基于線狀系統(tǒng)的長江干線運(yùn)輸船舶洗艙站選址研究

林 樺，李表奎，徐培紅

（1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063；2.長江航務(wù)管理局，湖北 武漢 430014）

基于線狀系統(tǒng)的長江干線運(yùn)輸船舶洗艙站選址研究

林 樺1，李表奎1，徐培紅2

（1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063；2.長江航務(wù)管理局，湖北 武漢 430014）

長江干線散裝危險品運(yùn)輸逐年增加，需要配套建設(shè)船舶洗艙站點(diǎn)。在學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，將長江干線23個主要港口進(jìn)行洗艙需求區(qū)段劃分，引入線狀系統(tǒng)的概念，建立了均勻系統(tǒng)中維護(hù)點(diǎn)最佳分布模型，通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析及預(yù)測，對模型進(jìn)行求解，提出長江干線散裝液體危險品船舶洗艙站選址方案。

線狀系統(tǒng)；長江干線；散裝液體危險品；洗艙站；選址

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各類化工產(chǎn)品的需求快速增加，長江干線散裝危險品運(yùn)輸隨之增加，目前長江干線洗艙站僅有5個，分布在重慶、武漢和南京，洗艙能力不足，洗艙壓力大，大量的油品和化學(xué)品運(yùn)輸為船舶安全營運(yùn)及內(nèi)河水域的環(huán)境保護(hù)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，需要對干線洗艙站點(diǎn)進(jìn)行重新布局規(guī)劃。長江干線危險品船舶洗艙站的選址研究，將為長江生態(tài)修復(fù)和綠色發(fā)展提供途徑和思路，為長江干線危險品洗艙站布局規(guī)劃的頂層設(shè)計提供理論參考。

Erdemir和Rajan等[1-2]研究了考慮點(diǎn)狀需求和線狀需求的集合覆蓋選址問題，分別建立隱式模型和顯式模型，并設(shè)計了啟發(fā)式算法對其進(jìn)行求解。周建勤[3]研究了成本導(dǎo)向的線狀需求物流節(jié)點(diǎn)連續(xù)選址問題，并通過構(gòu)建單一物流節(jié)點(diǎn)選址模型求出了模型的最優(yōu)解。張其兵[4]分析了長江危險品水上運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀，并對水上運(yùn)輸安全系統(tǒng)采用集對分析的方法進(jìn)行表達(dá)，建立了長江危險品水上運(yùn)輸安全集對分析評價模型。賈禹[5]闡述了內(nèi)河危險品運(yùn)輸服務(wù)鏈運(yùn)作流程，并選取重慶市危險品的運(yùn)輸案例進(jìn)行了成本結(jié)構(gòu)的分析和優(yōu)化。李娜[6]針對選取基于交通流的綜合事故率、死亡率作為系統(tǒng)安全狀態(tài)方程模型的指標(biāo)變量，建立了水上交通安全狀態(tài)方程。

本文在學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，將長江干線23個主要港口進(jìn)行洗艙需求區(qū)段劃分，引入線狀系統(tǒng)概念，并構(gòu)建線狀系統(tǒng)維護(hù)點(diǎn)最優(yōu)分布模型，通過模型求解分析得出洗艙站選址方案。

2 選址模型建立及求解

2.1 選址模型

現(xiàn)實(shí)世界中有很多在一條線上分布的系統(tǒng)，如鐵路、公路、輸油管線、輸電線路等，稱為線狀系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)中單位長度的維護(hù)費(fèi)用是否相同，可將線狀系統(tǒng)分為均勻線狀系統(tǒng)和非均勻線狀系統(tǒng)。均勻系統(tǒng)是指系統(tǒng)中任何地方單位長度的維護(hù)費(fèi)用相同的理想系統(tǒng)，在均勻系統(tǒng)中，站點(diǎn)的管轄范圍相等。然而實(shí)際上，系統(tǒng)由于受自然條件、經(jīng)營條件、基礎(chǔ)設(shè)施狀況等外在環(huán)境的影響，單位長度維護(hù)費(fèi)用不同，這樣的系統(tǒng)就為非均勻系統(tǒng)。

2.1.1 非均勻系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。均勻系統(tǒng)和非均勻系統(tǒng)的區(qū)別體現(xiàn)在系統(tǒng)中單位長度維護(hù)成本的不同，因此在已知線狀系統(tǒng)長度和單位長度維護(hù)成本的條件下，可以實(shí)現(xiàn)將非均勻系統(tǒng)向均勻系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化。

例如非均勻線狀系統(tǒng)總長為S，由S1和S2兩段組成，單位長度的維護(hù)費(fèi)用分別為c1、c2(c1≠c2)。假設(shè)轉(zhuǎn)化后的均勻系統(tǒng)單位長度的維護(hù)費(fèi)用為c，那么轉(zhuǎn)化后系統(tǒng)長度存在以下關(guān)系：

