（交通运输规划与管理专业论文）基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究.pdf

中文摘要 摘要 本文研究了季节性波动给集装箱班轮运输带来的影响，并将季节波动因素与 航线优化设计联系起来，建立起基于季节波动的航线优化模型，从而更加准确地 决策出航线优化设计中挂靠港口选择，挂靠顺序安排，舱位分配，船型选择等一 系列方案，并结合案例加以分析，论证本研究的科学性与优越性。 集装箱班轮运输作为航运市场中重要的一部分，由于受到各方面的影响，其 货运需求和运价都会产生一定的季节性波动，若航线设计中的一系列问题处理不 好，很容易产生舱位过剩，增加成本，或者大量甩货，缩减收益等情况。在航线 设计中加入季节波动因素能够更好地避免该问题，从而使航线设计更加符合实际 情况。本文对航线优化的目标函数加以改进，将以往求总利润变为求解单舱利润， 这体现了企业对成本的利用效率，从而得出单位成本所获得收益最大。这样改进 不但使得企业的有效资本得到更好利用，而且可以使船舶的舱位得到最佳分配方 案，节约了由空箱调运产生的不必要成本。 本研究重点讨论了集装箱班轮运输的特点，并引入季节波动这一概念，通过 s p s s 统计软件对季节波动的影响因素进行主成分分析，得出影响季节波动的主要 因素具有明显时间性，这就说明将货运需求与运价的波动称为季节波动符合实际。 然后论文利用0 - 1 整数规划、t s p 路径选择理论、非线性规划一系列数学理论对加 入季节波动的航线优化问题进行建模，同时将单舱利润最大作为目标值求解是本 研究的一大特点。在模型的求解上本文采用遗传算法，进而借助数学软件计算出 航线设计问题包含的挂靠港口的选择、挂靠顺序的安排、舱位分配、船型及船队 规模等方案。最后将该方法应用到我国沿海至东南亚主要港口组成的航线上，进 行航线优化设计，通过数字实验，论证本研究具有非常好的应用价值。 关键词：季节波动；航线优化；遗传算法 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es e a s o n a lf l u c t u a t i o n sw h i c hh a v et h ei n f l u e n c eo nt h e c o n t a i n e rl i n e r a n dt h ef a c t o r sa r el i n k e dw i t ht h er o m ed e s i g ns ot h a ti tc a l le s t a b l i s ha r o u t e - b a s e do p t i m i z a t i o nm o d e lf o rs e a s o n a lf l u c t u a t i o n s ，t h u sm a k i n gt h ed e s i g no ft h e r o u t ea f f i l i a t e dp o r ts e l e c t i o n , a n c h o r e dt h eo r d e ro fa r r a n g e m e n t ，s p a c ea l l o c a t i o n ，s h i p s e l e c t i o na n das e r i e so fp r o g r a m s a n dt h i sp a p e rp r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t y o ft h i sm o d e lt h r o u g ht h ec a s e c o n t a i n e rl i n e rs h i p p i n gm a r k e ta sa ni m p o r t a n tp a r t , d u et om a n yf a c t o r s ，t h e f r e i g h td e m a n da n df r e i g h tr a t e sw i l lh a v eac e r t a i ns e a s o n a lf l u c t u a t i o n s ，i ft h o s ei s s u e s o ft h er o u t ed e s i g na r en o tp r o p e r l yh a n d l e d ，i tw i l lc a u s ei n c r e a s i n gt h ec o s t , f l i n gt h e g o o d s ，r e d u c i n gi n c o m ea n ds oo i lj o i n i n gt h es e a s o nf l u c t u a t i o nf a c t o ri nt h er o u t e d e s i g nc a n b ea b l et oa v o i dt h i sq u e s t i o nw e l l ，t h u sc a u s i n gt h er o u t ed e s i g ne v e