航运集装箱空箱调运优化模型的研究

第27卷　第3期2003年6月

武汉理工大学学报(交通科学

与工程版

)

Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy

(T ran spo rtati on Science&Engineering)

V o l.27　N o.3

June2003

航运集装箱空箱调运优化模型的研究

①

周红梅　方　芳

(武汉理工大学交通学院　武汉　430063)

摘要:为有效调配空箱,提高航运公司集装箱的利用率,文中尝试对空箱调运问题进行定量研究.通过对航运公司集装箱调运管理流程的分析,结合运输规划理论和航运经济学理论,借鉴铁路空车调度优化模型的研究,建立集装箱空箱调运优化模型.

关键词:集装箱空箱调运;优化模型;航运公司

中图法分类号:U169

1　建模思路

近年来国际集装箱运输业发展迅猛,集装箱供求矛盾日益突出,空箱调运管理成为急需解决的重要课题.目前,集装箱空箱的调运管理还存在不少问题,国内对空箱调运问题的研究主要以定性研究和经验估计为主,空箱调运量大,集装箱利用率低.由此造成空箱调运成本增加,港口空箱库存水平上升,同时还间接影响到航线集装箱的配箱量、租箱量,并导致集装箱总的运动成本增加.

考虑到航运集装箱的空箱调运与铁路的空车调度有许多相似之处,不妨借鉴铁路空车调度模型的研究成果,对航运集装箱空箱调运进行定量分析,建立空箱调运优化模型.但是,铁路运输和水路运输,尤其是远洋运输毕竟有所不同,必须根据水路集装箱运输自身的特点,建立符合水路集装箱运输规律的空箱调运优化模型.

1.1　铁路空车调配模型[1]

从国内对铁路空车调度管理的研究来看,有的是通过线性规划模型的建立来实现空车调运流向和流量的优化.一般而言,模型假定供求关系是平衡的,并有如下数学描述.

已知空车有m个站点供应,可供给的空车量分别为a1,a2,…,a m;有n个站点是缺车站点,需求量分别为b1,b2,…,b n;从第i个供给站点到第j 个需求点的空车运费为C ij(或者是运距).模型以总的空车调配运费(或者总运距)最小为目标.设

x ij为从空车供应站点i向需求点j运送的空车数量,R为系统总空车调配费用(或者总运距),则可写出数学模型

m in R=m in∑

i

∑

j

C ij x ij

∑n

j=1

x ij=a i (i=1,2,…,m)

∑m

i=1

x ij=b j (j=1,2,…,n)

x ij≥0

式中:∑

m

i=1

a ij=∑

n

j=1

b ij

这种线性规划的优化模型具有某些优点,如

模型简单、思路清晰,容易在计算机上实现求解,

能够在一定程度上解决实际问题等.

1.2　航运集装箱空箱调运与铁路空车调配的联

系与区别[1]

铁路空车调配与航运集装箱空箱调运具有某

些相似性.首先,作为运输方式的一种,铁路空车

和水路集装箱空箱的运输费用均由两部分构成:

场站费用和途中运输费用.其中场站费用与运输

距离无关,而途中运输费用与运距成正比.在铁路

空车的直达调配中,各场站费率一致或差别不大,

因此铁路空车调配费用的变化与场站的相关性不

大,主要与运距相关,是以总运费或总运距最小为

模型的优化目标.在空箱的调运中,港口费率较

①收稿日期:20021203

周红梅:女,28岁,博士生,讲师,主要研究领域为交通运输管理

高,但空箱重量较小,而且运距很长,因此空箱的港口装卸费用可以忽略不记,目标函数为空箱总调运运费最低或总调运距离最小.

其次,空箱调运问题与铁路空车调配问题存在一样的数量约束,场站空车或空箱的调出量要满足场站空车或空箱现存量的约束,场站空车或空箱调入量要满足对应站点缺车量或缺箱量的约束.

