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集装箱班轮运输航线优化与班期设计研究

分类号密级

UDC单位代码1Q15l

集装箱班轮运输航线优化与班期设计研究

宋术青

指导教师杨华龙职称教授学位授予单位大连海事大学

申请学位级别硕士（专业学位）学科与专业工商管理论文完成同期2013年3月论文答辩F；i期2013年6月

答辩委员会主席吕靖

ResearchaboutoptimizingrouteandscheduledesigninContainerlinershipping

AthesisSubmittedto

DalianMaritimeUniversity

Inpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeof

MasterofBusinessAdministration

by

SongShuqing

（BusinessAdministration）

ThesisSupervisor：

ProfessorYangHualong

March2013

大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重声明：

本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文!

篡苤筵堡笙垂捡题绫垡丝皇堡翅遮让盟塞：

：

。

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本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。

本声明的法律责任由本人承担。

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保密的论文在解密后遵守此规定。

本学位论文属于：

保密口在——年解密后适用本授权书。

不保密日（请在以上方框内打“√”）

僻期：

Z-厂工年‘

论文作者签缈导师签名：

中文摘要

摘要

经济全球化的日益深入直接带动了国际贸易的蓬勃发展和航运业的空前繁荣。

作为连接世界各国贸易的桥梁的海运业，在传统的件杂货班轮运输逐步退出世界舞台的时候，集装箱海上运输以其高效率、低成本、装载量大和损毁少的特点迅速占领航运市场，发展势头如火如荼。

但近年来集装箱运输市场上运力供大于求，集装箱运力严重过剩，动荡的经济局势和残酷的市场竞争使得船公司不得

不从自身下手，通过合理配置航线上的船舶、选取合适的挂靠港等方法来优化航线，在不增加船公司运营成本的基础上提高运输服务的质量。

集装箱班轮航线优化和班期设计是集装箱班轮航线运营管理的关键性问题。

合理的航线优化和班期设计不仅可以提高集装箱货物的运输效率，也能提高航线的收益，提升班轮公司的市场竞争力。

本文研究了集装箱班轮运输航线优化与班期设计问题，基于环绕式的“中心一分支”港班轮运输模式，建立了最大化集装箱班轮运输收益的数学模型，并应用改进的蚁群算法对模型进行求解，最终对优化后的航线进行了班期设计。

首先，应用蚁群算法，从众多候选港口中确定了枢纽港口集合以及喂给港口集合，确定了干线上船舶挂靠枢纽港的顺序，以及为每个喂给港确定与其相连的最优枢纽港；其次，为应对港口间的转运成本的调整，在建立航线优化模型时引入了转运价格系数，求出此时对应的的优化航线，并对优化航线进行了班期设计；再次，把不经过筛选枢纽港与喂给港而得到的航线收益值与经过本文航线优化后得到的收益值进行对比，为集装箱班轮运输经营人提供建议。

关键词：

集装箱班轮；航线优化；班期设计；蚁群算法

英文摘要

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentoftheworldeconomy,theintegratedmodelofeconomyhasbeenformedwithallwalksoflife，noexceptionaboutthecontainerlinershippingindustry．Break—bulklinershippingissubstitutingbycontainerlinershipping，

becauselinershippinghastheadvantageoflowcost，hi曲efficiency,highsecurityand

lowenvironmentalimpact．However,recentlNcontainertransportcapacityissurplusforitisglutonthemarket．Theshippingcompanyhastothinkaboutthemselvesunder

turbulenteconomicsituationandthebrutalmarketcompetition．Inordertoreducethe

costofcontainertransportation，improvecontainertransportefficiencyandimprovecustomersatisfaction，choosinganoptimalaffiliatedportsetfromthecandidateandoptimizingthecontainerlinerrouteplanningforlinershippinginagivenareaisvery

important．

Twoproblemswerestudiedinthispaper,thescheduledesignofcontainerlinerandoptimizingshiproute．Themaximizationofcontainerlinertransportationrevenuemathematicalmodelwasestablishedinthisarticleundersurroundtype．Forsolvingthismodel，thispaperappliedtheimprovedantcolonyalgorithm．First，wegotthedifferent

