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上海海事大学硕士学位论文 y 1 0 0 8 0 1 ；7 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 摘要 随着经济全球化的持续发展，世界贸易量正在大幅提升，带动了整个班轮 运输业的发展。班轮运输市场已逐步规范，各班轮公司之间的竞争变得越发激 烈。为了获得更多的规模效益，集装箱船舶大型化趋势愈演愈烈，伴随而来的 就是大型船舶载箱量的问题。于是，世界班轮运输网络结构发生了巨大的改变， 逐渐形成了以干支线相结合的运输网络。鉴于以上情况，本文从成本效率角度 出发，对班轮运输网络进行优化。目的在于，希望能帮助各班轮公司合理安排 利用自己的船舶，发挥其运输网络的最大成本效率。 本文共分六章，就班轮运输网络优化问题进行了研究。 本文第一章描述了论文研究的背景及意义，并对国内外研究现状进行了总 结，迸而提出本文的研究方法。第二章论述了本文的基础，对班轮运输网络的 概念进行了解释，并确定了影响班轮运输网络的主要因素，然后对班轮运输网 络的现状进行了分析，最后提出了班轮运输网络优化的意义。第三章从成本效 率的概念出发，分析了班轮运输网络中成本效率的定义，并指出班轮运输成本 效率优化过程中所要注意的问题和一些原则。第四章根据前厩对班轮运输网络 的成本效率优化的分析，建立了线性规划模型，并运用了一启发式算法来对模 型进行求解，解释了启发式算法的各步骤。第五章是模型对一实例的应用，并 通过分析其优化结果，提出了三个备选方案与现状进行比较，选取最佳方案， 对运算结果进行了分析。最后一章是结论。希望能给各班轮公司在设计班轮航 线时以一定的参考。 关键词：班轮运输网络，成本效率，线性规划，启发式算法 上海海事大学硕士学位论文基于成本效率的班轮运输网络优化研究 a b s t r a c t w i t ht h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m y , t h et r a d ev o l u m e d e m o n s t r a t e st h es i t u a t i o no ff a s tg r o w t h a n dt h i st r e n da l s or e s u l t si nt h e d e v e l o p m e n to ft h el i n e rs h i p p i n g a st h el i n e rs h i p p i n gm a r k e tb e c o m e s m o r ea n dm o r en o r m a t i v e ，t h ec o m p e t i t i o nb e t w e e ni i n e rc o m p a n i e st u r n s m o r es e r i o u s i no r d e rt ob e n e f i tf r o ms c a l ee c o n o m y , t h ec o n t a i n e rs h i p s b e c o m el a r g e r t h u s ，t h ep r o b l e ma b o u tt h eu t i l i z a t i o no ft h el a r g ec o n t a i n e r s h i pa r i s e s t h e r e f o r e ，t h es t r u c t u r eo ft h eg l o b a ll i n e rs h i p p i n gn e t w o r kh a s c h a n g e di n t ot h ef e e d e r - t r u c kc o m b i n e dl i n e rs h i p p i n gn e t w o r k i nv i e wo ft h e s i t u a t i o nd e s c r i b e da b o v e ，f r o mt h ec o s t - e f f i c i e n c ya n g l e 。t h i sd i s s e r t a t i o n o p t i m i z e st h el i n e rs h i p p i n gn e t w o r k t h eo b j e c ti st oh e l pt h el i n e rc o m p a n y t ou t i l i z et h ef l e e tr e a s o n a b l ya n di m p r o v et h ec o s t - e f f i c i e n c yo ft h en e t w o r k 。 