nm o r e t o t a l l yw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n i na d d i t i o n , i m p r o v i n gt h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni nt h e r o m ew h i c hw i l la s kf o r m e r l yt h eg r o s sp r o f i tt ob e c o m ea s k i n gt h ed e l i v e r yd o c u m e n t c a b i ni n c o m e ，t h i sh a sm a n i r e s t e dt h ee n t e r p r i s et ot h ec o s tu s ee f f i c i e n c y , t h u so b t a i n s t h eu n i tc o s tt oo b t a i nt h em a x i m u mg a i n n o to n l ys u c hi m p r o v e m e n te n a b l e s e n t e r p r i s e se f f e c t i v ec a p i t a lt oo b t a i nab e t t e ru s e ，m o r e o v e rm a y e n a b l es h i p s s e a to na s h i pt oo b t a i nt h em o s ts u p e r i o ra l l o c a t ed e c i s i o n , s a v e db yt h en o n e s s e n t i a lc o s tw h i c h h o l l o wb o xt r a n s p o r t sp r o d u c e s t l l i sr e s e a r c hd i s c u s s e st h ec o n t a i n e rl i n e rt r a d e sc h a r a c t e r i s t i c 、衍吐le m p h a s i s , i n t r o d u c e st h ec o n c e p to fs e a s o nf l u c t u a t i o n , c a r r i e so nt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n t s a n a l y s i st h r o u g ht h es p s ss t a t i s t i c ss o r w a r et ot h es e a s o nf l u c t u a t i o n si n f l u e n c i n g 自c t o n ，o b t a i mt h ei n f l u e n c es e a s o nf l u c t u a t i o nt h ep r i m a r y 白c t o r st oh a v et h eo b v i o u s t i m e l i n e s s ，s ot h a t t h i se x p l a i n st h a ti sc a l l e dt h es e a s o nf l u c t u a t i o nt h ef r i g h t t r a n s p o r t a t i o nd e m a n da n dt h et r a n s p o r t a t i o nc h a r g e sf l u c t u a t i o nt ot a l l yw i t ht h er e a l i t y t h e nt h ep a p e ru s e so li n t e g e rp r o g r a m m i n g , t h et s pw a yc h o i c et h e o r y , t h en o n l i n e a r p r o g r a m m i n ga n das e r i e so fm a t h e m a t i c a lt h e o r yt oj o i nt h es c a l af l u c t u a t i o nt h e r o u t et oo p t i m i z et h eq u e s t i o nt oc a r r yo nt h em o d e l i n g t a k i n gt h es i n g l ec a b i n m a x i m u mg a i na st h et a r g e tv a l u es o l u t i o ni st h i sr e s e a r c hm a j o rc h a r a c t e r i s t i c i nt h e 英文摘要 m