基于均衡性設計思路下的廣州港“穿梭巴士”的船舶航線優化

◎ 王智利 謝蘭蘭 王澤龍 李永清 李丹妮 萬柏玲

1.廣州航海學院；2.廣州港船務有限公司

公共駁船（以下按習慣稱“穿梭巴士”）業務是連接樞紐港與喂給港的重要工具，以滿足樞紐港集裝箱集疏運的需求為目標，在樞紐港與其喂給港之間開展穿梭船業務，以此降低運輸價格，提高服務水平。廣州港已經基本確立了以南沙港為中心、具有競爭優勢的“穿梭巴士”運營網絡體系，已開通運營72條“穿梭巴士”駁船支線，基本實現了對珠三角區域中小碼頭業務全覆蓋。本文通過對珠三角區域航線設計與運力配置問題的研究，采用基于均衡性的思路對現有的穿梭式航線進行混合航線模式設計，在對集疏運系統的長期優化效果來看，能夠提高船舶周轉率和集裝箱的運輸效率，在一定程度減少船隊固定成本的支出，有助于支線港達成更高的準班率要求、更高效地完成集疏運運輸任務。也將有效減少樞紐港船舶擁堵問題，對環境保護和成本節約方面均有重要意義。

1.廣州港“穿梭巴士”船舶航線存在的問題

1.1 集疏運的不均衡性

廣州港集疏運基本采取的是以南沙港區為中心，將集裝箱由南沙港運向各個周邊港口的疏運過程和從各周邊港口運往南沙港的集運過程的“點對點”傳統的直達運輸模式。該模式簡單但少有多港掛靠的現象出現，導致對航線需求數量較大。且當腹地支線港口群的貨源差異性較大時，支線港口之間的運量波動規律和運量水平差異均較大。

1.2 航線空重箱的不均衡性

廣州港“穿梭巴士”各個支線港口的空箱剩余量較多，調到樞紐港的空箱集運量大于空箱疏運量，疏運重箱大于集運重箱，集運方向上的重箱與疏運方向上的空箱波動趨勢大體同步，但運量水平存在一定差距，且無論集運還是疏運方向，均存在空重箱轉化不完全和空重箱運輸平衡性不佳問題。

1.3 運營成本較高

內支線集裝箱運輸的貨運量一般較小、進出口貨物數量不平衡，以“點對點”為主的直達運輸模式導致集疏運和航線空重箱的不均衡性突出，投入使用的船舶數量較多且總運輸時間較長，從而導致船舶運營成本較高；其次集運和疏運雙向上運輸的箱位利用率不均衡，浪費船舶箱位，導致單位貨物的運輸成本較高；最后通過點對點的港口間穿梭運輸模式構成的航線網絡將會在部分航線上以遠超航線網絡平均水平空載率完成運輸，較低的載箱率帶來了較高的經濟成本。

2.均衡性設計思路

通過對珠江水系自然條件加以分析和利用，基于歷史運輸數據的分析，對港口的運量特征進行刻畫，依照港口間的特點進行匹配，并對航線班期最小化的集疏運航線網絡中集疏運均衡性和空重箱量均衡性之和原則進行合理設計，指派合理的船型在經港口匹配后生成的各條航線上運營使船隊總體營運成本最低，可有效降低船舶空載率，提高船舶利用率，降低運輸成本，實現航線優化。

3.二階段航線優化過程

3.1 航線構造過程

基于廣州港“穿梭巴士”集疏運網絡所在流域的水文地理特征和港口間的連通性，使用K-means思想的聚類方式考慮港口間的連通性及航程距離對支線港口群進行聚類劃分，然后基于聚類結果對各個聚類中的子港口群按箱量特征進行匹配并對均衡性水平逐次進行啟發式算法并計算驗證，將原有的多條南沙到支線港的穿梭航線依照其運輸結構與運量的特征整合為一條含有多個掛靠港的環繞式航線，將子港口群聚類中集疏運均衡性特征能夠實現適應性互補以及兼顧了集疏運雙向運輸過程中的空重箱均衡水平的支線港口組合到同一航線的掛靠港口群中，從源頭上減少這些航線箱量不平衡性對船隊帶來的負面影響。對于不適合匹配的港口，則保留其穿梭航線的模式，最終在整個集疏運網絡系統中依照支線掛靠港的特征優化為成點對點直達穿梭航線與環繞式航線有機結合的混合航線模式。

具體而言，在航線設計上基于支線港口的貨運特征，考慮集疏運的均衡性和航線空重箱的均衡性對航線網絡進行優化設計，通過對港口群之間合理組合的方式改善支線港口的運輸均衡性，從而達到提高船舶箱位利用率、減少集疏運網絡運輸需求的目的，并根據港口的運量特征，因地制宜的選擇保留點對點直達穿梭航線與環繞航線的有機結合，通過這種混合航線模式的應用保證航線模式的適應性，如圖1所示。

圖1 混合航線網絡模式

3.2 系統運營成本比較過程

在航線設計的結果預期中，通過模型組合而成的大部分環繞式航線均能夠有效降環繞航線中各支線港以相互獨立的穿梭式航線完成運輸時的船舶運力需求，但由于部分支線港之間航行距離過遠，組合為環繞式航線后,對于部分支線港而言相比原有穿梭航線模式增加了運輸距離，從而存在對單位運輸成本起到負面效果的可能。因此,本文計劃對提出的航線改進設計方案進行船舶運力優化配置，通過對船舶的運力配置進行更新，將匹配好的港口集合按照箱量和船舶運輸能力進行匹配規劃，然后對最優成本進行計算，比較在原有穿梭式航線在更新運力配置前后的成本、集疏運網絡中全部采用環繞航線設置的模式與混合式航線三種模式下相同運力配置規則之下的系統運營成本。

