基于模糊综合评价法的北极挂靠港建模选择研究

梁承姬， 姚 远*， 徐德洪， 翟点点

(1.上海海事大学 物流科学与工程研究院， 上海 201306； 2.西安外事学院 物流学院， 西安 710000)

基于模糊综合评价法的北极挂靠港建模选择研究

梁承姬1， 姚 远1*， 徐德洪2， 翟点点1

(1.上海海事大学 物流科学与工程研究院， 上海 201306； 2.西安外事学院 物流学院， 西安 710000)

随着全球气温变暖，北极冰层不断融化，北极东北航线全面通航的可能性日益增加.随着北极东北航线集装箱货运量的不断增加，越来越多的船公司会选择航行北极东北航线，而北极东北航线的挂靠港选择将成为船公司必须要考虑的问题.以上海港途经北极东北航线到达鹿特丹港为研究对象，先运用模糊评价法缩小港口选择范围，对北极东北航线的沿线港口做定性分析.然后在此基础之上做定量分析，以船公司利润最大为目标，建立北极东北航线的最优挂靠港选择整数规划数学模型.最后采用Lingo进行求解，得出船公司北极东北航线的最优挂靠港方案.结果表明，采用此种定性和定量相结合的方法可以更好地解决船公司选择最优挂靠港问题，同时对北极航线港口投资建设具有重要意义.

北极； 东北航线； 挂靠港； 模糊综合评价法； 整数规划

受到全球气温不断上升的影响，北极冰层消融，海冰覆盖率逐年降低.据历史统计，北极地区冰层正在以每10 a 减少8%的速度融化，为北极航线的开通提供了可能.2009年发布的“北极海运评估报告”预测，2030年北极可能出现夏季无冰现象，2050年北极可能将出现全年无冰现象.同时伴随着航运和破冰技术的发展，北极航线实现全面通航指日可待.开通被航运界誉为“黄金水道”的北极航线，上海以北港口到一些欧洲重要港口比传统航线缩短25%～55%.2013年，全球共有71艘商船通过北极东北航线.随着亚欧集装箱运输量逐年增长，北极东北航线凭借其独特的地理优势，对亚欧集装箱运输的价值将会不断提升.张侠等[1]认为北极航线未来更大运输需求是集装箱运输，预测到2030年集装箱货运规模最大值约为1 753万TEU.

国内外对于北极东北航线集装箱运输的研究主要集中在与传统航线比较，对其经济可行性进行分析.从参考的2010年～2016年最近7年10篇[2-11]国内外关于北极东北航线集装箱运输经济可行性分析的文献来看，其中有8篇认为未来北极东北航线集装箱运输经济和技术都可行，与传统航线相比具有明显优势.可见大多数学者对于未来北极东北航线的集装箱运输持乐观态度.但是在实际运作中，班轮公司在引入新的航线时，必须要对挂靠港进行选择.

目前国内外研究挂靠港的选择问题采用的方法主要是定性评价分析和数学模型定量研究.如Tran[12]在2011年通过建立以总成本最小化的数学模型，选择出班轮运输挂靠的港口以及挂靠港口的顺序.丁明明等[13]在2012年运用模糊综合评价法对我国沿海港口定性分析，建立集装箱中转港选择整数规划数学模型.国内外对北极东北航线挂靠港选择的研究比较少.梁承姬等[14]2015年以北极东北航线为背景，以运输总成本和装卸总成本之和最小为目标，建立了船公司航线的最优挂靠港选择模型，但是未考虑船公司的利润，也未对北极东北航线沿线港口进行系统全面分析.Zhao等[15]2016年以北极东北航线为研究背景对中欧集装箱航运网络进行研究，以船公司利润最大化为目标函数建立数学模型，对船公司集装箱运输航线与挂靠港进行重新设计.但是未考虑北极东北航线沿线港口的挂靠.虽然目前北极东北航线沿线的港口基础设施比较落后，但是未来贸易市场巨大，并且能够为过往船舶提供加油维修等服务，对于北极东北航线的顺利开通意义重大.

