□ 陳鎧敏,王 晶,張曉芹
(廣東東軟學(xué)院 信息管理與工程學(xué)院,廣東 佛山 528225)
中國是全球最大的集裝箱貨物貿(mào)易國家,大型班輪公司已在中國植根多年,外資班輪公司經(jīng)常在不同場合呼吁中國開放外資班輪沿海捎帶業(yè)務(wù)。所謂沿海捎帶業(yè)務(wù),通常是指允許外籍船舶在中國沿海港口之間從事外貿(mào)集裝箱的國內(nèi)段運(yùn)輸,性質(zhì)屬于國內(nèi)沿海運(yùn)輸。2002年開始實(shí)施的《中華人民共和國國際海運(yùn)條例》第57條明確規(guī)定,在兩個(gè)中國港口間的集裝箱運(yùn)輸屬于沿海運(yùn)輸權(quán)范疇,未經(jīng)批準(zhǔn),境外航運(yùn)企業(yè)不得經(jīng)營中國港口間的海上貨物運(yùn)輸[1]。
班輪運(yùn)輸是國際貨物運(yùn)輸?shù)闹饕绞?,在各個(gè)國家尚未開放沿海運(yùn)輸權(quán)的情況下(圖1),A、K、C三個(gè)國家之間有貨物運(yùn)輸需求,若A國籍船舶從A國出發(fā)駛向K國的K1港口,在K1港口裝卸K1、K2港口的貨物,運(yùn)往K2港口的集裝箱可經(jīng)內(nèi)貿(mào)船由K1運(yùn)往K2,A國籍船舶則需直接駛往C國家,不得在K國的其它港口中轉(zhuǎn)。同樣,A國籍船舶在C國的C1港口裝卸完成后不可在C國的其它港口中轉(zhuǎn),直接駛往別的國家或者返回A國。整個(gè)航線網(wǎng)絡(luò)循環(huán)需要外籍船舶和內(nèi)貿(mào)船舶的配合,才能實(shí)現(xiàn)貨物到達(dá)最終目的地。這樣增加的轉(zhuǎn)運(yùn)的復(fù)雜程度,更降低了船舶的滿載率和運(yùn)輸效率。
在K國和C國對外開放沿海運(yùn)輸權(quán)的情況下(圖2),A、K、C三個(gè)國家之間有貨物運(yùn)輸需求,若A國籍船舶從A國出發(fā)駛向K國的K1港口,在K1港口裝卸貨物后仍可繼續(xù)前行駛向K2港口。同理,A國籍船舶從K2港口裝卸完成后可繼續(xù)依次駛往C國的C1和C2港口,完成集裝箱的裝卸后再駛回A國,完成一個(gè)周期的班輪運(yùn)輸。
圖1 傳統(tǒng)航線網(wǎng)絡(luò)示意圖
圖2 開放沿海運(yùn)輸權(quán)后的航線網(wǎng)絡(luò)示意圖
目前,已有一些沿海運(yùn)輸權(quán)政策對航運(yùn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的影響研究的文獻(xiàn)。Cavana[2](2004)將國內(nèi)航空運(yùn)輸?shù)亩ㄐ苑治龇椒☉?yīng)用到新西蘭實(shí)行沿海運(yùn)輸權(quán)制度,從利益相關(guān)者的角度分析開放沿海運(yùn)輸制度帶來的負(fù)面影響。丁一等[3-5](2015)設(shè)定開放沿海運(yùn)輸權(quán)下建立軸輻式海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型、集裝箱路徑模型以及集裝箱倉位分配與動態(tài)定價(jià)模型。馬得懿[6](2014)解讀世界各國開放沿海運(yùn)輸權(quán)的法律政策。香港港口發(fā)展策略2030研究[7]中指出,香港港口開放沿海運(yùn)輸權(quán)后,吞吐量逐年上漲,并將繼續(xù)增加。香港港口在國際中轉(zhuǎn)箱的運(yùn)輸中,中轉(zhuǎn)大陸的貨運(yùn)量占60%左右。在激烈競爭的班輪運(yùn)輸市場,需要構(gòu)建有效且合理的班輪航線網(wǎng)絡(luò)對馬士基船公司的現(xiàn)有資源進(jìn)行合理分配,從而將馬士基公司的運(yùn)營成本降低來擴(kuò)大其在航運(yùn)市場的競爭優(yōu)勢。本文從馬士基船公司的角度考慮中國開放沿海運(yùn)輸權(quán)的情況下,運(yùn)用軸輻式航線網(wǎng)絡(luò)模型解決選擇港口優(yōu)先級的問題。