4.模型設計

4.1 航線設計模型構建

目標函數：

目標函數（1）為最小化的集疏運航線網絡中集疏運均衡性和空重箱量均衡性之和，為評價航線設計的整體均衡性指標。考慮集疏運均衡性的航線設計模型中，對于航線設計的核心思路為通過對同一聚類內的掛靠港依照均衡性組合，其主要過程為選定航線初始港口后，將聚類內的其他港口與之匹配組合并檢驗模型后對航線整體的集疏運均衡及空重箱均衡記錄檢驗，如果更貼近聚類組合的平均水平，則視為正向改進，保留新加入的港口進入環繞式航線的掛靠港；如果聚類內的所有未分配的支線港均無法通過與當前港口組合實現對均衡性的改進，則將當前選定的支線港采用穿梭式航線模式進行運營。

4.2 運力配置模型構建

運力配置模型中主要考慮船舶投入運輸服務的固定成本和在不同船型船舶在各條航線以不同班期運營所產生的變動成本兩方面成本。

目標函數：

約束條件（4）保證各條航線的船舶配置能夠完成航線的運輸任務，約束條件（5）對船舶發班頻次數進行了上限限制，以避免出現按照過高的發班頻次設置運力后船舶難以實現正常周轉的情況。目標函數（3）在上述兩類約束條件下考慮了如何指派合理的船型在經港口匹配后生成的各條航線上運營使船隊總體營運成本最低，其中第一項表示指派各型船在各航線運營所花費的固定成本，第二項表示與航行里程相關的航行可變成本。

5.數據獲取

在對大量駁船航運市場調研和業主單位調研的基礎上，主要數據來源于中華人民共和國國家統計局、克拉克森數據庫、廣州港航等相關航運類網站和公眾號發布的規范、報告與數據等信息，以及廣州港船務公司提供的駁船運輸需求的具體數據和資料。

6.航線優化結果

6.1 整體均衡化效果顯著

以年為單位對環繞式航線整體所需的運力需求和以點對點的穿梭航線模式加和所需的總運輸需求相對比，計算出了環繞式航線對比穿梭式航線所能節約的運力需求達38257 TEU的箱量。在疏運方向上，實例計算采用的數據中整體集疏運網絡中疏運方向箱量占比56.2%，采用通過考慮集疏運均衡性的航線設計算法后在整體集疏運網絡上節約了3.65%的箱量需求。

6.2 部分航線均衡化效果顯著

部分重要航線在考慮集疏運均衡性的航線設計方案在集疏運運力需求上節約了15844 TEU的箱量運輸需求，而在單條環繞式航線的構造上，相較各個支線港以獨立的穿梭航線模式進行集疏運節約23.43%的運力需求，并且根據集疏運均衡性通過有選擇性的對該聚類內的其他支線港進行匹配，對整個聚類的運輸節約了13.16%的運力需求。總之無論是節省的運力需求絕對量還是節省比例上，都能較顯著地反映出在混合航線模式下環繞式航線模式相對原有穿梭式航線的運力節約效果。

6.3 成本節約顯著

通過對穿梭航線模式、環繞航線模式以及混合式航線模式運營成本對比，發現只考慮環繞航向模式的船隊運營成本最高，其次為穿梭航線模式，成本最低的是混合航線模式，與只考慮穿梭航線模式或者只考慮環繞航線模式的航線相比，混合航線模式可有效降低成本114.5萬元以及455.1萬元，集疏運成本改進比例分別為7.16%以及23.48%，說明混合航線模式有效提升規模效益，降低了集疏運系統中船隊的運營成本。

7.結論

集疏運網絡上的各支線港以及航線中的集運運量與疏運運量失衡以及空重箱失衡是影響集疏運網絡上航線設計與船舶調度問題中產生不必要運力需求的主要原因。在考慮集疏運均衡性和航線空重箱均衡性對航線網絡進行優化設計，因地制宜的選擇保留點對點直達穿梭航線與環繞航線的有機結合，通過這種混合航線模式有效降低集疏運系統中不必要的運力浪費，達到提高船舶箱位利用率、降低運營成本，減少集疏運網絡運輸需求的目的。經過運力配置模型的模擬計算也驗證了該種航線模式對降低集疏運航線網絡中船隊運營成本的可操作性。

由于混合式航線模式在聚類過程考慮了支線港中的航程距離，因而在航線設計過程中有效避免了環繞式航線的可能由于掛靠港過于分散導致的負面影響。結合對航線設計結果中的結果分析綜合來看，考慮了集疏運系統中支線港口群之間的集疏運均衡性及空重箱均衡性的航線設計模型能夠依照集疏運特性有選擇性的應用穿梭航線與環繞式航線模式，二者組合構成的混合航線模式有效降低集疏運系統中不必要的運力浪費，并有效提升規模效益，降低了集疏運系統中船隊的運營成本。

混合模式下的航線模式對航次數有一定的減少作用，這意味著不但對于支線港和支線航線有了載箱率的提高和成本的降低。對于繁忙的南沙樞紐港區，更高的載箱率所帶來的相對更精簡的船隊規模與航次密度也有利于提高樞紐港支線船舶的裝卸作業效率，減少樞紐港支線船舶的排隊等待時間與擁擠程度。此外通過對航次時間的計算，環繞式航線構造對原有航線內各支線港的平均航次時間的延長并不明顯，仍有能力滿足干線船舶的硬時間窗約束。因此，在新的航線開設后也應該動態地或者周期性地根據航線網絡中各個支線港的運量水平與運量類型分布特征進行動態規劃和更新。