本文根据研究不足，对北极东北航线挂靠港的选择问题进行系统研究，并根据北极东北航线港口的特点采用了定性和定量相结合的研究方法.首先选取上海港到鹿特丹港的北极东北航线的主要港口，利用模糊综合评价法缩小挂靠港的选择范围，然后以船公司利润最大为目标，建立北极东北航线挂靠港选择数学模型并进行计算，最终选择出上海港到鹿特丹港的北极东北航线最优挂靠港.

1 问题描述

北极航线狭义上可分为“东北航线(Northeast Sea Routes， NSR)”和“西北航线”，如图1所示.其中，东北航线西起摩尔曼斯克，经北冰洋南部的巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海值至太平洋白令海到海参崴，全长约5 620 nmi.西北航线途经美国阿拉斯加北部离岸海域、穿过加拿大北极群岛.东北航线是如今北极地区最有吸引力和可行性的海运航线.北极航线的开通不仅能大幅缩短航距，还可以缓解现今传统航线拥堵及海盗威胁等问题.此外，北极地区被誉为“第二中东”，蕴藏着极其丰富的自然资源.

预计未来不久北极东北航线的集装箱运量将会激增，会有越来越多的船公司计划开拓北极东北航线沿线港口市场，但是为了获得更大的利润以及提高开拓新市场的可行性，需要确定哪些港口作为挂靠港.本文以上海港为起始港，途径北极东北航

线到达目的港鹿特丹港为研究对象，对北极东北航线最优挂靠港选择做出决策.

据北极航线信息办公室官方网站(http://www.arctic-lio.com)显示，从上海港到鹿特丹港的北极东北航线沿线有18个港口，其中主要港口有8个，具体地理位置如图2所示，基本情况如表1所示.

图1 北极东北航线与西北航线示意图(来源于观察者网：http://www.guancha.cn/strategy/2017_05_22_409534.shtml)Fig.1 Schematic map of the Northeast Sea Route and Northwest Sea Route

图2 北极东北航线沿线主要港口地理位置(来源于国家地理测绘信息局：http://11b2dt.nasg.gov.cn)Fig.2 Location of main ports along the NSR

各港口指标海参崴港普罗维杰尼亚港佩韦克港季克西港迪克森港杜金卡港阿尔汉格尔斯克港摩尔曼斯克港泊位水深/m100～13035～10279～9429～68100～14080～11834～9247-149岸线长度/m4200435500150080017001500010000泊位数/个16651089150100全年无海冰覆盖天数/d2502401209045120260365

注：数据来源于www.arctic-lio.com/arcticports.

2 基于模糊综合评价法的挂靠港评价分析

首先利用模糊综合评价法对各港口进行评价分析.模糊综合评价法是根据模糊数学的隶属度理论解决模糊问题和难以量化问题的综合评价方法.因为东北航线沿线港口评价影响因素错综复杂，有些无法通过具体数据对各因素做出确定性评价，只能通过“好”、“较好”这类模糊的词语粗略评判.因此，应用模糊综合评价法建立评价因素权重与分值的隶属关系并采用隶属度最大原则可以很好地解决该问题[16].通过对相关港口信息的广泛收集，进行反复比较、筛选、分析等处理，结合科学性、全面性、客观性的原则，最终建立北极东北航线挂靠港的评价指标体系如图3所示.

图3 北极东北航线挂靠港评价指标体系Fig.3 Evaluation index system of NSR ports of call

然后利用层次分析法确定各评价指标权重，邀请10位专家利用德尔菲法对北极东北航线沿线主要港口各指标进行评级.评级规则如下：分为很好、较好、一般、较差、差共5个等级，以海参崴港为例，各指标权重以及评级统计结果如表2所示.