t h i sd i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r st or e s e a r c ha n dd i s c u s st h e o p t i m i z a t i o no ft h el i n e rs h i p p i n gn e t w o r k c h a p t e r o n ed e s c r i b e st h e b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a t i o n o ft h e d i s s e r t a t i o n ，a n ds u m m a r i z e st h em e t h o di nt h ew o r l d a i s ot h i sp a r tp u t f o r w a r dt h em e t h o dt h i sd i s s e r t a t i o nu s e d c h a p t e rt w oi n t r o d u c e st h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h ed i s s e r t a t i o na n da n n o t a t e st h ec o n c e p t i o no ft h e l i n e rs h i p p i n gn e t w o r ka n dc o n f i r m st h ea f f e c t i n gf a c t o r s a n dt h e n 。a f t e r a n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h el i n e rs h i p p i n gn e t w o r k ，t h i sp a r tp u t s f o r w a r dt h es i g n i f i c a t i o no ft h eo p t i m i z a t i o no ft h el i n e rs h i p p i n gn e t w o r k c h a p t e rt h r e ea p p l i e st h ec o n c e p to fc o s t - e f f i c i e n c yi n t ot h el i n e rs h i p p i n g n e t w o r ka n df i n d so u ts o m ep r o b l e m sa n dp r i n c i p l ew h i c hs h o u l db et a k e n i n t oa t t e n t i o nw h e no p t i m i z i n gt h en e t w o r k c h a 【p t e rf o u rb u i l d st h el i n e a r p r o g r a mm o d e la c c o r d i n gt ot h ef o r m e rc h a p t e r s ah e u r i s t i ca l g o r i t h mi su s e d t os o l v et h em o d e l c h a p t e rf i v ea p p l i e st h em o d e li n t oar e a lc a s ef r o m c o m p a n yc ，a n da n a l y z e st h er e s u l t s t h e n ，t h i sp a r tp u t sf o r w a r dt h r e e s c e n a r i o st oc o m p a r ew i t ht h ec u r r e n tn e t w o r ka n dc o m e st ot h eb e s t s c e n a r i o t h el a s tc h a p t e ri st h ec o n c l u s i o n h o p et h a tt h i sd i s s e r t a t i o nc a n 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 b ear e f e r e n c ew h e nt h el i n e rc o m p a n i e sd e s i g nt h e i rl i n e rs h i p p i n gn e t w o r k s z h uy i r a n ( t r a n s p o r t a t i o np l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t ) d i r e c t e db y = w a n q x u e f e n q l i n e r s h i p p i n gn e t w o r k ，c o s t - e f f i c i e n c y , l i n e a rp m g m m h e u r i s t i ca l g o r i t h m 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：玄区矬日期：逝2 6 ： ：丛 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。 