江海联运网络优化——以宁波舟山港为例

陈 旭，张向阳，孙之翼，陆丽丽

（宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315211）

0 引言

江海联运作为一种特殊的多式联运模式，将海洋运输和内河运输进行有机结合。内河航运为海运提供广阔的腹地和充足的货源，海运为内河航运对接国际市场提供运输通道，延伸和拓展内河航运。江海联运的大力发展对于加强内河与海洋之间的沟通与联系，促进两个物流运输系统的整合和协作，以及进一步加强沿海地区与沿江地区之间的经济联系有着重要意义。因此，有必要对江海联运进行深入研究。

江海联运最初仅指江海直达这一类型，朱丽丽以武钢集团铁矿石运输模式为例，建议加大采用江海直达运输模式的数量。而后，广义的江海联运又包含了江海中转这一类型，这也是目前最主流的江海联运运输方式。岳驰对舟山-武汉散货运输进行研究，将江海直达与江海中转进行对比，得出江海直达具有节省时间、绿色环保和部分货种经济性明显等优势；Charles则建立了基于吨位因素的江海直达和江海中转成本模型，以确定罗纳-索恩走廊不同港口间这两种江海联运模式的竞争力。肖月利用经济指标对其他港口至舟山金塘港的江海直达和江海中转进行计算与分析，比较两种运输类型的优劣，但为了简化计算，仅将必要运费率作为金塘港江海联运发展考虑的唯一指标。随着江海联运的进一步发展，又出现了江海直驳这一新技术概念。江海直驳介于江海中转与江海直达之间，利用江海驳船实现江海之间的直达运输，一般采用载驳子母船和顶推分节驳组。Konings，等构建了基于运输效率和可用运输量的模型，以确定江海直驳系统中最有效的运输服务。王盛洋认为江海直驳较江海中转而言，降低了货物的二次装卸和堆存情况，能够降低货物的运输成本，提出应大力发展江海直驳的建议。总体而言，现有文献至多针对一种或两种不同的运输类型进行研究，未将江海直达、江海中转和江海直驳综合考虑进行决策。

在对江海联运基本类型和效用选择研究与分析的基础上，更多的学者转向了江海联运网络优化的研究，其中绝大多数研究采取成本最优策略进行建模。温旭丽，等结合龙潭港货物运输实际，考虑网络规模、成本、时间及运力限制因素，以最低成本为目标建立模型。游甜以舟山江海联运为基础，引入虚拟港口的概念，考虑船型、港口、需求和航道因素建立最低运输成本下的优化模型。张懿慧以珠江水系为研究对象，从货运需求、港口费用、船队运力供给等方面做出了定性的敏感性分析；谢昳辰，等从浙江江海河联运经济效益入手，结合载货量、公路短驳距离、货物价值等因素构建了运输成本模型。但江海联运网络高度耦合，且具有复杂特性和不确定性，通过单一成本模型进行研究并不全面，于是多目标建模成为新的研究方向。例如，张文瀛提出了一种在不确定性理论框架下的内河轴辐式多式联运网络双目标优化决策模型，即总成本最小化和承诺交货时间最小化。

综上所述，当前的江海联运网络优化模型对于不同运输类型成本的考虑仍不够全面，且优化目标较为单一，难以客观评价某地能否发展江海联运。因此，本文针对当前研究存在的不足，首先细化不同的运输成本构成并构建不同的成本模型，其次从微观层面和宏观层面分别构建江海联运运作模式的优化模型和江海联运航线网络优化解析模型，最后以宁波舟山港为例进行模拟仿真，最终得到宁波舟山港江海联运网络优化表。

1 江海联运网络优化模型

1.1 建模内容

模型主要包含三个方面：

（1）江海联运的运输成本构成。建立江海直达、江海直驳和江海中转三种江海联运模式的成本模型。江海联运成本由港口的装卸搬运成本、经营管理成本和船货在港成本三部分构成，针对不同的江海联运模式细化其成本构成。

