（交通运输规划与管理专业论文）随机条件下海运集装箱空箱调运优化问题研究.pdf

摘要 集装箱窄箱调运是航运界关注的重要课题。本文对卒集装箱( 或其他空载运 工具) 嘲运问题的已有研究成果进行了系统的回顾，在此基础上，从船公司的角 度以当前的航运市场环境为背景，重点研究在现有条件下针对业已产生的牵箱调 运需求，如伺尽口j 能合理地设汁调运方案使得空箱调运成本最小的问题。 本文对海运集装箱空箱调运优化问题进行了系统的描述，深入分析了空箱调 运产生的主客观原因及空箱调运系统的主要影响因素，揭示了空箱调运的特点并 针对窄箱调运产生的主观原因定性提出了降低空箱调运成本的若干建议。作为对 空箱调运优化问题的定量研究，本文在已有研究成果的基础上，充分考虑了空箱 调运优化过程中渚如空箱需求、空箱供给等随机性因素，建立了符合海运集装箱 空箱调运特点的数学模型。该模型分为三个部分：第一部分应用马尔可夫决策过 程结合动态规划的思想建立随机模型，确定单港口空箱最优保有量；第_ 部分根 据各港口的最优空箱保有量确定空集装箱在港口间的流向及流量；第三部分应用 整数规划方法设计出多港口间空集装箱调运的具体方案。最后，本文对所建立的 模型进行了数字仿真。 本文的主要贡献足：l 、在建模过程中重点考虑了海运集装箱空箱调运系统中 的随机性因素，将马尔可夫决策过程与动态规划的思想相结合，符合空箱调运优 化问题的动态性、随机性特点；2 、将船公司空箱调运成本和客户满意度同时体现 在模型中，并将租箱策略和调箱策略共同考虑，提供了具体的空箱调运方案，使 模型更全面、更完整。 关键词：集装箱；空箱调运；随机模型 t h eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho fs e a b o u n de m p t yc o n t a i n e ra l l o c a t i o n u n d e rs t o c h a s t i cc o n d i t i o n s a b s t r a c t e m p t yc o n t a i n e ra l l o c a t i o ni si m p o r t a n tt os h i p p i n gc o m p a n i e sh o wt om a k et h e a l l o c a t i o nd e c i s i o nt om i n i m i z et h ec o s ti st h eq u e s t i o nt h i sp a p e ra i m st oa n s w e r t h e s t u d yi sf r o mt h ev i e w p o i n to ft h es h i p p i n gc o m p a n y ，o nt h eb a s eo ft h el i t e r a t u r e r e v i e wi nt h i sf i e l d ，a sw e l la so nt h ec o n d i t i o n so ft h ec u r r e n tm a r k e t t h ee m p t yc o n t a i n e ra l l o c a t i o np r o b l e mh a sb e e nd e s c r i b e ds y s t e m i c a l l y - , a n db o t h o ft h es u b i e c t i v ea n do b j e c t i v ef a c t o r st h a tc a u s e t h ep r o b l e ma r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ， t h ec h a r a c t e r so ft h ep r o b l e mh a v eb e e np o i n t e do u t o nt h eb a s i sa b o v e ，s o m e p r o p o s a l s a r es u g g e s t e d a st h eq u a n t i t i v es t u d y ，as t o c h a s t i cm o d e lh a sb e e n c o n s t r u c t e d ，o nt h eg r o u n d so fm a r k o vd e c i s i o np r o c e s s e s ( m d p ) a n dd y n a m i c p r o g r a m m i n gt h e o r y ，p a y i n ga t t e n t i o nt ot h es t o c h a s t i cc h a r a c t e r so ft h ed e m a n da n d s u p p l yo fe m p t yc o n t a i n e r s t h e r ea r et h r e es e c t i o n si nt h em o