（交通运输规划与管理专业论文）运力合作下的集装箱运输路径优化.pdf

上海海事大学硕十学位论文 y1 0 0 8 0 6 9 运力合作下的集装箱运输路径优化 摘要 集装箱运输经过近五十年的发展，在经营理论、运营技术各方面都发生了巨大的 变化。尤其在竞争日益激烈的今天，班轮公司之间不仅有竞争，而且纷纷开展合作， 联营、兼并频繁发生。各班轮公司不管规模大小，都向全球承运人方向发展，运输的 线路也由原先的线状变为网状。不同的运输线路所产生的成本也不相同，集装箱班轮 公司如何选择合理的路线运送集装箱，使集装箱运输的成本最低，成为班轮公司最紧 要的问题。 本文首先分析了论文的学作意义、国内外研究现状以及论文所研究的内容。然后 分析了班轮航线的特点、变化现状，以及集装箱班轮运输公司之间的运力合作的组织 形式与内容。最后运用系统分析的方法，研究运输网络的整体最优。结合集装箱运输 具体的特性，构造了一个整体最优情况下，各集装箱路径选择的模型。并通过一个具 体的算例来验证该模型的正确性，并进行了相应的敏感性分析。对班轮公司的日常经 营调度，航线规划等有较大的参考意义。 关键词：航力合作，集装箱运输，路径选择，运费最低 上海海事大学硕士学位论文运力合作下的集装箱运输路径优化 a b s t r a c t a f t e rn e a d yn 耐y e a r sd e v e l o p m e n t 。c o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o nh a sw i t n e s s e d g r o a tc h a n g e s o nt h em a n a g e m e n tt h e o r i e sa n do p e r a t i n gm e t h o d s t o d a yt h e r ea r e n o to n l yk e e nc o m p e t i t i o nb u ta l s of r e q u e n tc o o p e r a t i o n ，m e r g e ra n dj o i n to p e r a t i o n b e t w e e nl i n e r s h i p p i n gc o m p a n i e s a l l t h e s ec o m p a n i e s 。l a r g eo rs m a l l ，a r e d e v e l o p i n gt o w a r d sg l o b a lc a r r i e r sw i t ht h et r a n s p o r t a t i o nr o u t eb e i n gc h a n g e df r o m l i n et on e t w o r k s i n c et h ec o s tv a r i e sd e p e n d i n go nt h ed i f f e r e n tt r a n s p o r t a t i o nr o u t e s ， t h er a t i o n a lc h o i c eo fe a c hc o n t a i n e rc a nr e d u c et h ec o s to fal i n e r s h i p p i n g c o m p a n y st r a n s p o r t a t i o ns y s t e mt ot h em _ n i m u m t h i st h e s i sf i r s tg i v e sa na n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i n e rs h i p p i n gr o u t ea n d c h a n g i n gs t a t ea n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i sd i s s e r t a t i o n ，p r e s e n ts t u d i e sf o rt h ei s s u e h o m ea n da b r o a d ，a n dt h e s t u d y i n gc o n t e n t o ft h i sd i s s e r t a t i o n ，a n dt h e ns t u d i e st h e s y s t e mo p t i m i z a t i o no ft r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kb ya d o p t i n gt h em e t h o do fs y s t e m a n a l y s i s i nc o m b i n i n gw i t ht h ec o n c r e t ec h a r a c t e d s t i c so fc o n t a i n e eam o d e lo ft h e