摘 要

本文研究了基于轴辐式网络的港口群集装箱驳运航线优化，分析了现有研究的特点与侧重点，结合近几年新出现的研究方法和工具，通过建立数学模型，并结合环渤海港口群的实例，在MATLAB中借助yalmip工具箱，调用CPLEX求解。所建立的模型是适应多港口多船只多航线的基础模型，具有可延展性，在后续研究的时候，可以在此基础上进行拓展。

论文分析了集装箱驳运发展的趋势，同时对比了国内外相关研究的现状，发现在研究方法上，大多选择启发式算法中的遗传算法。算法程序比较复杂，求解难度比较大。故选择了使用yalmip工具箱，是的求解过程简化，集中精力于问题模型的构建和优化。同时本文提出的模型针对需求量、船舶数量的动态变化，在研究的过程中都考虑在内，并根据约束条件的不同，得到了不同的求解结果。本文分别做了6港口、9港和11港的结果对比，并在每组中改变港口需求量，实际形成了3组平行试验结果，通过对比不同结果，使得研究的成果更加深入全面。在实验结果的基础上，对港口提出了各自的针对性建议，比如可以考虑将单枢纽港模式，和多枢纽港模式结合起来，即在条件允许的前提下，将一些运输集中的中间港作为枢纽港，给邻近的港口提供输运，这样既可以缓解枢纽港的输出压力，也可以减少单一的运输所造成的船舱闲置。

通过本文的研究，了解了集装箱驳运费用的组成，同时对港口的作业模式、成本组成等有了一定的认知。对于常规的港口群集装箱驳运航线优化研究方法，有了深入的分析，对各自的优缺点有所对比，并提出了适用于本研究的方法。对港口群的驳运路线优化，很多研究都会把驳船的等待时间考虑进成本里，本文经过实地考察，发现等待成本是船舶公司和港口双方协商，以取得双方利益最大化为原则，故优化意义不大，不予以考虑。结果表明，算法可以很好的解决基于轴辐式网络多港口多任务航线优化问题。

关键词：轴辐式网络；驳船运输；遗传算法；航线优化；yalmip

Abstract

In this paper, the optimization of port group container barge path based on the hub-and-spoke network is studied. Analyze the characteristics and focus of existing research, combined with emerging research methods and tools in recent years. By establishing a mathematical model and combining with the example of the Bohai Sea port group, CPLEX is called in MATLAB by means of the yalmip toolbox. The established model is a basic model adapted to multi-port, multi-ship and multi-route, and is malleable. On the basis of subsequent research, it can be expanded on this basis.

The paper analyzes the development trend of container barge, and compares the status quo of related research at home and abroad. It is found that most of the research methods are genetic algorithms in heuristic algorithms. The algorithm program is more complicated and the solution is more difficult. So I chose to use the yalmip toolbox, which is a simplified solution process, focusing on the construction and optimization of the problem model. At the same time, the model proposed in this paper is aimed at the dynamic changes of demand and number of ships, and is considered in the process of research, and different solutions are obtained according to different constraints. On the basis of the experimental results, the port has put forward their own specific recommendations. For example, we can consider combining the single hub port mode with the multi-port port mode, that is, under the premise of the conditions, some intermediate ports with concentrated transportation are The hub port provides transportation to neighboring ports, which can alleviate the output pressure of the hub port and reduce the cabin idleness caused by a single transport.

Through the research in this paper, we understand the composition of the container freight rate, and at the same time have a certain understanding of the port operation mode and cost composition. For the conventional port group container barge route optimization research methods, have in-depth analysis, compare their respective advantages and disadvantages, and put forward a method suitable for this research. For the optimization of the port route of the port group, many studies will consider the waiting time of the barge into the cost. The results show that the algorithm can solve the multi-port multi-task path optimization problem based on the hub-and-spoke network.

Key Words：hub-and-spoke network；Barge transport；Genetic algorithm；Route optimization；yalmip

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究的意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1国内外港口群分布及特点分析 3