d e lt h e f i r s ti st od e c i d e h o wm a n yc o n t a i n e r sap o r ts h o u l dk e e pa si n v e n t o r y ；t h es e c o n di st od e t e r m i n et h e a m o u n ta n dd i r e c t i o nt h ee m p t yc o n t a i n e r ss h o u l df l o w ；t h el a s ti st op l a nh o wt h e c e r t a i ne m p t yc o n t a i n e r sf l o wt ot h ed e s t i n a t i o np o r t s ，b yi n t e g e rp r o g r a m m i n g i nt h e e n do ft h ep a p e r ，t h e r ei st h ed i g i t a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e r ：1 ，s t o c h a s t i cf a c t o r sa r ep a i da t t e n t i o n ，a n d t h em o d e li sb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fm d pa n dd y n a m i cp r o g r a m m i n gt h e o r y 2 ，b o t ho ft h ea l l o c a t i o nc o s ta n dt h es h i p p e r ss a t i s f a c t i o na r ec o n s i d e r e d ，a n dt h e i n t e g e rp r o g r a m m i n g i nt h et h i r ds e c t i o no f t h em o d e l m a k e st h es o l u t i o no f t h ep r o b l e m m o r ec o m p r e h e n s i v e k e yw o r d s ：c o n t a i n e r ；e m p t yc o n t a i n e ra l l o c a t i o n ；s t o c h a s t i cm o d e l 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， 撰写成博士硕士学位论文：= 随扭釜鲑工渔适塞苤筮窒笪塑堕垡丝回避她豇：。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己 经公开发表或未公丌发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 学位论文版权使用授权书 卯年歹刖7 日 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学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。 一：毪鬻鼐t 弋 f 1 期：z 卿莎年，月日 、 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 到际集装箱运输市场经历了漫长的发展过程已经趋于成熟，随着世界经济与 国际贸易的稳步增长，集装箱运量迅速上升。进入2 0 世纪7 0 年代后，集装箱运 输逐渐成为航运业发展的主流，愈来愈多的杂货运输逐步转变为集装箱运输；集 装箱运输技术的不断提高使得原来不适合集装箱运输的液体货、散货、重件货也 逐步实现集装箱运输。根据德国不来梅海运经济与物流研究所( t s l ) 的分析报告， 从2 0 0 1 年到2 0 0 5 年，世界集装箱船队总运力( 以t e e 计j 以平均每年3 的 速度增长，2 0 0 4 年全集装箱船运力已达到1 9 9 5 年的2 倍“1 。2 0 0 4 年世界集装箱船 新船接单量达1 7 0 万t e u ；截至2 0 0 5 年1 月在造及订造集装箱船运力达3 6 0 万t e u ， 占现有集装箱总运力的5 0 8 。 在集装箱运力保持稳定增长态势的同时，由于贸易的不平衡以及集装箱管理 不善等方面的原因，每天都有大量的空集装箝由箱源充裕地区运往箱源匮乏地区， 使得空集装箱调运成为一种普遍的现象。如欧洲的鹿特丹港，2 0 0 3 年空箱吞吐量 为6 8 5 ，3 8 1 t e u ，2 0 0 4 年增长到7 9 7 ，8 3 4 t e u ，占总箱量的1 9 左右”3 。在美国，奥 克兰港2 0 0 4 年和2 0 0 5 年空集装箱吞吐量分别为5 3 9 ，4 7 4 t e u 和5 9 0 ，2 0 6 t e u ，空箱 比例均达到总箱量的2 6 。