r o u t eo p t i o no fa l lc o n t a i n e r st r a n s p o r t ，as p e c i f i ca l g o r i t h mi sa l s og i v e nt oc h e c kt h e v a l i d i t yo ft h i sm o d e l ，f o l l o w e db yr e l a t e ds e n s i t i v ea n a l y s i s t h i sm o d e li sc e r t a i n l y m u c hv a l u a b l ef o rl i n e rs h i p p i n gc o m p a n i e st ot h ed a i l ym a n a g e m e n t ，d i s p a t c ha n d r o u t ep l a n n i n g s u n z h i q i a n g ( t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g & m a n a g e m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n gz h i g a n g k e yw o r d s ：c a p a c i t yc o o p e r a t i o n ，c o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n ，r o u t eo p t i o n m i n i m u mf r e i g h t i i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 1 b 作者签名：铧导师签酗期：丑、6 l 、 上海海事大学硕士学位论文运力合作下的集装箱运输路径优化 引言 被称为2 0 世纪运输革命的集装箱运输发展到今天，其运输理论和管理思想与当 初相比都发生了巨大的变化。据报道，2 0 0 3 年世界集装箱贸易量达到7 9 0 0 万标准箱 ( t e u ) ，2 0 0 4 年全球集装箱贸易总量将上升至8 6 0 0 万t e u 。2 0 0 5 年初世界全集装箱 船队的运力已经达到了8 1 9 万标准箱，集装箱船舶也由第一代不足1 0 0 0 t e u 发展到 1 0 0 0 0 t e u 的超大型船舶。到2 0 0 6 年底，全球集装箱船队的总运能预计将达到1 0 6 8 万t e u ，而2 0 0 3 年为6 1 0 万t e u ，2 0 0 1 年为4 9 0 万t e u ，1 9 9 1 年仅为1 8 0 万t e u 。集 装箱运输以其高效率的装卸，快速的周转克服了传统杂货班轮运输中存在的问题，满 足了货主安全运输的需要而得到飞速的发展。但由于其运输经营的特点减小了各船公 司在运输服务质量上的差距，这使得国际集装箱班轮运输市场上的竞争更加激烈。在 集装箱化日益发展的同时，各集装箱班轮公司如何面对变化莫测的市场，不断调整自 己的经营策略和方针，是摆在每个班轮公司面前的问题。 尽管各船公司努力在航线配置，运价政策，服务水平等方面增加投入和合作，但 实践表明一家船公司已经孤掌难鸣，无法在“低运输成本，高服务质量”轨道上运行。 因此，世界主要班轮公司走上了大规模联营的道路。船公司为了增加挂靠港，拓展物 流服务范围，往往通过联合派船、舱位互换、码头共享等形式进行联盟。这种联盟 ( a l l i a n c e ) 既解决了一家公司单独经营时所存在的资金不足与风险过大的问题，又满 足了航线上货主的需求，使各单独船公司的竞争能力大大增强。联盟集团统一规划航 线、统一调遣船舶、互通有无，所以大公司可以借助小公司进入偏远航线，小公司也 可以借助大公司进入主干航线，从而使联盟成员不论大小，均成为某种意义上的全球 承运人，极大地改善了联盟成员的业务范围和竞争实力。在世界最大的2 0 家班轮公 司中，已有半数以上的船公司同时从事三大主干贸易航线的业务，全球承运人时代已 经到来。 一、问题的提出 班轮公司之间的航运合作在今天变得日益广泛，两家或数家班轮公司共同派船合 作开设新航线，或在同一条航线上舱位互换的情况也经常发生，这些变化都使得优化 调整自身运营的航线成为班轮公司一项经常性的工作。对于船公司来说，如何合理地 选择集装箱货物的运输路径，选择合理的中转港口，做到不仅满足营运方面的要求， 上海海事大学硕士学位论文运力合作下的集装箱运输路径优化 而且还要保证运输服务质量并获取最佳的经济效益，是一项非常重要的优化决策问 题。此外，由于班轮的营运方式是按照固定的频率挂靠规定顺序的港口，所以班轮的 航线一旦选定，在一定时期内一般不会改变，因而最初的决策是非常重要的。班轮公 司的规划人员通常根据自己丰富的航海经验，通过一定量的经济分析在有限的几种方 案中比较做出决策，在航线数量较小的情况，这种选择并不困难。然而，当公司的运 营的航线较多，或在联营航线上租赁舱位时，运输可行方案的数量急剧增大，此时通 过分析选出最佳答案就不那么容易，靠传统的纸笔和调度人员的经验进行航线选择变 得越来越困难。