基于均衡性設(shè)計(jì)思路下的廣州港“穿梭巴士”的船舶航線優(yōu)化

◎ 王智利 謝蘭蘭 王澤龍 李永清 李丹妮 萬柏玲

1.廣州航海學(xué)院；2.廣州港船務(wù)有限公司

公共駁船（以下按習(xí)慣稱“穿梭巴士”）業(yè)務(wù)是連接樞紐港與喂給港的重要工具，以滿足樞紐港集裝箱集疏運(yùn)的需求為目標(biāo)，在樞紐港與其喂給港之間開展穿梭船業(yè)務(wù)，以此降低運(yùn)輸價(jià)格，提高服務(wù)水平。廣州港已經(jīng)基本確立了以南沙港為中心、具有競爭優(yōu)勢的“穿梭巴士”運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)體系，已開通運(yùn)營72條“穿梭巴士”駁船支線，基本實(shí)現(xiàn)了對珠三角區(qū)域中小碼頭業(yè)務(wù)全覆蓋。本文通過對珠三角區(qū)域航線設(shè)計(jì)與運(yùn)力配置問題的研究，采用基于均衡性的思路對現(xiàn)有的穿梭式航線進(jìn)行混合航線模式設(shè)計(jì)，在對集疏運(yùn)系統(tǒng)的長期優(yōu)化效果來看，能夠提高船舶周轉(zhuǎn)率和集裝箱的運(yùn)輸效率，在一定程度減少船隊(duì)固定成本的支出，有助于支線港達(dá)成更高的準(zhǔn)班率要求、更高效地完成集疏運(yùn)運(yùn)輸任務(wù)。也將有效減少樞紐港船舶擁堵問題，對環(huán)境保護(hù)和成本節(jié)約方面均有重要意義。

1.廣州港“穿梭巴士”船舶航線存在的問題

1.1 集疏運(yùn)的不均衡性

廣州港集疏運(yùn)基本采取的是以南沙港區(qū)為中心，將集裝箱由南沙港運(yùn)向各個(gè)周邊港口的疏運(yùn)過程和從各周邊港口運(yùn)往南沙港的集運(yùn)過程的“點(diǎn)對點(diǎn)”傳統(tǒng)的直達(dá)運(yùn)輸模式。該模式簡單但少有多港掛靠的現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致對航線需求數(shù)量較大。且當(dāng)腹地支線港口群的貨源差異性較大時(shí)，支線港口之間的運(yùn)量波動(dòng)規(guī)律和運(yùn)量水平差異均較大。

1.2 航線空重箱的不均衡性

廣州港“穿梭巴士”各個(gè)支線港口的空箱剩余量較多，調(diào)到樞紐港的空箱集運(yùn)量大于空箱疏運(yùn)量，疏運(yùn)重箱大于集運(yùn)重箱，集運(yùn)方向上的重箱與疏運(yùn)方向上的空箱波動(dòng)趨勢大體同步，但運(yùn)量水平存在一定差距，且無論集運(yùn)還是疏運(yùn)方向，均存在空重箱轉(zhuǎn)化不完全和空重箱運(yùn)輸平衡性不佳問題。

1.3 運(yùn)營成本較高

內(nèi)支線集裝箱運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)量一般較小、進(jìn)出口貨物數(shù)量不平衡，以“點(diǎn)對點(diǎn)”為主的直達(dá)運(yùn)輸模式導(dǎo)致集疏運(yùn)和航線空重箱的不均衡性突出，投入使用的船舶數(shù)量較多且總運(yùn)輸時(shí)間較長，從而導(dǎo)致船舶運(yùn)營成本較高；其次集運(yùn)和疏運(yùn)雙向上運(yùn)輸?shù)南湮焕寐什痪猓速M(fèi)船舶箱位，導(dǎo)致單位貨物的運(yùn)輸成本較高；最后通過點(diǎn)對點(diǎn)的港口間穿梭運(yùn)輸模式構(gòu)成的航線網(wǎng)絡(luò)將會在部分航線上以遠(yuǎn)超航線網(wǎng)絡(luò)平均水平空載率完成運(yùn)輸，較低的載箱率帶來了較高的經(jīng)濟(jì)成本。