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 集装箱运输作为一种新型的杂货运输方式始于2 0 世纪3 0 年代末的一些发 达国家的陆上运输，5 0 年代中期以后集装箱运输从陆上推向海上。集装箱运输 的出现及发展是对世界杂货运输的一场革命，实现了杂货运输的标准化、系统化、 网络化和信息化，为远程盼门到门运输仓q 造了条件，适应了全球经济一体化对运 输发展的客观要求。基于集装箱运输的船舶、港口、铁路、公路、集装箱货运站 等新型技术装备及基础设施已遍布全球，无论在海上还是陆地都革新了传统的运 输体系及货源组织体系，也改变了运输的空间组织结构，形成了基于集装箱港口 的海上及陆上的运输网络体系。 在海上集装箱运输逐步形成了以集装箱枢纽港与支线港相分离的运输体系。 一方面，班轮运输是集装箱运输的基本特点，追求利润的最大化使使集装箱船舶 的规模越来越大，已从初期的仅2 2 6 t e u 的第一代集装箱发展到目前拥有 10 0 0 0 t e u 的第六代集装箱船，在集装箱船舶大型化的过程中要保持低空载率和 较高的航班密度。如果船舶班期过密，集装时间短，难以达到箱位要求；如果加 大时间间隔，则难以满足货主的要求，不利于提高市场占有率，这使得班轮公司 的集装箱船只能挂靠全球有限几个大港，这样集装箱港口出现了枢纽港与支线港 的分离。各枢纽港之间用大型船舶联结，形成干线航班( 包括洲际航班和环球航 线) ，枢纽港和支线港之间用中小型船舶联结，即支线航班；另一方面，从集装 箱港1 ：3 自身发展来看，港口自身也存在规模效益，规模较大的港口有着更完整的 运作体系，可以大大节省大型集装箱船在港的停泊时间，提高其运行效率，降低 成本。这样在集装箱运输“马太效应”的作用下枢纽港与支线港相分离加剧，并 形成了以枢纽港和支线港、干线航班和支线航班为主的海上运输网络体系。 随着集装箱运输的高速发展，集装箱船舶规模的日益扩大，集装箱在海上的 运输效率有了极大的提高，所以为了迎合干线船舶的高效率，提高船舶的载箱率， 上海海事大学硕士学位论文基于成本效率的班轮运输网络优化研究 就必须要对集装箱运输网络进行优化，以提高整个集装箱运输系统的效率。 班轮运输网络优化是指在合理布局集装箱港口的基础上，对于连接港口的各 集装箱运输航线及货运量进行合理布局。所以集装箱运输网络优化是基于港口优 化的运输通道的合理布局，以建立一种合理的集装箱运输网络体系，实现各集装 箱运输资源的合理配置，可以使国家或企业从中得到很大的益处，避免不必要的 浪费，提高整个运输网络的运作效率。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代随着班轮运输逐渐走向成熟，国内外学者也开始了班轮运输 的研究工作。船队可以由不犀类型、不同吨位、不同成本结构及其它不同航运特 性的船舶构成，航运公司类型也可以有着巨大的差别，但是各公司对班轮运输优 化的目标却是相同的，b p 最合理地利用船队。因此，航运公司在战略、战术和操 作层上有许多同样复杂的综合规划问题，其中典型的例子有优化船队的规模和组 成，规划船舶航线，制定班轮船期等。主要的研究方法为线性规划、动态规划等。 l a n e 等( 1 驰7 ) 提出了一个基于成本的动态模型，该模型把班轮运输服务 中各方面的问题编译成管理问题。每个模型的重点是在已知贸易量的确定贸易区 域中，使航线上的班轮运输服务成本最小化。模型可用于处理不同船型，港口特 点和货物种类的情况。此模型自身足够的灵活性可以高效地解决问题，它可以用 来更好地理解和评价实际班轮运输服务质量。事实上，并不是所有模型都能重现 最优化系统，但它可以是最优化系统中盼一个有效工具。 p e r a k i s 和j a r a m i l l o ( 1 9 9 1 ) 对班轮船队调度方面的文献进行了综述，并阐 述了新方法及其目的。使用线性规划的方法优化班轮船队的配置，可适用于不同 航线和航速的船舶。同时，当一个航运公司考虑开辟新航线或对现有航线进行重 组时，该最优化模型可用于解决在已知的贸易区域情况下的最佳船队编制和调度 问题。 c h o 和p e r a k i s ( 1 9 9 6 ) 研究了集装箱运输公司的船队规模和班轮航线最优 化设计，并通过对不同船舶设计大量备选航线，利用线性规划( l p ) 模型来解 决这一问题，他们将此模型扩展为混合整数规划( m i p ) 模型，把货物需求预测 和所考虑的航线系统地结合起来，即可获得工艺流程矩阵并将其运用于模型之 中。 2 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 在p o w e l l 和p e r a k i s ( 1 9 9 7 ) 的文章中，使用了整数规划( i p ) 模型解决 船队调度问题。目的是使不同航线上班轮运输船队营运和闲置总成本最小化。