考虑空箱调拨的班轮运输网络设计翻译解读Word格式.docx

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因此，集装箱班轮公司在核心港口之间配置大型的船舶以获得规模经济效益。

船舶大小的变化和运输需求的增加也导致船舶配置策略从多港挂靠模式向轴辐式-多港挂靠混合模式转变，尤其对于像马士基这样的全球班轮运输公司而言更是如此。

轴辐式-多港挂靠混合模式与传统应用于航空和电信网络的轴辐式运营有一些共同之处，大船被配置到主要航线上挂靠核心港口，小船被配置到支线上挂靠喂给港，这些喂给港的箱量通常不能满足直接挂靠的需要，一些集装箱需要被转运到核心港口。

然而，轴辐式-多港挂靠混合模式在班轮运输中有两个独特的性质：

（a）集装箱转运成本和装卸时间不能够被忽略，因为它们分别构成了运营成本和往返时间的主要部分；

（b）在包括喂给港在内的任何两个港口之间都可以进行集装箱的直接运输。

这两个独特的性质使得轴辐式-多港挂靠混合模式显著地区别于传统轴辐式运营，这种传统的轴辐式运营是基于现有关于传统的轴辐式网络设计的研究，这些研究不考虑在核心港的转运成本，并且所有在两个分支节点之间的转运必须被转移到相应的核心港。

除了从托运人那里运输重箱外，班轮运输公司还要运输由于进出口贸易不均衡引起的空箱。

以跨太平洋贸易为例：

2007年从亚洲到北美的集装箱量大概是1540万TEU，而回程却只有490万TEU。

这种货流不均衡导致空箱在进口主导的区域（北美）增加，而在出口主导的区域（亚洲）短缺。

因此，需要将这些空箱从北美调运到亚洲。

对于一个特定的集装箱班轮运输公司而言，它在两个港口之间的重箱量经过3-6个月的一段时期会发生变化。

例如，从亚洲到欧洲的重箱量通常在第四个季度由于圣诞节而大幅度增加。

因此，每3-6个月集装箱班轮运输公司不得不调整其班轮运输网络，根据下一个3-6月时期集装箱运输需求量预测重新部署船舶。

这个调整的目的是决定在众多的备选航线选择哪些航线运营，选择什么类型的船舶，在每一个选定的班轮运输航线上配置多少艘船舶，在轴辐式-多港挂靠混合模式下以总运营成本最小为目标运输重箱。

这是一个为期3-6个月的决策问题，这个问题就是在轴辐式-多港挂靠混合模式下考虑空箱调拨的班轮运输网络设计问题。

本研究的目的就是针对该问题开发一个合适的数学模型，该数学模型能够有效地被各种广泛使用的优化解决方法比如CPLEX解决。

1.1文献综述

现在关于船舶运输网络设计问题的研究主要有两种：

不定期船舶运输网络设计和班轮运输网络设计。

不定期船运输网络设计解决船舶路径和船队配置问题，运输诸如煤炭和铁矿石之类的散货，并且不考虑轴辐式运输经营。

这是因为在不定期船运输汇总，起始港和终止港之间的货运量很大，因此没有必要在核心港口进行货物整合。

现有关于班轮运输网络设计的问题被分成两类：

考虑轴辐式运营和不考虑轴辐式运营，接下来将逐一说明。

对于传统轴辐式运营的班轮运输网络设计问题，Fagerholt在一项开创性研究中调查了一个支线航运服务设计问题，该问题针对一个具体的轴辐式运输网络，考虑一个核心港和多个喂给港的情况。