這樣，由S1和S2兩段組成的非均勻系統(tǒng)就轉(zhuǎn)化為總長為S'，單位長度維護(hù)費(fèi)用為c的均勻系統(tǒng)。

2.1.2 均勻系統(tǒng)站點(diǎn)的最優(yōu)分配。系統(tǒng)中站點(diǎn)的分配需要解決的問題是建立多少個站點(diǎn)，建在何處，以全面覆蓋線狀系統(tǒng)中所有區(qū)域，同時使站點(diǎn)建設(shè)總耗費(fèi)最小。由于非均勻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)向均勻系統(tǒng)關(guān)系轉(zhuǎn)化，因此研究均勻系統(tǒng)站點(diǎn)的最優(yōu)分配將對解決實(shí)際系統(tǒng)中站點(diǎn)配置分布具有指導(dǎo)意義。

均勻系統(tǒng)有兩個特征：單位長度維護(hù)費(fèi)用相同、站點(diǎn)管轄范圍相等。解決站點(diǎn)分配中的問題可根據(jù)均勻線狀系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立以總成本最低為目標(biāo)的系統(tǒng)站點(diǎn)分配模型，確定站點(diǎn)建設(shè)數(shù)目、站點(diǎn)位置、站點(diǎn)管轄范圍等，如圖1所示。

圖1 均勻系統(tǒng)主要參數(shù)示意圖

（1）參數(shù)設(shè)置

S-均勻線狀系統(tǒng)總長；

n-均勻線狀系統(tǒng)中站點(diǎn)個數(shù)；

F-站點(diǎn)建設(shè)的固定成本；

d-站點(diǎn)兩側(cè)管轄范圍(d≤x)；

d'-站點(diǎn)兩側(cè)超出d管轄范圍以外的長度；

c-站點(diǎn)兩側(cè)d'以內(nèi)的單位維護(hù)費(fèi)用；

c'-每超出d'的單位維護(hù)費(fèi)用增加值；

Pi-系統(tǒng)中全部站點(diǎn)成本(i=1,2,3)。

（2）目標(biāo)函數(shù)

另外，成本函數(shù)的表達(dá)式分別為：

P1-系統(tǒng)內(nèi)全部站點(diǎn)固定成本：

P2-系統(tǒng)內(nèi)全部站點(diǎn)管轄范圍d內(nèi)的維護(hù)成本：

P3-系統(tǒng)內(nèi)全部站點(diǎn)管轄范圍d以外的維護(hù)成本：

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選址模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括船舶洗艙需求量、洗艙站建設(shè)成本以及洗艙需求區(qū)段劃分等。

2.2.1 洗艙需求。目前，船舶洗艙需求主要包括兩類：船舶貨物換裝洗艙和船舶上塢檢修洗艙，2015年長江沿線各省船舶換貨種洗艙需求約為3 000艘次/年，需上塢檢修的船舶約為1 400艘次/年。洗艙站建設(shè)成本包括固定成本和可變成本，其中固定成本參考已有洗艙站的投資標(biāo)準(zhǔn)，計算取值2 000萬元。2020、2030年洗艙需求預(yù)測值見表1，2020、2030年船舶上塢檢修洗艙需求總量分別為1 700艘次和1 600艘次（2030年船舶平均噸位將增加，使得實(shí)際船舶艘數(shù)減少）。

表1 洗艙需求預(yù)測值

2.2.2 洗艙需求區(qū)段劃分。長江干線港口位置間隔里程為港口間實(shí)際距離，但是危險品船舶洗艙需求與多種因素有關(guān)，船舶洗艙需求區(qū)段和港口間實(shí)際距離不能等同。本文以港口狀況、運(yùn)輸能力及經(jīng)濟(jì)水平為準(zhǔn)則，構(gòu)建港口物流綜合能力評價體系，運(yùn)用熵權(quán)法計算物流綜合能力評分，作為洗艙需求區(qū)段劃分的依據(jù)。評價結(jié)果見表2。

洗艙需求區(qū)段是在23個主要港口間實(shí)際里程的基礎(chǔ)上，以物流綜合能力評分為權(quán)重計算劃分所得到的區(qū)間范圍，即將港口之間的實(shí)際里程轉(zhuǎn)化為計算里程，見表3。

2.3 模型求解

計算求解所需要的數(shù)據(jù)都已確定，運(yùn)用JDK環(huán)境下的Java語言編寫程序并求解，得到n取不同值時的目標(biāo)函數(shù)。見表4和圖2。