軸輻式網(wǎng)絡(luò)在船舶大型化不斷發(fā)展的趨勢下逐漸成為集裝箱班輪航線網(wǎng)絡(luò)的主要模式。國外對軸輻式網(wǎng)絡(luò)的研究起步較早,多集中在航空、通信和郵政運(yùn)輸領(lǐng)域,對海運(yùn)領(lǐng)域研究在近年逐漸增多。Faferholt[8](1991)從船公司角度研究由一個(gè)樞紐港及多個(gè)支線港組成的支線網(wǎng)絡(luò)航線設(shè)計(jì)問題。Meng Qiang等[9](2011)提出了班輪運(yùn)輸服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題。Gelareh S等[10](2010)針對在激烈競爭環(huán)境下的班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題提出了一個(gè)新穎的混合整數(shù)線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型,該模型擴(kuò)展和推廣了現(xiàn)有文獻(xiàn)中軸輻式型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的不同方面。Inmaculada Rodrí等[11](2008)解決了確定路線下一組貨物以最低成本在給定弧和樞紐港的容量和成本的網(wǎng)絡(luò)中從起始地到目的地的運(yùn)輸問題。Takano Kelly等[12](2009)研究不同船型下的軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型。王建偉等[13](2015)研究中小物流企業(yè)聯(lián)盟運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)下混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸優(yōu)化。楊斌等[14]考慮綠色物流概念的軸輻式運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。
將研究對象設(shè)定為馬士基船公司在某一決策時(shí)點(diǎn)的狀態(tài),根據(jù)馬士基船公司某一時(shí)間段內(nèi)的港口現(xiàn)狀、業(yè)務(wù)經(jīng)營范圍以及對我國集裝箱的貨運(yùn)需求和中國沿海運(yùn)輸現(xiàn)狀,研究在中國允許沿海運(yùn)輸權(quán)政策的情況下,確定中國開放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口的優(yōu)先級。在中國沿海港口內(nèi)選擇一定數(shù)量的港口作為樞紐港,樞紐港即為允許開放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口,樞紐港口之間構(gòu)成干線運(yùn)輸,余下的港口作為支線港口,支線港和樞紐港之間構(gòu)成支線運(yùn)輸,并在樞紐港的配置中通過算例分析確定優(yōu)先開放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口[15]。
圖3 軸輻式航線網(wǎng)絡(luò)
本文以馬士基船公司的角度研究開放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口選擇問題,軸輻式班輪航線網(wǎng)絡(luò)類型為支線港口間不允許通航、樞紐港間采用環(huán)繞式航線的,且支線港單分配、樞紐港無容量限制的軸輻式班輪航線網(wǎng)絡(luò)[15]。如圖3,直接處理貨物收發(fā)需求的輻節(jié)點(diǎn)構(gòu)成輻集合,記為S。樞紐集合記為軸集合,記為H[16]。圖3中,S1,S2,S3,……,S10為輻節(jié)點(diǎn),H1,H2,H3,H4為軸節(jié)點(diǎn)。