开放沿海运输权下选择港口优先级的研究*

□ 陈铠敏，王 晶，张晓芹

(广东东软学院 信息管理与工程学院，广东 佛山 528225)

中国是全球最大的集装箱货物贸易国家，大型班轮公司已在中国植根多年，外资班轮公司经常在不同场合呼吁中国开放外资班轮沿海捎带业务。所谓沿海捎带业务，通常是指允许外籍船舶在中国沿海港口之间从事外贸集装箱的国内段运输，性质属于国内沿海运输。2002年开始实施的《中华人民共和国国际海运条例》第57条明确规定，在两个中国港口间的集装箱运输属于沿海运输权范畴，未经批准，境外航运企业不得经营中国港口间的海上货物运输[1]。

班轮运输是国际货物运输的主要方式，在各个国家尚未开放沿海运输权的情况下(图1),A、K、C三个国家之间有货物运输需求，若A国籍船舶从A国出发驶向K国的K1港口，在K1港口装卸K1、K2港口的货物，运往K2港口的集装箱可经内贸船由K1运往K2，A国籍船舶则需直接驶往C国家，不得在K国的其它港口中转。同样，A国籍船舶在C国的C1港口装卸完成后不可在C国的其它港口中转，直接驶往别的国家或者返回A国。整个航线网络循环需要外籍船舶和内贸船舶的配合，才能实现货物到达最终目的地。这样增加的转运的复杂程度，更降低了船舶的满载率和运输效率。

在K国和C国对外开放沿海运输权的情况下(图2)，A、K、C三个国家之间有货物运输需求，若A国籍船舶从A国出发驶向K国的K1港口，在K1港口装卸货物后仍可继续前行驶向K2港口。同理，A国籍船舶从K2港口装卸完成后可继续依次驶往C国的C1和C2港口，完成集装箱的装卸后再驶回A国，完成一个周期的班轮运输。

图1 传统航线网络示意图

图2 开放沿海运输权后的航线网络示意图

目前，已有一些沿海运输权政策对航运业和经济的影响研究的文献。Cavana[2](2004)将国内航空运输的定性分析方法应用到新西兰实行沿海运输权制度，从利益相关者的角度分析开放沿海运输制度带来的负面影响。丁一等[3-5](2015)设定开放沿海运输权下建立轴辐式海运网络优化模型、集装箱路径模型以及集装箱仓位分配与动态定价模型。马得懿[6](2014)解读世界各国开放沿海运输权的法律政策。香港港口发展策略2030研究[7]中指出，香港港口开放沿海运输权后，吞吐量逐年上涨，并将继续增加。香港港口在国际中转箱的运输中，中转大陆的货运量占60%左右。在激烈竞争的班轮运输市场，需要构建有效且合理的班轮航线网络对马士基船公司的现有资源进行合理分配，从而将马士基公司的运营成本降低来扩大其在航运市场的竞争优势。本文从马士基船公司的角度考虑中国开放沿海运输权的情况下，运用轴辐式航线网络模型解决选择港口优先级的问题。

轴辐式网络在船舶大型化不断发展的趋势下逐渐成为集装箱班轮航线网络的主要模式。国外对轴辐式网络的研究起步较早，多集中在航空、通信和邮政运输领域，对海运领域研究在近年逐渐增多。Faferholt[8](1991)从船公司角度研究由一个枢纽港及多个支线港组成的支线网络航线设计问题。Meng Qiang等[9](2011)提出了班轮运输服务网络设计问题。Gelareh S等[10](2010)针对在激烈竞争环境下的班轮运输网络设计问题提出了一个新颖的混合整数线性规划数学模型，该模型扩展和推广了现有文献中轴辐式型网络设计的不同方面。Inmaculada Rodrí等[11](2008)解决了确定路线下一组货物以最低成本在给定弧和枢纽港的容量和成本的网络中从起始地到目的地的运输问题。Takano Kelly等[12](2009)研究不同船型下的轴辐式网络模型。王建伟等[13](2015)研究中小物流企业联盟运输网络下混合轴辐式网络运输优化。杨斌等[14]考虑绿色物流概念的轴辐式运输网络的优化。