4 1 ；洛杉矶港2 0 0 4 年进口空箱6 3 ，3 6 0 t e u ，出口空箱 2 ，1 8 7 ，7 7 9 t e u ，2 0 0 5 年这两项数据增长到7 4 ，7 2 7 t e u 和2 ，3 5 7 ，3 4 0 t e u ，进出口空 箱比重分别维持在2 和6 6 左右”1 。中国港口此类情况也比较严重，进出口重箱 比例非常不均衡。具体数据见表1 1 。 在全球的集装箱运量中，空箱的运量至少占2 0 。以平均2 8 8 美元t e u 的空 箱调运费计算，班轮公司大概要多支出1 0 0 亿美元以上来完成空箱运输，其中还 不包括多式联运中铁路和公路段的运输费用“1 。空箱调运不但浪费大量的空箱资 源，而且造成航运企业集装箱运输成本的增加，严重影响了企业的经济效益，成 为航运公司加快市场开拓步伐的瓶颈。因而，空箱调运问题引起了航运公司和学 术界的广泛关注，成为集装箱运输中的一个重要问题。 在集装箱运输航线货源不平衡的情况下，空箱调运在所难免，但通过合理的 空箱调运，可以提高集装箱的利用程度、降低空箱调运费的开支、有利于适箱货 物的及刚发送，同时可以降低船公司航线集装箱配备量和合理安排租箱，从而降 低运输成本，提高船公司的竞争能力和经济效益。因此，研究空箱调运问题具有 很重要的实际意义。 表1l2 0 0 4 年中国前十大集装箱港口吞吐量单位：万t e u t a b11c o n t a i n e rt h r o u g h p u to f t h ef i r s t1 0p o r t so f c h i n a ( 1 0 ，0 0 0 t e u ) 名次港1 2 1吞吐量进口重箱量出口重箱量进出口重箱比例 上海1 4 5 5 4 深圳 1 3 6 5 9 青岛 5 1 40 天津4 0 06 宁波 3 8 16 广卅 3 3 0 4 厦门 2 8 72 大连 2 2 12 中山 9 30 福卅i 7 08 4 0 00 玛8 7 9 78 1 9 07 儿0 1 1 3 77 4 64 4 89 1 5 9 1 8 4 6 6 2 3 6 7 62 1 9 6 9 7 95 17 92 1 0 80 13 85 8 03 4 2 1 3 3 2 数据来源：根据中华人民共和国交通部 2 0 0 4 中国航运发展报告整理。 1 2 国内外研究成果 121 国外主要研究成果 最早运用运输规划理论对空载运输工具进行优化调配研究的是w h i t e 和 b o m b e r a u l t ( 1 9 6 9 ) 。1 ，他们通过构造一个“空间时间”模型来描述铁路运输 系统中的空车厢调运问题，并给出了诱导式网络流算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。其决策时间间隔是不确定的，研究结论可操 作性强，但由于该方法计算规模比较小，仅适用于比较简单的模型，而且无法考 虑空车厢不足的情况。c r a i n i c ，o e n d r e a u 和d e j a x ( 1 9 8 9 ) ”1 分别建立了内陆集装 箱单箱种空箱调运的确定性和随机性网络模型；后来又将模型发展成多箱种网络 模型( 1 9 9 3 ) 1 。1 。该模型考虑了包括内河运输在内的陆运系统，将内陆运输网络中 的客户分配给各自固定的内陆场站，允许空集装箱在各个内陆场站之间进行调配 以最小化内陆运输的总成本，并应用禁忌搜索的方法对模型进行求解。m a r t i n 5 7 2 3 7 7 3 5 8 9 3 5 l 7 4 9 1 3 3 一b l 2 3 4 5 6 7 8 9 j o b o r n ( 2 0 0 4 ) 。1 研究了规模经济对铁路运输中空车厢的分配问题的影响，应用 网络优化的方法建立模型，并运用禁忌搜索的方法求解。模型没有考虑转运问题， 同时算法设计过于简单，计算结果可信度不高。 f l o r e z ( 1 9 8 6 ) “1 将动态海运集装箱空箱分配以及租箱决策问题表述为一个确 定的网络流问题，并目通过标准的网络算法求解；k k l a i ，k o k i nb a m 和w k c h a n ( 1 9 9 5 ) ”“根据海运业务实际问题建立了海运空箱调运仿真模型，并应用启发式 搜索技术评价了集装箱分配策略，以期找到成本最小化的最优或可行方案。 w s s h e n 和c m k h o o n g ( 1 9 9 5 ) 。“1 应用网络优化方法对海运集装箱空箱调运问题 进行研究，其决策变量为是否还箱或租箱，假定决策时间间隔固定，且在每一时 间间隔内各港都要进行一次决策，该方法同样无法考虑缺货情况。c h e u n g 和 c h e n ( 1 9 9 8 ) “”分别建立了两阶段确定性模型和两阶段随机模型研究动态的空集装 箱分派问题，将空集装箱和载货集装箱同时考虑，建立了多箱种动态网络模型。 h o s s e i n5 u a 等( 2 0 0 6 ) “5 3 应用动态规划的方法研究了美国长滩、洛杉矾等港口 的海运空箱的内陆集疏运问题，提出了“仓库供箱”和“途中调箱”两种策略来 满足空箱需求，缓解空箱调运压力i 并提供了不同策略的适用条件；但没有考虑 空箱供需中的随机性问题。 