但是,航运集装箱的空箱调运与铁路空车调配的区别也很多,主要表现在

1)组织形式不同　组织航线进行集装箱运输的是具有独立法人资格的各航运公司,组织铁路运输路线进行运输是隶属于政府部门的铁道部和各地方铁路局.前者是独立的经济实体,而后者属于政府机构.因此,前者只能调配本公司内部或有契约关系的合作单位的空箱,而后者可以调配辖区内的所有空车.

2)场站费率不同　前者由于涉及不同地区、不同国家的港口,港口收费率差别很大,当空箱的供应充足时,可以不予考虑.但是,当空箱的供应不足,必须放弃一部分集装箱货时,航线经营人必须考虑港口费率的高低来选择弃货方案.而后者的运输很少涉及跨境问题,各站点装卸费率基本相同,空车调运费用的高低与站点装卸费率基本无关.

3)时间约束不同　前者由于航线长,受气候等条件影响大,抵达目的港的时间偏差大,可能有几天之多;后者调运距离相对较短,受气候条件影响小,抵达需车站点的时间偏差小.因此,对水路集装箱的空箱调运,除了数量约束外,还必须考虑时间约束问题,即必须在船舶离港前保证空箱运送到该缺箱港.

1.3　航运集装箱空箱调运的建模思路

铁路空车调配模型仅考虑供需平衡情况下的调配问题,没有考虑供给不足时空车的调配,但这在航运公司是经常碰到的,因此,航运公司空箱调运模型的建立分以下两种情形.

1)各港口空箱总量能够满足用箱需求,此时模型可以空箱调运费用最小或空箱调运里程最少为目标;

2)各港口空箱现存总量不能满足用箱需求,此时当然也能以空箱调运费用最小为目标建立优化模型,但是,也可能因此造成这种局面:在空箱调运费用降低的同时,损失的弃货收入也很高.为了在低空箱调运费用与可能失去的高运输收入之间取得平衡,模型引入了集装箱货的贡献值的概念,即将集装箱的运费收入减去可变成本后的余额,简言之,就是集装箱对航运公司的固定成本的贡献.贡献值的方法可以正确反映集装箱运输中收入和成本的关系,能够准确核算每票集装箱货物给航运公司带来的实际收益[2].

模型中约束条件的制定,依据集装箱运输流程中各状态下的集装箱数量关系的约束.实际上,除传统的数量约束关系外,模型中还有时间关系的约束,即空箱到港时间应早于该缺箱港口的重箱出口时间.

2　模型的建立

2.1　模型假设

1)模型假定航运公司航运区域共有m个供箱港,对应港口现存箱量大于港口出口重箱,可调出的空箱分别为a1,a2,…,a m;有n个缺箱港,对应港口现存箱量小于港口出口重箱,需要进口空箱,其缺箱量分别为b1,b2,…,b n.

2)各航线的集装箱运输不允许不同箱型相互替换.

3)空箱运价实行统一费率.

2.2　航运公司空箱调运制度的假设[3]

空箱调运优化模型的运用是以航运公司各港口需求预测为基础的,因此还需确定航运公司的空箱调运制度.这包括每月每多少天一次的空箱调运计划安排,每次对多少天后的货单进行揽货预算,每次港口空箱现有量的确定等.假定航运公司的发航间隔为T d(如7d,15d等),模型默认对T d后的重箱预出口量进行揽货预算,即对航运公司一个航次的重箱预出口量进行预算,以预测各港口的用箱需求.每月每T d安排空箱调运计划(视航运公司航线分布区域的大小、航线的长短可定义T为7d或15d等).按当次调运计划对应时间确定各港口的空箱现有量.

2.3　空箱调运优化模型1的建立[1,4]

模型1对应各港口现存空箱总量能够满足各港口用箱总需求的情形.即各港口空箱总量大于或等于各港口需箱总量.

优化模型以空箱调运费用最小为目标.空箱调运费用由空箱自身成本,空箱水上运输费用,空箱内陆运输费用三部分组成.空箱自身成本和空箱内陆运输费用只占港口间空箱总调运费用的很小比例,为简化模型起见,可以忽略.因此,模型的

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　第3期周红梅等:航运集装箱空箱调运优化模型的研究