2.均衡性設(shè)計(jì)思路

通過對珠江水系自然條件加以分析和利用，基于歷史運(yùn)輸數(shù)據(jù)的分析，對港口的運(yùn)量特征進(jìn)行刻畫，依照港口間的特點(diǎn)進(jìn)行匹配，并對航線班期最小化的集疏運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)中集疏運(yùn)均衡性和空重箱量均衡性之和原則進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，指派合理的船型在經(jīng)港口匹配后生成的各條航線上運(yùn)營使船隊(duì)總體營運(yùn)成本最低，可有效降低船舶空載率，提高船舶利用率，降低運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)航線優(yōu)化。

3.二階段航線優(yōu)化過程

3.1 航線構(gòu)造過程

基于廣州港“穿梭巴士”集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)所在流域的水文地理特征和港口間的連通性，使用K-means思想的聚類方式考慮港口間的連通性及航程距離對支線港口群進(jìn)行聚類劃分，然后基于聚類結(jié)果對各個(gè)聚類中的子港口群按箱量特征進(jìn)行匹配并對均衡性水平逐次進(jìn)行啟發(fā)式算法并計(jì)算驗(yàn)證，將原有的多條南沙到支線港的穿梭航線依照其運(yùn)輸結(jié)構(gòu)與運(yùn)量的特征整合為一條含有多個(gè)掛靠港的環(huán)繞式航線，將子港口群聚類中集疏運(yùn)均衡性特征能夠?qū)崿F(xiàn)適應(yīng)性互補(bǔ)以及兼顧了集疏運(yùn)雙向運(yùn)輸過程中的空重箱均衡水平的支線港口組合到同一航線的掛靠港口群中，從源頭上減少這些航線箱量不平衡性對船隊(duì)帶來的負(fù)面影響。對于不適合匹配的港口，則保留其穿梭航線的模式，最終在整個(gè)集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中依照支線掛靠港的特征優(yōu)化為成點(diǎn)對點(diǎn)直達(dá)穿梭航線與環(huán)繞式航線有機(jī)結(jié)合的混合航線模式。

具體而言，在航線設(shè)計(jì)上基于支線港口的貨運(yùn)特征，考慮集疏運(yùn)的均衡性和航線空重箱的均衡性對航線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對港口群之間合理組合的方式改善支線港口的運(yùn)輸均衡性，從而達(dá)到提高船舶箱位利用率、減少集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸需求的目的，并根據(jù)港口的運(yùn)量特征，因地制宜的選擇保留點(diǎn)對點(diǎn)直達(dá)穿梭航線與環(huán)繞航線的有機(jī)結(jié)合，通過這種混合航線模式的應(yīng)用保證航線模式的適應(yīng)性，如圖1所示。

圖1 混合航線網(wǎng)絡(luò)模式

3.2 系統(tǒng)運(yùn)營成本比較過程

在航線設(shè)計(jì)的結(jié)果預(yù)期中，通過模型組合而成的大部分環(huán)繞式航線均能夠有效降環(huán)繞航線中各支線港以相互獨(dú)立的穿梭式航線完成運(yùn)輸時(shí)的船舶運(yùn)力需求，但由于部分支線港之間航行距離過遠(yuǎn)，組合為環(huán)繞式航線后,對于部分支線港而言相比原有穿梭航線模式增加了運(yùn)輸距離，從而存在對單位運(yùn)輸成本起到負(fù)面效果的可能。因此,本文計(jì)劃對提出的航線改進(jìn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行船舶運(yùn)力優(yōu)化配置，通過對船舶的運(yùn)力配置進(jìn)行更新，將匹配好的港口集合按照箱量和船舶運(yùn)輸能力進(jìn)行匹配規(guī)劃，然后對最優(yōu)成本進(jìn)行計(jì)算，比較在原有穿梭式航線在更新運(yùn)力配置前后的成本、集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中全部采用環(huán)繞航線設(shè)置的模式與混合式航線三種模式下相同運(yùn)力配置規(guī)則之下的系統(tǒng)運(yùn)營成本。