o d e ls o l u t i o n , t h i sa r t i c l er i s e st h eg e n e t i ca l g o r i t h mt oc a l c u l a t et h er o u t ed e s i g n q u e s t i o nb ym a t h e m a t i c ss o r w a r e ，c o n t a i n i n gt h ec h o i c eo fa c c o m m o d a t e sa l o n g s i d e h a r b o r , t h ep l a n so fa c c o m m o d a t e sa l o n g s i d eh a r b o r , s p a c ea s s i g n m e n t ，b o d yf o r ma n d f l e e ts c a l e f i n a l l y , t h r o u g ht h ed i g i t a le x p e r i m e n t ，a p p l y i n gt h i sm e t h o do no u rc o u n t r y c o a s ta n dm a j o rp o r tc o m p o s i t i o nr o u t eo fs o u t h e a s ta s i aa n dc a r r y i n go nt h er o u t e o p t i m i z a t i o nd e s i g nc a np r o v et h i sr e s e a r c ht oh a v et h ev e r yg o o da p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：s e a s o n a lf l u c t u a t i o n s ；r o u t eo p t i m i z a t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 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= = 基王垩苴这动的篡装箍逛筮越线毽丝硒究：。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：幺21 至l 笠2 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o ( 请在以上方框内打“，) 论文作者签名：飘， 基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 随着世界经济一体化进程的加快，世界各国的贸易往来更加频繁。集装箱运 输作为一种更为先进的运输方式，在海运业中占有的份额越来越大，随之集装箱 班轮公司在国际贸易中的作用同益突出。在激烈的竞争环境下，集装箱班轮公司 为了追逐更大的规模经济，集装箱大型化趋势愈演愈烈。但是由于季节波动的因 素，港口之间的集装箱货运需求并不稳定，若船舶过大而货运需求较低，则出现 较大程度的舱位闲置，使得营运成本增加；但若选择的船舶过小，则出现较大程 度的甩货，使得营运收益减少。由此如何针对这种季节波动性合理选择航线，优 化舱位分配就显得尤为重要。 在设计集装箱班轮航线的过程中，有诸多需要考虑的因素。集装箱运输业是 一个资金密集、国际化程度高、受多方面因素制约和影响的高风险行业，其中最 突出的就是各地货物的需求和供给的不稳定性以及由此产生的运价的不同。这两 者的波动性使得集装箱班轮运输业具有了明显的被动性，使其受制于市场的牵制， 处理不好势必严重影响到集装箱班轮企业的经营状况。然而我们发现以一年为观 察周期，这种波动呈现出一定的季节性，如果将这种季节波动的动态数据引入班 轮航线的优化设计中去，必将对航线设计产生重要的实际意义。 本文探讨了季节波动因素对集装箱班轮运输的影响，建立起基于季节波动的 航线优化模型，从而决策出航线设计中挂靠港口选择，挂靠顺序安排，舱位分配， 船型选择、船队规模等一系列方案。由于受到各方面的影响，集装箱班轮运输的 货运需求和运价都会产生季节性波动，若航线设计中的一系列问题处理不好，很 容易出现舱位过剩，或者大量甩货等情况。以往的大量研究都是将年度平均值作 为已知参数代入航线设计模型中，而这样处理一方面不符合实际情况，得出的结 果往往与实际有较大差异，另一方面由于不能按照实际情况的数据计算航线优化 问题，可能会产生不理想的航线方案，给企业效益带来负面的影响，因此在航线 的优化设计中加入季节波动因素是非常必要的。 第1 章绪论 本研究重点讨论了集装箱班轮运输的特点，并在集装箱航线设计中引入季节 波动这一概念，通过s p s s 统计软件对需求和运价波动的影响因素进行主成分分 析，得出影响波动的主要因素具有明显时间性，这一方面说明将货运需求与运价 的波动称为季节波动符合实际，另一方面为本文案例说明提供依据。本文利用o - 1 整数规划、t s p 路径选择理论、非线性规划一系列数学理论对加入季节波动的航 线优化问题进行建模，在建模过程中采用以单舱利润最大为目标函数的优化方法， 这是对航线优化方法的改进。