近几年来，集装箱运输不论在航线、船型，还是在经营策略等方面都 发生了显著的变化。航线的布局、挂靠港口的选择都成为影响船公司经营成败的关键 因素。因此，本论文结合航运生产实践，对此问题做初步的探讨，有相当大的实际意 义和一定的技术作用。 二、运输路径选择问题国内外研究现状 在过去的研究中，与陆地运输有关的路线安排问题研究较多，如著名的“邮递员 问题”和“平衡运输模型”。而对海上运输而言，比如船舶调度和航线选择的问题则 研究相对较少，尤其是集装箱班轮运输。 a p p e l g r e n ( 1 9 6 9 、1 9 7 1 ) 采用d a n t z i g w o l f e 分解法研究了船的航线和时间安 排问题。其子问题变为最短路问题，主问题是s p 线性松弛问题。 r o n e n ( 1 9 9 3 ) 把路线定义为一系列港口的指派。时间安排包括船舶路线不同事 件的时间选择。传统的船舶时间安排问题是使所有船舶费用最小，并确保货物都被运 送。大多数问题都是通过s p 方法解决的。s p 模型较复杂、非线性约束，通常采用标 准的优化软件解决。c h o 和p e r a k i s ( 1 9 9 6 ) 研究了一家集装箱班轮公司的船队大小 问题并优化了班轮航线。对不同船舶预选一些候选航线，然后用线性规划模型解决。 此后他们扩展了这个模型为混合整数规划模型( m i p ) 并考虑了扩大船队规模的几种 方案。 f a g e r h o l t ( 1 9 9 9 ) 研究了一围绕挪威海岸的周班服务的集装箱班轮船队优化问 题。他采用的是分割法( s e tp a r t i t i o n i n gf o r m u l a t i o n ) ，预先通过动态规划产生 船舶航线。但是，这种方法只能处理航速相同的船舶，所以，f a g e r h o l t 和l i n d s t a d ( 2 0 0 0 ) 提出一个新的算法以解决不同航速的船舶优化。该算法在一实际的航运实践 中得到了验证，与原先相比，每年可节约七百万美元。 纵观国内外的研究，许多模型看起来在实际应用中还有一些不足。另外，船公司 2 上海海事大学硕士学位论文运力合作下的集装箱运输路径优化 之间的并购、联营使船队的规模不断扩大，靠传统的纸笔和调度人员的经验进行航线 选择变得越来越困难。所以计算机更多地被应用在航线调度中，比如航线决策支持系 统，它是在管理信息系统和运筹学的基础上发展起来的。管理信息系统重点在对大量 资料的处理，运筹学重点在运用模型实现单一问题的辅助决策。对多模型辅助决策问 题，在决策支持系统出现之前是靠人来实现模型间的联合和协调，决策支持系统是由 计算机组织和协调多模型的运行，对大量数据库中资料进行存取和处理，以达到更高 层次的辅助决策功能。同时，计算机科学的飞速发展，运算速度不断提高，将使更多 决策变量和约束条件的路径选择优化方案变得可行。这些都将是未来研究的领域。 三、本文研究的内容 本文主要研究集装箱运输路径的选择问题。首先分析集装箱运输路径即班轮航线 的特点，以及影响集装箱班轮航线变化的因素。着重考虑了班轮公司之间的联营出现 后，航线网络化的特点，然后引入系统分析的观点对运输网络进行分析，并把实际的 集装箱运输网络进行系统优化。 本文的主要内容如下： 第一章介绍集装箱班轮运输线路的特点，航线的种类。以及经营环境改变后班轮 航线的变化分析。 第二章集装箱运输经营环境改变后，航线由原来的单一路径变为多条路径，集装 箱运送路径的选择也有了多种可能性。在该章运用系统分析的方法对运输 网络进行了分析，抽象为图论中的网络。并考虑系统最优情况下的路径选 择模型。 第三章是本文的重点，主要讨论了如何把现实中的几条有关联的集装箱班轮航线 转化为一个运输网络，并对该网络的节点以及边的权值进行了定义。然后 在该运输网络下分析了集装箱运输最短路径的选择，以及整个运输网络的 系统最优模型。 第四章以一个实际的算例来验证模型的正确性，及灵敏度分析。 结论得出本文的结论以及今后的研究方向。 上海海事大学硕士学位论文 运力合作下的集装箱运输路径优化 第一章集装箱班轮航线概述 在国际航运业务中，按经营的方式通常划分为班轮运输和租船运输两种。租船运 输又称不定期船运输( c h a r t e r i n gs h i p p i n g ) ，这种运输方式是船舶所有人在航运 市场上寻找机会，与需要运力的租船人之间签订租船合同组织运输。租船运输是一种 不规则运输，船舶的航行路线、运输货物的种类以及停靠的港口都不固定。租船运输 主要承运大宗的货物，如石油、煤炭、矿石、谷物等。这种运输方式大约承担了整个 世界海运量的8 0 9 6 左右。 班轮运输( l i n e rs h i p p i n g ) 是指船舶按照公开的时间表航行于固定的航线，即以 预先设定的挂靠港口顺序，按照固定的频率运输航线上各港口间的货物。按运输对象， 班轮运输可分为普通杂货运输和集装箱运输。由于集装箱运输具有航行速度快、装卸 效率高、便于开展联运等特点，越来越多的普通杂货运输被集装箱运输所取代。如今， 集装箱班轮承运货物的价值占了世界海运货物总价值的百分之八十。 