1 问题描述

将研究对象设定为马士基船公司在某一决策时点的状态，根据马士基船公司某一时间段内的港口现状、业务经营范围以及对我国集装箱的货运需求和中国沿海运输现状，研究在中国允许沿海运输权政策的情况下，确定中国开放沿海运输权的港口的优先级。在中国沿海港口内选择一定数量的港口作为枢纽港，枢纽港即为允许开放沿海运输权的港口，枢纽港口之间构成干线运输，余下的港口作为支线港口，支线港和枢纽港之间构成支线运输，并在枢纽港的配置中通过算例分析确定优先开放沿海运输权的港口[15]。

图3 轴辐式航线网络

本文以马士基船公司的角度研究开放沿海运输权的港口选择问题，轴辐式班轮航线网络类型为支线港口间不允许通航、枢纽港间采用环绕式航线的，且支线港单分配、枢纽港无容量限制的轴辐式班轮航线网络[15]。如图3，直接处理货物收发需求的辐节点构成辐集合，记为S。枢纽集合记为轴集合，记为H[16]。图3中，S1,S2,S3,……，S10为辐节点，H1,H2,H3,H4为轴节点。在本文研究的以马士基船公司的角度开放中国港口沿海运输权问题中，H1表示马士基在中国领土以外的某货物收发需求的集散点，H2,H3,H4为在中国沿海港口中或将开放沿海运输权的港口。货物的流动情况分为3种情况：货物由相同的出发地运抵不同的目的地，如{S1}→{S6,S7,S8,S9}；货物由不同的出发地运抵相同的目的地，如{S4,S5,S6,S7,S8}→{S1}；货物由不同的出发地运抵不同的目的地，如{S3,S4,S5,S6}→{S1}，{S7,S8,S9,S10}→{S2}[16]。货物在节点间的流动形成运输网络，运输网络可以分为干线和支线运输两种：枢纽港之间的货物流动称为干线运输；从辐到轴的货物流动和从轴到辐的货物流动称为支线运输。图3所示的物流网络称为单一配置枢纽模型，其主要特征是每个节点只能与一个枢纽连接。

2 模型假设和参数说明

2.1 模型假设

本文以轴辐式网络类型为切入点，研究选择开放中国沿海运输权港口优先级的问题，为了提高所建模型的合理性与可行性,通过轴辐式网络类型的界定，需要对模型进行较为理想化的设想。假设：本文只考虑单分配问题，支线港与枢纽港之间采用单分配的模式，即支线港能且只能与一个枢纽港相连接；枢纽港之间采用环绕式航线，支线港之间不允许通航；各枢纽港口无容量限制；港口之间的集装箱运输量己知；考虑干线运输所带来的规模经济效应，且单位运输成本折扣率a己知。

2.2 符号说明

轴辐式网络是一种以枢纽为轴，以其它节点为辐形成的空间网络系统[16]。在轴辐式航线网络的连通图中，A=(N,E)，N为备选的港口集合，|N|=n，港口编号s,i，E={(s,i|s∈N,i∈N)}为港口s至i的有向弧；H为枢纽港集合,|H|=p，枢纽港口的位置与数量为p，中国开放沿海运输权港口的集合为p’，余下的(n-p)港口自然成为支线港，从而决定枢纽港与支线港的连接方式以及中国部分开放沿海运输权的港口与世界其他国家的运输路线。

N：港口集合，i,j,n,s,k,m为航线网络中的港口节点；

P：表示运输网络中枢纽港数量，p∈N；

p’：表示运输网络中中国沿海港口开放沿海运输权的枢纽港口数量，p’k∈N；

α：表示枢纽间单位转运成本折扣系数，0<α<1；

ωij：表示港口i和港口j之间的集装箱箱量，一般的ωij≠ωji；

Cij：港口i到港口j的单位集装箱运输成本；

Csp：支线运输总成本；

Chub：干线运输总成本；

THC：集装箱码头装卸费用；

决策变量：

yij：若i港配置到枢纽港j则取1，反之，则为0；

ykk：若将k港定义为枢纽港则取1，反之，则为0。

2.3 目标函数和约束条件

从马士基船公司的角度衡量中国开放沿海运输权的港口的选择，如前所述轴辐式运输网络根据货物流动情况分为三种情形，涉及到支线运输总成本、干线运输总成本和装卸搬运费用。现以集装箱运输总成本最小为目标函数建立如下开放航权选择港口优先级的数学模型：