setofhubandfeedportfromnumerouscandidateportsusingtheimprovedantcolony

algorithm，gainedthecallingsequenceforthehubport，andforeachofthefeedingport，wealsogottheoptimalhubs．Actually,whensomeContainerlinercompanytransportgoodsintransportationactivities，transferpricesarenotfixed，therearecertainvolatility,therefore，weusetransportpricecoefficientinrouteoptimizationmodeltoadjustportbetweentransportcosts。

Actually,webuiltthesuitableoptimizationroutefordifferenttransfercoefficient．Third，thispaperdrawsacomparisonbetweendifferenttypesabouttheirrespectiveprofit．Finally,wedesignedschedulefortheoptimizedrouteapplying

therelativeformula．Throughtheanalysisoftherelatedcontent，thisarticlepointsout

thattherouteoptimizationproblemisNP-hardproblem，tosolvethemodel，weuse

provedACO．Intheend，wesolveanexampleusingwhatwestudiedinthispaper．

KeyWords：

ContainerLinerShip；SchedulePlanning；RoutingProgramming；

ACo

第1章绪论．1

1．1研究背景和意义l

1．2国内外研究综述2

1．3研究内容4第2章航线优化和班期设计概述．6

2．1集装箱班轮运输概述6

2．1．1集装箱班轮运输的定义．6

2．1．2经营集装箱班轮运输应具备的条件．6

2．1．3集装箱班轮运输分类和特点．7

2．2集装箱班轮航线优化概述8

2．2．1集装箱班轮航线的定义．8

2。

2。

2集装箱班轮航线种类．8

2．2．3集装箱运输航线的特点10

2．3．4开辟集装箱班轮航线的基本条件1l

2．2．5集装箱班轮航线的成本构成12

2．2．6集装箱班轮航线挂靠港选择的影响因素12

2．3集装箱班轮班期设计概述．．14

2．3．1集装箱班轮运输的定义及分类14

2．3．2集装箱班轮准班率14

2．3．3集装箱班轮班期设计因素研究15

2．3．4集装箱班轮班期对航线经营的影响17第3章集装箱班轮航线优化模型与算法20

3．1问题描述．．20

3．2集装箱班轮航线优化问题模型建立一21

3．2．1已知条件及相关假设21

3．2．2模型中涉及的符号21

3．2．3模型建立22

3．3航线优化问题的算法求解．．24

3．3．1蚁群算法基本原理一24

3．3．2航线优化问题的基础蚁群算法～25

3．3．3单只蚂蚁行走策略一25

3．3．4蚂蚁路径的构造一27

3．3．5信息素更新一28

3．3．6蚁群算法的应用28第4章集装箱班轮班期设计31

4．1集装箱班期设计应达到的目标一3l

4．2班期设计的基本程序．．31

4．2．1基于新开辟航线的情况31

4．2．2航线运力升级时的情况32

4．2．3存在富余船只的情况33

4．2．4航线优化的情况34

4．3班期设计时间测算一35

4．3．1初步估算班期所需时间35

4．3．2对班期时间进行可行预算分析36

4．3．3测算班期时间36第5章案例分析37

5．1案例背景．．37

5．2航线优化一39

5．3班期设计一41

5．4结果分析．．46第6章结论与展望47参考文献。

48致谢．51

集装箱班轮运输航线优化与班期设计研究

第1章绪论

1．1研究背景和意义

经济全球化的日益深入直接带动了国际贸易的蓬勃发展和航运业的空前繁荣。

作为连接世界各国贸易的桥梁的海运业，在传统的件杂货班轮运输逐步退出世界舞台的时候，集装箱海上运输以其高效率、低成本、装载量大和损毁少的特点迅速占领航运市场，发展势头如火如荼，集装箱运输的高速发展是客户对运输安全、高效、迅速和经济等要求的产物。