在模型的处理方法上本文采用了遗传算法，然后利 用m a t l a b 和l i n g o 数学软件计算出航线设计问题包含的挂靠港口的选择、挂 靠顺序的安排、舱位分配、船型选择以及船队规模等方案。在论文的最后，结合 具体案例进行数字实验，从而论证本研究的科学性及应用性。 1 2 国内外研究状况 随着集装箱运输在海运业中的作用越来越突出，有效地优化集装箱航线，保 证船公司服务质量，提高航线收益就成为航运业面对的重要课题。 在集装箱航线的相关研究中将需求和运价随着时间变化而波动这一重要因素 考虑进去的相关文献极少，在海运业中很多包含季节波动的研究仅限于散货运输 市场。这里对文献的综述分三部分概述，第一部分是就集装箱航线设计和船队规 划的相关问题进行介绍，第二部分阐述航线设计中集装箱配置问题的相关理论成 果，第三部分重点介绍季节波动性在交通运输业中的应用，从而探索其在集装箱 班轮运输中的可行性。 ( 1 ) 关于集装箱航线设计和船队规划的研究 针对这一问题研究的文献还是比较有限的，在国外早期的研究中，许多有关 路线选择和调度的问题，如著名的“旅行商问题 和“运输问题 ，被用于路上 运输研究的较多。而对涉及巨额资本和经营费用的海上运输而言，其相关研究较 少。随着集装箱运输的发展，r o n e n 1 1 、c l a e s s e n s l 2 1 、l 锄e 【3 】提出了在航线确定的前 提下根据货运情况优化船型及船队的研究办法。r a n a 和v i c k s o 4 5 】探讨确定的船 队在确定的航行区域内的航线优化问题，他们以班轮公司效益最大化为目标，不 基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究 仅研究了航线的设计，同时对港口的挂靠顺序进行了优化选择；在他们的研究中， 采用非线性整数规划的方法建立模型，从而探索解决航线优化问题，并采用拉格 朗日乘数法对该数学模型进行求解。c h o 和p e r a k i s 6 】对集装箱航线先后进行了多次 研究，早些时候他们将具体一家集装箱班轮企业作为研究对象，给出该班轮企业 备选的若干条航线，并通过线性规划的方法从中选出最佳航线，后来两人又对更 大规模的船队进行优化研究，在问题的处理上采用了混合整数线性规划的方法。 p o w e l lb 和p e r a k i sa n 7 1 对于航线优化问题提出了两个模型，第一个模型是在 r a n a 等人所建立的数学模型基础上，把他们建立的模型改为线性规划模型，从而 优化求得相应船型的船舶对应的最佳航线，第二个模型是一个包含m l 变量的混合 整数规划模型，这样处理即可以求得各船舶的挂靠顺序，还可以为船公司是否扩 大船队规模提出依据。b e n d a l l 和s t e n t 8 】针对干线港与支线港的航线模式提出了航 线优化设计的模型。m c h r i s t i a n s e n ，k f a g e r h o l t 和d a v i dr o n e n n 开发了针对北大 西洋航线上的集装箱船舶运输支持系统，该系统是依据启发式的优化模型和交互 决策调度建立起来的。 在国内，近些年也出现了很多针对集装箱航线和船队进行优化的研究成果， 徐天芳、胡丽娜【i o j 研究了我国集装箱班轮运输现状，并且结合该现状，提出了以 航线上集装箱运力最大为目标的班轮航线最佳配船模型，这一模型为我国沿海运 输中运力的配置提供了依据。谢新连教授【1 1 】在其著作中，研究了各类船舶在船舶 调度，航线规划，航线配船等问题上的处理方法，其中重点应用到线性规划、动 态规划等多种数学理论。吴文一1 1 2 】在航线优化的研究中应用了最短路理论和效用 理论，并通过该理论将属于一家航运企业经营的多条航线构建出一套运输网络， 然后在这一网络上根据运筹学图论的相关知识进行最短路选择，从而完成对多个 航线进行的综合优化。 ( 2 ) 集装箱配置的有关研究 集装箱配置是航线设计环节需要特别重视的环节，而对集装箱配置的研究大 多是对空箱调运的研究。早期这方面的研究比较少，w w w h i t e 1 3 】在自己的研究 通过构造一个空间与时间结合的模型来描述集装箱空箱配置问题，并给出了网络 第1 章绪论 流算法对铁路运输系统的空箱调运问题进行优化。g a v i s h h 】利用边际成本评价原 理开发了适用于集装箱管理的决策支持系统，其中考虑了空箱的配置问题。 f l o r e z t ”l 建立利润优化模型来研究远洋航运企业空箱租赁和重新配置问题，讨论了 规划周期长短对模型灵敏度的影响，发现规划周期的长短对解的影响很小。1 9 9 3 年c r a i n i c 等人【1 6 】在空箱调拨和航运系统中引用动态和随机模型，并提出长期租箱 应被看作自有集装箱处理的观点，其根据是长期租箱的成本与使用时间无关。此 后越来越多的研究开始向海上集装箱方向发展，“j a ，l i uk 和l e u n gs c h 】以 减少不必要空箱存量为目标研究了某港口集装箱空箱调运分配问题，并利用非标 准库存理论和马尔科夫链，提出了针对具体港口( u ，d ) 功策略分析来解决具体 各个港口集装箱空箱调配策略。