第一节集装箱班轮运输航线种类 与公路运输网、铁路运输网完全由人工建造不同，集装箱班轮运输航线由天然航 道，以及一些人工运河，进出港口的航道所组成。根据贸易需求港口的地理位置形成 了许多布局种类，通常有环状航线、钟摆式航线、干线配支线船航线等。 一、环状航线 这种航线形式是集装箱船舶在几个挂靠港口问单向运行。航行路线如图卜l 所示： 弋 图1 1 在船舶运行的一个航次中，每个港口仅挂靠一次。这种航线布局形式的优点是能 4 上海海事大学硕士学位论文 运力合作下的集装箱运输路径优化 解决航线上货流不平衡问题，提高船舶载重量利用率与集装箱利用率。 二、钟摆式航线 这种航线形式是集装箱船舶先从一个方向向其指定终点港航行，然后沿相反方向 返航。其航行路线如图1 2 所示： 图1 2 在船舶运行的一个航次中，每个中途港口挂靠两次。 三、干线配支线 这种航线的营运组织出现是由于大型集装箱船舶的规模经济效应可以更好的降 低运输成本，减少挂靠港口的时间显得尤为重要。通常，这些大型集装箱船舶只挂靠 几个枢纽港( h u bp o r t ) ，枢纽港与附近港口和腹地的货源通过尺度较小的支线船来 进行集中、疏运。这种运营方式一般运营在跨越大洋的长航线上。其航行路线如图1 3 所示： c d 图l 一3 但是在这种航线形式下，货物必须经过两次装卸，增加了装卸费支出。因此，它 的采用仅限定于一定范围之内。 第二节集装箱班轮运输航线特点 集装箱运输经过将近五十年的发展，运输工艺已经成熟。集装箱运输航线也从最 5 上海海事大学硕士学位论文运力合作下的集装箱运输路径优化 初的单一独立航线，发展成目前的跨越大洋为主干航线，区域性为支线的全球航线网 络。集装箱运输航线的特点如下： 一、船期准 集装箱船舶的航速大大超过散杂货船，货物装卸较少受天气影响，机械化程度高 这些都为船期的准确性提供了有利的保证。 二、班期固定 由于集装箱船运营时船期准时，就能将其班期固定下来，如每天或每周一班。并 且能够固定于某一天，这不仅便于货物托运人记忆，而且给航运部门和港口作业计划、 调度等工作带来了很大的方便。 三、网络相关性 集装箱班轮运输航线已经形成网络化，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，需要保持有效、良好的衔接，以最大程度提高运输效率。在此 网络中，任何一个环节上出现问题，受影响的往往不只是一条航线，任何一条航线上 的要素调整，也常常要求相关航线随之调整。 集装箱运输是一种资金密集型的运输系统，为了最大限度地发挥运输系统的运输 效率和经济效益，就必须要积极地促进集装箱主要航线的稳定，并进一步扩大支线运 输网，以完善和加强多式联运的运输体制。目前，世界集装箱运输航线已经形成了以 三大主干航线为核心、支线运输航线配套的一个布局完善的系统化的航线网络，连接 了世界各主要的经济区域。目前世界三大集装箱主干航线为： 1 、远东北美航线 也称太平洋航线，该航线是目前世界上运量最大的主干航线。航线又分为远东一 一北美西岸线( 美西线) ，以及经过巴拿马运河的远东北美东岸、墨西哥湾线( 美 东线) 。运力排名前列的各大班轮公司都在该区域开辟了数条航线。 2 、远东欧洲、地中海航线 该航线又可分为从远东到西北欧各港的远东欧洲航线和从远东到地中海沿岸 各港口的远东地中海两条航线。 3 、北美欧洲、地中海航线 也称大西洋航线。该航线包括了以下三条航线：北美东岸、海湾欧洲航线； 北美东岸、海湾地中海航线；以及经巴拿马运河的北美西岸欧洲、地中海航 线。 除此之外，还有一些次干航线，比如澳洲航线、波斯湾航线、南非南美航线等。 6 上海海事大学硕士学位论文运力台作下的集装箱运输路径优化 第三节影响集装箱班轮航线的因素分析 影响班轮航线的因素可分为外部因素和内部因素。外部因素的变化主要包括自然 条件、货源情况、港口环境、竞争对手、航运政策及法规等；内部因素则考虑班轮公 司的船队的变更、经营策略的调整、管理方法的改变、信息技术的应用都影响到航线 的变化。 一、自然条件 航线范围内的自然条件与航线的安全运营密切相关。航线上各航行线路的吃水限 制、沿途气候情况等都会影响船舶的航行安全。只有科学地掌握自然规律，根据地理 位置合理优化班轮航线，才能保证船舶安全，实现班轮公司的营运目标。 二、货源情况 航运需求是由贸易的需求派生出来的，所以当贸易的货物流的数量、方向发生变 化时，班轮运输的航线也应进行相应的调整。在经济日益全球化的今天，新航线的开 辟和原有航线的调整都越加频繁。尤其是随着生产的国际化，大型跨国公司和集团纷 纷在海外建立自己的生产据点，利用各地不同的资源优势和技术优势进行专业化的生 产，这就产生了原料、初加工以及制成品的全球运输需求。其运量之大、货源分布之 广和流向之多前所未有，全球运输也就成为必然。这些大型跨国公司洲际运输量在整 个货运量中的比重稳定增长，同跨国公司建立良好的合作关系就成为大型班轮公司的 一项重要战略。而大型跨国公司为了及时地将产品运往世界市场，它们往往选择那些 能够提供全球性运输服务的班轮公司。 三、港口环境 港口环境对班轮航线的影响更加直接。航线所挂靠港口的航道水文情况、码头泊 位的多少、装卸能力、港口配套设施及疏港能力的变化都会引起航线的调整。