长江集装箱运输系统仿真模型研究

丁　栋，周　强，刘巧斌

（武汉理工大学　物流工程学院，湖北　武汉　430063）

长江集装箱运输系统仿真模型研究

丁栋，周强，刘巧斌

（武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉430063）

在回顾长江集装箱运输系统相关文献的基础上，总结长江集装箱运输系统发展的主要问题，自上而下地分析长江集装箱运输系统的层次逻辑关系，构建运输节点以及运输通道的概念模型，利用WITNESS仿真软件建立长江集装箱运输系统仿真模型，进行仿真试验研究长江中上游集装箱产生量变化对下游南京港设施设备的影响。理论上该模型能够有效地分析该层面的物流活动所能反映的各种系统问题，可以给政府相关部门未来的有关决策提供参考依据。

长江流域；集装箱运输系统；仿真模型；WITNESS

1　引言

近年来，长江流域集装箱运输发展十分迅速，但是在发展的过程中也存在很多问题，国内学者针对长江集装箱运输系统的不同方面做了深入研究。高斌［1］根据目前长江港口现状及箱源情况，选取了典型航线，并对各个航线以经济性为评价指标选取最优江海直达船型。周凯捷［2］根据技术性指标和经济性指标等建立了长江集装箱运输船型优选方案的多目标多层次模糊优选模型。杨忠振［3］等以所有集装箱运输总成本最小为目标，优化长江水道上集装箱航线网络，确定各航线靠港、靠泊顺序及所用船舶的类型与数量。刘帅［4］针对中三角区域至上海集装箱运输系统，建立运输路径复杂网络，提出成本最低的目标函数，利用标号法求解模型的解，找到各节点之间集装箱运输的最优路径。张哲辉［5］比较了长江地区集装箱到洋山出口通过直航、一次中转和二次中转三种运输方式下的运输成本。刘德鹏［6］根据长江集装箱运输系统的运输特点，运用EM-Plant软件建立了仿真模型，进行了计算仿真。邓延洁等［7］利用Flexsim仿真软件对长江典型区段集装箱运输组织进行系统仿真，优化运输总成本和船型配比。综上，可以看出，目前对于长江集装箱运输系统的研究主要集中在两个方面：船型优化研究和航线优化研究。船型优化研究，一般是以经济性为评价指标建立船型优选方案，选择最优船型；而航线优化研究主要包括集装箱运输航线配船优化研究和集装箱船舶路径优化研究（即运输组织方式优化研究）。但是，许多论文的研究往往只突出某一方面，忽略了其他因素的交叉影响；而且，总结过去的文献还可以发现，对港口在长江集装箱运输系统作用方面的研究不突出。其实，长江集装箱运输系统发展的主要问题来自航道整治、港口建设、船舶发展等三大根源因素以及它们之间的交叉作用，其他问题都是这三大根源因素的延伸，这三大因素的作用促使长江流域集装箱运输系统的元素组成、关联构型和系统行为不断地演化发展。另外，长江流域经济的发展，适箱货源的增加，构成了长江流域集装箱运输系统的环境输入压力，也会激发三大因素对运输系统所起的演化作用。长江集装箱运输系统问题因素的关联关系整理如图1所示。

图1　长江流域集装箱运输系统问题关系图

集装箱运输系统的特性受集装箱船型、船舶数量、运输能力、港口装卸作业能力等多方面因素影响，而且系统运行过程中的动态随机性、各种运输方式间的相互影响等都会增加系统的复杂性。数学分析模型对于确定性的条件比较有意义，但对于某些动态性的条件进行求解相对比较困难，且忽略了一些运输过程的随机性，而通过仿真分析的方法能够较好地解决这一问题。WITNESS作为新一代的仿真软件具有以下特点：交互式面向对象的建模环境、灵活的执行策略、工程友好性强、灵活的输入和输出方式等。因此，基于对长江集装箱运输系统自上而下的层次分析，采用WITNESS建立的仿真模型适应性好，理论上能够有效地分析该层面的物流活动反映的各种系统问题。