根据海参崴港自然条件各二级指标的权重以及相应的评价值可计算出自然条件的隶属度值为：

根据海参崴港基础设施各二级指标的权重以及相应的评价值可计算出基础设施的隶属度值为：

根据海参崴港港口运营各二级指标的权重以及相应的评价值可计算出港口运营的隶属度值：

根据海参崴港港口腹地各二级指标的权重以及相应的评价值可计算出港口腹地的隶属度值：

表2 各指标权重以及海参崴港评级统计表

根据海参崴港地理位置各二级指标的权重以及相应的评价值可计算出地理位置的隶属度值：

根据海参崴港一级指标的权重和各二级指标的隶属度值可计算出海参崴港的最终隶属度值：

根据最大隶属度原则，海参崴港的最终评价结果为很好，同理可得其它港口的最大隶属度和相对应的评价结果，结果如表3所示.由评价结果可得出适合成为北极东北航线挂靠港的港口，其中有5个港口的评价结果都是很好，只是缩小了选择范围，并不能较为准确地选择最优挂靠港，因此需要通过建立数学模型进一步定量研究.

表3 各港口的最大隶属度及评价结果

3 建立北极东北航线挂靠港选择模型

3.1 问题假设

为了方便建立数学模型，将实际问题理论化，依据集装箱运输的特征和条件，对北极东北航线挂靠港选择数学模型作如下假设：

1) 北极东北航线仅有一个起始港和一个目的港，其中间的挂靠港也仅停靠一次且只卸不装；

2) 各港口之间均为直达航线；

3) 船公司的船舶航向是单向行驶，并非闭环.

3.2 参数说明

N=1，2，…，n为n个候选挂靠港的集合；Rj为从上海港出口到港口j每TEU集装箱的运价；Cij表示集装箱船从港口i到港口j的运输费用；Uj表示集装箱船在港口j每TEU集装箱的平均装卸费用；Aj表示集装箱船在港口j的卸载箱量；TW表示集装箱船上装载的集装箱总数量；Fj表示集装箱船的出入港情况，-1代表起始港，1代表目的港，其余的挂靠港均为0；βj表示通过模糊综合评价法确定的港口j的最大隶属度值；

决策变量：

3.3 数学模型

基于上述条件建立数学模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Xij∈0.1；

(7)

其中，式(1)为目标函数，式(2)～(7)为约束条件.式(1)由3部分组成：第1部分表示集装箱船运输集装箱的总收入，第2部分表示集装箱船的运输总成本，第3部分表示集装箱船的装卸总成本.

式(2)表示所选挂靠港的个数不大于所有候选挂靠港的总个数；式(3)表示在各个港口的总卸载箱量不大于集装箱船上的总装载箱量；式(4)表示出入港次数约束，集装箱船在除了起始港与目的港的每个港口出港和入港次数均为1次，起始港只能出港1次，目的港只能入港1次；式(5)表示集装箱船在每个港口的挂靠次数不大于1次；式(6)表示集装箱船从每个港口的出港次数不大于1次；式(7)表示决策变量Xij的取值范围.

4 数据收集与模型计算

4.1 数据收集

由于北极东北航线的水深限制，船舶的吃水深度不能超过13 m，大小为3 000 TEU～5 000 TEU的集装箱船最适合航行北极东北航线[17]，冰区加强级别为Arc4的船舶可允许全年通行[18].因此选择4 000 TEU冰区加强级别为Arc4的集装箱船进行研究.

根据上海航运交易所、中国货代行业调查以及该领域专家的意见可以预估各港口之间的集装箱运价、运量以及平均装卸费用，如表4所示.北极东北航线候选挂靠港示意图如图4所示.通过Google Earth和BLM Shipping计算出起始港上海港、目的港鹿特丹港与5个候选挂靠港的航线距离，如表5所示.北极东北航线航行运输成本主要包括船舶租金、燃料费、破冰费和日常管理费用.

表4 各港口集装箱卸载量、运价以及平均装卸成本

1) 船舶租金：按近期租船价格，4 000 TEU普通集装箱的租金大约为1.3万USD/d，冰区加强级别为Arc4的集装箱船造价要高，租金增加20%，即 1.56万USD/d.北极浮冰大多数分布在普罗维杰尼亚港到阿尔汉格尔斯克港之间，则可认为是冰区，其余为非冰区.参考文献[2]抗冰级船舶“雪龙号”的航行速度，船舶在无冰区平均航行速度为24 kn，在冰区平均航行速度为14 kn，可计算每个港口之间的航行时间.