正因为 港口环境的变动对班轮公司的班轮准班率和经济效益影响重大，一些大型航运公司会 在某些重要港口投资或租用专用码头，以确保集装箱船舶靠泊作业的规律和连续。据 不完全统计，仅马士基一海陆公司参与投资经营的码头就有2 6 个，年吞吐量高达 1 3 0 0 一1 4 0 0 万t e u 。目前，大型班轮公司如长荣、中远、中海、东方海外等公司都积 极参与集装箱港口的投资和经营。 在海运业中，港口和航运企业是供应链上的两个节点，提供服务的最终用户都是 货主。单独的港口或航运公司，都很难满足货主多样且迅速变化的需求，港口和航运 企业的充分合作能提高货物运输的快捷性、可靠性、灵活性，提高服务水平并能在此 基础上发展增值服务。航运企业投资港口是最高形式的港航合作，不仅能保证港航合 7 上海海事大学硕士学位论文 运力合作下的集装箱运输路径优化 作顺畅、持久地进行，而且能提高对货主的服务水平、降低系统总的成本。 四、竞争对手 集装箱班轮运输是一个竞争激烈的行业，在同一条航线上通常有多家船公司经营。 竞争对手在相同航线上的经营情况，是航线调整所必须考虑的。比如港到港之间交货 时间的长短、挂靠港口及其顺序、船舶的开航时间( 星期几) 等。 五、航运联盟 目前，合作战略在航运企业中已具有了与竞争战略同样重要的地位，航运企业已 普遍意识到通过战略合作可以增强其绩效。班轮行业广泛开展的合作迅速改变了该产 业的竞争结构，当自己的竞争对手都手挽手联合起来的时候，公司要单独参与竞争就 变得日益困难。在竞争的压力下，许多原先的独立承运人也开始广泛地开展合作业务。 1 、班轮公司合作的原因 促进承运人联盟的主要动力，首先是由于大货主的需求。跨国公司在越来越多的 国家( 地区) 制造和装配它们的产品，这些跨国公司宁愿选择能够在所有主干航线提供 服务的少数几家核心船公司。这使得各集装箱班轮公司力争成为全球承运人。其次是 由于营运经济性的驱动，联盟能使运力的调配具有更大的灵活性，从而减少了货运量 不平衡对船公司的不利影响。虽然这会使集装箱的追踪管理工作变得复杂，但现代化 的通信技术使班轮公司和货主能方便地对集装箱进行有效的控制。此外，班轮联盟有 助于根据变化着的市场条件调整船舶运力配置，以减少风险。 国际集装箱班轮运输是一个跨国性的经营行业，长期的供过于求导致持续的卖方 市场，业内竞争极其激烈，运费水平一直在低位徘徊，许多业内公司的经营都出现了 危机。班轮公司采取各种方法来改变这种局面，从最初的班轮公会到8 0 年代中期的 稳定协议( s t a b i l i z a t i o na g r e e m e n t ) 都没有取得预想中的效益。9 0 年代以后，班轮 运输供求矛盾日益尖锐，班轮运输市场进入前所未有的困难时期。尽管各船公司努力 在航线配置，运价政策，服务水平等方面增加投入和合作，但实践表明一家船公司已 经孤掌难鸣，无法在“低运输成本，高服务质量”轨道上运行。因此，世界主要班轮 公司走上了大规模联营的道路。船公司为了增加挂靠港，拓展物流服务范围，往往通 过联合派船、舱位互换、码头共享等形式进行联盟。这种联盟( a l l i a n c e ) 既解决了一 家公司单独经营时所存在的资金不足与风险过大的问题，又满足了航线上货主的需 求，使各单独船公司的竞争能力大大增强。 为了在激烈的竞争中求得生存和前进，增强企业的国际竞争力，以便在世界航运 市场中占有更多的份额，很多集装箱班轮运输公司都把自己的竞争对手作为联合兼并 的目标。为了共同的目标和利益，这些公司也愿意与自己以前的竞争对手合作。在这 8 上海海事丈学硕士学位论文 运力台作下的集装箱运输路径优化 种背景下兼并( m e r g e r ) 和收购( a c q u i s i t i o n ) 也时有发生。 目前，世界上绝大多数国际集装箱班轮运输承运人都或多或少地涉足了联盟活 动。表1 1 为1 9 9 7 年后班轮公司之间所发生的主要的购并和联盟事件 表l 一1班轮公司之间的购并和联盟事件 日期事件 1 9 9 7 年1 月铁行渣华成立 川崎汽船、中远、阳明宣布参与大西洋航线运输 2 月韩进海运取得原d s r 胜利的大部分股权 7 月加拿大太平洋轮船收购莱克斯航运 1 0 月加拿大太平洋轮船收购c o n t s b i p 1 1 月东方海皇收购美国总统轮船 1 9 9 8 年1 月 日本邮船、铁行渣华、赫伯罗特、东方海外、马来西亚国际组 成新的伟大联盟 商船三井、美国总统轮船、现代商船组成新世界联盟( t n w a ) 5 月加拿大太平洋轮船收购i v a r a n 航运公司 7 月长荣收购意大利邮船( l t ) 8 月法国航海总公司收购澳大利亚国家轮船( a n l ) 1 9 9 9 年1 月达飞( c m a ) 、法国航海总公司完成合并 5 月a p 摩勒收购南非海运的集装箱部门 1 1 月a p 摩勒收购海陆服务公司 2 0 0 0 年1 月加拿大太平洋轮船从墨西哥海运( 删) 取得a m e r i c a n as h i p s 的全部股份 3 月 中海、达飞法国航总在亚洲欧洲、地中海航线开始交换箱位 5 月南美轮船( c s a v ) 收购北欧亚航运( n o r a s i a ) 