2　系统组成与构型

2.1系统组成

长江集装箱运输系统是以上海港为主枢纽港，长江三角洲区域为其直接腹地，整个长江流域为其间接腹地，通过长江水路、铁路、公路等运输方式将各个物流枢纽节点连接起来所形成的辐射整个区域的网络系统，因此，根据该系统内各元素功能划分，包括的元素有：物流枢纽节点（港口节点、火车站节点、物流园节点）、运输线（火车线、船舶航线、公线）、运输工具（船舶、火车、汽车）、集装箱、船闸。包含的要素有：船舶、港口、火车线。由于长江流域产生的集装箱大都通过上海出口，因此，可以看出该系统元素之间的关联关系有：

（1）所有节点产生或消费的集装箱都与上海节点互为运输目的地关系；

（2）长江沿岸节点可通过船舶与上海节点建立为航运关系；

（3）流域的非沿江节点可通过公路、铁路、沿江节点与上海节点建立为运输关系。

2.2系统构型

元素之间不同的连接关系，构成不同的秩序，即元素之间不同的关联关系构成不同的系统构型。分析长江各港口城市与上海之间的联运关系，理论上可以建立三种主要的系统构型。

2.2.1分层星型构型。以某一节点为中心，其余节点与该中心节点连接，该中心节点再与末端节点联接。比如以重庆、武汉为中心，然后重庆、武汉与上海连接，又称为“区域航运中心”模式。作为长江中上游经济中心城市和交通枢纽，重庆和武汉具备了成为区域航运中心的重要条件。另外，重庆、武汉至上海之间的集装箱班次多，船型大，周边各地区集装箱集中到重庆和武汉转运，从船公司的角度来看，船舶装载率高，降低了成本。

该种构型的拓扑结构图如图2所示。

2.2.2单一星型构型。沿江各节点都只与末端节点（上海）联系，称为“分布节点直运模式”。由于受各地区地方政府相关政策鼓励，由各港口地区开展直达上海班轮，该种运输方式减少了中间环节，节约了运输时间，避免了货物运输。但是由于受航道水深限制，上游集装箱船型较小，装载量少，增加了能源消耗和环境污染，且在安全性上不及大型船舶。

该种构型的拓扑结构图如图3所示。

2.2.3复合星型构型。上游节点与中下游某一重要节点建立联系，然后，该节点再与末端节点（上海）联系，称为“中转模式”。以武汉或南京为中转节点，除重庆地区集装箱直运至上海，上游其他地区集装箱中转至武汉或南京，再由武汉（南京）搭乘班轮前往上海。武汉作为长江流域中游经济中心城市及交通枢纽，港口基础较好，拥有充足的货源满足武汉至上海大吨位的江海直达船舶。另外，不同船型的船舶在下游的航行速度不同，能在上游航行的船舶在下游航行速度比较低。因此，在武汉（南京）中转可以减少一定的运输时间，而且在载箱率相同的条件下船型越大，每箱运价越低，运输成本越低。

图2　分层星型构型拓扑结构图

图3　单一星型构型拓扑结构图

该种构型的拓扑结构图如图4所示。

事实上，以上三种构型相当于三种不同的运输组织方式，在目前的长江集装箱运输系统中，船舶运营由各船公司独立管理，由于受市场竞争、当地政府政策支持等原因影响，三种运输组织方式同时存在于系统当中，相互影响从而构成了复杂的运输网络。

3　仿真模型

3.1系统层次模型

系统科学的分析思想就是从系统整体角度看系统，往往从系统顶层出发，逐步分层细化分析系统的组成或成分，也可以理解为自上而下、逐步分层次地分析系统、描述系统，因此需要先建立系统的层次模型，然后建立系统各层次的逻辑动态关系，所建立的长江流域集装箱运输系统层次模型如图5所示。

图4　复合星型构型拓扑结构图

图5　长江流域集装箱运输系统层次模型

3.2主要模块内部层次逻辑

3.2.1物流园区模块。从物流园区实际作用看，它进行拆装箱活动，即生成集装箱，拆卸箱子。它属于多输入多输出系统，输入输出均为集卡和集装箱，与外界交互的界面是集卡排队区以及集疏运卡车装卸点。从所描述系统的层次上来看，不考虑园区内部实际生产调度计划的影响。图6描述了物流园区的逻辑组成关系。