这 一模型决定了船队调度、既定航线、运输、租船和货物兼容性限制最优化问题。 该模型在实际班轮运输问题中得以测试，和实际船队调度相比极大地节省了成 本。 f a g e r h o l t ( 1 9 9 9 ) 发表了对船队优化设计和沿挪威海岸线进行班轮运输的 船舶每周航线研究。其解决方案基于群集分割( s p ) 模型，解决方法由三阶段 组成。第一阶段，所有的单航线都安排大船。其中部分航线只利用了船队的一小 部分，而使用小船贝会是成本降低。第二阶段，复合多航线。第三阶段，在第一、 二阶段的基础上，建立模型作出最优船队的选择。f a g e r h o l t 和l i n d s t a d ( 2 0 0 2 ) 提出一个新方法以解决船舶不同航速的情况。该方法在挪威沿海运输的实际问题 中得到了测试，在当时和手工方法相比，每年节省7 0 0 0 0 0 0 美元。f a g e r h o l t ( 2 0 0 4 ) 又对此阿题进行了拓展，在一个实际的班轮航线问题是中为一个已知 的船队决定最优的周班线路。 在国内，同样也有很多著作来研究班轮船队调度优化的问题。 赵刚教授在国际航运管理一书中建立了大量的数学模型，对班轮航线论 证、班轮航线系统配船、船期表的编制等一些船舶管理问题进行了研究，其中根 据运力与运量的关系，分别建立了以营运费用最省和以货运量最大为日标的线性 规划模型。谢新连教授在船舶调度与船队规翅j 方法和船舶运输管理与经营 中也进行了大量的研究，在航线及其运量确定的前提下，以船队的营运和造船( 包 括购船) 总费用最小为目标函数建立了线性规划模型，全面考虑了现有船舶运输 能力及其营运经济状况、船舶闲置、旧船报废计划和新船添置等多方面因素，将 船队每年的调度计划和建设计划统一起来。随后，谢新连教授还提出了用线性规 划与动态规划相结合的算法来求解连续若干年间船队最佳发展策略和最优航线 配船问题。他将问题分解成两个优化子问题：一是对给定船队和运输任务求解年 度最优航线配船计划，这可以用线性规划方法求解；二是求解各年度船队发展的 最优策略，这可以用动态规划方法求解。 纵观国i 勾# 1 - 的研究现状，学者们大都是建立了一些比较复杂的线性规划模型 或动态规划模型，特别是线性规划，在国内外都已经成功地得到了应用。随着研 3 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 究的深入，在这些模型中所考虑的影响因素越来越多，所研究的范围也是越来越 c 。 大，从单航线发展到了全球班轮运输网络。 1 3 本文的研究方法 根据对国内外研究现状的分析，可以看出，在船队运输规划方面国内外都有 了一定规模的发展，且主要都是运用线性规划和动态规划的方法。但是他们的侧 重点各有不同，主要有船队调度、规划航线、制定班期等方面。 随着班轮运输的快速发展，为了迎合集装箱船船大型化的趋势，全球已经形 成了干支线相结合的运输网络体系。由此研究的主要方向也应该有所转变，应从 对单一航线的规划研究转入到对运输网络之中，对运输网络进行优化。所以，本 文研究的船队规划问题的俱b 重点是在于优化整个班轮运输网络。主要探讨在既定 货运需求的情况下，如何合理安排各航线的载运量，能以最低的成本满足尽量多 的货运需求，发挥船公司的成本效率。 本文采用线性规划的方法来建立班轮运输网络成本效率优化的模型。模型可 以模拟出运力过量或不足的程度，优化航线配船，并可以根据各不同的优化方案， 计算出各方案可能获得的最大成本效率，让班轮公司参考修正。但是由于班轮运 输网络涉及的因素很多，模型的解集空间过大，要得出真正意义上的最优解非常 困难，所以本文拟采用启发式算法来得出一近似最优解。 4 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输隔络优化研究 第2 章班轮运输网络概述 2 1 运输网络的基本概念 2 1 1 运输网络的提出 网络是由多个结点和联系结点的线连接构成，自身形成一个网状配置系统。 在一个网络结构中，为了提供特定的商品或服务，必然就需要网络的许多成分共 同参与，因而，网络成分之间是相互补充的。网络一般由可观的固定成本、弱替 代使用以及某种基本的物理连接等特点所体现。具有网络性质的产业就是网络产 业，通常具有明确的时空概念。网络根据交易的可逆性，可分为单向网络和双向 网络。单向网络中，某些非中心结点与其他结点存在差别，有意义的交易只能够 向一个方向进行，相同类别的结点之间进行交易也没有意义。双向网络中，交易 可以向任何方向进行，即交易可以在任何非中心结点开始，在任何非中心结点终 结。 交通运输业是以运输网络为基础的产业，因而具有网络与运输系统赋予的双 重特性，即运输网络既具有网络自身的一般特性，又具有运输网络的系统特性。 从组成来讲，运输网络可以分为三个部分，一是由交通运输固定设施组成的运输 实体网络，也是通常所指的交通运输基础网络；二是由交通运输线路与运输移动 设备共同组成的交通运输运营网络；三是由各种交通运输资源信息组成的交通运 输信息资源网络。从分布来讲，交通运输网络是由以城市为中心的交通运输枢纽 和各种交通运输线路共同布局连接构成的网络系统，为社会经济提供客货运输服 务，属于双向网络系统。