目标函数：

(1)

约束条件：

(2)

(3)

(4)

yskmi,ysk,ymi,ykk,ymm∈{0,1},∀s,k,m,i∈N

(5)

以上建立的开放航权选择港口优先级的数学模型，目标函数(1)使班轮公司某航线总运输成本C最小，包括支线运输成本Csp、干线运输成本Chub以及集装箱码头装卸费用THC。

约束(2)衡量了该航线网络中的集装箱码头中转运输费用。中转运输费用的计算与起运港和目的港的性质有关。若起运港为支线港，经枢纽港中转，到达目的港，发生一次中转运输费用；若起运港为支线港，经干线运输，到达目的港为支线港，发生两次中转运输费用。

约束(3)限定一个支线港仅能与一个枢纽港相连接，体现无容量限制的单分配轴辐式集装箱海运网络问题；

约束(4)航线网络中共建立p’个枢纽港数量的约束；

约束(5)为整数变量的取值约束。

3 算例分析

3.1 数据收集

以马士基船公司计划途经中国沿海航线为例，该航线可能途径的港口包括A区域的长滩(A1)和洛杉矶(A2)，B区域的大连(B1)、 烟台(B2)、青岛(B3)、连云港(B4)、上海(B5)、宁波(B6)、福州(B7)、厦门(B8)、深圳(B9)、广州(B10)。表1为港口OD间集装箱流量，即船舶从出发地到目的地的单位运输数量，数据采用的是以周为周期的集装箱流量，港口间的OD集装箱流量等主要参数采用数据集LINER-LIB-2012[17]。通过BLM SHIPPING软件获取港口之间的航行距离即从出发地到目的地的航行距离，具体数据如表2所示。

表1 港口OD间集装箱流量 单位/TEUs

表2 各港口间的里程 单位/海里

轴辐式网络的OD流量w表示马士基船公司往返亚洲-北美洲途径各节点两两之间的流量。考虑到海运网络运输成本的影响因素包括每日固定成本、每海里消耗的燃料成本、每日航行距离成本等，Takano Kelly[12]结合轴辐式网络模型对不同船型和不同集装箱大小分别进行航运成本的计算。

3.2 数值计算

根据开放航权下选择港口优先级的0-1整数规划模型，运用Matlab进行求解，计算枢纽港p’=0,1,2,3,…,9的情况下以及折扣系数a=0.5,0.7,0.9情况下，假定各个港口的单位集装箱装卸搬运费用相同，计算航行一次的集装箱运输总成本。得出表3、表4和表5的枢纽港数目不同时的最小成本。

如前文所述，p表示运输网络中枢纽港数量p’，为选择开放沿海运输权港口的集合。表3、表4和表5分别为折扣系数a=0.5,0.7,0.9的情况下，选择开放沿海运输下不同数量枢纽港的选择对应的最小化总成本以及进出口贸易产生的支线港和枢纽港之间的最小成本。其中，开放航权选择港口优先级的数学模型中，最小运输成本是由表中的内运进口、枢纽运输进口、内运出口、枢纽运输出口和进出口停靠产生的装卸搬运费用组成的。表格中ports对应的10列为对应的枢纽港数量下运输路径所停靠港口的先后顺序，数字1-12代表算例所选港口，分别为长滩(1)、洛杉矶(2)、大连(3)、 烟台(4)、青岛(5)、连云港(6)、上海(7)、宁波(8)、福州(9)、厦门(10)、深圳(11)、广州(12)。