图6　长江集装箱运输系统物流园区模块逻辑图

3.2.2集装箱码头模块。根据前面建立的层次模型，码头是长江流域集装箱运输系统的基本组成单元之一。从它的实际功能作用看，它为船舶和集疏运卡车服务，装卸转运集装箱；从系统角度看，它是多输入多输出系统，输入输出有船舶、集装箱、集输运卡车，与外界（系统其他元素）交互的界面是锚地、泊位、大门、集卡排队区以及集输运卡车的装卸点。图7描述了码头模块的逻辑组成关系。从随机排队服务理论看，码头就是一个为多种类型顾客服务的复杂排队系统。从所描述系统的层次上来看，码头内部不予考虑，只考虑与外界交互的逻辑关系，即装卸服务关系。

图7　长江集装箱运输系统码头模块逻辑图

3.2.3水路航线模块。水路航线模块由航段和岔口组成。航段描述相邻两个港口之间的航运距离，反映该段的通航能力以及限制；岔口在每个航段的末端，船舶航行到岔口时，需要做出是否靠港或立即继续下一航段的航行选择。水路航线模块内部逻辑关系如图8所示。

图8　水路航线模块逻辑图

3.2.4船舶管理模块。仿真模型中的船舶管理模块，并不是要描述实际系统运行中的船舶管理。在实际中，船舶是由所归属的船舶公司管理。船舶管理模块可以设置船舶的船型（装载容量）、航线起始港、终点港、挂靠港、给航线分配的船舶数量，设置船舶出发时间间隔（随机出发、班轮）等参数。

3.2.5港口模块。港口是由许多码头公司组成的，比如重庆港主要由九龙坡集装箱码头、寸滩集装箱码头等组成。船舶到达港口要进行挂靠码头选择。在大多数港口集团营运管理中，分配船舶挂靠码头的基本依据是属下码头公司的装卸技术能力，即以码头设计能力为权重的均匀分配。本模型就是按此原则分配船舶挂靠码头。港口模块逻辑关系如图9所示。

图9　港口模块逻辑图

3.2.6城市模块。长江流域集装箱运输系统中的城市节点分为港口城市节点和非港口城市节点两种类型。城市节点由港口、物流园区、火车站物流枢纽以及铁路、公路等组成。

港口城市节点里的物流园区、火车站的集装箱只与本城市的港口节点发生物流运输关系；非港口城市节点里的物流园区、火车站的集装箱与临近城市的港口节点发生物流运输关系，这有可能包括两个以上的港口城市节点；对于两个以上有关系的港口城市节点，运输的集装箱数量比例依据历史数据和未来条件而定。具体如图10、图11所示。

图10　港口城市模块逻辑图

图11　非港口城市模块逻辑图

3.3仿真模型图

本模型包括长江流域的24个港口城市节点、13个非港口城市节点，建立了46个航段模块、船舶管理模块以及数据统计模块等；城市节点包括港口节点、物流园区节点、火车站节点等；港口节点包括属下的码头公司节点等。建立的仿真模型图如图12所示。

4　模型应用举例

4.1问题分析

长江流域产生的集装箱大都出口，少部分近洋出口集装箱在苏州或上海外高桥转运近洋船舶，大部分近洋集装箱和远洋出口集装箱在洋山转运超大型船舶。长江流域诸城市都产生这两类出口集装箱，近洋出口集装箱通过内河集装箱船舶可直接运至苏州或上海外高桥，而远洋集装箱则需要在南京港、外高桥中转近海集装箱船舶，然后转运至洋山港。长江中上游产生的集装箱在2015年的基础上，每次逐步递增5%，分析长江下游（南京以下）的港口设施设备的利用状况以及转运效率？长江中上游集装箱产生量达到多少时，长江下游的港口设施设备达到饱和利用状态？

模型中假设:（1）长江下游地区进入长江航运的集装箱量不变；（2）下游航道条件不变；（3）长江中上游集装箱港口条件、航道条件以及船型都不变。

试验中，如果出现长江中上游产生的集装箱堵塞在本地区港口的现象，就增加长江运输船舶数量或改变一些条件，确保产生的集装箱能够运输到长江下游。

4.2仿真试验实施方案

（1）模型参数设置。集装箱码头的基础参数主要包括：长江沿岸各港口泊位数、堆场容量、装卸船时效率、到港船舶装卸量分布，另外船舶在港口装卸量根据历史统计数据来确定。集装箱中心站的基础参数主要包括堆场容量、装卸车时效率。物流园区的基础参数主要包括年箱源产生量、堆场容量、集卡装卸时间、各运输路段的距离及运输速度、长江流域集装箱船型大小分布、船舶数量、挂靠信息（挂靠数及挂靠港）、班轮信息表，火车的载重量及列次信息表。具体见表1、表2。