运输网络是在一定空间范围内由几种运输方式的线路和 枢纽等固定技术装备组合的综合体。 运输网络是运输生产的主要物质基础，其空间分布、通过能力和技术装备体 现了整个运输系统的状况与水平，在运输业发展中占有十分重要的地位。运输网 络的结构与水平更直接影响着运输系统的功能，为此，应该对运输网络进行分析。 上海海事大学硕士学位论文基于成本效率的班轮运输网络优化研究 2 1 2 运输网络分析的必要性 ( 1 ) 网络化是发展社会主义市场经济的客观要求。 社会主义市场经济是一种开放经济，是在统一、开放、完整的市场条件下， 寻求以最小韵资源消耗实现效益的最大化，同时必须兼顾地区公平。网络化是实 现经济流通活动高效、顺畅的基本保证，也是区域发展效率与公平相结合的客观 要求。 ( 2 ) 网络化是交通运输系统发挥规模效益的基础和前提。 目前，我国尚处于交通运输系统基础设施的大规模建设时期，主要解决的是 瓶颈路段运输能力供不应求的矛盾，而交通运输系统综合效益的发挥，必须实现 运输服务数量、质量、效率、效益的综合要求，必须发挥交通运输系统在社会经 济中的循环作用，即动脉、静脉以及毛细血管的三重功能，而网络化正是交通运 输系统发挥这种规模效益的基础和前提。 ( 3 ) 网络化是交通运输系统实现运输服务现代化的必要条件。 交通运输业的现代化程度要通过交通运输系统服务能力和服务水平的高低 来衡量。具体表现为运输空间范围扩大，时效性、灵活性增强，服务范围进一步 拓展、运输产品呈现多样化。尤其是现代物流业的发展，使运输增值服务迅速开 展。只有网络化才能使运输资源得以有效配置和灵活运用，最终实现运输合理化。 ( 4 ) 网络化是实现现代化运输组织管理的基本保证。 随着经济全球化步伐的加快，交通运输系统内、外的信息量成倍增加，信息 资源的有效收集、传输、管理、利用、反馈是现代化的交通运输系统的客观要求。 现代化的交通运输基础设施要通过现代化的运输组织管理来发挥作用就必须实 现网络化。 2 1 3 运输网络的数学定义 运输体系的空间布局本身就形成典型的网络结构。各种运输方式的线路、航 道、道路、航线构成网络的边，这些边的端点及交叉点，如交叉路口、车站、码 头、机场和交通枢纽构成运输网络的节点，用数学中网络图论的表述方法可以做 如下描述： 定义： g = n ，、，) 6 上海海事大学硕士学位论文基于成本效率的班轮运输婀络优化研究 式中：g 代表运输网络； n 运输网络节点； v 运输网络的边。 在班轮运输网络中，运输网络数学定义的n 即为各班轮运营航线所挂靠的 港口，这些港口包括集装箱货物的装货港、卸货港、中转港等。v 为班轮运营过 程中，各集装箱船舶所要航行的线路，包括各干线、支线等。g 即是由上述挂靠 港及航线所组成的班轮运输网络。 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，这种圆称为赋权图。由 以上的定义可知，班轮运输网络是一个赋权有向图。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。 2 1 4 运输网络系统特性 运输网络无论在硬件设旌还是在软件设施方面都自成系统，有着明确的系统 特性，它主要包括六个方面： ( ) 目的性。 运输网络具有明确的预期目标，即最大限度地满足社会经济生活中的交通运 输需求，包括旅客运输需求( 含居民出行需求) 和货物运输需求。这也是交通运 输系统的总目标，而运输网络是实现交通运输系统目标的载体。为实现这一总体 目标，对于运输网络的建设、运营、信息管理等各个阶段又有不同的要求，从而 将总目标划分为若干分目标。不同的分目标之间联系十分密切，具体来讲，运输 基础设施网络的系统目标是运输通行能力最大、路网效率最高，是满足交通运输 需求的前提：运输运营网络的系统目标是运输成本最低，经济效益最高，是交通 运输需求的直接体现；运输信息网络的系统目标是运输资源利用率最高，是最大 限度实现运输需求的保证。 ( 2 ) 集合性。 运输网络是由分散的交通运输线路、运输站点、运输设备及相关设施等共同 组成的，由于网络元素的分散，以及对时间性的要求，就需要标准、管理和控制 方式的致性。并且各分散的网络元素既是运输网络的组成部分，又可相对独立 7 上海海事大学硕士学位论文基于成本效率的班轮运输网络优化研究 地完成一定的运输功能。 ( 3 ) 关联性。 网络的组成元素是相互依存，相互作用又相互制约的。运输网络需要通过连 通顺畅的联结，实现运输系统的整体功能，包括不同运输方式之间的衔接和同种 运输方式内部的衔接等。同时，由于组成元素的关联性，组成元素的功能发挥也 相互影响，如城市结点的运输集散组织能力会影响到相关运输线路的运输能力。 ( 4 ) 阶层性。 运输网络具有一定的层次结构，并可根据不同运输方式分解为主干网与支线 网( 见图卜1 ) 。其中主干网承担交通运输的主要任务，相当于动脉系统，支线 网承担交通运输的集散和通达功能，相当于静脉和毛细血管。系统的主干网与支 线网之间有着明确的功能定位，即，主干网主要承担运输通道上大能力、高要求、 中长距离的运输需求；支线网主要满足可达性、灵活性及广覆盖的运输需求，二 者互为补充。同样，对于网络中各对应元素也可因地位、功能的不同，处于不同 阶层，从而发挥不同的作用。