在本文研究的以馬士基船公司的角度開放中國港口沿海運(yùn)輸權(quán)問題中,H1表示馬士基在中國領(lǐng)土以外的某貨物收發(fā)需求的集散點(diǎn),H2,H3,H4為在中國沿海港口中或?qū)㈤_放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口。貨物的流動情況分為3種情況:貨物由相同的出發(fā)地運(yùn)抵不同的目的地,如{S1}→{S6,S7,S8,S9};貨物由不同的出發(fā)地運(yùn)抵相同的目的地,如{S4,S5,S6,S7,S8}→{S1};貨物由不同的出發(fā)地運(yùn)抵不同的目的地,如{S3,S4,S5,S6}→{S1},{S7,S8,S9,S10}→{S2}[16]。貨物在節(jié)點(diǎn)間的流動形成運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò),運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)可以分為干線和支線運(yùn)輸兩種:樞紐港之間的貨物流動稱為干線運(yùn)輸;從輻到軸的貨物流動和從軸到輻的貨物流動稱為支線運(yùn)輸。圖3所示的物流網(wǎng)絡(luò)稱為單一配置樞紐模型,其主要特征是每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能與一個(gè)樞紐連接。
本文以軸輻式網(wǎng)絡(luò)類型為切入點(diǎn),研究選擇開放中國沿海運(yùn)輸權(quán)港口優(yōu)先級的問題,為了提高所建模型的合理性與可行性,通過軸輻式網(wǎng)絡(luò)類型的界定,需要對模型進(jìn)行較為理想化的設(shè)想。假設(shè):本文只考慮單分配問題,支線港與樞紐港之間采用單分配的模式,即支線港能且只能與一個(gè)樞紐港相連接;樞紐港之間采用環(huán)繞式航線,支線港之間不允許通航;各樞紐港口無容量限制;港口之間的集裝箱運(yùn)輸量己知;考慮干線運(yùn)輸所帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng),且單位運(yùn)輸成本折扣率a己知。
軸輻式網(wǎng)絡(luò)是一種以樞紐為軸,以其它節(jié)點(diǎn)為輻形成的空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[16]。在軸輻式航線網(wǎng)絡(luò)的連通圖中,A=(N,E),N為備選的港口集合,|N|=n,港口編號s,i,E={(s,i|s∈N,i∈N)}為港口s至i的有向?。籋為樞紐港集合,|H|=p,樞紐港口的位置與數(shù)量為p,中國開放沿海運(yùn)輸權(quán)港口的集合為p’,余下的(n-p)港口自然成為支線港,從而決定樞紐港與支線港的連接方式以及中國部分開放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口與世界其他國家的運(yùn)輸路線。
N:港口集合,i,j,n,s,k,m為航線網(wǎng)絡(luò)中的港口節(jié)點(diǎn);
P:表示運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中樞紐港數(shù)量,p∈N;
p’:表示運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中中國沿海港口開放沿海運(yùn)輸權(quán)的樞紐港口數(shù)量,p’k∈N;
α:表示樞紐間單位轉(zhuǎn)運(yùn)成本折扣系數(shù),0<α<1;
ωij:表示港口i和港口j之間的集裝箱箱量,一般的ωij≠ωji;
Cij:港口i到港口j的單位集裝箱運(yùn)輸成本;
Csp:支線運(yùn)輸總成本;
Chub:干線運(yùn)輸總成本;
THC:集裝箱碼頭裝卸費(fèi)用;
決策變量:
yij:若i港配置到樞紐港j則取1,反之,則為0;
ykk:若將k港定義為樞紐港則取1,反之,則為0。