表3 开放沿海运输权下α=0.5时枢纽港位置的选择及枢纽港数目不同时的最小化成本

表4 开放沿海运输权下α=0.7时枢纽港位置的选择及枢纽港数目不同时的最小化成本

表5 开放沿海运输权下α=0.9时枢纽港位置的选择及枢纽港数目不同时的最小化成本

3.3 结果分析

通过计算结果表3、表4、表5可以看出，枢纽之间的转运成本折扣系数a为0.5、0.7和0.9时。当枢纽港个数p为1的时候，开放沿海运输权的港口数p’为0；当枢纽港p为2的时候，开放沿海运输权的港口数p’为1。胡志华等[18](2015)认为单位流量的收集成本为1，枢纽之间的转运成本折扣系数取0.7。我们选择a为0.7时的枢纽港选择情况，当p’=2,3,4,5,6,7,8,9时，对应的C均大于p’为1时的C。由此可知，当p’为1时航行一次的集装箱运输总成本最小，也即选择1个港口开放沿海运输权，选择上海港时班轮运输航线总成本最小。

图4 不同枢纽港选择的成本对比

拟开放沿海运输权下，选择p’为0,1,…,9时，α=0.5……1.0时对应班轮运输航线总成本。从马士基船公司市场需求的角度考虑，结合轴辐式网络的计算方法，由计算结果可知，若我国在未来开放沿海运输权，应选择枢纽港个数为1即开放一个中国沿海港口允许外轮船舶经营沿海运输权，应优先选择上海港。上海港开放沿海运输权后，外籍船舶可以在上海港停靠后继续驶往下一个港口，上海港自身有着较大的集装箱货运量，可以吸引原有从釜山港和香港港转运的货运量，实现运输成本最小化。

如图5中(a)为开放航权个数p’=0时即还没有开放沿海运输权的情况下，A国籍船舶从A2洛杉矶港口驶往B5上海港，将运往其它港口的货物经由上海港转运至其它中国沿海港口，不可在B国的其它港口中转，须得直接返回A国。没有开放航权下，中国大部分中转业务集中在香港港和釜山港，并不利于发挥国内沿海业务的优势。如图5中(b)为开放航权个数p’=1时，也即开放沿海运输权并选择上海港作为对外开放的港口后，A国籍船舶的航运网络示意图，外籍船舶从A2洛杉矶港口驶往B2青岛港，将B1,B3,B4港口的货物装卸完成后仍可继续前行驶往B5上海港，在B5完成装卸后再驶回A国家，完成一个周期的班轮运输。开放航权后外籍船公司的国内业务将由香港港和釜山港转移至上海港，促进国内海运经济发展。图5为开放沿海运输权前后的航线网络情况对比图。

图5 沿海运输权开放前后的航线网络示意图

4 结论

研究的主要结论如下：

①本文根据马士基船公司的市场状况以及中国的对外贸易需求，结合轴辐式网络，以集装箱运输总成本最小化为目标函数，构建一个开放航权选择港口优先级的整数规划模型，确定中国开放沿海运输权下港口优先级的选择问题。分析结果表明：开放沿海运输权，对于开放沿海运输权的枢纽港优先级，枢纽港个数选择则优先选择上海港。开放沿海运输权，对于马士基船公司而言，可以提高船舶的装载率。

②沿海运输权影响中国沿海枢纽港的分配。马士基船公司属于外资船公司，马士基船舶属于外籍船舶，在未经许可的情况下，马士基船舶在国内港口装上运往国外的货物，不可在国内其它港口中转，只能直接驶往国外。若开放沿海运输权，马士基船公司在国内的业务将会以上海港为枢纽港成为航运中心，船舶利用率增加，集装箱流量也会相应发生改变。

③本文探讨中国沿海运输网络分配情况，从马士基船公司的角度选取中国沿海10个港口进行算例分析，由于港口间贸易运输的有很多不确定性，故采取无容量约束的轴辐式单分配网络模型。如果航运网络结构更加复杂的话，则可能需要建立更复杂的网络分配模型，引入相关算法综合求解，进一步研究枢纽港到支线港间的分配情况。

④本文从马士基船公司的角度结合轴辐式网络模型确定中国开放沿海运输权的优先级，根据航线网络示意图，可从港口间的流量、流向判断开放沿海运输权后的航线与传统航线的不同。因此，确定港口优先级后的航线网络上流量、流向比传统航线的优劣势分析是今后进一步研究的方向。