（2）评价并选择某特定港口江海联运的运输路线。从某地区货主的角度，对某特定港口提供的江海联运服务进行综合评价，并与该港口竞争对手的综合评价结果作比较，确定该特定港口能否提供给此货主江海联运服务。由于不同地区货主的江海联运需求不同，评价目标的权重也不同，提供服务的港口也不同，所以一次只针对一个地区的货主进行评价，不能把所有地区的货主看成一个整体。

（3）优化某港口江海联运的网络。把某港口涉及的所有可行的江海联运运输路线放在一起，形成其江海联运网络。港口江海联运网络是由一条条具体的江海联运线路构成的，每一条线路都连接着启运地港口、目的地港口以及中转港口。对每一个连接启运港和目的港的运输需求分析所有可行线路，得到哪些是某特定港口可被选中的线路，集成到其江海联运网络中。

1.2 模型约束

为了更好地在模型中实现优化目标以及满足求解要求，对建模前的约束条件进行说明如下：

（1）船舶、航道、货物之间的匹配约束。匹配约束属于技术约束，货物、航道和船舶相互制约。货主托运的货物类型不同，导致选择的船型不同、船舶的载重利用率也不同，同时航道的水深特点、桥梁净高限制也约束着船舶类型及其载重利用率。长江主航道除了航道深度限制船舶类型和载重利用率外，航道水位波动情况也对船舶有要求。

（2）转运、直达和直驳对江海联运的模式约束。模式限制了江海联运的成本达到最优，可用的江海联运模式越少，则越难以实现最优的江海联运成本。实际上，港口在提供江海联运服务时，不局限于只提供一种模式的江海联运，以三种模式为基础，可以设计出基于三种模式的具体模式，由此导致其具体成本、时间、安全和稳定性均不同。

（3）货运需求和供给形成的市场结构约束。不同的市场环境，货运需求和供给具有不同的分布特征，如货物类型、供应地点和需求地点的特征不同，同时也产生相应的运输供给，运输产品受到特定市场的约束，制约了能否选择经过某港完成江海联运。

1.3 模型构建

本文共构建三个模型，一是建立不同江海联运模式的成本模型，二是计算和比较各竞争对手的费用、时间、安全和稳定的综合效用选择模型，三是网络优化模型。

1.3.1 成本模型

（1）江海联运成本基本结构

式（1）表示某类货物M在既定OD（Original-Destination）下的总成本（元/km），其中各参数如下：

，：江段、海段航运变动成本（元）；

，：江段、海段航运投资的资金成本（元）；

，：江段、海段航运投资的资金机会成本的规范性系数；

，：江段、海段航运船舶载重能力（）；

，：江段、海段航运船舶载重能力的吨利用率（）；

，：江段、海段航运的距离(km)；

：在中转港口的换船成本(元/km)，江海直达和江海直驳下为0。

式（1）为江海联运总成本的基本表达，由江段航运总成本、海段航运成本以及中转港口转运成本三部分构成，前两部分则各自由相应的变动成本和资金成本构成。为简化分析，这里假设=P=P，以下就此进一步展开分析。

（2）建模过程。吨船载重能力利用率取决于所载货物类型以及所在航道的吃水限制，因此假设航道条件下船舶载重能最大利用其吃水限制是合理的。对于货物类型，港口装卸作业效率也能设定一个范围。因此，考虑江段、海段运输距离在内的航运距离、船舶载重吨利用率以及港口装卸作业效率能共同确定每种联运方式最具竞争优势的航运距离范围。

构成总成本/吨公里(元/t·km)的分子表示总成本，由航行成本(元)、运营成本C(元)以及港口作业成本(元)构成。相应地，江段、海段每日航运变动成本C(元/d)、(元/d)可以分别由江段、海段每日航行变动成本C(元/d)、(元/d),江段、海段每日运营成本(元/d)、(元/d)，江段、海段每日港口作业成本(元/d)、(元/d)构成。航行成本和港口作业成本容易理解，而经营成本较复杂，它包括了过闸、压舱和可能的航行中的运营活动，可以简化为包括船舶加油及不可期的等待泊位、推驳、驳船成本等。