從馬士基船公司的角度衡量中國開放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口的選擇,如前所述軸輻式運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)根據(jù)貨物流動情況分為三種情形,涉及到支線運(yùn)輸總成本、干線運(yùn)輸總成本和裝卸搬運(yùn)費(fèi)用?,F(xiàn)以集裝箱運(yùn)輸總成本最小為目標(biāo)函數(shù)建立如下開放航權(quán)選擇港口優(yōu)先級的數(shù)學(xué)模型:
目標(biāo)函數(shù):
(1)
約束條件:
(2)
(3)
(4)
yskmi,ysk,ymi,ykk,ymm∈{0,1},?s,k,m,i∈N
(5)
以上建立的開放航權(quán)選擇港口優(yōu)先級的數(shù)學(xué)模型,目標(biāo)函數(shù)(1)使班輪公司某航線總運(yùn)輸成本C最小,包括支線運(yùn)輸成本Csp、干線運(yùn)輸成本Chub以及集裝箱碼頭裝卸費(fèi)用THC。
約束(2)衡量了該航線網(wǎng)絡(luò)中的集裝箱碼頭中轉(zhuǎn)運(yùn)輸費(fèi)用。中轉(zhuǎn)運(yùn)輸費(fèi)用的計(jì)算與起運(yùn)港和目的港的性質(zhì)有關(guān)。若起運(yùn)港為支線港,經(jīng)樞紐港中轉(zhuǎn),到達(dá)目的港,發(fā)生一次中轉(zhuǎn)運(yùn)輸費(fèi)用;若起運(yùn)港為支線港,經(jīng)干線運(yùn)輸,到達(dá)目的港為支線港,發(fā)生兩次中轉(zhuǎn)運(yùn)輸費(fèi)用。
約束(3)限定一個(gè)支線港僅能與一個(gè)樞紐港相連接,體現(xiàn)無容量限制的單分配軸輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)問題;
約束(4)航線網(wǎng)絡(luò)中共建立p’個(gè)樞紐港數(shù)量的約束;
約束(5)為整數(shù)變量的取值約束。
以馬士基船公司計(jì)劃途經(jīng)中國沿海航線為例,該航線可能途徑的港口包括A區(qū)域的長灘(A1)和洛杉磯(A2),B區(qū)域的大連(B1)、 煙臺(B2)、青島(B3)、連云港(B4)、上海(B5)、寧波(B6)、福州(B7)、廈門(B8)、深圳(B9)、廣州(B10)。表1為港口OD間集裝箱流量,即船舶從出發(fā)地到目的地的單位運(yùn)輸數(shù)量,數(shù)據(jù)采用的是以周為周期的集裝箱流量,港口間的OD集裝箱流量等主要參數(shù)采用數(shù)據(jù)集LINER-LIB-2012[17]。通過BLM SHIPPING軟件獲取港口之間的航行距離即從出發(fā)地到目的地的航行距離,具體數(shù)據(jù)如表2所示。
表1 港口OD間集裝箱流量 單位/TEUs
表2 各港口間的里程 單位/海里
軸輻式網(wǎng)絡(luò)的OD流量w表示馬士基船公司往返亞洲-北美洲途徑各節(jié)點(diǎn)兩兩之間的流量。考慮到海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸成本的影響因素包括每日固定成本、每海里消耗的燃料成本、每日航行距離成本等,Takano Kelly[12]結(jié)合軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型對不同船型和不同集裝箱大小分別進(jìn)行航運(yùn)成本的計(jì)算。
根據(jù)開放航權(quán)下選擇港口優(yōu)先級的0-1整數(shù)規(guī)劃模型,運(yùn)用Matlab進(jìn)行求解,計(jì)算樞紐港p’=0,1,2,3,…,9的情況下以及折扣系數(shù)a=0.5,0.7,0.9情況下,假定各個(gè)港口的單位集裝箱裝卸搬運(yùn)費(fèi)用相同,計(jì)算航行一次的集裝箱運(yùn)輸總成本。得出表3、表4和表5的樞紐港數(shù)目不同時(shí)的最小成本。