如不同城市的结点中，可因城市的不同，分为运输 主枢纽结点、运输次枢纽结点及一般运输枢纽结点等。 图2 1 综合交通运输网络构成 ( 5 ) 整体性。 运输网络是一个协调配合的整体，因此任何一个运输元素或运输子系统都不 能离开整体去研究，元素之间的联系和作用以及阶层分布也不能离开整体的协调 去考虑，否则元素的机能和作用及分布便失去了意义。因此，整体性就是要保证 8 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 在给定的目标下，系统的元素集、系统的关系集以及其阶层结构的整体结合效果 为最大。 ( 6 ) 环境适应性。 运输系统存在于社会经济及自然的大环境中，与外部环境之间必须产生物质 的、能量和信息的交换，没有这种正常的交换，系统便不能生存。适应外部环境 的变化以获取生存和发展的能力，主要是运输网络的建设对生态环境的影响，对 资源的占用；运输网络运营对能源的消耗及对环境的污染及交通安全等。环境适 应性也是交通运输业可持续发展的重要内容。 2 2 班轮运输网络的形成 运输网络涵盖的内容很多，包括各种运输方式的客货运输网络，而本文要研 究的是集装箱班轮运输网络。 集装箱运输的出现及发展是对世界杂货运输的一场革命。长期以来，普通杂 货运输存在着装卸及运输效率低、时间长，货损、货差严重，货运手续繁杂等诸 多问题，集装箱运输的出现从根本上解决了这些问题。集装箱运输简化包装，节 省大量的包装费用，改变了传统的散货的装卸方式，大大提高了装卸的机械化程 度，提高了效率，它吸取了各种运输方式的优点，为远程的门到门运输色造了条 件，同时集装箱运输实现了运输的标准化、系统化、网络化和信息化，适应了全 球经济一体化对运输发展的客观要求。集装箱运输的优越性很快得到了广泛的认 同，全集装箱船舶、专业化集装箱码头随即出现，这场世界海运发展大变革以不 可逆转之势向前发展。纵观国际集装箱及我国集装箱运输的成长历程，可以归纳 为图2 2 及图2 3 所示。 船型、联盟 主干航线 船型集疏运 船型 集装箱标准化枢纽港 集装箱标准化 航线、法规信息化 欧洲陆运 欧美航线 港口、码头自动化 集装箱 美国沿海运输单证、法规 设备、联运 码头设备 萌芽阶段开创阶段成长阶段扩张阶段成熟阶段 1 8 0 1 1 9 5 51 9 5 6 1 9 6 51 9 6 6 1 9 7 11 9 7 1 1 9 7 98 0 年代一一 图2 2 国际集装箱运输的演变与发展 9 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 船型、联盟 主干航线 集疏运 船型、船队 枢纽港 港口、码头 信息化 海、陆设备 自动化 国际集装箱海 船队规模 航线、联运 码头设备 主要为铁路 运航线和运量 航线开辟 运作体系 市场开放 集装箱运输 法规体系 法律法规 扩张、成熟 步入成长阶段 起始阶段步入阶段成长阶段扩张阶段阶段 1 9 5 5 - 1 9 7 21 9 7 3 1 9 8 41 9 8 5 1 9 9 11 9 9 2 1 9 9 6 1 9 9 7 一一 图2 3 我国集装箱运输的发展 集装箱运输作为一种新型的运输方式无论在海上还是陆地都革新了传统的 运输体系及货源组织体系，也改变了运输的空间组织结构，形成了基于集装箱港 口的海上及陆上的运输网络体系。 在海上，集装箱运输逐步形成了以集装箱枢纽港与支线港相分离的运输体 系。一方面，班轮运输是集装箱运输的基本特点，追求利润的最大化使集装箱船 舶的规模越来越大，已从初期的仅2 2 6 t e u 的第一代集装箱发展到目前拥有超 过10 0 0 0 t e u 运力的第六代集装箱船，在集装箱船舶大型化的过程中要保持低 空载率和较高的航班密度。如果船舶班期过密，集装时间短，难以达翌i 箱位要求； 如果加大时问间隔，则难以满足货主盼要求，不科于提高市场占有率，这使得班 轮公司的集装箱船只能挂靠全球有限几个丈港，这样同一个地区不可能出现两个 集装箱枢纽港，所以集装箱枢纽港一旦形成，则航运相关行业以及资金、人才都 会更多的汇集到该港口，其他的港口地位必将随之下降，沦为支线港，于是集装 箱港口出现了枢纽港与支线港的分离。各枢纽港之间用大型船舶联结，形成千线 航班( 包括洲际航班和环球航线) ，枢纽港和支线港之间用中小型船舶联结，形 成支线航班；另一方面，从集装箱港口自身发展来看，港口自身也存在规模效益， 规模较大的港口有着更完整的运作体系，可以大大节省大型集装箱船在港的停泊 时间，提高其运行效率，降低成本。这样在集装箱运输“马太效应”的作用下枢 纽港与支线港分离加剧，并形成了以枢纽港和支线港、干线网和支线网为主的班 轮运输网络体系。 1 0 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 2 3 影响班轮运输网络的主要因素 就整个班轮运输网络系统而言，主要涵盖两大部分：班轮运输网络及运输需 求。班轮运输网络由作为节点的各港口和作为边的各航线组成。运输需求则是网 络的能量，代表了各地区的贸易需求情况，也就是主要受范围内该地区的经济发 展情况的影响。