1.3.2 国内外航线优化分析 4

第2章 港口群集装箱驳运概述 7

2.1 集装箱航线影响因素与设计 7

2.2 航线优化与驳线调度 7

2.3 集装箱驳运船舶概述 8

2.4 集装箱码头概述 9

2.4.1码头的基本构成 9

2.4.2 集装箱吞吐量概述 10

第3章 航线优化模型 12

3.1 整数规划 12

3.2航线优化模型的建立 12

3.2.1 条件假设 13

3.2.2 变量的设置与意义 13

3.2.3 目标函数的设置与意义 14

3.2.4 约束条件 15

3.3 航线优化模型初步分析 15

3.3.1 模型的可行性分析 15

3.3.2 模型的现实意义 17

第4章 软件介绍及模型求解 18

4.1 MATLAB介绍 18

4.2 算法语言介绍 19

4.3 航线优化模型的实现 19

4.4 参数设置 20

4.5 求解结果 24

第5章 总结 30

5.1 实验结果总结与分析 30

5.2 航线优化的前景与展望 30

5.3 研究工作总结 30

5.4 经济性分析 30

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着各国贸易往来的日益频繁，我国作为一个消费大国和原材料产地，外贸自然达到空前的规模，随之带动了很多沿海港口的发展。近十年来，国际贸易量每年都在增长，而且增长率也在连年增加。这对很多港口和集装箱运输公司来说，无疑是个很好的机遇。在当代科技的推动下，人工智能、自动化技术已经渗透到本文生活中去了，这对传统港口码头形成了一定的冲击，依靠人力低效率、无保障、投入高的运营模式，逐渐没办法适应当今社会高速发展的步调。随之而来的，是智能化、高效化、绿色化的自动化码头。传统码头，由于局限于信息的互通，运营缺少计划性，不能够提前安排作业力度，基本是船到人动、船走人停。再加之船舶调度影响因素比较多，浮动大，所以调度人员在安排驳船时，没有连续性，这无疑使得码头的调度管理费用增加^[1]。同时对船舶公司也面临着船舶久久不进港、进港难出港的问题，时间就是船舶公司的经济线，这无疑也使得收益大打折扣。同时油价上涨，繁杂的报关手续及昂贵的费用，使得航运企业不得不开始关注成本的控制。

集装箱运输涉及到很多环节，其中运输环节占据很重要的位置。一般都需要经过海陆联运，而水上运输则主要依靠集装箱驳船进行转运或者集疏运。驳船多数是平底、载重量小、主要承载内河运输业务，多行驶在水位低、航道窄的航线，根据有无自航能力，主要分为无动力船和自有动力船。驳船课单独使用，更常见的是编排成组，十分适合在内河港口之间进行货物运输。

目前驳船运输大概有十种经营模式：班轮运输，航线、经停港口、航行时间以及各种费用都是提前定好的，班轮运输具有时间固定、运输稳定的特点，多为船舶公司作为第三方承包。租船运输，船主跟雇主签订合同，按照合同规定的任务进行运输，价格也是双方签订合同时谈好，特点是运价比较低且灵活性比较高。船次租船，双方也是需要签订合同，但是对象是航行的里程，船次租船又分为单程租船、往返租船、连续航次租船、航次期租船、包运合同租船。定期租船，也就是期租，类似于租房子，在租期内，租船人向船主支付租期内的租金，并获得在租期内的船舶使用权。期租还有一种方式是光租，就是船主只提供船舶，不提供船员，多以批量租赁使用^[2]。

在运输过程中，驳船运输很好的解决了陆运周期长、价格昂贵、路线限制大的困难，相比较远洋船舶，又具有成本低、可调度性高、方便管理的特点，因此成为内河运输的最佳途径之一。

1.2 研究的意义

就研究本身来讲，通过建立驳船航运路径优化的模型，可以帮助本研究了解集装箱航运的组成有哪些。由于目前市面上集装箱驳运公司越来越多，他们都避免不了此类问题，如果能构建适应性强的模型，将有利于本文统一研究脉络。通过构建模型的相关约束条件，本文可以知道影响航运的因素有哪些，这样可以为本文的优化提供理论依据，同帮助本文梳理变量的实际意义。基础模型是适用于一类港口群集装箱驳运路径的通用模型，可以在此基础上，拟合不同的条件和个性化的约束，应用于多种港口群路径优化研究，提高模型的适应性，为后续此类研究打下基础。

在现实际应用中来说，通过优化可以使得驳船调度更加合理。以枢纽港为中心，定班、定量服务于各个支线港，使得驳船调度的连续性加强，减少空载和等待时间。根据每次任务的不同，计算出最佳的出海方案，缩减了固定成本之外，减少了集装箱运输的不合理运输。对港口群经济腹地来说，可以构建运输体系网络，不仅有力地推动腹地的外贸发展，也提升其在国际市场的竞争力^[3]。同时对于那些规模比较小的港口，在传统的恶性竞争下，可能面临着倒闭的危险。在运输网络体系之下，各个港口能够自由发展，大家只求更加合理，而不是盲目的揽货。

1.3 国内外研究现状

驳运航线优化主要针对驳船航行过程中，航线的选择问题，与路径优化问题具有相似性。因此，可以通过对路径优化国内外研究现状展开分析，进而找到航线优化的方法。路径优化问题是一种比较典型的案例，因为很多情况下，路径的不同直接导致经济的损耗和时间的流失，所以很多科研工作者对路径优化的研究，每年都在推陈出新。而航线优化是路径优化问题中，比较具有代表性的问题之一，因为相比较其他的路径优化问题，它具有更多的不确定性和不可控制性。但是，近年来我国外贸增长迅猛，驳船航运已经成为增加国家整体收入的比较重要的一环。而国内外不乏对此的研究，他们各有侧重、各有特点、各有想法。