伟大联盟与a m e r i c a n as h i p s 在大西洋航线共同营运 新世界联盟与马士基海陆在大西洋航线联合配船 2 0 0 1 年4 月铁行渣华、中海、达飞法国航总开始在亚洲北美东岸航线 共同营运 9 月长荣海运与新世界联盟开始在北美航线交换箱位 2 0 0 2 年3 月川崎汽船、中远、阳明与韩进海运组成c k y h 联盟 资料来源：中国航务周刊2 0 0 5 0 7 3 1 9 上海海事大学硕士学位论文运力合作下的集装箱运输路径优化 2 、合作形式 国际集装箱班轮运输业的合作形式多样，主要包括： ( 1 ) 接运( c o n n e c t i n gc a r r i a g e ) 一个承运人出于班期、成本等因素考虑而无法直接挂靠一些港口，这些港口与这 个承运人经营的航线直接挂靠港口间的运输，需要使用接运承运人( c o n n e c t i n g c a r r i e r ) 提供的服务来完成。但由于不同航线经营具有不同的特点，一个承运人如 果自己经营太多的航线并不一定经济。因此，大多数承运人通过与其它承运人签订接 运协议( c o n n e c t i n gc a r r i e ra g r e e m e n t ) 来延伸服务。 ( 2 ) 舱位租用( s l o tc h a r t e r ) 舱位租用人不是自己投入船舶，而是通过向在它想要经营的航线上已经拥有舱位 的其它经营人租用部分固定数量舱位的方式来经营相关航线。 ( 3 ) 舱位互租( s l o te x c h a n g e ) 各经营人在维持各自原来经营航线的基础上，彼此间相互租用对方一部分舱位。 这种形式可以使合作各方在保持各自航线经营，包括运力在内的各种固定投入基本不 变的情况下，增加班次密度，扩大服务覆盖面，从而提高服务质量，增强竞争能力。 今天的集装箱班轮运输业，几乎没有一个经营人能完全依靠自己单干来满足托运人在 班期、覆盖面等方面的要求。因此，利用其它经营人的航线，互租部分舱位是在维持 固定投入基本不变的条件下，提高竞争力并最终改善经营效果的一种十分重要和有效 的手段。 ( 4 ) 共同派船( v e s s e ls h a r i n g ) 两家或两家以上的经营人就在同一条或几条航线共同派船营运达成协议，规定航 线的班次、挂靠港口、各方投入船舶的具体数量和按投入船舶比例确定各方在每条船 上可使用的舱位数量等。这种方式可以使合作的每一方能以较少的投入开拓新的市 场，大大降低了进入和退出壁垒，减小了投资风险。 ( 5 ) 战略联盟( a 1 1 i a n c e ) 班轮运输业的战略联盟是在运力共享基础上发展起来的一种合作方式。与运力互 租相比，航运企业战略联盟的特点在于：以长期的战略性合作为目的，公司之间的一 体化程度更高；从合作范围看，包括海上和陆上，硬件和软件等的全方位合作，通过 联合配船、舱位共享、设旅共享和信息共享等多种合作途径的综合运用，最大限度地 追求规模经济。战略联盟的合作各方重视合作的稳定性和长期性，因而合作范围更广， 程度更深。建立在长期信任基础上的合作无疑降低了交易成本，有助于企业长期竞争 力的形成，因而获得的长期利益也更多。 1 0 上海海事大学硬士学位论文 运力合作下的集装箱运输路径优化 然而，战略联盟也存在着一些影响其稳定性的问题。一是双方的增值结构不对称。 联盟各方的收益结构有一部分是共享的，其他部分则不能共享。共享部分可能实现联 合收益最佳化，分开部分则不能。这时候，联盟成员便有牺牲共同利益而让分开部分 利润最大化的动机，从而造成各方关系紧张。如各个合作伙伴在揽货活动中可能为追 求自己的利润最大化而压价竞争，损害合作方的利益。其次是战略目标兼容问题。由 于联盟各方文化背景、管理作风和传统的不同，使联盟的战略兼容变得困难。 ( 6 ) 兼并( m e r g e r ) 和收购( a c q u i s i t i o n ) 由于班轮运输市场投资回报率持续低下，越来越多的经营人认识到，购并是扩大 船公司规模和实现规模化经营的有效捷径。近几年，普遍引起业内人士关注的企业购 并主要有长荣对意邮及立荣海运的收购、英国铁行和荷兰渣华的合并以及后来对蓝星 公司的收购、韩进海运对德国胜利的收购、东方海皇对美国总统的收购以及马士基与 海陆的购并。船公司之实旌购并的外部原因是由于竞争导致了船舶大型化及投资回报 率的持续低下，单个企业不可能在所有市场甚至只是区域市场上处于领先地位，企业 的出路唯有通过实施收购与兼并，达到壮大实力、巩固自己在某些航线上的地位的目 的。实施购并的最基本的原因还在于企业内部，即企业都希望通过收购与兼并，实施 战略上的调整和运输业务的重组，使企业以一个积极主动的姿态去勇敢迎接来自于世 界各地的竞争对手的强劲冲击。 3 、合作优势 班轮公司实现全球性联盟，不仅提高了服务质量，而且取得了经济效益，主要表 现在： ( 1 ) 船舶共享降低了固定成本； ( 2 ) 码头共享降低了操作成本； ( 3 ) 扩大港口覆盖面，从而扩大了服务范围； ( 4 ) 在运力紧张的运输区段增加了发船密度，可以吸引更多的货源； ( 5 ) 降低了新航线的进入和退出壁垒，促进了新市场的开拓； ( 6 ) 经营人扩大航线经营的范围，避免因航线范围狭窄可能带来的巨大风险。 