近些年，i m a i 等【1 8 】从新的角度出发对集装箱配置 问题进行研究，在其提出的理论中将空箱调运与集装箱航线设计联系在一起考虑。 其后i m a i 与k o i c h is h i n t a n 等【1 9 】将集装箱的空箱调运问题与集装箱班轮航线的设 计、船队规划等问题统一起来，构建了二重复合模型，采用相应算法进行求解。 近些年，国内也开始着重对集装箱配置相关问题进行研究，施欣【2 0 】结合对集 装箱海上运输空箱调运过程的认真分析，建立了相应的系统优化模型，并通过数 字仿真，揭示了经济因素及船舶自身因素对集装箱空箱调运策略和租箱策略的影 响机制。周红梅等人【2 1 】借鉴了铁路空车调度优化模型的研究，建立了海上集装箱 空箱调运优化模型。陈超教授瞄l 针对集装箱环形航线提出了集装箱航线运行均衡 原则，在文章中通过案例分析提出集装箱环形航线在该原则下可以自主运行达到 空箱配置平衡，从新的角度对于集装箱空箱调运问题提出了解决方法。 ( 3 ) 季节波动在交通运输业中的应用 根据现有的文献资料，在交通运输领域将季节波动因素作为研究对象的研究 主要应用于路上运输中。在海运方面，大部分基于季节波动的研究是针对散货市 场的分析，将其应用于集装箱运输的研究非常少。交通运输相关的周期波动理论 一般都是从经济学中发展起来的，在经济学中有大量关于周期波动的理论， w e n x i o n gy 【2 3 】研究了交通运输对经济的作用，系统研究了美国交通运输的周期 波动情况，并通过交通运输的研究提出交通运输对国家经济的影响，从而预测经 基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究 济的发展趋势。针对国际航运中季节波动情况，相关研究主要应用于干散货运输 市场，由t i n b e r g e n 2 4 】所做的对干散货运价波动进行的研究是国际航运业与经济学 联系起来的开端，在他的研究成果里，重点研究了运价波动与市场需求的关系， 以及船舶运力与燃油价格的关系，并提出了从技术和管理角度进行改进，优化航 线运营。随后b e e n s t o c k 和v e r g o t t i s ! 捌在干散货航运市场中应用现代经济学的观点， 进行航运市场波动的研究。此外，h a w d o n 2 6 | 利用经济学中随机时间序列的原理， 研究了油轮市场运价的发展趋势。 在国内，马叶江、胡思继、武旭【2 刀系统地研究了运输业经济周期波动的规律， 阐述了运输经济在各种因素作用下产生的周期波动原理，建立了影响这种周期波 动因素的指标，结合实证研究，分析了我国运输周期波动的情况。梁强、范英、 魏一鸣【2 8 】将小波理论应用于原油运输中，预测了原油价格的波动趋势，并利用小 波理论的有关原理，提出了一种根据时间序列可以较准确地分析油价未来走势的 方法。 1 3 本文主要研究内容和思路 ( 1 ) 绪论，介绍本文的研究背景及意义，阐述了国内外关于集装箱航线优化 问题的研究现状，讨论了本文研究的重点，并论述了在集装箱航线的优化设计中 引入季节波动性的必要性和可行性。 ( 2 ) 集装箱班轮航线设计问题的描述，在这一章首先介绍了集装箱运输业的 发展情况，并讨论集装箱班轮运输的特点及集装箱航线的结构模式，并对集装箱 航线所涉及的相关因素进行说明。 ( 3 ) 集装箱运输市场季节波动分析，本章分析了集装箱班轮运输中季节波动 的内容，阐述了影响波动的因素，并对这些因素进行主成分分析，论证波动的主 要影响因素具有明显的时间性，为季节波动这一概念的引入提出依据。 ( 4 ) 集装箱班轮航线优化设计模型，本章提出了本研究对于航线优化的建模 思路，并对各项参数假定进行说明，然后给出本研究的数学模型。 ( 5 ) 遗传算法原理及在航线优化中应用，简要介绍遗传算法的基本原理，阐 第1 章绪论 述了这一算法在本文航线优化中的应用，并对本文研究的航线优化问题进行算法 设计。 ( 6 ) 案例分析，引用一具体算例来验证模型及算法的应用性，并将其同没有 考虑季节波动的模型所得结果进行对比，说明本研究的可行性及优越性。 ( 7 ) 结论与展望，阐述本文研究的相关结论，并提出今后的发展方向及有待 解决的问题。 技术路线 对于本文研究的问题，将综合运用0 - 1 整数规划，t s p 路径选择优化以及非线 性整数规划的方法对基于季节波动的航线优化设计问题进行建模，并利用遗传算 法求解n p 完备问题的优势，对模型进行求解，最后通过数学软件对案例进行数字 实验，得出本研究的结论。 基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究 图1 1 论文的技术路线 f i g 1 1t h et e c h n i c a ll i n eo f t h ep a p e r 7 第2 章集装箱班轮航线设计问题的描述 第2 章集装箱班轮航线设计问题的描述 2 1 集装箱运输业概述 2 1 1 集装箱运输发展状况 集装箱运输业的发展是与世界经济紧密联系在一起的，随着世界经济一体化 进程的加快，国际贸易量的持续增长，集装箱运输同样保持着强劲的发展势头。 