2007年，是中国集装箱运输发展历史上具有里程碑意义的一年，2007年中国集装箱吞吐量达到1．13亿TEU，首次突破一亿大关，比2006年增长22．3％。

然而，航运业的发展与世界的经济形势是息息相关的，世界金融危机的爆发，使得国际货运量急剧减少，集装箱海运量的增长幅度远远低于集装箱运力的增长，据CI—online统计，截至2012年3月6日，全球二十大班轮公司共有集装箱船2865艘，运力为11767641TEU，占全球集装箱船总运力的70．6％。

在集装箱运输市场上很快出现了运力供大于求的状态，集装箱运力严重过剩。

动荡的经济局势和残酷的市场竞争使得船公司不得不从自身下手，通过合理配置航线上的船舶、选取合适的挂靠港等方法来优化航线，在不增加船公司运营成本的基础上提高运输服务的质量。

集装箱班轮运输是集装箱班轮公司按事先制定的船期表，在固定航线的固定挂靠港口之间，按规定的操作规则为非固定的广大货主提供规范的、反复的集装箱货物运输服务，并按“箱运价"来计收运费的一种营运方式。

由于集装箱班轮是按照固定的频率来挂靠固定顺序的港口，所以班轮的行驶航线、挂靠港的选择和排序一旦设定，在一定时期内是不会发生变化的。

一般而言，针对某一新开航线班期和航线的设计，主要是依靠班轮公司管理人员在历史货运量数据和对未来经济形势估计的基础上，在有限方案的比选过程中产生的，选定的方案在很大程度上依赖于决策人的直觉和个人对航线规划的理解，没有具体的科学依据。

这种方法对于船队规模小、可选方案有限的情况下是可能有效的，但是一旦涉及到庞大的船队规模和无数的可选方案，这时个人对航线的经验很难帮助班轮公司做出

第1章绪论

正确的决策，需要求助于科学的研究手段，通过定量分析航线的特征，建立班期设计和航线优化的模型，并且根据市场的变化实时优化模型，采用合适的算法求解模型，得到最优的班期和航线规划。

集装箱班轮航线优化和班期设计是集装箱班轮航线运营管理的关键性问题。

航线布局、挂靠港口选择都成为影响船公司经营成败的关键。

合理的班期设计和航线优化不仅可以提高集装箱货物的运输效率，也能提高航线的收益，提升班轮公司的市场竞争力。

因此，集装箱班轮的航线优化和班期设计也成为航运业研究的热点问题。

集装箱船舶严格按照既定的班期和航线运行是集装箱班轮运输的主要特点。

因此，集装箱班轮的准班率也成为衡量班轮公司综合实力和经营服务水平重要依据。

因为集装箱班轮运输是一项复杂的系统工程，受到世界经济、国际政治、班轮公司竞争实力和管理水平等多方面因素的影响，做出合理的班期规划并且尽量保证班轮准点不是一件简单的工作。

一方面，如果开班时间过于频繁，通常可以保证班轮准点到达，但是在航线上投入的船舶数量也会增多，班轮公司的初始投资也会加大，也在一定程度上会影响每一航次班轮的装载率，增加班轮公司的运营成本。

另一方面，如果开班时间间隔长，可能给别的班轮公司设定班期留下空间，损失货源，减少班轮公司的收益。

设计出合适的班期间隔、利用既有资源以获得最大利润并满足客户需求，是每个集装箱班轮公司面临的问题，而航线的优化设计、船舶的调度直接影响到船队的运输经济效益，进而会影响到集装箱班轮公司的竞争能力和生存发展水平。