总的来说，航运联盟形成以后，在资源优化配置、船舶设备订造、软硬件共同使 用、联合经营管理、开展多式联运和综合物流服务，以及开展多元化经营和提高服务 质量等方面，确实带来不少好处，从而可以扩大规模经济效益，降低单位运输成本和 提高集团竞争能力。由于联盟对内是联合派船、统一分配舱位，对外是一套船期、一 种港序，这种运力调配方式比班轮公会内部实行的传统的运力配额方式更加直接和有 力，且联盟成员通过运力共享的方式进行合作，彼此间的关系比较紧密而且稳定。此 i i 上海海事大学硕士学位论文 运力台作下的集装箱运输路径优化 外，联盟采取强强联合的形式，在主干航线上投入大型、高速船舶，并通过枢纽港积 极开辟支线网络，所以运输频率高、周转时间短、挂靠港口全；许多联盟成员( 如马 士基、中远) 在主要港口使用自营码头，使得装卸、中转和多式联运作业均有保证， 再加上运用先进科技手段提高服务质量，使得联盟在服务上的优势日益明显。 通过以上分析，可以看出从船舶经营的合作拓展到码头的共享和设备的管理，合 作经营给班轮公司提供了更为广阔的航线选择方案和更大的经营灵活性。原来只有一 条航线的运输线路现在出现了多条航线可选的局面，如何为每一个集装箱货物选择最 佳的运输路径，以使运输成本最低，成为各班轮公司调度人员所关心的问题。选择合 理的航线运送集装箱，不仅有助于降低营运成本，而且可以提高航线的舱位使用率。 但由于航线网络化后选择路径也变得复杂起来，以往凭实务经验就可决定的线路，现 在仅靠人工分析已不可靠。在下一章，我们引入系统分析的理论对整个运输网络进行 系统分析，以达到整体最优。 上海海事大学硕士学位论文 运力合作下的集装箱运输路径优化 第二章集装箱运输网络系统分析 在目前的集装箱运输系统中，集装箱货物有多个起讫点，可以选择的运输线路有 多条，这些航行线路和连接航线的港口构成了一个复杂的网络结构。运输网络系统分 析采用系统分析的思想和方法，分析运输网络结构和网络上的集装箱货物流，并结合 线性规划、网络图论等方法进行相应的优化。 第一节集装箱运输网络的定义 集装箱运输系统的空间布局就是一个典型的网络结构。各班轮公司开辟的航线构 成网络的边，进行集装箱货物装卸的港口构成运输网络的节点。我们可以引入图论中 的表达方式来描述该网络。 一、图的基本概念 “网络”一词通常用来描述一种结构，这种结构既可以是实体的，也可以是抽象的。 每个网络都包括两种要素：点集以及连接这些点的边集。 定义：g 一 ，v 其中g ：代表运输网络 n ：运输网络节点 v ：运输网络的边 在集装箱运输网络中，n 为各运营航线所挂靠港口组成的集合。这些港口包括集 装箱货物的装货港、卸货港、中转港口。v 为船舶所航行的线路，集装箱装船或卸船 的服务过程也包括在边的集合里，g 是由节点和连接它们的边的有限集所组成的图。 如果图中的边具有方向性，则称此图为有向图，否则称为无向图。 此外，图的边可具有与之相关的量化信息，表示从一个节点到另一个节点的距离、 费用等等，这种与图的边相关的量化信息叫做权。这种图称为赋权图。由以上的定义 可知，集装箱运输网络是一个赋权有向图。船舶所航行的航线通常是单一方向的，连 接两个港口的航线的距离，集装箱船舶在不同航线上的运营成本构成了边的权。在交 通运输规划理论中，这些权也可称为线路的阻抗。 二、路径与最短路径 上海海事大学硕士学位论文 运力合作f 的集装箱运输路径优化 在运输网络中，分别存在路段、路径、最短路径的概念，我们定义如下： 路段：交通运输网络上相邻两个节点之间的交通线路称为“路段”。 路径：在运输网络中流动的任意一载货物，从起点到终点有一串相连通的路段的有序 排列。一对o d 对之间可以有多条路径。 最短路径：一对o d 对间可连通的路径中总阻抗最小的路径称为“最短路径”。一对 o d 对之间的最短路径也可能不止一条。 三、运输网络的转化 为了把实际的交通运输网络转化为易于计算机或数学处理的抽象网络，通常采用 一些数学描述，比如采用矩阵的方法。 1 网络邻接矩阵 邻接矩阵l 是一个n 阶方阵( n 是节点的数目) ，其中的元素z 。表示运输网络中节 点的邻接关系，定义为： r0 i ，j 两点不相邻 d 。2 音上的航行时间i 鬈邻 第二节集装箱运输网络中的供求分析 一、运输需求 集装箱运输的航线是为了满足货物的流动而建立起来的。如果一条航线连接n 个 1 4 上海海事大学砸士学位论文 运力合作下的集装箱运输路径优化 港口，这些港口间都有集装箱货物移动，将会形成n ( n 一1 ) 个供需点对。通常采用o _ d 矩阵来表示运输网络节点间的需求关系。如下所示： d 2d 3 q ，2 耳。n 口笠q 2 3 口3 2q 3 3 矩阵中口表示港口i 至j 的运输需求量。因同一个港口之间没有集装箱运输需求， lu 所以矩阵中对角线处的数值为0 ，整个矩阵的运输需求为2 一个值。 二、运输供给 在交通运输网络中，供给取决于网络的空间布局、网络通过能力等服务特性。网 络的空间布局决定了运输网络的连通性，即网络中各点间的邻接关系及最短运输距 离。网络通过能力取决于管理水平和运输工具的容量限制。 