集装箱运输量不断增加的原因一方面是由于一些国家尤其是发展中国家，其进出 口货物已经从传统的原材料转向具有科技含量以及高附加值的工业制品或半成品 为主。另一方面，随着各领域对集装箱运输优势的认可，通过加大投资规模，如 今的集装箱运输系统已经非常完善，这包括专业集装箱船队的形成与壮大、专业 集装箱码头的不断建设，这使得以往的件杂货运输逐渐被集装箱运输代替。由此 适箱货源不断增加，集装箱化成为必然趋势【2 9 1 。 下面通过一组世界主要集装箱港口吞吐量近些年的变化情况，反映集装箱运 输发展的现状与趋势。 表2 12 0 0 4 年_ 2 0 0 8 年世界主要港口集装箱吞吐量( 万聊) t a b 2 1w o r l dc o n t a i n e rt h r o u g h p u to f m a j o rp o r t sf r o m2 0 0 4t o2 0 0 8y e a r ( m i l l i o nt e u ) ( 摘自：中国航贸网) 基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究 通过上表的数据可以看出，近几年世界主要港口d e 集装箱吞吐量一直处于快 速增加中，尤其值得看好的是我国集装箱运输领域突飞猛进的发展。在2 0 0 8 年， 排在世界主要港口集装箱量前十位的中国港口已达六成，这与我国在经济上优化 产业格局，扩大内需，提供优质服务等措施分不开的。 2 1 2 集装箱航线构成介绍 提到集装箱航线自然是指海上集装箱运输航线，对比陆上运输，海上运输有 诸多的优势。首先，航线是自然天成的，开辟航线无需花费大量资金，并且可以 省去日常维护的费用；其次，相对陆地上的高山、丘陵等特殊地形，海上航线是 水平的，这使得海上运输更加的平稳：再次，海上运输航线对通过能力一般不加 约束，这就使得同一航线上可以有多条船舶运营；此外，海上运输的媒介是广阔 的海洋，大海作为运输平台，是一个连续的整体，在海洋上不需经过中转，船舶 就可以直接驶达沿海的目的地。 一条集装箱航线的构成需要考虑诸多方面，从安全角度，要考虑自然界的各 种现象给航行带来的影响，比如风向、水流、结冰等。季节的变化对海上运输条 件的影响也非常大，由于气候，水流等情况在一年内是变化的，由此造成同一条 航线上的船舶适航性不同；从货源角度，这是指船队经营者在所运营航线上的揽 货能力，揽活的多少在一年内也是随着时间变化的，这是由于货源在同一地区也 显现出季节性变动的特征；从港口出发，港口是航线的重要组成部分，它对航线 构成的影响包括港口的水深、泊位条件、港内设备、港区的集疏运条件是否优良 等等，此外政策，技术等因素也直接影响到航线的构成。 为了在实际运输中更方便对航线的操作，行业内对所有航线有相应属性划分 类别。对集装箱航线的分类大多是按照航线距离或者水域范围划分，下面通过一 个表格了解集装箱航线的几种类别。 第2 章集装箱班轮航线设计问题的描述 表2 2 集装箱航线分类 t a b 2 2c l a s s i f i c a t i o no f c o n t a i n e rm u t e s ( 参考：中国外贸港口与航线) 在海运实务中对航线的分类还可以从其它方面划分，这里不再列举。对航线 进行有层次的划分可以使得航线设计更有针对性和实际操作性，为海上集装箱运 输业提供有力支持。 2 2 集装箱班轮运输的特点 该部分介绍了集装箱班轮运输的特点，这为阐述航线的设计原则提高了依据， 正是由于集装箱班轮运输具有如下的特点，本研究中的航线优化设计更具有实务 操作性。其具体特点如下： 图2 1 集装箱班轮运输特点 f i g 2 1c h a r a c t e r i s t i c so fc o n t a i n e rl i n e rs h i p p i n g 基于季：声波动的集装箱班轮航线优化研究 ( 1 ) 船期准确 对于集装箱船来讲，由于船舶的航速非常高，因此相对于其它类型的船舶， 集装箱船能更好地按照原计划将货物运送到目的港，同时由于集装箱货物受天气 的影响比较小，一般不会产生在港操作时间的延误，这些因素都保证了集装箱船 在船期上的准确性。因此，绝大部分的集装箱航线都是班轮航纠3 1 1 。 ( 2 ) 班期固定 根据集装箱船在营运过程中船期准的特点，集装箱船一般都具有固定班期， 班期的具体设定一方面根据实际情况而定，另一方面现行的班轮运输一般都实行 每天或每周一班，这一点跟很多空运、陆运的运输方式相似。班期的固定不仅便 于托运人提前安排好相关事宜，而且给港航相关部门的作业计划、调度等具体业 务带来了很大的便利。 ( 3 ) 挂靠港口少 由于集装箱船具有大型、高速的特点，类似于铁路的高速列车在整个铁路线 上不会停留过多火车站，集装箱船相对于杂货船其航线上挂靠的港口一般不多。 这是因为如果挂靠过多港口，势必较大地削弱到集装箱高速、船期准等优势，由 此必然影响到航线的经营效益。因此在设计或调整集装箱航线时，一般需要考虑 在不影响经营状况的前提下尽量减少集装箱的挂靠港口的数量。 ( 4 ) 区域性明显 集装箱班轮运输从货运流向看具有明显的地理区域性，以我国沿海及内河运 输为例。集装箱的适箱货源相对集中在沿海地带，长江和珠江流域经济区。主要 三大流向是北方至华南，北方至华东，华南至华东。