①港口作业成本

其中，,U分别表示江段、海段装卸效率（/d），简化后：

②运营成本

其中，T,T分别表示江段、海段运营时间（d），简化后：

③船舶航行成本

其中，,v分别表示江段、海段航行速度（km/d），简化后：

④江海直达成本

⑤江海直驳成本

这里增加一个推船转换时间变量，增加了推船转换成本：

其中，表示更换推船的变动成本（元/d），表示变换推轮机会成本的规范性系数，表示变换推船的资金成本（元/d），表示推驳系统的载重能力（t）。简化公式（9），可得：

⑥江海中转成本

式（1）中的表示如下：

其中，表示中转港口的变动成本（元/d），表示中转港口的资金成本（元/d），表示中转港口机会成本的规范性系数；表示中转港口的作业效率（/d）；()表示江段与海段间货物转换数量（t）；表示中转港货物转换系数。根据式（1），单位吨公里总成本可以表示如下：

1.3.2 效用选择模型

（2）约束条件

（3）变量含义

同理：

1.3.3 网络优化模型

（1）模型目标

其中()表示连接启运港和目的港的江海联运路线，并只经过港口或经过港口和另一港口的江海联运路线的集合。是港口集合。

（2）约束条件

约束条件表示经过港口的江海联运综合运输效用最大值要大于等于不经过港口的情况。

1.4 成本模型仿真

在江海联运成本模型的基础上，模拟江海联运应用的现实条件和运作方案，解析江海联运基础仿真模型框架，对仿真流程、模块、参数、应用等方面进行分析。江海联运基础仿真流程图如图1所示。

图1 江海联运基础仿真流程图

仿真流程开始于采购销售订单或运输需求，以获得相关输入数据。获得订单数据以匹配基础数据库里的数据，获得关于货物类型、航道特点以及船舶船型的相关数据以配对江海联运模式库里的模式，从而获得不同模式下相关成本的数据，由优化模型计算各联运模式下的总成本，然后结合运输可靠性、货运安全性评估经验数据给出各方案的可行性，如果方案不可行，要返回重新匹配模式，若可行则选择实施最优方案，将实施方案的结果反馈给基础数据库，对方案结果进行评价，并对数据库参数进一步修正。

根据仿真流程图的关键环节，有三个基本仿真模块：配对模块、优化模块和反馈模块。

（2）优化模块：在匹配模块完成以后，所输出的江海联运模式集合中的每一种模式也是相关成本的要素集合，根据前面的优化模型算法，可以给出各种模式下的成本结果，这个优化过程也是一个约束求解的过程，满足匹配关系，即满足技术要求和市场要求下的各具体模式或方案的成本，称之为成本优化。这里以江海转运成本C、江海直达成本和江海直驳成本来代表各输出成本。接着，对每个可选的成本方案进行综合评价，即对江海联运的可靠性、安全性两方面进行评价，可以采用专家系统等方式完成，重点是成本、可靠性和安全性的综合评价，找到帕累托前沿或帕累托最优方案。

（3）反馈模块：一个好的仿真系统是对现实的不断重现过程，仿真结果与现实的差异程度反映了仿真系统的优劣，系统应该有一个自适应的过程，在实现仿真的过程中不断调整，它所依赖的就是系统的反馈。此外，即使方案可行的情况下，也要把实施情况与期望情况进行对比，把存在的问题反馈回去。系统运行是一个闭环过程，系统也是一个开放系统，除了内部调整参数、模型之外，还要根据外部动态环境及时调整参数，如新的江海直达船的出现，很可能改写匹配模块和优化模块。

（4）参数选择。江海联运参数涉及到运输需求、供给、技术、运营、成本、风险等多个类型，每一类型还需要细分，且不同联运模式的参数不尽相同。因此基础型仿真模型只做粗略介绍。另外，成本的相关数据有起讫点的装卸货作业成本，采用包干费更能体现实际成本的大小，模型虽然简化处理了相关成本，但实际仿真中应真实再现各类成本，如停泊等待成本、装卸不了的仓储成本、资金成本等。当然，根据是否中转则涉及中转转换成本。江段和海段航行成本可以用单位变动成本和固定投资的资金时间成本来核算。成本计算的原则是既要清晰又要适当简化，反映一般规律。

