挥出轴辐式网络结构的效用。而作为轴辐式网络运输模式的重要组成部分，支线集 装箱运输通过支线港和枢纽港间的无缝衔接向干线提供货物供给，是集装箱枢纽港和干 线运输的重要支撑，也是干线运输网络顺利运转的重要保障。因此，设计一个高效合理 的支线集装箱班轮运输航线网络，对于一个高效运转的轴辐式班轮运输网路的构建至关 重要。 2 2 集装箱支线运输网络的概述 2 2 1 集装箱支线运输的内涵 近年来随着全球贸易量的不断增长和集装箱运输发展的逐步深入，轴辐式网络结构 应用愈发广泛，干线集装箱运输系统的发展也愈发迅速，由此催生了大量区域性的大型 集装箱枢纽港。而在发展的过程中也存在着大量的问题，主要集中在两个方面：一方面， 全球供应链系统要求尽可能的降低物流成本，充分发挥多式联运优势，促使各种运输方 式间的组合衔接更为恰当和适宜，以实现门到门的运输服务；另一方面，在某些区域内 存在集装箱船舶挂靠港口过多，但可以挂靠大型集装箱船舶的港口较少且没有干线运输 的问题。于是，在沿海港口和内陆城市设置的以集散集装箱为目的的集散港或点，将各 集散港、点附近地区的集装箱汇集到各集散港、点，集中运至枢纽港。这种内陆城市或 沿海的集散点与枢纽港口之间的运输被称之为支线集装箱运输。而对于从事从集散港、 点至出口港货物运输的船舶我们称之为支线船，其船型般较小，吃水很浅，通常支线 船舶往返或巡回于支线港和干线港之间，将货物从支线港运输到干线港，或从干线港运 输到支线港。 第2 章集装箱支线运输网络基本理论 2 2 2 集装箱支线运输的特点 经过近几十年的发展和完善，集装箱班轮运输已基本成熟，其航线也从单一的独立 航线发展成为目前的千支线结合的全球航线网络系统。而作为全球航线网络中密不可分 的支线运输，其除具备班轮运输的一般特点外还具备如下特点： ( 1 ) 各支线港口间的运输距离较近，船舶的机动性较强 作为干线班轮运输的重要支撑，支线港口问及其与枢纽港间的距离较近，且具有均 匀分布的特性，更容易制定准确的船期。此外，经营支线运输的船舶机动性较好，可以 适时的增加班次或减少班次，伸缩性较大。 ( 2 ) 每个航次的集装箱货运量较少，所营运的船型也较小 集装箱班轮支线运输系统中，干线港和支线港间的货运量较小，且货源分布极不平 衡，同时考虑到实际的营运环境和自然地理环境，所运营的支线集装箱船型较小，载箱 量一般在10 0 - - 5 0 0 t e u 间。 ( 3 ) 。网络相关性强 为了更好的发挥多式联运的经济优势，提高整个运输流程中货物的中转效率，集装 箱班轮航线间日趋网络化，干线与干线间、干线与支线间的衔接愈发紧密。而对于支线 班轮运输而言，由于各支线港口节点间的距离较短，更需要我们充分发挥多式联运的经 济优势，以降低支线网络的运营成本。 ( 4 ) 集装箱支线运营成本的多面性。 同散杂货运输以及油船运输相比，集装箱班轮运输的成本核算要更为复杂。考虑到 货种，集装箱的箱管成本、货物的中转运输成本等是集装箱运输所特有的成本烙印，也 是最难以管理和控制的；考虑到成本发生的可控制程度，可以分为可预见的和不可预见 或难以预见和控制的。而对于支线集装箱班轮运输而言，运营成本的多面性体现的更为 突出，一旦货源结构出现问题或者计划环节上出现纰漏都会造成支线运营成本的大幅增 加。 2 2 3 集装箱支线运输网络的阐释 支线集装箱班轮航线网络实际上是区域性的集装箱运输网络，它的枢纽港是基于集 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 装箱干线港口设立的，且其以周边存在运输需求的小港口作为支撑。集装箱支线运输网 络最大的功能就是区域性货物集散功能，整个网络的货物流是集装箱物流系统的重要组 成部分。 