综上，影响班轮运输网络的主要因素可以分为以下三个方面： 2 3 1 港口情况 在班轮运输网络中，作为运输网络节点的港口，特别是一些国际枢纽港，处 于十分重要的战略地位。一方面它们通过干线航班与全球各主要集装箱大港进行 联系，另一方面又通过支线航班集散中小港集装箱，是内陆集装箱进出口的通道。 随着集装箱运输的快速发展，船舶大型化趋势及干线挂靠港数量的减少，各大港 相互之间的竞争也越发激烈，对枢纽港口的要求也是越来越高，同一区域内可能 会有若干个大港同时在争做一个干线枢纽港，这样旦枢纽港的位置发生转变， 就会引起整个班轮运输网络布局的变化。所以，作为一个枢纽的节点，它是整个 运输网络的中心环节。 对枢纽港的争夺主要体现在港口竞争力的上，任何一个因素的改变都可能影 响至其争夺枢纽港的地位，港口竞争力主要包括以下几个因素：自然条件，主要 包括深水泊位状况和航道水深，以及港口受到气候、潮汐、冰冻的影响程度；港 口经营环境，主要包括港口的腹地经济状况、腹地的航运市场发育状况以及港口 的集疏运情况、口岸运输环境；港1 ：3 的管理状况，主要体现在港口的装卸效率、 港口的口岸自由度、港口的服务水平上；港口基础设施，主要包括港口的集装箱 泊位数，泊位的吨位水平，港口装卸机械设备以及库场等设施，最终这些因素又 体现在港口综合的集装箱设计通过能力上；航运状况，主要体现在航班次数和航 线覆盖面上，航班次数和航线覆盖面，基本上体现了港口的规模。 2 3 2 航线条件 构成班轮运输网络的另一个重要因素就是航线。由于海运是在天然航道上进 行的运输，受自然条件的影响很大，不同于公路或铁路，我们只可能在很有限的 范围内进行些局部的改善，所以长久以来各主要远洋航线的运输线路几乎是一 上海海事大学硕士学位论文基于成本效率的班轮运输网络优化研究 样的，主要是取决于其航道、气象等的变化情况。但是随着世界的发展，人们为 了提高运输效率、减少海运所花的成本和时间，采取了很多改善的方法，如挖掘 运河等，这些对整个水上运输网络产生了非常大的影响。例如著名的巴拿马运河， 以前从太平洋到大西洋或者反向运输，船舶都需要绕过南美洲最南端的合恩角， 但是巴拿马运河开通后，船舶可以直接从巴拿马穿过，大大缩短了大西洋与太平 洋之间的航程，从美国东海岸到美国西海岸的航程比绕道南美洲合恩角缩短 1 4 5 0 0 千米、从欧洲至亚洲东部或至大洋洲的航程也缩短了约3 2 0 0 千米。通过 这类改善方法，使得部分的航线条件起了变化，改变了整条航线的走向，进而影 响了整个班轮运输网络。 2 3 3 区域经济 点点相连成线，点线衔接成网，但这样形成的运输网络只是一个框架结构， 要使这个运输网络真正地发挥其作用就需要有网络能量，即运输需求。作为班轮 运输来讲，运输需求主要来源于国际贸易，国际贸易货运量的8 0 以上都是通 过海运来完成的，而支撑国际贸易发展的就是运输网络中的各区域经济的发展。 随着全球经济一体化的发展及信息化程度的提高，世界经济格局产生了巨大 的变化，世界制造业中心在完成了英国一德国一美国一日本三次大转移之后。现 在已经逐步转移到了中国，并被冠以“世界工厂”的称号。在中国这个火车头的 带领下，亚洲经济已迅速腾飞，加上经济本已高度发达的欧洲和北美洲，这三个 区域之间的贸易交易量非常可观，从而形成了三大主干航线，各大班轮公司纷纷 开辟了自己的班轮航线，且把主要运力都配置在这些航线上。由此可见，区域经 济对班轮运输网络的影响是非常大的，决定了这个运输网络是否具有发展的潜 力。 2 4 班轮运输发展现状及其网络优化的意义 2 4 1 班轮运输发展现状 至今，世界班轮运输的发展仍为迅猛，据德鲁里预计，2 0 0 5 年世界集装箱 海运量为1 1 亿t e u ，同比增长1 1 ，已经连续四年保持两位数增长，其中太 平洋和亚欧航线双双超过1 0 ，前景乐观。以下从班轮运输营运的环境市 1 2 上海海事大学硕士学位论文 基于成本效率的班轮运输网络优化研究 场、班轮运输网络的边航线、班轮运输网络的运载工具船舶和班轮运输 网络的节点港口这四个方面来分析班轮运输发展的现状。 ( 1 ) 班轮运输市场 班轮运输市场结构较为复杂，各个区域都有各自的市场特征，但是总体上来 说，现今的班轮运输市场具有寡头垄断的特征，主要体现在以下两方面： 集装箱运输市场是由一些数量不多但规模较大的班轮公司的经营活动 所组成。 集装箱运输具有明显的规模经济性，无论是船舶、集装箱本身，还是港日、 管理设施均需要巨额投资。此外，集装箱运输还需要相应的内陆集疏运系统和联 运系统，需要兴建、扩建及更新现有的铁路、公路和桥梁等，这方面的投资也是 巨大的。因此，由于资金、技术等方面的原因，集装箱运输市场结构与其他运输 市场迥然不同，主要是几家大型班轮公司或运输集团参与经营活动，它们的规模 大，但数量不多，新班轮公司要想介入并与之抗衡是非常困难的。 另外，由于各公司问相互影响、相互依存，这使市场内某一家公司做出变更 运力或运价的决定时，必须认真考虑这种决定实旋后其他公司所会做出的反应。 因此，在寡头垄断的情况下，为避免各班轮公司之间的激烈竞争而引起的运价战， 市场内的班轮公司一般均组成各种形式的联营集团，从两个公司之间的联营到多 个公司组成的航运联盟等，并对外界采取一致的政策。 目前，占据班轮运输市场主要市场份额的是三大航运联盟和五大航运集团。 