因此，合理设计集装箱班轮班期、科学规划船舶航线，以求节省运输时间，节约运营成本是非常必要的。

1．2国内外研究综述

集装箱班轮运输的航线优化以及班期设计问题，是班轮公司经营集装箱运输活动的核心问题，同时也是众多学者一直研究的方向。

近年来，很多专家学者致力于研究集装箱航线优化及班期设计问题：

Perakis，jaramillo[2,3]针对不同的船舶舰队建立航线优化的数学模型。

他建立了拥有多个起讫港的舰队调度模型和拥有单个起讫点的多船舶的舰队调度模型，运

集装箱班轮运输航线优化与班期设计研究

用非线性规划的方法来求解这类船舶航线优化模型，并且通过对近年来船舶运输也的调查，给出了船舶调度和航线优化的最优方式调查报告【4]。

Ronen，Christiansen[5J针对特定的航线网络，对既定船舶的舱位分配问题进行了研究。

他认为，如果船舶上存在空闲的舱位，船公司就接受客户的舱位预定，这样一方面可以降低空仓率提高收益，但是在另一方面，我们也放弃了这些空闲的

舱位在之后的航线运行中可能为船公司带来更多的机会成本收入。

所以，这种没有进行规划的随机预定舱位方法可能会导致舱位分配最优方案的不存在。

Gelareh[6’7]提出了一种选择中心港口模式对航线网络进行优化。

对班轮运输行业中的新进供应商与原有运营商间的竞争条件作了对比。

在同一区域内，新进公司要想尽快取得较大的市场份额，就必须在服务和运输成本上下工夫。

也就是说要慎重选择中心港口，合理设定枢纽港的数量和规划船舶运行路线，在降低运输成本的前提下为客户提供更优质的服务。

对建立的选择中心港口的模型，Gelareh采用加速拉格朗日和原始启发式方法相结合的方法进行求解。

Qiangmeng，Tingsongwang[81建立了多阶段船舶舰队规划模型，并采用动态规划的方法进行求解，将最短路径法应用到非循环网络上，得到了有效的满意解集。

Baird[9】为降低运输成本和库存成本，针对班轮班期设计和航线规划问题建立

了多目标模型，首先采用分析方法确定了运输成本和库存成本的函数，然后通过对相关资料的系统分析并且求解模型得到了最优的船舶类型和适合的运输周期，并最终确定最优航线。

徐天芳和胡丽娜【10】等人建立了考虑航线集装箱运输能力的航线配船优化数学模型。

在对国内运输能力、运输货物数量进行调研分析的基础上预测其未来的发展趋势，给出合适的航行类型为两点之间往返航线和环形航线。

吴文一[11】等人主要研究了考虑系统最优情况下运输网络的优化。

他们运用将最短路径理论和效用理论相结合的方法，针对一家班轮运输公司所经营的多条航线及其周边航线所形成的运输网络，确定运输网络中各节点之间边的权重，并在网络中选取集装箱运输的最短路径使得网络达到了优化。

范国明[12】对航线挂靠港口的选择、船舶舰队的调度配置、成本与收入的盈亏预测做了大量研究，给出了集装箱航线盈亏预测影响决策开辟新航线的结论。

第1章绪论

从上述研究成果中可以看出：

现有文献对班期设计研究较少；在集装箱班轮航线优化方面，大都集中在挂靠港口已明确的条件下对航线进行优化。

对于集装箱班轮船舶如何从候选港口中选取挂靠的中心港口并决定其挂靠顺序、剩余港口作为喂给港如何与枢纽港链接方面，研究的较少。

113研究内容

本文主要研究讨论了两个问题：

一是集装箱班轮航线的优化问题：

二是班轮班期的设计问题。

在研究集装箱班轮班期设计问题时，本文首先对影响班期设计的因素进行了分析；其次，提出了准班率对班轮公司在一定范围内的市场竞争能力的影响，从侧面又强调了研究班期设计的重要性；接着指出了集装箱班轮班期设计应达到的目标，同时对班轮公司现有班期设计基本方法做了介绍，针对不同的班期规划起因和基于不同的设计前提，为班期设计提出了不同的设计思路和方法；最后提供了设计班期的方法，为班轮公司设计班期提出了建设性意见。