空箱调运问题中的计算期的确定也是一个研究的热点。d e j a x ( 1 9 9 2 ) “， h o l m b e r g ( 1 9 9 8 ) ”和c h o o n g ( 2 0 0 0 “”，2 0 0 1 “”) 分别研究了公路、铁路等运输领域 的空箱调运计算期问题，s o o k 和m i c h a e l 等人在此基础上，研究了多式联运中的 空箱调运计算期问题“。i 。论文在满足重箱运输需求的前提下，对重箱和空箱分别 建立整数规划模型研究计算期对空箱调运决策的影响，认为较长的计算期会提高 前期决策的质量，而且可以更好地发挥速度慢、成本低的运输工具的作用；但是， 如果是对于有足够节点的运输网络，计算期的长短对决策质量的影响效果不明显。 此外，集装箱空箱的保有量即库存问题也是研究空箱调运的关键问题。 j o r d a n 和t u r u g u i s t ( 1 9 8 3 ) ”“，p o w e l l ( 1 9 8 4 ) 2 2 1 等人借助线性规划及整数规 划模型实现整个系统内的空箱保有量优化。由于该类研究需要实时数据动态更新 及整个系统的相互协调，因而在实际应用中遇到了较大的困难。 122 国内主要研究成果 我国近年来也有一些学者进厅了空集装箱调运力面的研究工作，并取得了非 常有价值的成果。一l 晦海事大学的施欣教授对空箱调运问题进行了系统的研究。 文献 2 3 j ( 2 0 0 2 ) f - 2 内陆集装箱运输系统为例，将字箱调运策略与租箱策略相结 合，构造优化决策模型，利用数字仿真技术揭示了决策过程的内在规律。但是模 型中假定小存在集装箱运输能力不足的情况，而在当前的市场条件f 。船舶用来 运空箱的剩余舱位不定会满足空箱运输的需求，运力不足的情况是很有_ 石 能出 现的。此外，模型假定空箱的在途运输时间为零，这对于托距离海上运输而言是 小合适的。文献 2 4 ( 2 0 0 2 ) 运用存炉论中的( s ，s ) 型策略研究空箱保存量的优 化方案。从库存论的角度出发，寻求一种新的合理确定集装箱空箱库存量的途径。 该研究设定空箱存量与调运量之和为最大值r ，当该值大于实际需求日_ j ，付出存贮 成本和填运成本：当该值小于实际需求时，不足部分将有租箱补足。以总成本最 小为目标求得最优的最大值r ，再利用边际分析法求得调运临界点。但该研究假设 在任何条件下都优先考虑调箱策略，只有调箱策略无法满足实际需要时才考虑租 赁空箱。而实际上，如果悯运成本和存贮成本很高的话，可能会优先考虑植箱策 略或者调箱和丰r 箱的混合策略。文献f 2 5 ( 2 0 0 3 ) 则基于对海运集装箱空箱流转 过程的剖析建立了系统优化模型，通过数字仿真揭示了成本等经济参数和船舶 载运能力对空箱调运策略和租箱策略的影响。但是模型是建立在完全确定的环境 下的，没青考虑空箱调运中的动态性、随机性问题。 刘大镕等( 2 0 0 0 ) 。”分析了陆上空箱调运问题的主要特征和基本结构，在此 基础上，逐步构建了基于机会约束规划的随机空箱调运模型，该模型考虑到系统 内外相关因素的影响和制约，充分反映了陆上卒箱调运的复杂性。汪传旭等 f 2 0 0 1 ) “7 。运用机会约束规划和库存论的思想建立随机性陆上空箱调配模型，提 供了在单箱种情况下处理不确定数据的有效方法。刘恒扛等( 2 0 0 2 ) 1 将p e l t l 刚理论与集装箱海运空箱调运流程相结合，构建卒箱调运系统的p e t r i 网模型， 并利用e x s p e c t 软件进行仿真，验证了该方法在空箱调运决策中的有效性。但模 型中考虑的影响因素很有限，与实际差距较大。周红梅等( 2 0 0 3 ) “”借鉴铁路空 车厢调度优化模型的研究，在分析海运集装箱与铁路空车厢调运的联系与区别基 车厢调度优化模犁的研究，在分析海运集装箱与铁路空车厢调运的联系与区别基 础l ，以集装箱贡献值反映集装箱运输中的收入和成本的关系，以空箱调运费用 最小( 或调运里程最短) 建立模型，比较全面地考虑了航运公司各种空箱供求状 态，包括放弃运输贡献值小的重箱运输贡献值较大的空箱的情况。但是，仅以空箱 调运费用最小( 或调运里程最短) 作为目标函数是片面的，如果空箱调运中涉及 到的吊装、堆存等费用被忽略掉，会影响决策结果的有效性。刘克( 2 0 0 4 ) ：悔 马尔可夫决策过程应用于海运空集装箱调配问题。以一段时间内的总折扣费用最 小和无限时期的平均费用最小为目标建立模型，得到单港口空箱保有量的决策和 多港口间的空集装箱调配方法。但是模型将调运空箱作为默认的空箱不足时的补 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，而对空箱供给的随机性考虑得不够充分。n 祥智，赵辉等( 2 0 0 5 ) ”“基于收益管理的思想，建立了考虑多箱种、多航段的空箱调运舱位分配随机规 划模型，并用稳健优化方法对模型求解，有效解决不确定需求环境下，航运公司 面临的集装箱运输不平衡问题。但是文章仅探讨了静态网络控制策略。实际上，由 于海运运输时间长，港口、航线众多，探讨动态网络能力分配问题将更符合实际的 需要。 此外，我国学者对空箱调运问题中涉及到的相关问题也进行了深入的研究。 