三大航运联盟分别是伟大联盟( t h eg r a n d a l l i a n c e ) ，由日本邮船、赫伯罗特、 东方海外及马来西亚国际航运组成；新世界联盟( t h en e w w o r l d a i l i a n c e ) ，由 美国总统轮船、商船三井及现代商船组成；c k y h 联盟，由中远集运、川崎汽船、 阳明海运及韩进海运组成。五大航运集团贝4 包括马士基航运、地中海航运、达飞 轮船、长荣海运和中海集运。它们加起来总共占了集装箱运输市场份额的7 2 以上，除了马来西亚国际航运，其它都是全球2 0 大班轮公司( 见表2 1 ) ，根 据表2 1 的数据，仅前1 0 位就占了整个班轮运输市场5 9 8 的份额。 班轮公司不易退出市场，市场供给弹性较小。 班轮公司经营的航线比较固定，与其他航线的相关性较小。班轮公司经营一 条航线，首先要争取稳定的货源，这就需要取得货主的信任，与货主之间形成比 上海海事大学硕士学位论文基于成本效率的班轮运输网络优化研究 较稳定的关系。同时，为了保证服务质量，还要确保运输的可靠性、时间性，而 这需要很长一段时间才能形成。因此，一旦班轮公司在某条航线上建立了经营基 础，不会轻易放弃，即使在经营状况暂时不景气时，班轮公司也很难退出该航线。 所以，集装箱运输市场的供给弹性较低。 表2 1 全球2 0 大班轮公司排名( 截至2 0 0 6 6 2 ) 公司排名市场份额( )t e u 总计艘数总计 马士基航运 11 7 71 7 2 3 1 7 05 7 9 地中海航运 29 2联5 2 9 9 达飞轮船 35 95 7 1 0 2 82 5 6 长荣海运 45 4 5 2 7 4 9 目1 6 1 赫伯罗特+ 加拿大太平洋 54 64 4 3 2 8 3 3 6 中远集运 63 83 7 6 51 3 2 中海集运 73 73 6 0 9 5 81 2 9 韩进海运83 43 3 1 4 7 78 6 美国总统 93 43 2 6 5 4 81 0 4 日本邮船 1 03 23 1 2 5 2 51 1 7 东方海外1 1 2 7 2 6 0 1 5 2 6 9 商船三井 1 22 72 5 8 4 0 18 4 川崎汽船 1 32 62 4 8 2 0 38 1 智利航运 1 42 52 4 0 8 1 28 4 以星航运 1 52 32 1 9 3 7 89 3 阳明海运1 6 2 1 2 0 7 8 9 4 7 8 汉堡航运 1 72 11 9 6 19 9 现代商船1 8 1 6 1 5 4 约，9 4 1 太平船务 1 91 41 3 3 3 0 71 0 1 万海航运2 0 1 21 1 8 8 5 97 0 数据来源：a l p h a l i n e r ( 2 ) 班轮运输航线 集装箱运输航线是在传统班轮运输航线基础上，随着班轮运输的集装箱化而 逐步发展起来的。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，以完善和加强整个运输系统。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较为 完善的系统化的航线网络，连接了世界各主要的经济区域。 世界三大集装箱主干航线为： 1 4 上海海事大学硕士学位论文基于成本效率的班轮运输网络优化研究 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：1 1 ；美西岸线( 美 西线) ，以及经过巴拿马运河的远东| b 美东岸、墨西哥湾线( 美东线) 。其中美 西线起始于1 9 6 8 年日本加利福尼亚航线正式转入集装箱运转。美东线的日 本纽约航线于1 9 7 2 年实现集装箱化。 远东，西北欧、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。 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。 表2 2 是德鲁里预测盼2 0 0 6 年全球三大航线集装箱运量统计和预测表， 除此之外，还有一些次干航线，比如东南亚航线、澳州航线、波斯湾航线、南非 南美航线等。 表2 22 0 0 6 年全球三大航线集装箱运量统计和预测 单位：千t e u 东行货量同比增长东西行货量比西行货量同比增长 远东，西北欧航线 7 3 3 0 1 0 0 0 1 8 4 0 0 34 1 0 远东，地中海航线 2 8 9 01 3 2 0 2 71 0 7 15 6 0 太平洋航线 1 3 3 7 5 0 2 55 o4 5 0 大西洋航线 2 5 8 46 6 0 1 31 9 4 35 1 0 数据来源：德鲁里 ( 3 ) 集装箱运输船舶 从一开始到现在，集装箱运输船舶的主要发展趋势是大型化，从19 5 7 年载 运能力7 5 0 t e u 以上的第一代集装箱船船发展到了载运能力8 0 0 a t e u 以上的第 六代集装箱船舶，而且集装箱船舶更新换代的间隔也在大幅缩短( 见表2 3 ) ， 现今最大的在造集装箱船舶的载运能力已经超过了1 0 0 0 0 t e u 。这种变化趋势主 要是从规模经济效益方面考虑的，从理论上讲，单船运力超过8