其中由北方流向南方的集装 箱适箱货物主要包括粮食、化工产品、矿类、食品等。由南向北的货源主要来自 华南、华东这一地区，货源的种类主要是建筑材料和轻工业制品等。国内运输是 这样，国际集装箱同样也具有非常明显的区域特点，比如中国通往同韩方向的适 箱货物很大数量是农副类产品，而由日韩进口到中国的产品以电子类和服装类产 品居多。 第2 章集装箱班轮航线设计问题的描述 ( 5 ) 网络系统性强 经过这些年海上集装箱运输的大力发展，集装箱班轮航线的网络化已日益突 出，集装箱班轮航线网络包括干线与干线、干线与支线之间，以及海上运输与内 陆运输之间有着密切关联。为了更好地保证集装箱运输效率，需要衔接好这些网 络环节，使这一网络的系统性得到更加有效的发挥。在集装箱班轮航线网络中， 任何一个环节上出现问题，比如某条航线安排的不合理，整个航运网络系统受到 破坏，往往使得相关航线也受到较大程度的影响。 ( 6 ) 便于多式联运 集装箱作为现代化的一种运输单元，不只是用于海上运输，在陆地同样有着 明显的运输优势。由于集装箱运输在各种不同的运输方式之间换载时，不需要搬 运移动箱内的货物，只需要换载集装箱就可以，这便大大提高了换载作业率，同 时在集装箱换载的过程中，海关以及有关监管部门只需要加封或验封转关放行。 因此说国际集装箱运输对于开展多式联运具有明显的优越性，它使得整个运输系 统的效率得到非常大的提高【3 2 l 。 2 3 集装箱航线结构模式介绍 介绍集装箱航线结构模式能够使后文的航线优化设计过程更加形象化，下面 从几何特征的角度介绍比较典型的几类航线结构模式，根据现有的相关研究，其 中按大类可将集装箱航线结构模式分为基本港模式和核心港模式。 2 3 1 基本港模式介绍 图2 2 基本港模式示意图 f i g2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eb a s i cp o r tm o d e 基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究 基本港模式可以有多种表现形式，主要有钟摆式航线，环绕式航线，其中钟 摆式模式通过变形也可以看成环绕式航线的一种特殊类型，如上图所示。 基本港模式起源于航运业发展伊始，是一种运营历史非常悠久的航线模式， 它的特点是营运船舶在所行驶的航线上需要挂靠的港口较多，承运的货物直接从 始发港运送到目的港，节省了其它港口的中转环节，这样便减少了中转过程中产 生的运输成本，可以说基本港模式具有较高的运输效率。此外从实现集装箱船舶 规模经济的角度考虑，基本港逐港靠挂航线结构模式不适于大型集装箱船舶，多 以中小型集装箱船舶为主。 2 3 2 核心港模式介绍 为了适应船舶大型化的发展，核心港模式应运而生。其几何图示可以表示为： 图2 3 核心港模式示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec o 她p o r tm o d e l 在集装箱海上运输中，很多航线尤其是远洋航线，由于船舶航行距离比较远， 这便增加了船舶的航线运行成本。船公司为了增加其收益，同时也为了适应船舶 大型化的发展趋势，必然要在航线较远的两端港承运更多的货运量。增加了货源， 船公司必将增加营运区域内港口的数量。如果按照传统的基本港航线结构模式经 营，挂靠大量港口，必然造成船舶航行周期变长，增加了航线时间成本，降低了 大型集装箱船舶的利用率，同时由于货物不能及时送达目的地，降低了船公司的 第2 章集装箱班轮航线设计问题的描述 服务水平，从而影响到船公司的揽货能力，这对船公司的长远发展非常不利。由 于这些原因，加之大型港口的中转作用日益明显，核心港模式便出现了。核心港 的特点是在几个转运港之间构成干线，这些干线上的港口更多地通过中转功能参 与海上运输，在干线上可配备大型集装箱班轮。干线以外的港口组成支线港，支 线港通过喂给的方式与干线港联系起来，完成干线与支线的运输。干线上的船舶 主要负责远距离的海上运输，这样便可以充分发挥船舶规模经济的优势，从而降 低运输成本。 2 3 3 环绕航线服务水平说明 上面分别介绍了基本港和核心港的特点和各自优势，本文所研究的航线结构 模式正是站立在这两种模式的基础上展开的。这里主要探讨的是航线中的环绕航 线，它可以应用于基本港模式以及核心港模式下的干线港的优化。由于本文研究 的航线结构模式是环绕航线模式，根据本文研究特点，这里对环绕航线下服务水 平进行具体说明。 为了更好地说明环绕模式服务水平这一概念，假设有港口1 2 3 _ 4 5 6 组成一 条环绕模式下的航线，理论上l 点的货物可以按照这样的航线顺序安排运送到6 点。下面结合上文提到的集装箱运输的两个特点论述这样安排是否合理。 ( 1 ) 根据集装箱运输的特点，可以知道航运企业已经为争夺集装箱货源展开 异常激烈的竞争，在竞争中服务水平好的企业自然更有机会在竞争中占领市场。 通过海运实例可以了解到，若要提高运输服务，就必须站在客户即货主一方，做 尽可能让客户满意的事。通常情况下，客户想要得到的服务无非两点，一是运价 合理，二是运输效率高。但一味的想通过压低价格非常容易产生恶性的价格战， 这不利于企业的长期发展，更不利于航运市场的稳定。