周翔( 2 0 0 2 ) 3 ”在论文中研究了海运空集装箱在内陆周转时间的分布规律，发现 对于同一个港口，各航线、航次卸下的集装箱在内陆的周转时间所服从的分布规 律是相同的；而对于不同的港口，该分布一般不同，但通常都是1 0 1 6 天。季文 元( 2 0 0 2 ) “基于系统可靠性指标，构造了集装箱空箱保有量优化决策的基本模 型，并通过数字仿真验证了模型的合理性。但论文将保障空箱的供给作为建模目 标，对成本的考虑不够充分。王平，武振业( 2 0 0 4 ) ”4 1 系统分析了在集装箱空箱分 派系统中起决定作用的关键要素，包括供给港和需求港、空箱的供给和需求、空 箱的库存保有量、空箱租赁和空箱分派系统计算期等。通过目标评判得出集装箱 空箱分派系统要达到的目标是成本最小化和托运人满意度最大化。 综上，国内外关于空载运工具调运的研究开始于公路和铁路运输领域，并且 研究成果趋于完善。近年来，海运集装箱空箱调运问题得到了越来越多的重视， 研究重点是空箱调运系统中的随机性、动态性和系统性等方面的问题。 1 3 本文的主要工作 空箱调运问题实际上包含两个方面的含义：一方面是针对空箱调运产生的原 因，协调各方面因素，提高集装箱利用率和周转效率采取合理措施尽量减少不 必要的空箱调运，从而减少空箱调运成本的支出；另一方面是针对业已产生的空 箱调运需求，尽可能合理地设计调运方案，使得调运成本最小。第一个方面的问 题是一个涉及很多领域的异常庞大复杂的问题，本文仅对该方面的问题做浅显的 探讨，定性给出初步的建议；而第_ 个方面的问题是本文研究的重点内容，本文 将利用定量的方法对该方面的问题进行深入研究。此外，由于集装箱运输在各种 运输方式中广泛应用，空箱调运问题在各个运输领域普遍存在。限于篇幅，本文 仅研究海运空集装箱调运问题。本文研究的空箱仅指船公司拥有或租赁的作为运 输设备的空集装箱，不包括作为商品的空集装箱。 本文在已有研究成果的基础上，从船公司的角度，以当前的航运市场环境为 背景，研究海运空箱调运问题，旨在为集装箱班轮公司提供空箱调运方案的设计 方法。 本文的第一章介绍了海运集装箱空箱调运优化问题的研究背景和意义，以及 国内外现有的研究成果；第二章从空箱调运产生的原因、空箱调运问题的特点等 方面对空箱调运问题进行系统的描述，并定性提出了降低空箱调运成本的措施； 第三章分析空箱调运优化问题的实质及目标，提出了影响空箱调运决策的主要因 素：第四章是本文的核心部分，在充分考虑空箱调运问题中随机性因素的基础上， 应用马尔可夫决策过程结合动态规划的思想确定港口最优空箱保有量，并应用整 数规划的方法建立模型以提供空集装箱在港口间的具体调运方案；第五章对所建 立的模型进行数字仿真。结论部分总结了本文的主要工作。 本文的贡献主要体现在以下几个方面： 】充分考虑了空箱供给量和需求量的随机性，将马尔可夫决策过程和动态规 划的思想相结合，建立了确定港f i 最优空箱保有量的随机模型。 2 随机模型中同时考虑了“减少空箱调运成本”和“满足客户需求”这两方 面的问题：通过对参数的设置还可以体现不同决策者对“客户满意度”的不 同重视程度。 3 在确定了港口空箱保有量的基础卜，应用整数规划建立了港1 1 唰空箱调运 模型，提供了空箱调运的具体方案。 第2 章海运集装箱空箱调运优化问题概述 2 1 产生空箱调运的原因 21 1 空箱调运的客观原因 i 港l j 进出口箱量不平衡 由于世界各国的经济发展水平和产业结构不同，世界主要集装箱班轮航线大 多存在着因航线两端国家或地区的贸易不平衡所引起的货物流量、流向不平衡， 进而导致了各航线上进出港口箱量的不平衡。集装箱货物运量的最大不平衡发生 在以亚7 j , i 、i 为一端的两大主干远洋贸易航线上，即亚滑i i l 美和亚欧航线上。在这两 条主干航线上，亚洲出口量远远超过进口量。此外，季节性因素也会造成临时的 集装箱流量不平衡。比如澳大利亚港口，每年四月份羊毛的大量出口必然会造成 该港口在这一段时间内用箱量的上升，导致箱源的紧张。 2 港口进出口箱型不平衡 由于进出口货物在种类和性质上的差异以及运费和装卸费收费标准不同等原 因，航线上进出口箱型也存在着不平衡现象。以远东至欧洲航线为例，近年来西 向货流多为轻泡货，适宜用4 0 英尺集装箱，而东向货流则多为重货，适宜用2 0 英尺集装箱，导致西向货流4 0 英尺箱短缺，而东向货流2 0 英尺箱短缺。此外， 冷藏箱和罐式箱等特种箱因其适应货种的特殊性，流量不平衡现象更加明显。 2 1 2 空箱调运的主观原因 1 集装箱周转效率较低 集装箱周转效率主要取决于港i z 堆存期和内陆周转时间。如果内陆集疏运能 力差，势必造成集装箱长时间在内陆周转，无法及时返回港口；此外由于管理不 善使集装箱运输单证流转不畅，或交接手续复杂而造成货主不能及时提箱取货， 导致港口集装箱严重积压。这些都极大影响了集装箱的周转效率。为此，班轮公 司为了满足货主的用箱需求和保证船期，不得不从邻近港口或货运站调进空箱， 保证空箱供给。 2 租箱合同中对退租地点的要求 由于港口进出e l 箱型和箱量不平衡，如果班轮公司将租进的集装箱在租期结 束后在集装箱积压地区大量退租集装箱，势必会造成租箱公司的损失。为了避免 或弥补这种损失，租箱合同咔| 一般都严格规定了集装箱的退租地点和还箱费用。 