圖2 目標(biāo)函數(shù)曲線圖

表2 長江干線主要港口物流綜合能力評價得分表

表3 實(shí)際里程與計算里程轉(zhuǎn)化表（km）

表4 不同n值下的目標(biāo)函數(shù)值

表5 線狀系統(tǒng)站點(diǎn)分配表

3 選址方案

3.1 站點(diǎn)規(guī)模

長江干線散裝液體危險品船舶洗艙站規(guī)模和數(shù)量的確定需要考慮長江干線散裝液體危險品船舶洗艙發(fā)展需求及長江岸線資源、通航條件。

根據(jù)未來長江干線航道通航條件、危險品船舶船型尺度、船舶洗艙需求量等要求，結(jié)合不同區(qū)域洗艙站的不同自然環(huán)境條件等因素，以庫區(qū)上游建設(shè)小型、庫區(qū)及長江中游建設(shè)中型、長江下游兼顧海輪等不同需求為導(dǎo)向，結(jié)合現(xiàn)有洗艙站建設(shè)情況，初步確定洗艙站污水接收中轉(zhuǎn)能力及年洗艙能力，確保能夠滿足長江干線未來洗艙需求，按照可?？课ｋU品船舶核定載重噸為標(biāo)準(zhǔn)，將長江干線散裝液體危險品船舶洗艙站劃分為三種規(guī)模：可停靠船舶核定載重噸為3 000t級為小型，5 000t級為中型，50 000t級為大型，詳見表6。

表6 長江干線液化危險品船舶洗艙站規(guī)模劃分

洗艙站建設(shè)要求主要根據(jù)水域通航條件、洗艙站可?？看皣嵓壖跋磁撃芰Α⒑蠓轿鬯邮占疤幚砟芰l件等因素確定，級別越高、規(guī)模越大，洗艙站供給能力越強(qiáng)，相應(yīng)的要求也越高，在選址中考慮的因素也較多。

洗艙站的建設(shè)型式有岸基式、躉船式可供選擇。岸基式洗艙站普遍適用于各類型船舶的停靠，但無法適應(yīng)水位差大的區(qū)域。躉船式適合全年不同時段水位差別較大地區(qū)（如上游庫區(qū)）。

3.2 洗艙站選址方案

依據(jù)洗艙站規(guī)模和型式要求，結(jié)合已有洗艙站分布情況來“盤活存量”，以未來沿江各省市的船舶洗艙需求量為導(dǎo)向，以沿江主要化工園區(qū)為依托，按照前期分散布點(diǎn)、后期逐步加密的方式在干流布點(diǎn)，滿足長江干線散裝液體危險品船舶運(yùn)行需求，并對主要支流具有一定的輻射作用。長江干線散裝液體危險品船舶洗艙站近遠(yuǎn)期布局方案見表7。

表7 長江干線散裝液體危險品船舶洗艙站布局方案（個）

2020年以前，洗艙站相關(guān)技術(shù)規(guī)范尚不完善，此階段以盤活現(xiàn)有存量，加強(qiáng)管理及加快完善相關(guān)技術(shù)規(guī)范為原則，洗艙站點(diǎn)盡量依托現(xiàn)有洗艙站點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃布局，少量新建站點(diǎn)布局在化工園區(qū)集聚地，優(yōu)先滿足危險品船舶對洗艙作業(yè)的迫切需求。2020-2030年，根據(jù)長江干線危險品運(yùn)輸需求增長情況，適當(dāng)加大站點(diǎn)規(guī)模和加密站點(diǎn)。

[1]E T Erdemir,R Batta,S Spielman.Location coverage models with demand originating from nodes and paths：Application to cellular network design[J].European Journal of Operational Research,2008,190：610-632.

[2]E T Erdemir,R Batta.Optimization of aeromedical base locations in New Mexico using a model that considers crash nodes and paths[J].Accident Analysis&Prevention,2008,40：1 105-1 114.

[3]周建勤.面向線狀需求的物流節(jié)點(diǎn)選址研究[D].北京：北京交通大學(xué),2010.

[4]張其兵.基于集對分析的長江危險品水上運(yùn)輸安全評價研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[5]賈禹.內(nèi)河危險化學(xué)品運(yùn)輸服務(wù)鏈成本結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[D].重慶：重慶交通大學(xué),2013.

[6]李娜.基于狀態(tài)方程的長江干線水上交通安全評價研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2012.

Study on Location Allocation of Tank-cleaning Station for Transportation Vessels along Yangtze River Main Stream Based on Linear System Concept

Lin Hua1,Li Biaokui1,Xu Peihong2
(1.Wuhan University of Technology,Wuhan 430063;2.Changjiang River Administration of Navigational Affairs,Wuhan 430014,China)

In this paper,based on previous researches,we introduced the concept of the linear system into the zoning of the tankcleaning demand of the 23 major ports along the main stream of the Yangtze River,established the optimal distribution model of the maintenance points for a homogeneous system,then through analyzing and forecasting the fundamental data,solved the model and proposed the location scheme of the tank-cleaning stations for freighters of liquid bulk hazardous cargoes navigating the main stream of the Yangtze River.

linear system;main stream of Yangtze River;bulk liquid hazardous cargo;tank-cleaning station;location allocation

F224.0;U651+.1

A

1005-152X(2017)06-0112-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.06.026

2017-03-25

林樺（1963-），女，湖北武漢人，副教授，研究方向：港口、航運(yùn)與綜合物流管理、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)與政策；李表奎（1990-），男，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向：港口、航運(yùn)與綜合物流管理。