如前文所述,p表示運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中樞紐港數(shù)量p’,為選擇開放沿海運(yùn)輸權(quán)港口的集合。表3、表4和表5分別為折扣系數(shù)a=0.5,0.7,0.9的情況下,選擇開放沿海運(yùn)輸下不同數(shù)量樞紐港的選擇對應(yīng)的最小化總成本以及進(jìn)出口貿(mào)易產(chǎn)生的支線港和樞紐港之間的最小成本。其中,開放航權(quán)選擇港口優(yōu)先級的數(shù)學(xué)模型中,最小運(yùn)輸成本是由表中的內(nèi)運(yùn)進(jìn)口、樞紐運(yùn)輸進(jìn)口、內(nèi)運(yùn)出口、樞紐運(yùn)輸出口和進(jìn)出口??慨a(chǎn)生的裝卸搬運(yùn)費(fèi)用組成的。表格中ports對應(yīng)的10列為對應(yīng)的樞紐港數(shù)量下運(yùn)輸路徑所??扛劭诘南群箜樞?,數(shù)字1-12代表算例所選港口,分別為長灘(1)、洛杉磯(2)、大連(3)、 煙臺(4)、青島(5)、連云港(6)、上海(7)、寧波(8)、福州(9)、廈門(10)、深圳(11)、廣州(12)。
表3 開放沿海運(yùn)輸權(quán)下α=0.5時(shí)樞紐港位置的選擇及樞紐港數(shù)目不同時(shí)的最小化成本
表4 開放沿海運(yùn)輸權(quán)下α=0.7時(shí)樞紐港位置的選擇及樞紐港數(shù)目不同時(shí)的最小化成本
表5 開放沿海運(yùn)輸權(quán)下α=0.9時(shí)樞紐港位置的選擇及樞紐港數(shù)目不同時(shí)的最小化成本
通過計(jì)算結(jié)果表3、表4、表5可以看出,樞紐之間的轉(zhuǎn)運(yùn)成本折扣系數(shù)a為0.5、0.7和0.9時(shí)。當(dāng)樞紐港個(gè)數(shù)p為1的時(shí)候,開放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口數(shù)p’為0;當(dāng)樞紐港p為2的時(shí)候,開放沿海運(yùn)輸權(quán)的港口數(shù)p’為1。胡志華等[18](2015)認(rèn)為單位流量的收集成本為1,樞紐之間的轉(zhuǎn)運(yùn)成本折扣系數(shù)取0.7。我們選擇a為0.7時(shí)的樞紐港選擇情況,當(dāng)p’=2,3,4,5,6,7,8,9時(shí),對應(yīng)的C均大于p’為1時(shí)的C。由此可知,當(dāng)p’為1時(shí)航行一次的集裝箱運(yùn)輸總成本最小,也即選擇1個(gè)港口開放沿海運(yùn)輸權(quán),選擇上海港時(shí)班輪運(yùn)輸航線總成本最小。
圖4 不同樞紐港選擇的成本對比
擬開放沿海運(yùn)輸權(quán)下,選擇p’為0,1,…,9時(shí),α=0.5……1.0時(shí)對應(yīng)班輪運(yùn)輸航線總成本。從馬士基船公司市場需求的角度考慮,結(jié)合軸輻式網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法,由計(jì)算結(jié)果可知,若我國在未來開放沿海運(yùn)輸權(quán),應(yīng)選擇樞紐港個(gè)數(shù)為1即開放一個(gè)中國沿海港口允許外輪船舶經(jīng)營沿海運(yùn)輸權(quán),應(yīng)優(yōu)先選擇上海港。上海港開放沿海運(yùn)輸權(quán)后,外籍船舶可以在上海港??亢罄^續(xù)駛往下一個(gè)港口,上海港自身有著較大的集裝箱貨運(yùn)量,可以吸引原有從釜山港和香港港轉(zhuǎn)運(yùn)的貨運(yùn)量,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸成本最小化。