还箱费用根据还箱地点箱源状况的不同从几_ 到几百美元不等。因此，租箱人在 租期结束时应将所租集装箱调运至指定还箱地点或者还箱费用比较低的地区；否 则，要向租箱公司支付高额的还箱费用。 3 修箱费用和修箱标准的差异 因各地集装箱修理费用和各班轮公司对修箱标准的要求不同，班轮公司出于 经济或质量方面的考虑，希望将集装箱调运至修理成本比较低、技术水平比较高 或离港口较近的修理厂修理。如在1 3 本集装箱修理工时价为3 5 美元左右，而我国 只有3 2 3 5 美元；c l 夕i - 个别信誉不好的修理厂可能出现乱报修理项目、集装箱 修理估价不实等现象。这些都是班轮公司在修箱中需要考虑的问题。 4 存在超期用箱、错用箱现象 超期箱是指客户使用时间过长的集装箱，即在堆场以及其它场所的堆放时间 超过了相关规定的集装箱。超期箱的存在，严重影响了集装箱的正常流转，降低 了集装箱的利用效率。错用箱也直接影响箱管中心日常箱务管理工作的正常进行。 综上，由于客观货物流向、流量及货种的不平衡，产生一定数量的空箱调运 是必然的。但是，通过加强箱务管理，实现箱务管理现代化，减少空箱调运量是 完全可以实现的。 2 2 空箱调运问题的特点 集装箱空箱调运问题的特点主要表现为： l _ 时i 司和空间的限带i 性 集装箱班轮运输必须依据既定的船期表和航线。在实际运作中，为满足货主 的用箱需求，保证货主的贸易能够顺利进行，空箱供给必须在规定时间内实现， 一旦超过规定时间就会产生违约损失和信誉损失；如果过早地将空箱从需求地调 运到供给地，又会造成空箱堆存费损失。此外，一般情况下船舶的舱位要优先满 足重箱运输，因此海运空箱调运量受船舶剩余舱位的限制。所以，空箱调运在时 间和空间方面都是收到限制的。 2 随机性 窑箱调运问题的随机性主要体现在空箱需求和供给的随机性。货主向班轮公 司订舱，就产生了空箱需求，一般情况下，货主向船公司订舱的时间和数量都是 随机的，凶此造成了对空箱需求的随机性。而空箱的供给主要由两种方式实现： 一是货主提货后返回到堆场或货运站的空箱，二是船公司租赁或调运到港口的夺 箱。第一种方式实现的空箱供给在时间和数量方面都具有明显的随机性，而第二 种方式的空箱供给仅在实现时间方面存在随机性。 3 ，动态性 根据空箱调运产生的客观因素，总体而言港口在一段时期内对特定型号和种 类的集装箱的供需状态是稳定的，但一些诸如季节、突发事件等因素也会造成港 口空箱需求状态的改变。此外，实践中空箱的需求和供给是随时产生的，船公司 需要随时或者在必要的时间根据实际情况对空箱调运的数量和流向进行决策。这 都体现了空箱调运问题的动态性特点。 4 复杂性 空箱调运问题的随机性和动态性已经体现了该问题的复杂性；此外，在空箱 调运过程中存在的转运现象和运输能力的限制更增加了问题的难度。集装箱流转 过程中涉及方也较多，易产生交接不清的情况；繁多的箱型和箱种因素，如2 0 英 尺、4 0 英尺、4 5 英尺、普通箱、高箱、冷藏箱以及其它特种箱等，也增加了空箱 调运工作的复杂性。 2 3 降低空箱调运成本的措施 1 合理规划航线模式和挂靠港顺序 通过航线的运营调整，改变传统航线的挂靠港顺序来减少空箱的调运数量和 距离，从而降低集装箱运量不平衡所造成的损失，是目前集装箱班轮公司比较常 用且有效的方法。如达飞的欧洲北美澳大利亚亚洲欧洲环球航线就是一个减 少空箱调运的例子。此外，枢纽港战略的直达服务等也为班轮公司提供了减少空 箱调运量的选择方案，或者使空箱能迅速、经济的运到缺少空箱的地点。 2 与其他班轮公司、租箱公司、集装箱制造商等开展广泛的联盟、合作。 船公司之间的联盟与合作可以扩大船公司的营运规模，实现集装箱共享。每 个公司在各港口或货源地的用箱需求是不断变化的，某些班轮公司集装箱积压的 地点可能是其他班轮公司用箱需求较大的地点，在周密计划的基础上互相调配集 装箱，可以实现共赢的目标。如中远集运积极开展同k l 1 n e 、y a n gm ir 圾h a n j i n 等班轮公司的用箱合作，大大降低了空箱调运费用；同时也在需箱地区向其它班 轮公司提箱解决了缺箱问题。在欧洲和北美还有许多中介机构专门从事此项业 务。目的是把某公司多余的空箱放给在该地区有用箱需求的船公司使用，然后由 用箱方把空箱还到箱主有用箱需求的指定地区。如此操作，就可以减少各家船公 司的空箱调运量。 船公司可以同集装箱租赁公司签署租箱合同，采用灵活租箱的方式，根据实 际用箱需求，在缺箱或调运成本较高的港口或地区起租集装箱，而在压箱港或地 区将多余的集装箱退还给租箱公司。这样既满足了用箱需要，又节省了堆存费和 空箱调运费。船公司也可以作为“二箱东”把承租的集装箱再转租出去，可以零 星转租，也可以制订了大规模的转租计划，如美国总统轮船公司近年来约有1 0 的租入箱转租给其他船公司。对于小型集装箱班轮公司，也可以委托租箱公司全 面管理该公司的集装箱，以提高集装箱利用率，降低调箱成本。例如泛美租箱公 司的灰箱交换系统可以帮助船公司确定特定航线上船舶的空箱位，使承运人有效 的调运空箱。此外，第三方箱管系统赛起网络系统可以通过公司的数据库系统， 在合理范围内为集装箱班轮公司提供数据，以寻找机会减少空箱的移动。该系统 在美国以及太平洋沿岸地区得到广泛应用并取得了良好的效果。 