他提出了一个设置分区的模型，该模型枚举了所有可能的运输线路并尽可能的把单一运输线路联合成多运输线路，该模型假设所有的船舶都有相同的航行速度。

Fagerholt后来扩展了设置分区的模型，用它来解决一个多样化船队问题，针对每一种类型的船舶在给定成本结构、容量和航速的情况下进行研究。

Sambracos等人进行了一项有关在航运支线爱琴海上调运集装箱的研究，该研究是从一个端港（比雷埃夫斯）到其他12个港口。

他们假设一个均匀的船队以最小的运营成本包括燃油消耗和港口费用来满足集装箱运输需求。

这个问题后来被Karlaftis等人推广，考虑集装箱的提取和交付操作，同时还有时间期限的限制，他们把这个扩展问题归为考虑集装箱提取、交付和时间窗的车辆路径问题。

以上四篇文章中所提到的支线网路设计问题具有明显的特征，能够显著地区分支线服务网络和总体班轮运输服务网络。

最重要的区别就是班轮运输公司在只有一个核心港口的支线服务网络上采取传统的轴辐式运营。

这个核心港口可以被视为传统车辆路径问题的仓库。

因此，在这些支线运输网络中不存在转运。

对于没有轴辐射式操作的班轮运输网络设计问题，Rana和Vickson贡献了一种开创性的方法，他们针对一个单一航线设计问题建立了一个混合整数线性规划模型。

他们使用拉格朗日松弛法求解他们的混合整数线性规划模型。

在这两种模型中，船舶的挂靠港口顺序是预先设定的，并且不允许货物的转运操作。

Shintani等人放松了挂靠港口有优先的假定，并且考虑空箱调拨来设计单一运输路线。

他们使用遗传算法来解决他们提出的问题。

不过，转运仍被排除在外。

为了涵盖货物转运，Agarwal和Ergu针对班轮运输网络设计问题，提出了一个多种商品为基础的时空网络模型。

这个模型覆盖了多样化船队，周班和货物转运操作。

为了简化时空网络和算法设计，在港口的转运成本在网络设计阶段并没有考虑，并且不管装卸多少集装箱都认为船舶在港口的滞留时间为常量。

有一些关于传统轴辐式运营和多港挂靠模式运营下的成本效益对比的文献。

Hsu和Hsieh提出了一个两目标优化模型，通过分别使得运输成本和库存成本最小来决定是通过到核心港转运还是直接到卸货港。

他们的模型也涵盖了对一个给定运输服务网络的船舶配置，船舶配置包括决定船舶大小和不同类型船舶的组合还有服务频率。

Imai等人通过博弈论模型研究百万集装箱船舶的经济可行性。

基于这个模型，Imai等人在考虑空箱调度的前提下，比较了传统轴辐式运输网络和多港挂靠式运输网络拓扑结构的效率。

这些调查研究中的网络要么是单纯的轴辐式，要么是单纯的多港挂靠式，而不是轴辐式-多港挂靠混合模式。

近年来，空箱调度问题受到了广泛的关注。

这些关于空箱调拨的研究停留在运营层面，因此需要为集装箱设置更高的优先级，这是由于一般都用船舶的剩余舱位来运输空箱。

在班轮运输网络设计问题的战略层考虑，重箱和空箱的运输都应该考虑。

否则，若只考虑重箱的话，那么就不能以一种有效节约成本的方式调度空箱。

Imai等人的一项假设研究表明，在某些情况下，在不考虑空箱调拨的情况下，传统的轴辐式运营是一个最优的解决方案，然而当考虑到空箱问题的时候，多港挂靠模式操作起着主导作用。

这就表明空箱调拨对于班轮运输网络设计具有重要的影响。

为了确保班轮运输网络设计的整体最优，当进行集装箱班轮运输网络设计的时候，重箱和空箱都应该考虑。

1.2目的与贡献

根据以上的文献回顾，可以得出结论，那就是现有的关于班轮运输网络设计的文献并没有考虑轴辐式-多港挂靠混合模式，虽然这种模式已经被班轮集装箱运输业采用。

在进行集装箱班轮运输网络设计的时候，空箱调拨作为另一个具有重要实际意义的约束很少受到关注。

也就是说，本文所提出的考虑空箱调拨的轴辐式-多港挂靠混合模式的班轮运输网络设计问题是一个新的研究问题，该问题在实践中已经存在。

为了应对考虑空箱调度的轴辐式-多港挂靠混合模式所引起的建模困难，本文首先根据航程中的港口挂靠次序为每一个港口编码。

这样的一个编码方案使得我们引入一个叫做“段”的新概念，所谓“段”就是一对有序的港口，如果两个港口至少在一条航线上。

重箱转运过程可以用“基于分段”的集装箱流很好地表征。

与重箱相反，在港口剩余空箱没有固定的目的地。

因此，空箱是在每一个航段上检查。

根据重箱的段流和空箱的航段流，本文针对班轮运输服务网络设计问题开发了一个混合整数线性规划模型。

这个模型能够有效地被广泛使用的优化软件比如CEPLE求解。

本文对于理论研究的贡献可以被概括为三个方面。

首先也是最重要的一方面，本文是在考虑轴辐式-多港挂靠混合模式，空箱调拨，定期航运服务频率，集装箱装卸时间和转运成本等班轮运输服务网络设计问题实际运营中所面对的一系列问题的基础上进行研究的。