在研究集装箱班轮航线优化问题时，本文基于环绕式“中心一分支”航运模式建立收益最大化模型，模型中不仅在所有候选港口中确定了枢纽港口集合和喂给港口集合，而且也确定了干线上船舶挂靠枢纽港的顺序，同时也确定了喂给港和枢纽港的连接关系，最终得出最优化的航线。

集装箱班轮航线优化问题是一个非常复杂的问题，涉及班期的设计、挂靠港的选择、班轮航线的挂靠顺序等等，非常复杂。

本文通过对一些因素的简化分析，把航线优化模型转化成TSP问题，并设计了基于启发式规则的改进的蚁群算法来对模型进行求解。

本文一共分为六章。

第1章绪论。

首先对所研究问题的背景做了介绍，指出论文写作的重要性；

同时通过对国内外一些文献的拜读，指出了本文研究的创新点。

第2章班期设计和航线优化述论。

首先给出了相关内容的定义；其次指出了

影响集装箱班轮班期和航线优化的因素，以及各自的特点。

第3章集装箱班轮航线优化模型与算法。

针对本文所讨论的环绕式的“中心一

分支”模式的集装箱班轮运输问题，本章建立了模型。

通过对模型的分析，证明了本问题是个NP．hard问题，所以本文引入了现代优化算法，来对模型进行了求解。

集装箱班轮运输航线优化与班期设计研究

第4章集装箱班轮班期设计。

首先给出了集装箱班轮班期设计应该达到的目标；其次，针对不同的班期设计起因和基于不同的设计前提，班期设计就会具有不同的思路和方法，本文对不同情况皆给出了班期设计的一般方法；最后，在班期设计的过程中，班期的时间测算十分重要，本文也给出了班期测算公式，为集装箱班轮公司进行班期设计给出了建议。

第5章案例分析。

本文选取了中国与东南亚地区共12个港口，通过本文设计的模型及算法求解，得到了不同情况下的班轮航线优化设计方案。

最后，为相应的最优航线进行班期设计。

第6章结论与展望。

本章中，对前几章所研究的内容做了总结，同时指出了下一步的研究工作，在考虑需求不确定以及航运竞争条件下，如何进行集装箱班轮公司的航线优化和班期设计。

第2章航线优化和班期设计概述

第2章航线优化和班期设计概述

2．1集装箱班轮运输概述

2．1．1集装箱班轮运输的定义集装箱（Container）指一种具有一定规格和强度的、专门为周转货物而使用

的大型装载货物容器。

班轮运输[13]（LinerShippingorLinerService）指由班轮运输企业（LinerorLines）按照事先制定的船期表（SailingScheduleorLinerSchedule），在特定的航线上，以既定的挂靠港顺序，开展的航线上各港口间的货物运输。

1818年，纽约到利物浦的定期航线作为第一条班轮航线的诞生，标志着班轮运输活动的第一次出现。

集装箱班轮运输（ContainerLinerShippingorLinerService）是指以集装箱为运输单元的班轮运输方式。

20世纪50年代，在海上运输中出现了集装箱，集装箱运输中因其采用了用集装箱对货物进行二次包装，所以在港口装卸货物时提高了装卸货物效率，同时也为多式联运货物提供了基础，可以说因为集装箱的出现，使得班轮运输得到了快速发展。

目前的班轮运输基本上都是集装箱班轮运输。

2．1．2经营集装箱班轮运输应具备的条件

（1）货源稳定。

班轮运输企业主要以运输大量货物赚取运费而盈利，充足的货

源是班轮公司创利的根本。

如果班轮企业运营的航线上没有足够的货源，也就是说航线上的货源不能满足班轮公司盈利的最低标准，班轮公司就会亏损，俗话说得好“不做无利的买卖”，货源不足，班轮航线就没有存在的必要性了。

所以经营班轮运输的首要条件就是所挂靠的港口有充足的货源；

（2）船舶须具有较高技术脾IL-12厶匕日匕、齐全的航运设备。

充足的货源，保证了正常情况下公司的盈利，但是一旦航线开通，公司开始运营，就要考虑