班轮公司也可以与集装箱制造商合作，利用厂商发货的机会向他们提供免费 运输服务，同时免费或以较低的费用使用他们的新箱；而集装箱制造商为了尽可 能降低交箱费用也非常乐意同班轮公司合作。我国目前是世界第一大集装箱生产 国，新箱的价格相对较低；同时，由于我国出口重箱数量大大高于进口重箱数量， 使得国内出现较明显的箱源短缺现象。因此，这种合作对于我国的班轮公司尤为 适用。 3 对特定种类的集装箱向托运人提供优惠运价 向托运人提供优惠运价，鼓励托运人使用特定箱种或箱型的集装箱也是减少 空箱流量的方法。比如澳大利亚、新西兰等冷藏箱高输出地区应用该方法大幅度 减少了空冷藏集装箱的调运费用。在北欧和远东地区也常用这种方法平衡2 0 英尺 和4 0 英尺集装箱的数量。如以2 0 英尺箱的运价让货主运4 0 英尺箱，或者以4 0 英尺箱的运价让货主运两个2 0 英尺箱等。在空箱严重积压的地区，船公司甚至可 能为货主提供零运费运输服务。 4 采用不同类型的集装箱，减少空箱调运量 对于往返货流很不平衡的航线，可以选用折叠式集装箱。由于这种集装箱折 叠后的体积仅为固定式集装箱的1 4 ，因此可以减少空箱回运时的舱容损失及各种 搬运费；如果要与国外船公司进行集装箱交换互用，就应选用国际上广泛使用的 标准集装箱；为了适应公路和铁路的运输条件，使货运量少、运输条件差的国家 和地区也能实现“门到门”运输，可以采用子母箱。子母箱是一种大箱里面装小 箱的集装箱包装方式。在海上运输时采用大型国际标准集装箱，而在内陆运输时 则采用小型集装箱运输，这种方法也可以减少空箱流量。 除了上述措施以外，强化集装箱集疏运系统和集装箱跟踪管理系统缩短集 装箱周转时间，实现箱务管理现代化，也是减少空箱调运量、降低空箱调运成本 的有效方法。 第3 章海运集装箱空箱调运优化问题目标及影响因素分析 3 1 空箱调运优化问题的实质及目标分析 31 1 空箱调运优化问题的实质 追求最大的经济利益是所以船公司和其他用箱单位的共同的目标。为了实现 陔目标，各公司会尽量合理的购置集装箱，以避免出现集装箱大量闲置或者严重 影响客户用箱需求的情况。因此，从经济学的角度讲，在整个集装箱使用市场上， 在较氏的时期内，集装箱的总供应量与总需求量是相当的；但由于市场的不均衡 和其他一些因素的影响，短期内在局部市场出现集装箱供需不平衡现象也是必然 的。因此，空箱调运优化问题的实质就是在市场上出现了集装箱供需矛盾的情况 下，决策和控制空集装箱从供给地到需求地的流动，规划空箱流动的时间、数量 和路线，在成本最小化与客户满意度最大化之间寻求平衡，即提供给船公司“用 哪条船在什么时间从哪个港口将多少空集装箱运到哪个港口”的最佳可行方案。 海运集装箱空箱调运优化的核心在于解决以下两方面的问题： 1 确定决策期内各港口的空箱供需状态 根据空箱调运的动态性特点，港口的空箱供需状态在短时期内是变动的。即 使在一段时间内，某港口对某箱型、箱种的供需具有明显的规律性，但其对该箱 型、箱种的具体供需数量也不是固定的。因此，决策者必须首先判断所考虑的港 i d 在决策期内，哪些多余空箱，哪些空箱不足；并且在充分考虑动态性、随机性 等因素的基础上确定各港口的空箱供需数量。如果没有对各港d 的空箱供需状态 进行测算或估计，空箱调运就会无的放矢。 2 设计空箱调运具体方案 在明确了各港口的空箱供需状态后，就可以设计空箱调运方案了。一般情况 _ 卜- ，在缺箱港，租箱可以作为空箱调运的替代策略，因此租箱策略是空箱调运问 题中不可忽视的问题。设计空箱调运的优化方案，就是要在充分考虑空箱调运问 题的时空限制性等特点的前提下，以空箱调运成本最小或者客户满意度最大( 或 者兼顾两者) 为目标，提供“把既定数量的空集装箱经由哪条船在哪个航次从哪 个多箱港运到哪个缺箱港”的方案。 31 2 海运集装箱空箱调运系统优化目标分析 ： 1 2 ，1 成本最小化 31 2 1 1 空箱调运成本分析 空箱调运成本包括安排空箱调运时发生的直接或间接的费用，如海运费、装 卸费、堆存费、内陆托运费、箱管代理费、检疫费、集装箱自身成本等。 1 装卸费：是指集装箱在码头、场站等进行搬运或起吊作业时，支付的相关 费用。主要可分为搬捣费、吊上费、吊下费等。目前世界上大多数港口以装卸包 于费的形式计收码头装卸费，其中包括空箱的装卸费用( 指起重机的两次起吊) 、 从船边到堆场或从堆场到船边的水平搬运费用等。 2 海运费：指空箱从起运港至目的港之间的海上运输费用。一般情况下，船 公司会采用本公司多余的舱位进行空箱调运，该项费用较低；但如果船公司面临 严峻的空箱调运任务，甚至需要放弃重箱的运输来调运空箱，那么该项费用中还 隐含了放弃重箱运输的机会成本。 3 堆存费：指空箱堆置在堆场上产生的相关费用。 4 内陆托运费：指由公路、铁路或内河在两地之间调运空箱而产生的运输费 用。公路运费的产生主要发生在同一港口的各堆场之间以及距离较近的内陆货运 站之间。港口与距离较远的内陆点之间大多采用火车调运。港口之间的空箱调运 基本上采用水运方式。 5 空箱自身成本：包括集装箱的折i b 或租金、维修保养费及各项管理费用， 用箱天成本来表示。 6 其它费用：如箱管代理费、冷柜验箱费、动植物检疫费、设备交接及铅封制 作费等。 3 。1 2 1 。