图12　长江流域集装箱运输系统仿真模型图

表1　码头节点基本参数

表2　重要船舶基本信息

（2）试验工况条件。仿真试验长度为320d，即7 680h。考虑剔除气象条件和节假日的影响。每组仿真的试验次数为10次，所得结果取平均值。

（3）试验参数指标。主要统计南京港的泊位利用率、堆场占用率、船舶在港等待时间以及各港口集装箱吞吐量等数据。

（4）数据分析处理。结果见表3。

表3　南京港统计数据表

（5）仿真分析结论。从表3可以看出，随着长江中上游产生的集装箱量逐渐增加，南京港的泊位利用率始终保持在60%到70%之间，根据河港工程设计规范JTJ212-2006，集装箱泊位利用率在0.5到0.7之间较为合理，因此可以看出南京港的泊位情况仍能满足当前需求。堆场占用率与集装箱吞吐量也随着集装箱量增加而增加，呈现正相关性，但变化幅度不大；而船舶在锚地等待时间相对而言，增加幅度较大，可能是由于中上游集装箱量增加，集装箱船舶数量相应增加导致的。

5　结语

以系统思想自上而下地分析系统层次逻辑关系并对长江集装箱运输系统进行仿真建模，这种仿真模型既能够体现整个系统的物流活动，也能够反映系统的逻辑特征，对于具有高度复杂性、动态随机性及多层次等特点的集装箱运输系统而言，可以很方便地从各个方面来研究系统所存在的问题以及所需要发现的问题，对政府相关部门未来的有关决策提供参考依据。因此，长江集装箱运输系统仿真模型研究具有较强的工程实用价值。

［1］高斌.长江干线到洋山港江海直达集装箱船船型优选［D］.上海:上海交通大学，2005.

［2］周凯捷.长江干线集装箱运输市场及船型问题研究［D］.大连:大连海事大学，2014.

［3］杨忠振，董夏丹，郭利泉.长江水道集装箱运输航线网络优化［J］.大连海事大学学报（自然科学版），2014，（3）:1-7.

［4］刘帅.基于复杂网络的中三角区域至上海集装箱运输路径优化研究［D］.武汉:武汉理工大学，2013.

［5］张哲辉.基于两阶段法的长江集装箱船舶运输系统优化［J］.水运管理，2010，32（7）:34-38.

［6］刘德鹏，曹静.长江流域集装箱运输系统仿真研究［J］.湖北工业大学报，2010，25（2）:11-15.

［7］邓延洁，刘亚丽.长江上游集装箱运输组织优化研究［J］.大连海事大学学报（自然科学版），2015，（2）:67-70.

［8］中国港口杂志社.中国港口年鉴2015年版［M］.上海:中国港口杂志社，2015.

［9］中国港口杂志社.中国港口年鉴2014年版［M］.上海:中国港口杂志社，2014.

Study on Simulation Model of Container Transportation System of Yangtze River

Ding Dong，Zhou Qiang，Liu Qiaobin
（School of Logistics Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

In this paper，on the basis of a review of the relevant literatures on the container transportation system of the Yangtze River，we summarized the major problems in its development，analyzed in a top-down manner the hierarchical and logical relationship in the system，established the conceptual model for the transportation nodes and channels，and used the program WITNESS to build the Yangtze River container transportation system simulation model which was then used to study the variation in the upstream container volume on the facilities and equipment of the downstream Nanjing Port.

Yangtze River basin；container transportation system；simulation model；WITNESS

U695.22

A

1005-152X（2016）06-0068-07

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.06.016

2016-05-05

丁栋（1992-），男，湖北武汉人，武汉理工大学在读硕士研究生，研究方向：港口物流系统建模与分析；周强（1963-），男，湖北武汉人，教授，博导。