图4 北极东北航线候选挂靠港示意图Fig.4 Schematic map of the NSR candidate ports

2) 燃料费：根据文献[9]，在非冰区燃料消耗为0.3 t/nm，在冰区燃料消耗为0.5 t/nm.根据文献[5]，IF380燃油平均价格为604.4 USD/t.

3) 破冰费：根据文献[18]，破冰引航费是由船舶吨位、船舶冰级、护航距离和航行时期确定的.

4) 日常管理费用：日常管理费用主要包括船员工资和维修管理费.根据文献[8]航行北极东北航线，4 000TEU的集装箱船需要19名经验丰富的船员，工资要比普通船员要高出10%，每月工资为10万USD.根据文献[6]，全年维修管理费按照船舶造价2‰计算，4 000TEU冰区加强级别为Arc4的集装箱船的造价按照5 000万USD计，则维修管理费为10万USD.

综合以上分析，可计算出北极东北航线每个港口之间的运输费用，如表6所示.

表5 北极东北航线各港口之间航线距离

表6 北极东北航线各港口之间运输成本

续表6

4.2 模型计算与结果分析

将以上数据带入北极东北航线挂靠港选择模型，利用Lingo进行计算，计算结果如表7所示.

表7 Lingo求解结果

由以上计算结果分析可得出以下结论：

1) 船公司航行北极东北航线挂靠海参崴港、阿尔汉格尔斯克港和摩尔曼斯克港可使得利润最大，为59.16 万USD.

2) 越靠近欧洲的港口由于对集装箱市场需求较大且通航条件优越，所以优势更加明显.而未选择普罗维杰尼亚港的主要原因是该港口对集装箱的需求过小，未选择杜金卡港的主要原因是通航环境比较恶劣，浮冰较多，从而增加了运输成本.

3) 随着北极冰雪不断消融，通航环境的不断改善，运输成本会逐渐减少，船公司会获得更大的利润，从而会吸引更多的船公司航行北极东北航线，挂靠港的选择也可能会因此发生变化，船公司可以根据实际情况进行调整.

5 结语

本文针对船公司选择上海港到鹿特丹港的北极东北航线挂靠港的问题，首先结合北极东北航线各港口的特点，通过模糊综合评价法选出比较适合作为挂靠港的港口，缩小了选择范围.然后将模糊综合评价法与数学模型相结合，建立最优挂靠港选择模型并进行计算，最终得出选择哪些挂靠港可以使得船公司获得的利润最大.为船公司航行北极东北航线的决策提供一定依据，也为北极东北航线沿线的港口投资建设提供一定参考.

但是目前只有2014年中远的一艘集装箱船从上海港到杜金卡港试航，这主要受到目前北极东北航线破冰费、季节性、货物量等不确定性因素的影响，现阶段主要处于理论研究.但是随着未来北极条件的不断改善、航行与破冰技术的不断进步，北极东北航线的通航价值将会不断提升.

[1] 张 侠， 寿建敏， 周豪杰. 北极航道海运货流类型及其规模研究[J]. 极地研究， 2013，25(2):66-74．

[2] 寿建敏， 冯 远. 基于航运成本的北极东北航道集装箱运输潜力研究[J]. 极地研究， 2015，27(1):65-73．

[3] 李振福， 尤 雪， 王文雅， 等. 北极东北航线集装箱运输的经济性分析[J]. 集美大学学报(哲学社会科学版)， 2015，18(1):34-40．

[4] 任 重， 陈金海. 上海出口集装箱运输北极“东北航道”的经济效益分析[J]. 港口经济， 2011(5):32-34．

[5] 刘益迎， 范厚明， 郭 阳. 北极东北航线经济性分析——以集装箱船运输为例[J]. 上海海事大学报， 2016，37(1): 13-18， 31．

[6] 刘益迎， 郭 阳， 范厚明. 考虑NSR及碳税的中欧集装箱班轮航线[J]. 大连海事大学学报， 2016，42(1): 96-100．

[7] 钱作勤， 徐 立， 严新平， 等. 北极东北航道通航策略及经济性研究[J]. 极地研究， 2015，27(2): 203-211．

[8] JEROME V， CHRISTOHR G. Container shipping on the Northern Sea Route[J]. International Journal of Production Economics， 2009，122: 107-117．