集装箱运输网络中的航线设置提供了集装箱货物移动的物理基础，而航行在各条 航线上的集装箱船舶的舱位数量决定了网络通过能力的大小。 第三节集装箱运输网络流分配理论 运输网络流的分配与优化是网络系统分析的核心问题，也是合理运输的理论基础。 目前研究和应用比较多的是著名的w a r d r o p 原理( w a r d r o p sp r i n c i p l e s ) 。1 9 5 2 年， 英国伦敦交通工程师协会的w a r d r o p 提出了著名的w a r d r o p 原理，标志着网络流平衡 分配概念从描述转为严格刻画。w a r d r o p 第一原理又称用户最优原则、用户平衡( u s e r e q u i l i b r i u m ) 原则，对应着网络流状态为用户平衡状态。该原理描述为：“网络上的 每一用户都选择使其出行费用最小的路径，使得网络达到这样一种平衡状态：任意 o d 对间所有被选择的路径的出行费用都相等，且不超过未被选择路径上的费用。” 根据用户最优原理进行交通流量分配时，每个出行个体所实际经历的旅行时间都是最 小的，这样可以为出行者提供最好的服务。 w a r d r o p 第二原理又称为系统最优s o ( s y s t e mo p t i m i z a t i o n ) 原则，可以描述 为：“在交通网络中的交通量应该按某种方式分配，以使网络中所有交通元的总阻抗 q臣 凸以仉 暑 q 上海海事大学硕士学位论文远力台作下的集装箱运输路径优化 最小”。使用系统最优原理进行交通流量分配时，可以使交通状况达到最佳状态。 w a r d r o p 第一原理反映了用户对路径选择的行为准则，任何系统中有选择能力的 个体总是以自身利益最大化来决定自己的行为。因此该原理反映了交通网络中的用户 实际选择出行路径的情形。而第二原理反映的则是系统的管理者的主观愿望，一般情 况下它与交通网络上的实际交通分配情况存在差距。 但是在集装箱运输系统中，班轮公司的决策者可以选择所有运送集装箱货物的路 径，因此适宜采用系统最优原则进行优化，这样不仅可以降低总的运输成本，而且可 以提高集装箱船舶的舱位利用率。 一、运输阻抗概念 通常，我们为交通网络上各个路段分配一定的权值，称为交通阻抗。该阻抗通常 指：运输距离、时间、成本、舒适程度等。在不同的交通网络中，阻抗的概念随人们 关注的重点不同而各有偏重。通常，时间被作为衡量阻抗一种计量标准，这是多方面 原因的结果。其一，经验研究表明，它是影响交通流量的主要因素：其二，几乎所有 的其他权值因素与时间均密切相关，且有相同的升降趋势；其三，时间要比其他权值 因素易于确定。 二、系统最优定义 系统最优是指在考虑线路拥挤对通过能力及费用影响的网络中，其运输量按某种 方式分配以使网络中运输总费用最少。运输结构系统最优是指运用系统分析的观点， 确定运输线路两点间的最佳运输方案，即解决两个问题： l 、判定给定的系统是否具备完成任务的条件； 2 、在系统具备这一条件时，确定最佳运输方案，使系统总体效益最佳，即系统运输 费用最小。 因此，实现系统运输最优是在货物运输量分配过程中，选择的运输路线费用最小。 在具体问题中还需考虑诸如通行能力、通行时间等因素的影响。 三、系统最优模型 系统最优模型通常采用数学规划模型来表示，目标函数是使网络中所有交通元的 总阻抗最小。模型中的变量和参数定义如下： x 。：路段a 上的交通流量 t ：路段a 的交通阻抗 乙( x 。) ：路段a 的以流量为自变量的阻抗函数 圭童堂皇查兰堡主兰垡垦奎 垩塑鱼堡! 堕垄堕墅墅至笙垦! 皇鲨 ，? ：点对( 。，d ) 间第k 条路径的交通流量 曰： 点对( o ，d ) 间的运输需求量 j 砸 d 蠹： 路段一路径相关变量 r1路段a 在( o ，d ) 间的第k 条路径上 6 篡= 0 其他情况 目标函数： m i z 伍) = e x t 。抚。) 该目标函数是使整个系统的阻抗最小。 f ：一q 。 其中， v o ，d f “0v o ，d ，七 jt 胪善；， ( 2 3 ) ( 2 4 ) 约束( 2 2 ) 表示任何一o d 对间的运输量可以通过不同路径来运送，但应满足 各o d 对间的运输需求。 等式( 2 - - 4 ) 表示k 条包括路段a 的路径所运送的o d 对运量之和，这就是路段 a 上的交通流量。 对该模型的求解，可分为三种情况： 1 、g f i 抗函数t 。( x 。) 为常数时，目标函数为一最短路分配问题，采用交通运输规划中 的全有全无法分配方法可使目标函数最小化。 2 、当阻抗函数f 。( 耽) 为线性函数时，目标函数为一线性规划问题，采用线性规划的 数学方法求解。 3 、当阻抗函数f 。( x 。) 为非线性函数时，通常转化为b e c h m 锄模型，采用f r a n k w o l f e 算法来求解。 1 7 上海海事犬学硕士学位论文运力合作下的集装箱运输路径优化 第四节集装箱运输最小费用流理论 大多数的运输优化问越都要用到最小费用流理论。在一个运输f 网络中，如何确定 各条边上的运输流量，使该流量不超过边的容量限制，并满足各起讫点的供需要求， 且使总的运输费用最小，这就是最小费用流问题。 该问题可以表示为： 目标函数： m i n z = 芝c f