分段概念的引进使得我们能够开发一个混合整数线性规划模型，并且该模型能够被CPLEX有效地求解。

第二，本文的贡献还在于通过集成轴辐式-多港挂靠混合模式来比较单纯轴辐式网络和多港挂靠式网络的成本效益。

结合单纯轴辐式和单纯多港挂靠式网络，混合模式有最低的运营成本。

第三，与以往把空箱调度问题作为操作层进行处理不同，本文把空箱调度问题上升为战术层问题。

数值结果表明在网络设计阶段考虑空箱调拨问题能够大幅度降低成本。

本文的其余部分组织如下。

除了介绍必要的符号和假设，第二部分还分析了集装箱班轮运输的业务特点。

第三部分对于研究的问题构建了一个混合整数线性规划模型。

第四部分在全球班轮运输公司在亚-欧-大洋洲班轮运输服务基础上进行了数值试验，检测了模型的结果和实际意义。

第五部分得出结论以及将来的研究方向。

2参数、假设和模型

在阐述了在实际的班轮运输业务之前，为了方便阅读本研究的主要假设是列在附录A。

让我们考虑一个供定期航运服务的班轮公司挂靠的港口集合，用P表示。

这些港口被分为两个相互排斥的子集：

其中核心港用PH表示和喂给港用PF表示，即有：

，；

我们假设每个喂给港是都由且仅由一个核心港来服务，集装箱能够从喂给港p转运到它的核心港。

如果它的目的港也是一个喂给港，那么可以到它的目的港的核心港再转运。

进一步假设，从一个核心港到另一个核心港的集装箱运输通过一条运输航线无需转运。

例如，亚洲–欧洲–大洋洲运输网络服务是由一个全球性的班轮船舶公司提供的，如图1所示，由6个核心港和40个喂给港组成。

核心港为上海，香港，新加坡，斯里兰卡，塞拉莱和南安普顿。

每一个核心港服务于单个区域内的喂给港，图1中各矩形中的内容说明了这一点。

假定有一组连接港口集合P中港口的预定的备选航线，表示为集合R，来满足给定的集装箱运输需求。

每个候选的航线服务频率为一周一班。

每3-6个月，班轮运输公司通常会根据变化的集装箱运输需求来改变他们现有的运输网络的。

他们决定航线的删除，是否要删除或添加一个挂靠港口，或改变航线上港口的挂靠顺序。

他们还会根据他们的经验和判断设计了一条新的航线（港口挂靠顺序）并决定哪条航线投入运营。

在实践中，一个班轮运输网络是很少从头开始设计的，除了当一个新班轮船舶公司成立或为一个新的地区（例如，美国南部）提供服务。

如果网络设计从零开始，许多商业和业务的因素都要考虑，如一个港口的集装箱装卸效率，集装箱起运地和运达地腹地的货物分配，航海的访问（海上通行权），燃油价格，转运成本和时间，以及多式联运（Fleming，2003；

Notteboom，2006）。

港口挂靠顺序是NP难问题（Agarwal和Ergun，2008），是本研究的范围之外。

图1亚洲–欧洲–大洋洲运输网络

一个候选的运输航线能够通过其挂靠港的顺序（或路线）来表示：

（1）

式中，Nr是指航线上的挂靠的港口的数量。

式

（1）表明运输航线是根据预先设定好挂靠港口顺序的循环。

一个港口在一个往返的航线中可以挂靠多次。

例如，图2描述了一个从釜山港到新加坡港的不对称的航线，其包含于图1所示的服务网络中。

一艘船舶在该航线安排的挂靠的港口顺序为釜山（BS），上海（SH），盐田（YT），香港（香港），新加坡（SG），盐田（YT），并返回到釜山（BS）。

根据式

（1），可以表示为的港口的挂靠顺序：

（2）

在一个航线中