（5）方案建议。其主要涉及方案的综合评价问题，参与者的偏好往往会影响方案的评价与选择。因此，相互矛盾的目标之间在一个帕累托前沿的边界点就是所有备选方案，建议多采用不同的评价方法进行综合判断。

（6）决策支持。虽然仿真技术比解析技术更能全面地反映系统的事实状态和变化趋势，但仍不能穷尽所有可能的情况，因此仿真并不能完全保证其建议是准确的，它只能作为一个辅助支持决策系统。

（7）敏感性分析。如前所述，仿真系统不能脱离参与者的调整，脱离不了系统外在环境，作为一个开放性系统，系统的鲁棒性更能反映其性能。因此，针对不同参数的变动观察系统的结果变化范围是必须的。此外，进行敏感性分析时还应注意多参数联动，不能假定参数之间是相互独立的。

1.5 效用模型决策

成本构建模型用于计算各江海直达、江海中转和江海直驳的费用，将某方案的参数带入到模型中可得到其费用；效用选择模型是计算和比较目标函数中所有方案的费用、时间、安全和稳定效用值，选择最大效用值，并选择该效用值对应的方案。其中每个方案的效用值由该方案评价目标的权重系数和取得的目标值线性关系计算得到；网络优化模型的目标是列出所有可行的某特定港口的江海联运路线。这些可行的江海联运路线是此港口与其它竞争对手相比较具有优势或者综合运输效用最大的运输路线。包括以下步骤：

（1）评估获得运费、时间、安全和稳定参数值，形成目标值决策矩阵。为了得到最大效用，把启运港到目的港的所有可行的运输路线和运输方式枚举出来，分别计算每条线路和运输方式的参数值，把一条线路及运输方式称为一个方案，分别计算各方案的效用，然后在所有方案中选择具有最大效用值的方案。所有可行的线路都需不经过两次以上的中转或直驳。因此，用枚举法就可将除两港以外的所有剩余港口都看作可以中转或直驳的港口，总共有||2个港口可选，若中间只停留一次，则最多有2个方案，若有两次中间停留，则最多有( )1个方案，因此，总共最多需要比较的方案数有1个，而其中某特定港口最多参与的方案为2个，因此模型就是在最多不超过2个方案中的最大效用值与最多不超过1个方案中选择最大效用值的方案，从整个算法来看，枚举法是很快能得到解的。

参数值如费用和时间用成本模型计算得到，有些参数值如安全性和稳定性，需要专家估计得到，用得到的四个评价目标值构建决策矩阵。

表1 专家权重评分表

比较大的专家打

（4）计算各方案的目标值或效用值。决策矩阵向量化后，以矩阵每一行与其相应的权系数构成的权向量做点积，计算得到的加权平均值就是该方案的效用值。

（5）方案的选择。根据所得到的效用值向量，取效用值最大的为最佳方案，也可取前几个排在最前的方案作为最佳备选方案与之做比较。若某特定港口江海联运效用值最大，则其为最佳备选方案。

2 模型应用实例

宁波舟山港处于“丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的交汇点，是连接我国南北沿海交通与中西部地区的重要交通枢纽，发展江海联运具有巨大潜力。以下将以宁波舟山港为例，对模型进行应用。