如圖5中(a)為開放航權(quán)個(gè)數(shù)p’=0時(shí)即還沒有開放沿海運(yùn)輸權(quán)的情況下,A國籍船舶從A2洛杉磯港口駛往B5上海港,將運(yùn)往其它港口的貨物經(jīng)由上海港轉(zhuǎn)運(yùn)至其它中國沿海港口,不可在B國的其它港口中轉(zhuǎn),須得直接返回A國。沒有開放航權(quán)下,中國大部分中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)集中在香港港和釜山港,并不利于發(fā)揮國內(nèi)沿海業(yè)務(wù)的優(yōu)勢。如圖5中(b)為開放航權(quán)個(gè)數(shù)p’=1時(shí),也即開放沿海運(yùn)輸權(quán)并選擇上海港作為對外開放的港口后,A國籍船舶的航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)示意圖,外籍船舶從A2洛杉磯港口駛往B2青島港,將B1,B3,B4港口的貨物裝卸完成后仍可繼續(xù)前行駛往B5上海港,在B5完成裝卸后再駛回A國家,完成一個(gè)周期的班輪運(yùn)輸。開放航權(quán)后外籍船公司的國內(nèi)業(yè)務(wù)將由香港港和釜山港轉(zhuǎn)移至上海港,促進(jìn)國內(nèi)海運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。圖5為開放沿海運(yùn)輸權(quán)前后的航線網(wǎng)絡(luò)情況對比圖。
圖5 沿海運(yùn)輸權(quán)開放前后的航線網(wǎng)絡(luò)示意圖
研究的主要結(jié)論如下:
①本文根據(jù)馬士基船公司的市場狀況以及中國的對外貿(mào)易需求,結(jié)合軸輻式網(wǎng)絡(luò),以集裝箱運(yùn)輸總成本最小化為目標(biāo)函數(shù),構(gòu)建一個(gè)開放航權(quán)選擇港口優(yōu)先級的整數(shù)規(guī)劃模型,確定中國開放沿海運(yùn)輸權(quán)下港口優(yōu)先級的選擇問題。分析結(jié)果表明:開放沿海運(yùn)輸權(quán),對于開放沿海運(yùn)輸權(quán)的樞紐港優(yōu)先級,樞紐港個(gè)數(shù)選擇則優(yōu)先選擇上海港。開放沿海運(yùn)輸權(quán),對于馬士基船公司而言,可以提高船舶的裝載率。
②沿海運(yùn)輸權(quán)影響中國沿海樞紐港的分配。馬士基船公司屬于外資船公司,馬士基船舶屬于外籍船舶,在未經(jīng)許可的情況下,馬士基船舶在國內(nèi)港口裝上運(yùn)往國外的貨物,不可在國內(nèi)其它港口中轉(zhuǎn),只能直接駛往國外。若開放沿海運(yùn)輸權(quán),馬士基船公司在國內(nèi)的業(yè)務(wù)將會以上海港為樞紐港成為航運(yùn)中心,船舶利用率增加,集裝箱流量也會相應(yīng)發(fā)生改變。
③本文探討中國沿海運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)分配情況,從馬士基船公司的角度選取中國沿海10個(gè)港口進(jìn)行算例分析,由于港口間貿(mào)易運(yùn)輸?shù)挠泻芏嗖淮_定性,故采取無容量約束的軸輻式單分配網(wǎng)絡(luò)模型。如果航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的話,則可能需要建立更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)分配模型,引入相關(guān)算法綜合求解,進(jìn)一步研究樞紐港到支線港間的分配情況。
④本文從馬士基船公司的角度結(jié)合軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型確定中國開放沿海運(yùn)輸權(quán)的優(yōu)先級,根據(jù)航線網(wǎng)絡(luò)示意圖,可從港口間的流量、流向判斷開放沿海運(yùn)輸權(quán)后的航線與傳統(tǒng)航線的不同。因此,確定港口優(yōu)先級后的航線網(wǎng)絡(luò)上流量、流向比傳統(tǒng)航線的優(yōu)劣勢分析是今后進(jìn)一步研究的方向。