2 以成本最小化为优化目标的建模思路 由于空箱调运不产生任何效益，只支出成本或费用。因此，如果以成本最小 化为优化目标，那么在建模过程中需要找到与空箱调运相关的所有成本或费用， 选择策略使得决策期内的总成本或平均成本最小。如文献 9 、 1 3 、 2 4 、 3 0 等都是以成本最小化为建模目标的。 4 3 1 2 2 客户满意度最大化 3 1 2 2 1 客户满意度指标分析 在空箱调运优化问题中，客户满意度是指托运人能否及时得到需要的空集装 箱装运货物，以及班轮公司提供的空集装箱的数量是否足够，质量是否合格，即 船公司提供给托运人的空箱应当及时、足量、保质。当船公副不能及时提供给托 运人需要的空箱或者所提供的集装箱不能满足托运人的要求时，一般来说托运人 会转而寻找其它船公司。因为如果托运人坚持在原来的船公司托运货物，而这一班 船又没有足够的空箱，那么他就必须等待下一班船，这两班船的间隔时间也许会很 长，这种延误所带来的损失通常是托运人无法承受的。所以一旦船公司不能满足托 运人的用箱需求，就会面临运费损失，甚至造成船公司信誉和客户满意度的损失， 这对船公司未来的发展非常不利。因此，船公司在箱量不足时，应当用各种手段，包 括从其他港口调箱或者租赁空箱，尽量及时足量地满足托运人的用箱需求。 3 1 2 2 2 以客户满意度最大化为优化目标的建模思路 虽然空箱调运不产生任何效益，但是如果托运人不能及时足量地得到适用的 集装箱，那么客户满意度就会降低，就会对班轮公司造成信誉损失，从而间接损 失了班轮公司的经济效益。因此，如果班轮公司以客户满意度最大化为优化目标， 那么在建模过程中需要找到影响客户满意度的各种因素，并以定量的形式将客户 满意程度表达为损失的减少或者收益的增加，使得减少的损失或者增加的收益最 大。如在文献 3 1 中，作者将客户满意度作为建模目标实现空箱调运的优化。 3 2 影响空箱调运的主要因素 321 集装箱配备量 班轮公司在航线或者航区内的集装箱配备量是影响空箱调运问题的最直接因 素。显然，如果航线或航区内的集装箱配备量很少，集装箱周转紧张，必然会产 生大量的空箱调运需求；相反，如果集装箱配备量很大，集装箱周转十分宽裕， 那么对空箱调运的需求就不那么迫切。但是，大量配备集装箱需要班轮公司付出 巨额的成本，所以班轮公司一般都会根据货源情况以及自身的集装箱管理水平尤 其是空箱调运水平适量配备集装箱。因此，集装箱配备量与集装箱管理水平尤其 是空箱调运水平是互为因果的。 322 租箱量及集装箱租金费率 在既定的集装箱配备规模下，面对箱源紧张的情况，如果班轮公司希望满足 所有客户的需求，那么它会从租箱和调箱两种策略中做出选择，也就是晚租箱是 调箱的替代策略。如果集装箱租赁费率相当高昂，那么在班轮公司会尽可能调运 空箱来满足需求；相反，班轮公司会考虑租进集装箱以解决临时的箱源紧张的状 况，或者综合使用这两种策略。 323 集装箱售价 在缺少空箱的地区，如果当地的集装箱售价非常低，船公司也可以考虑直接 购买集装箱以解决急迫的用箱需求，从而节省昂贵的空箱调运费用。目前远东和 东南亚地区集装箱成本较低，尤其是中国大陆，集装箱成本极低，可以通过在中 国大陆购买集装箱使进出口货物不平衡的地区用箱需求得到缓解。但是，一般而 言购置集装箱的费用都要远远高于租赁或者调运空箱的费用，所以用购箱策略来 满足临时性用箱需求是不常见的。 324 集装箱管理水平 根据前面2 1 节的分析，集装箱管理水平的低下是造成空箱调运的主要因素 之一，因此提高集装箱管理水平会大大减少不必要的空箱调运。 325 船舶挂靠港口的频率 船舶挂靠港口的频率直接影响到空箱调运中“由何时运”的问题。因为班轮 运输是按照固定的船期表在固定的航线上按固定的顺序挂靠固定的港口的规则运 输，因此空箱调运的实现时间要根据船期表来安排。制定空箱调运方案时，应当 充分考虑到这一点，对各港口的调运量提前做出安排，以便在船舶挂靠的时候调 出或补充空箱。 3 2 6 航线模式 航线模式是影响空箱调运方案的重要因素，它决定着哪些集装箱船可以用来 完成既定的空箱调运任务，以及是否可以进行空箱转运等。目前比较普遍、典型 的航线模式是在往返两个方向上，至少挂靠一次，即出口进口挂靠，进口出口 不 定挂靠，但挂靠先后顺序是刁i 变的，如图31 所示的中远集运的远东美西周 班航线： 图3l 中远集运远东美西周班航线 f i g31 f a re a s t a m e r i c aw e s tc o a s ts e r v i c e c o s c o 第4 章海运集装箱空箱调运优化模型 41 马尔可夫决策过程简介。 马尔可夫决策过程( m a r k o vd e c is i o np i o c e s s e s ，m d p ) ，是研究随机环境下多 阶段决策过程优化问题的理论工具，简称马氏决策过程。马氏决策过程的模型由 决策时刻、系统状态、行动、报酬和转移概率构成。在一个状态选取一个行动会 产生个报酬，并且通过转移概率函数决定下一个决策时刻的状态。策略是一些 规定，是告诉决策者在任一决策时刻、任一状态上如何选择行动的规定。决策者 就是要在某种意义下选取最优的策略。 4 1 1 马氏决策过程的起源及发展 马氏决策过程的起源可以追溯到2 0 世纪5 0 年代