2.1 参数引入

（1）运输成本参数。对于某类货物，输入以下参数变量：

①船舶载重能力，；船舶载重能力吨船利用率，(=P=P)；江段、海段距离，；

②江段、海段航速，；江段、海段每日航行成本,C；

③江段、海段港口装卸速度U,U；江段、海段每日港口装卸成本,C；

④江段、海段运营天数,t；江段、海段每日经营成本,C；

⑤江段、海段每日投资成本,K；江段、海段投资机会成本规范化系数E,E；

⑥江海直驳船装载量；驳船换船天数；驳船换船每日成本；直驳系统转换资金投入成本；直驳转换投资机会成本规范化系数；

⑦以前五组参数可以用于计算江海直达每吨公里总成本。

前六组参数可以用于计算江海直驳每吨公里总成本；除第六组外，其余参数可以用于计算江海中转时每吨公里总成本。

江海中转货物转换数量()；中转港货物转换系数；中转港口作业效率；中转港口每日变动成本；中转港口资金每日成本；中转港口机会成本的规范性系数。

模型参数见表2。

表2 江海联运模型参数表

通过表2参数可以比较某类货物在三种江海联运方式下的吨公里成本。

（2）综合效用的参数变量。四个目标权重参数变量()分别表示费用权、时间权、安全权和稳定权参数变量，参数值由专家打分给出。

（3）江海联运网络的港口参数。港口网络由江港和海港构成，所形成的OD距离见表3。另外，沿海港口、沿江港口之间的距离见表4和表5。

表3 海港-江港距离表 单位：海里

表4 海港间距离表 单位：海里

表5 江港间距离表 单位：海里

2.2 计算过程

假设一批杂货从厦门港运到武汉港，采用方案1，在宁波舟山港一程船中转后用江海直达船到达武汉，输入参数后得到江海联运费大约为0.45元/t·km，运输时间为32h，安全和稳定值分别为3和2。此外，还设计了3种江海联运方案，见表6。

表6 厦门到武汉航线方案

每个方案都用模型1得到江海联运费用和时间，并根据主观估计得到安全和稳定值，然后用所有方案得到的目标值构建决策矩阵，见表7。

表7 厦门到武汉目标值矩阵

请当地专家对不同方案的目标给定权重值，此案例中各专家给各个方案的目标值权重是一样的，即用一个权重最后评价各方案的效用，得到的权重分数和权重值见表8，将表7进行规范化后计算各方案效用值，结果见表9。

表8 厦门到武汉目标权重

表9 厦门到武汉各方案的效用值

根据计算结果选择效用值最大的第一个方案。仿真运行模型1 000次，计算结果为：厦门经宁波舟山港中转再直达武汉。

2.3 优化结果

将港口网络中的每一条线路，仿照厦门至武汉的计算过程进行反复迭代，得出每条线路的优化结果，并找到所有宁波舟山港能被选中完成江海联运服务的启运港和目的港，形成联运网络，见表10。表中行和列表示启运地或目的地，文字表示可行路线。网络由三部分构成：

表10 宁波舟山港江海联运优化网络表

（1）所有宁波舟山港为起运地或到达地时，江海联运都经过宁波舟山港。另一端点为宁波舟山港与芜湖间任一港口时直达，为铜陵与沙市间任一港口时经南京中转，为枝城与重庆间任一港口时由武汉中转。

（2）从福州、厦门两港到池州与汉口间任一港口时经宁波舟山港中转，到宜昌与重庆间任一港口时经宁波舟山港和武汉两次中转。反向线路也成立。

（3）温州、汕头、黄埔、湛江、海口、八所、北海和防城港到马鞍山与汉口间任一港口时均经过宁波舟山港，到宜昌与重庆间任一港口时先经宁波舟山港后经武汉中转。反向线路也成立。

3 结语

本文综合考虑航道、港口、船舶等江海联运的关键要素，围绕江海直达、江海中转和江海直驳的不同成本构成分别建立模型，并进一步构建出效用选择模型和网络优化模型，而后解析模型框架，对仿真流程、模块、参数、应用等方面予以分析，最后以宁波舟山港为例进行模型应用，获得了经过宁波舟山港的所有可行的江海联运线路。所构建的模型能为各港口发展江海联运业务提供有力支持，不但可用于辅助决策，判断港口能否满足特定的江海联运需求；而且可提供动态支持，获得港口可能的江海联运市场范围。

本文对三种江海联运模式的成本以及方案效用的选择进行了较为全面的研究，但关于江海联运的网络优化问题，未来还可综合考虑联运货物品类、碳排放等不确定因素，进行进一步探究。