同时，不同于路径优化问题，航线的选择与运输类型的选择，与港口的地理位置和分布都有很大的联系，比如水深直接决定了船舶的大小，进而决定了港口的吞吐量大小。通过分析国内外港口群的分布特点，可以帮助研究确定研究内容和方向，比如枢纽港的确立、船型的选择等，以及在确定所提供的方案，是否可以上，都有很重要的指导意义。

1.3.1国内外港口群分布及特点分析

近年来，随着我国外贸的加强，越来越多港口焕发了生机，港口吞吐量直线上升。外贸港口主要集中在沿海城市，而很多内河港，则依附于长江而生。而港口群，是进出港口规划经营时使用的一个重要概念，在地理位置比较接近的区域，一系列港口组成的范围即为港口群。各港口彼此之间既互相制约又互相依存，承担着共同经济腹地的发展。虽然拥有相似的地理优势和国内外市场，但是各个港口都有自己独特的利益渠道，各港口之间互不干预。一般来说，港口作为水路联运的枢纽，集铁路运输、公路运输以及水路运输为一体，得益于共同的经济腹地，各个港口对外交通运输网络也大致相同。目前我国沿海主要有五大港口群：环渤海港口群、珠三角港口群、长三角港口群、东南沿海港口群以及西南沿海港口群；国外主要有美国东西岸港口群、地中海地区港口群、日本东京湾港口群以及欧洲海港组织。

环渤海地区港口群虽然在经济上不如长三角、珠三角地区，但是东北地区有丰富的煤炭、矿产资源，历来是我国重要的原材料产地和化工基地。之所以环渤海地区的港口能够发展起来，得益于它的采掘、冶金和石油化工等重化工业。资料显示，环渤海群腹地工业连年增长，而且固定资产的投资也日益增长，这为该地区港口发展提供了极好的条件，再加上它自身得天独厚的地理条件，无疑已经和长三角等地区形成了竞争态势。

长三角港口群正在逐渐形成以上海为中心，南接宁波舟山港，北连洋口港，以长江各个港口为纽带，一种全新的组合港港口模式。长三角港口群在经济、地势上有其他港口群无法企及的优势，以上海港为中心，与长江中上游港口展开紧密合作，向内延伸港口腹地，同时加上洋口港的配合；而宁波舟山港主要依附于浙江各个港口，以浙江为港口群腹地。组合港在发挥各个港口自身优势的前提下，又构建了一种良性竞争的模式。

珠江三角洲地区港口群由粤东和珠江三角洲地区港口组成，服务于华南、西南部分地区并成为该地区物资运输的枢纽。珠三角港口群，港口间间隔距离平均不到50海里，港口密度十分密集，但是在运行的过程中，各大小港口各司其职，充分发挥自身的优势，根据本地区经济发展的整体水平、港口所处的地理位置不同，因地制宜的建设最适合自己的发展方向。同时，各大小港口发展态势异常迅猛，一些大型港口稳中求进，不断朝着智能、高效的港口发展，一些起点比较低的小港口也有了高起点的规划和大力度的基建，在功能、规模和效率上都达到了相当高的水平，正成为珠三角港口群的新生力量。但是港口建设周期长、投资大、回报低，不是所有港口都有条件满足建设需要，所以珠三角港口充分发动社会力量，倡导多元投资，改变传统单一的发展模式。目前港口体系以基本形成，在能源、粮食、散装、集装箱运输等方面，充分调动海港与河港，借助开放口岸和邻近港澳的有利条件，充分发挥航程短、时间少、成本低、效率高的优势。

东南沿海地区港口群以厦门港为干线港，以福州、泉州、漳州为支线港的集装箱运输体系。东南沿海地区作为中国经济发达的地区，对台贸易十分活跃，导致东南沿海港口群除了服务于福建省和江西等内陆省份部分地区的经济社会发展，还承担着实现对台“三通”的重要任务。港口群集中于港口岸线资源丰富、优良深水港湾众多的福建省，但是只有厦门港是唯一一个进入全国17个亿吨大港行列的港口，其余的港口吞吐量均偏小。

西南沿海港口群主要由中国北部湾沿岸的防城、钦州、北海三港以及雷州半岛的湛江港组成，拥有得天独厚的地理优势，依靠大西洋，面向东南亚，是西南地区对外开放的必经通道，也是规划和建设西南国际航运中心体系的主要基础设施。与四个区相比，这里经济发展虽然相对局限，但是腹地资源较为丰富，加上中国西部大开发一系列国家政策的出台，使得这一地区的港口日益重要。目前已形成东连湛江、西接防城、南有海口、洋浦的格局，为腹地资源打开市场构建桥梁。