图2 1 支线集装箱运输发展对比 f i g2 1t h ec o m p a r i s o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h ef e e d e rt r a n s p o r t a t i o n 随着集装箱班轮运输网络的不断发展和完善，支线集装箱班轮运输网络也获得了长 足的发展。最初的支线港对干线港的喂给仅仅是单纯的点至点的直航，随着区域内干线 港的增多及其所覆盖的支线网络的扩大，支线集装箱运输已形成了多种航线方式共存的 班轮运输网络形式。如图所示，描述了支线集装箱运输从传统形式向现代方式过渡的发 展趋势。 2 3 集装箱支线运输运营分析 2 3 1 集装箱支线运输的成本构成 船舶在实际运营中，我们通常将其航运成本划分为两个部分：固定成本和变动成本 两类。固定成本是指一定时间内总额不随运量及其他参量的变动而发生变化的相对固定 的费用，主要指航线经营管理成本；变动成本是指随着货量的增减以及挂靠港口等因素 变动而发生变化的费用，包括航次成本和在港期间的停泊成本。 ( 1 ) 航线经营管理成本 船舶的修缮费用 第2 章集装箱支线运输网络基本理论 船舶在营运过程中，船体以及相关的配件的磨损是在所难免的。船公司会定期安排 营运的船舶进行检修，以保证其适航，相应的费用常以船舶造价的百分比来表示。 船舶的折旧及贷款利息 折旧费是对船舶投资账面价值所规定的每年回收额。船公司贷款买船的贷款利息也 要定期支付。 船员费用 船员费用主要是指船员工资、劳务费用以及相关的一些津贴、奖金等。 ( 2 ) 船舶航行期间的成本 本文所研究的支线集装箱班轮网络优化问题中，船舶航行期间的成本我们主要考虑 船舶航行过程中的燃油成本，这里燃油消耗同船速的关系较为密切，船速越高，耗油量 往往较大，由于近年来原油走势较高，这也是本文将燃油价格作为模糊变量引入模型进 行研究的动因之一。 ( 3 ) 船舶在港期间成本 i 船舶在港发生的费用。 船舶在港发生的主要费用是指港口使费，即船舶在进出港口锚泊时，由于使用了港 口所提供的基础设施如泊位、锚地等需要向港口支付的全部费用的总称，这里港口使费 主要包括引水费、船舶港务费、系解缆费，拖轮费、码头费以及检疫费、船舶吨税、燃 油费等。 l i 船舶所承运的集装箱货物产生的费用。 集装箱装卸费 通常情况下我们都是按照所装卸的集装箱量来收取集装箱的装卸费，但考虑到空 箱、重箱以及中转等费率时也有所不同。同时由于各个支线港口的具体情况的差异，各 项费率的计收也会有所差异，我们常用一个历史统计数据来衡量单位集装箱货物的费 率，这也是各个船公司在实际运营过程中常用的方法。 货物港务费 对于集装箱货物所征收的港务费主要是用于补偿港口水域、水道畅通，同时保证船 不确定环境下支线集装箱班轮网络优化研究 舶安全进出港所需支付的费用。本文将船舶在港期间成本根据各港口节点的进出口箱量 统计情况进行计算，同时将船舶吨税、引水费、船舶港务费、系解缆费，拖轮费、码头 费以及检疫费等作为与箱量无关的一类进行统计，同时我们根据进出口的箱量情况来计 算相应的集装箱装卸费，而船舶在港所消耗的轻油的费用我们则统一统计到船舶的航次 成本中。 2 3 2 集装箱支线运输靠港选择的影响因素 ( 1 ) 区域内港口的自然条件 应该说对于航线选择的最直接影响因素就是港口的自然条件，港口周边的自然条件 同船舶在附近航线的安全运营息息相关。船公司在进行选择时，一般都会要求靠港的地 理位置需靠近目标航线的基本航行路径，港口气候条件良好，港口必须具备一定的规模， 现有泊位、航道水深也必须满足目标航线所需船队船型吃水等航行安全要求。 ( 2 ) 港口费率水平 船舶在港发生的主要费用是指港口使费，即船舶在进出港口锚泊时，由于使用了港 口所提供的基础设施如泊位、锚地等需要向港口支付的全部费用的总称，这里港口使费 主要包括引水费、船舶港务费、系解缆费，拖轮费、码头费以及检疫费、船舶吨税、燃 油费等。但各个港口对相应费率的计收标准不同，所采用的计收方式也各不相同，有的 会按照每个港次来收取，有的则可能