那么除此之外最能让客户 满意的就是运输效率即能在最短的时间内将货物运到目的地，就上面提到的这条 1 - 6 的航线，在真正的运输实务中，除非1 点到6 点在市场上没有其它航线可运送， 否则一般客户会选择另外的航线运送，从而导致船公司无法承揽到这一航段的货 物，由此对船公司造成的影响可能更深远。 基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究 ( 2 ) 前面提到集装箱运输具有明显的区域性，这就告诉船公司应当在挂靠港 口选择上有所侧重，货物需求量高的地方肯定要重点考虑。再看这条1 - 6 的航线， 船公司站在自己的角度，也不愿意将l 到6 的货物经由此航线运送，由于这不仅 占用了舱位而且影响到其它航段的货物运输，从而使得航运成本增大。因此从舱 位分配的角度看，运营1 - 6 港的货物不一定可取。 通过以上的论述，通过上面的论述，可以看出本研究需要达到的航线结构模 式是一种跳跃式的环绕模式，如下图所示： 图2 4 跳跃式的环绕模式 f i g 2 4s u r r o u n dm o d ew i t hj u m p 2 4 集装箱航线构成因素分析 这里说的集装箱航线构成因素就是指组成集装箱航线的各个环节的因素，这 些因素是一条航线形成不可或缺的，对航线的优化设计实质上就是对这几方面因 素的合理优化。由于这些因素取决于船公司对该航线的设计，因此对航线的优化 设计具有很强的可操作性。这些构成集装箱航线的因素如下图所示： 图2 5 集装箱航线构成因素示意图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m p o n e n t so ft h ec o n t a i n e rr o u t e 第2 章集装箱班轮航线设计问题的描述 2 4 1 港口因素 在集装箱班轮航线优化设计中，港口因素是影响航线设计的最重要因素之一， 在本文后面对航线优化模型的设计中，针对港口的相关问题也是需要重点解决的 问题。港口因素主要包括对挂靠港口的选择以及挂靠顺序的安排，其中对挂靠港 口的选择主要是考虑到各港口在货运需求、港口本身吞吐能力、装卸效率以及所 处位置的不同。在实务操作中，对于港口的选定还要考虑港口的自然条件，港口 的服务水平等许多因素。此外，港口挂靠顺序是航线设计的重要组成部分，挂靠 顺序的不同将使得航线的距离发生变化，距离的变化必然引起船舶航行时间的改 变，航行时间一方面影响到航次班期，另一方面影响船公司的服务水平。 2 4 2 船舶因素 船舶因素主要包括船舶类型与船队规模两个方面因素，其中船舶类型决定了 船舶的运输能力，这主要体现在船舶类型不同使得一个航次单船的承运能力不同， 承运能力不同必然影响到这一航次的单船收益。船舶类型还包含船舶运行航速和 燃油消耗两方面因素，这两方面的因素同样较大程度影响了航线的优化设计，这 是由于航速的不同必然造成航行时间的不同，由此间接影响了船公司的航次班期 和服务水平。而燃油消耗的不同势必造成航线运行成本的不同。由于本研究选择 以租船方式引进船舶，于是船舶的成本主要以日租金的形式体现，船型的不同也 造成航线成本的不同。船队规模作为船舶因素，是指船公司在所设计的航线上投 入的船舶数量。船队规模与船舶类型组合起来构成了航线上船舶的成本，一般情 况下，船公司用于航线运营的船队规模越大，航线的稳定性越高，但这样也会使 得航线的运行成本大幅度提高。因此对于船舶因素中的船舶类型和船队规模的确 定，必须结合实际情况选择最有利于船公司效益和发展的配置方案。 2 4 3 班期密度 班期密度是指单位时间内船舶在港发班的次数，对于集装箱运输，班期一般 有三天一班，一周一班，9 天一班，多数还是以一周为一个班期。班期密度的大小 可以反映船公司的运输能力，同时可以说明其在航运市场上所占份额的大小。规 基于季节波动的集装箱班轮航线优化研究 范班期制度也是集装箱船舶运输与一般杂货船运输的具体区别，集装箱班期依据 的是事先制订好的班轮船期表，它是集装箱班轮运输组织工作中的必要环节。船 公司需要制订并提前发布船期表，一方面是为了通过代理能在所设定的航线上揽 到更多的货载，另一方面这也有利于承运人和托运人能够及时地衔接，保证航线 正常运营，加快船舶在港口的工作效率。 2 4 4 舱位分配 集装箱航线的舱位分配是本研究中基于季节波动特征重点解决的决策变量。 集装箱舱位分配方案是指根据各港口之间货物需求的不同，结合自己船型和船队 的特点，制订的航线上各港口之间的货载量。集装箱舱位分配的优化是航线优化 中非常重要一环，也体现了将季节波动引入航线优化设计的优势。根据集装箱班 轮运输的特点，当一条航线设计好，舱位分配计划制订后，一般在一年内不会发 生变化。根据该特征，由于货运需求具有明显的季节波动性，当在某两港之间的 舱位分配额明显高于货运需求，就必然造成舱位的浪费，从而产生严重的空箱调 运现象；而当舱位分配额明显低于货物需求时，就会迫使船舶不得不在这一港口 甩货，这样一方面减少了船公司的运行收益，另一方面完不成货主的运输要求势 必影响船公司与货主的关系，从而影响船公司长远的揽货能力。因此在航线设计 过程中考虑舱位分配因素就显得尤为重要。 第3 章集装箱运输市场季节波动分析 第3 章集装箱运输市场季节波动