[9] LIU M J， KRONBAK J. The potential economic viability of using the Northern Sea Route (NSR) as an alternative route between Asia and Europe[J]. Journal of Transport Geography， 2010，18(3): 434-444．

[10] LEE S W， SONG J M. Economic possibilities of shipping though Northern Sea Route[J]. The Asian Journal of Shipping and Logistics， 2014，30(3): 415-430.DOI．

[11] ZHANG Y R， MENG Q， NG S H. Shipping efficiency comparison between Northern Sea Route and the conventional Asia-Europe shipping route via Suez Canal[J]. Journal of Transport Geography， 2016，57: 241-249．

[12] TRAN N K. Studying port selection on liner routes: An approach from logistics perspective[J]. Research in Transportation Economics， 2011，32(1): 39-53．

[13] 丁明明， 梁承姬. 中国内陆集装箱出口中转港选择模型[J]. 上海海事大学学报， 2012，33(4): 39-44．

[14] 梁承姬， 翟点点. 北冰洋航线对航运公司航线择港决策的影响[J]. 华中师范大学学报(自然科学版)， 2016，50(1): 61-66．

[15] ZHAO H， HU H， LIN Y S. Study on China-EU container shipping network in the context of Northern Sea Route[J]. Journal of Transport Geography， 2016，53: 50-60．

[16] 李振福， 王文雅， 尤 雪， 等. 中国北极航线战略环境的模糊综合评价[J]. 中国航海， 2015，38(3): 126-130．

[17] FURUICHI M， OTSUKA N， Proposing a common platform of shipping cost analysis of the Northern Sea Route and the Suez Canal Route[J]. Maritime Economy and Logistics， 2015，17(1): 9-31．

[18] 中华人民共和国海事局. 北极航行指南(东北航道)2014[M]. 北京：人民交通出版社， 2014: 288-291．

StudyontheselectingmodelforArcticportsofcallbasingonfuzzycomprehensiveevaluationmethod

LIANG Chengji1， YAO Yuan1， XU Dehong2， ZHAI Diandian1

(1.Institute of Logistics Science and Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China; 2.Institute of Logistics， Xi’an International University， Xi’an 710000， China)

As global warming and the Arctic ice melting， the navigation possibility of Arctic Northeast Sea Route (NSR) increases gradually. With the amount of the NSR container transportation increasing， more and more shipping companies will sail the NSR， and ports of call along the NSR are required to be considered. The NSR from Shanghai Port to Rotterdam Port was taken as study object. Firstly， fuzzy comprehensive evaluation method (FCE) was used to narrow the scope of choice， and the main ports along NSR was analyzed qualitatively. And then the integer programming model was established for selecting the most suitable NSR ports of call from Shanghai Port to Rotterdam Port based on FCE， targeting on the maximized profit of shipping companies. Finally， the scheme of the most suitable NSR ports of call from Shanghai Port to Rotterdam Port was calculated by Lingo. The results show that the qualitative and quantitative combining method is able to solve the problem better and provide reference for decision on the investment and construction of NSR ports by shipping companies．

arctic; Northeast Sea Route; port of call; fuzzy comprehensive evaluation method； integer programming

2017-05-06.

国家自然科学基金项目(71471110，61540045)；上海市科委创新项目(14170501500，14DZ2280200，16DZ1201402)；上海市重点学科建设项目(J50604)；陕西省社会科学基金项目(2015D060)；上海海事大学创新基金项目(2016ycx048)．

*通讯联系人. E-mail: yaoyuan588@foxmail.com．

10.19603/j.cnki.1000-1190.2017.06.016

1000-1190(2017)06-0817-08

U651+.2

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