4.模型設(shè)計(jì)

4.1 航線設(shè)計(jì)模型構(gòu)建

目標(biāo)函數(shù)：

目標(biāo)函數(shù)（1）為最小化的集疏運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)中集疏運(yùn)均衡性和空重箱量均衡性之和，為評價(jià)航線設(shè)計(jì)的整體均衡性指標(biāo)?？紤]集疏運(yùn)均衡性的航線設(shè)計(jì)模型中，對于航線設(shè)計(jì)的核心思路為通過對同一聚類內(nèi)的掛靠港依照均衡性組合，其主要過程為選定航線初始港口后，將聚類內(nèi)的其他港口與之匹配組合并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃髮骄€整體的集疏運(yùn)均衡及空重箱均衡記錄檢驗(yàn)，如果更貼近聚類組合的平均水平，則視為正向改進(jìn)，保留新加入的港口進(jìn)入環(huán)繞式航線的掛靠港；如果聚類內(nèi)的所有未分配的支線港均無法通過與當(dāng)前港口組合實(shí)現(xiàn)對均衡性的改進(jìn)，則將當(dāng)前選定的支線港采用穿梭式航線模式進(jìn)行運(yùn)營。

4.2 運(yùn)力配置模型構(gòu)建

運(yùn)力配置模型中主要考慮船舶投入運(yùn)輸服務(wù)的固定成本和在不同船型船舶在各條航線以不同班期運(yùn)營所產(chǎn)生的變動(dòng)成本兩方面成本。

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件（4）保證各條航線的船舶配置能夠完成航線的運(yùn)輸任務(wù)，約束條件（5）對船舶發(fā)班頻次數(shù)進(jìn)行了上限限制，以避免出現(xiàn)按照過高的發(fā)班頻次設(shè)置運(yùn)力后船舶難以實(shí)現(xiàn)正常周轉(zhuǎn)的情況。目標(biāo)函數(shù)（3）在上述兩類約束條件下考慮了如何指派合理的船型在經(jīng)港口匹配后生成的各條航線上運(yùn)營使船隊(duì)總體營運(yùn)成本最低，其中第一項(xiàng)表示指派各型船在各航線運(yùn)營所花費(fèi)的固定成本，第二項(xiàng)表示與航行里程相關(guān)的航行可變成本。

5.數(shù)據(jù)獲取

在對大量駁船航運(yùn)市場調(diào)研和業(yè)主單位調(diào)研的基礎(chǔ)上，主要數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局、克拉克森數(shù)據(jù)庫、廣州港航等相關(guān)航運(yùn)類網(wǎng)站和公眾號發(fā)布的規(guī)范、報(bào)告與數(shù)據(jù)等信息，以及廣州港船務(wù)公司提供的駁船運(yùn)輸需求的具體數(shù)據(jù)和資料。

6.航線優(yōu)化結(jié)果

6.1 整體均衡化效果顯著

以年為單位對環(huán)繞式航線整體所需的運(yùn)力需求和以點(diǎn)對點(diǎn)的穿梭航線模式加和所需的總運(yùn)輸需求相對比，計(jì)算出了環(huán)繞式航線對比穿梭式航線所能節(jié)約的運(yùn)力需求達(dá)38257 TEU的箱量。在疏運(yùn)方向上，實(shí)例計(jì)算采用的數(shù)據(jù)中整體集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中疏運(yùn)方向箱量占比56.2%，采用通過考慮集疏運(yùn)均衡性的航線設(shè)計(jì)算法后在整體集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上節(jié)約了3.65%的箱量需求。