欧洲海港组织是由欧盟成立的，不同于上述的港口群，它不是由单一的某个国家某个地区的港口组成，而是涉及很多欧洲国家大约800多个港口，而且这个规模还在不断扩大。尽管组成纷杂，各个成员在规模、体制等方面天差地别，但是在发展欧盟还是和政策方面大家求同存异，为一致的目标而服务。港口之间公平竞争，同时解决问题在公共平台上解决，在条件允许的前提下，政策公开，业务透明。致力于提高港口效率、优化不必要的流程、降低运行的污染、增大港口的核心竞争力，已不再是单纯的谋求发展和利益，时刻关注海洋环境的问题。

1.3.2 国内外航线优化分析

由于水运费用大概为陆运费用的20%，目前，越来越多的进出口货物，都选择集装箱运输，我国形成了环渤海湾、长三角及长江流域、珠三角及珠江流域等三大主要集装箱支线驳船运输区域。集装箱运输可以实现标准化、规模化和自动化，同时很容易形成多式联运，不仅方便货物的集中单元化运输，而且对货物有很好的包裹性和保护性。目前我国集装箱码头自动化程度最高的——洋山四期自动化码头，基本实现了集装箱在堆场的全自动化运行，岸桥将集装箱运到堆场后，全部由AGV小车实现箱体的转运，大大提高了生产效率，对传统码头有划时代的转型意义。即便如此，集装箱的海上运输依然存在很多问题，不能够充分发挥其经济性。集装箱驳运路径优化问题，是各大港口无法避免但急需解决的问题，控制和减少集装箱运营成本是影响港口经营状况的关键因素，运输路线的选取直接影响企业的经济效益。很多传统的集装箱作业研究，着力于提高集装箱的装卸效率，减少船舶的靠岸时间，同时提升港区的服务效率，以此来实现效益的增收。但是，近几年随着经济的发展，外贸比例日益增加，很多集装箱业务涉及到报关手续，同时订舱、选港等因素也限制着集装箱运输的发展。航船费用有很大一部分是燃油费用，因此大幅度降低油耗，合理规划航线是亟待解决的问题。

参考国内外文献，国外也有不少研究班船航线的案例，而他们主要采用了船舶运行图法、动态规划法及线性规划法等方法^[1]；有关海上班轮运输的研究有很多，主要是针对船舶调度优化问题，空箱调度问题以及挂靠港选择、挂靠港的顺序选择问题等有关的研究^[5]。BANDLL和STENT设计了最优船队规模的模型与枢纽港船舶调度模型，FAGERHOLT通过分割法针对挪威海岸班轮运输服务的集装箱班轮公司的船队优化问题进行了研究，但该算法的前提是船舶的航速相同，后来FAGERHOLT和LINDSTAD提出新的算法以适应不同航速的船舶优化问题^[2]。集装箱船舶在多个港口间的航线规划问题，KRISHAN RANAN和R.G.VICKSON建立了以利润最大化为目标，运量、运力、时间为约束的非线性规划模型，并通过拉格朗日松弛算法和计算机程序求解，该模型主要解决了船舶在多个港口枢纽港与支线港选择的问题及其航线规划方案，但是在当时的条件下，求解过程过于复杂^[3]。后来，KRISHAN RANAN和R.G.VICKSON通过拉格朗日松弛分析法对集装箱航线网诺进行优化研究，建立多船舶多港口的集装箱航线优化模型，主要解决在需求量已知的前提下，驳运航线优化问题^[4]。韩国学者赵诚哲和A.N.PERAKIS建立了集装箱船队整数线性规划优化模型，通过货流一航线矩阵的模式，系统的将港口、货源流向、航线、船舶因素进行匹配，这一理论的提出，一定程度上弥补了航线优化研究的片面性^[5]。 MONEMIRN提出了一种考虑船队规划与空箱调运以及网络设计的建模框架，使用了BENDERS方法求解该模型，并基于实际的例子证明该方法解决此类问题十分有效^[6]。陈康等提出了基于承运人、货主和政府之间相互博弈的短途班轮航线优化模型，并设计了基于时空网络拓展以及FRANK—WOLF算法的遗传算法进行求解^[7]。MENG等研究了带有空箱调度问题的班轮运输航线网络设计问题，建立了混合整数规划模型，并用亚洲一欧洲一大洋洲的实例对模型进行了验证，结果证明有效^[8]。WANG等研究了现存的航线网络中一系列航段的挂靠港被相同船型挂靠的班轮航线网络变更问题，建立了混合整数规划模型，结果证明优化后的网络能显著减少初始网络的总成本^[9]。

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