6.2 部分航線均衡化效果顯著

部分重要航線在考慮集疏運(yùn)均衡性的航線設(shè)計(jì)方案在集疏運(yùn)運(yùn)力需求上節(jié)約了15844 TEU的箱量運(yùn)輸需求，而在單條環(huán)繞式航線的構(gòu)造上，相較各個(gè)支線港以獨(dú)立的穿梭航線模式進(jìn)行集疏運(yùn)節(jié)約23.43%的運(yùn)力需求，并且根據(jù)集疏運(yùn)均衡性通過有選擇性的對該聚類內(nèi)的其他支線港進(jìn)行匹配，對整個(gè)聚類的運(yùn)輸節(jié)約了13.16%的運(yùn)力需求?？傊疅o論是節(jié)省的運(yùn)力需求絕對量還是節(jié)省比例上，都能較顯著地反映出在混合航線模式下環(huán)繞式航線模式相對原有穿梭式航線的運(yùn)力節(jié)約效果。

6.3 成本節(jié)約顯著

通過對穿梭航線模式、環(huán)繞航線模式以及混合式航線模式運(yùn)營成本對比，發(fā)現(xiàn)只考慮環(huán)繞航向模式的船隊(duì)運(yùn)營成本最高，其次為穿梭航線模式，成本最低的是混合航線模式，與只考慮穿梭航線模式或者只考慮環(huán)繞航線模式的航線相比，混合航線模式可有效降低成本114.5萬元以及455.1萬元，集疏運(yùn)成本改進(jìn)比例分別為7.16%以及23.48%，說明混合航線模式有效提升規(guī)模效益，降低了集疏運(yùn)系統(tǒng)中船隊(duì)的運(yùn)營成本。

7.結(jié)論

集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上的各支線港以及航線中的集運(yùn)運(yùn)量與疏運(yùn)運(yùn)量失衡以及空重箱失衡是影響集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)上航線設(shè)計(jì)與船舶調(diào)度問題中產(chǎn)生不必要運(yùn)力需求的主要原因。在考慮集疏運(yùn)均衡性和航線空重箱均衡性對航線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因地制宜的選擇保留點(diǎn)對點(diǎn)直達(dá)穿梭航線與環(huán)繞航線的有機(jī)結(jié)合，通過這種混合航線模式有效降低集疏運(yùn)系統(tǒng)中不必要的運(yùn)力浪費(fèi)，達(dá)到提高船舶箱位利用率、降低運(yùn)營成本，減少集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸需求的目的。經(jīng)過運(yùn)力配置模型的模擬計(jì)算也驗(yàn)證了該種航線模式對降低集疏運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)中船隊(duì)運(yùn)營成本的可操作性。

由于混合式航線模式在聚類過程考慮了支線港中的航程距離，因而在航線設(shè)計(jì)過程中有效避免了環(huán)繞式航線的可能由于掛靠港過于分散導(dǎo)致的負(fù)面影響。結(jié)合對航線設(shè)計(jì)結(jié)果中的結(jié)果分析綜合來看，考慮了集疏運(yùn)系統(tǒng)中支線港口群之間的集疏運(yùn)均衡性及空重箱均衡性的航線設(shè)計(jì)模型能夠依照集疏運(yùn)特性有選擇性的應(yīng)用穿梭航線與環(huán)繞式航線模式，二者組合構(gòu)成的混合航線模式有效降低集疏運(yùn)系統(tǒng)中不必要的運(yùn)力浪費(fèi)，并有效提升規(guī)模效益，降低了集疏運(yùn)系統(tǒng)中船隊(duì)的運(yùn)營成本。

混合模式下的航線模式對航次數(shù)有一定的減少作用，這意味著不但對于支線港和支線航線有了載箱率的提高和成本的降低。對于繁忙的南沙樞紐港區(qū)，更高的載箱率所帶來的相對更精簡的船隊(duì)規(guī)模與航次密度也有利于提高樞紐港支線船舶的裝卸作業(yè)效率，減少樞紐港支線船舶的排隊(duì)等待時(shí)間與擁擠程度。此外通過對航次時(shí)間的計(jì)算，環(huán)繞式航線構(gòu)造對原有航線內(nèi)各支線港的平均航次時(shí)間的延長并不明顯，仍有能力滿足干線船舶的硬時(shí)間窗約束。因此，在新的航線開設(shè)后也應(yīng)該動(dòng)態(tài)地或者周期性地根據(jù)航線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)支線港的運(yùn)量水平與運(yùn)量類型分布特征進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃和更新。