賀凱凱,陳 焰
(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)
基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的武漢新港集裝箱吞吐量預(yù)測
賀凱凱,陳 焰
(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)
將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics,SD)理論用于武漢新港集裝箱吞吐量的預(yù)測,通過因果回路法和流圖分析法,分析港口資源環(huán)境、港口經(jīng)濟(jì)和港口運(yùn)輸三個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合作用關(guān)系,考慮多種不確定性因素對港口集裝箱吞吐量的影響,建立港口集裝箱運(yùn)輸?shù)腟D模型,通過對新港的實(shí)地調(diào)研,在對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸分析的基礎(chǔ)上,將SD模型與傳統(tǒng)預(yù)測模型的仿真結(jié)果進(jìn)行對比,其結(jié)果表明了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在港口集裝箱吞吐量中長期預(yù)測中的有效性,可為今后武漢新港及其他港口的交通布局規(guī)劃和整體發(fā)展戰(zhàn)略提供決策參考。
武漢新港;集裝箱吞吐量;預(yù)測;仿真;系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)
港口作為一個(gè)國家路網(wǎng)的終點(diǎn)及通往世界的起點(diǎn),在中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全球物流運(yùn)輸中扮演著重要角色。在我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步提升和國際貿(mào)易持續(xù)高速發(fā)展的大背景下,各產(chǎn)業(yè)貨物的適箱化比重也在穩(wěn)步提升,我國各大港口的集裝箱吞吐量也得到了快速發(fā)展。作為國際多式聯(lián)運(yùn)的主要運(yùn)輸方式及現(xiàn)代港口運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展模式,集裝箱運(yùn)輸在港口物流中所占地位越來越重要。
港口集裝箱運(yùn)輸是一個(gè)包含社會、經(jīng)濟(jì)以及自然資源等多種要素的復(fù)雜動(dòng)態(tài)發(fā)展系統(tǒng),是諸如社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、港口運(yùn)營情況、港口資產(chǎn)投資以及自然資源環(huán)境限制等多重影響因素綜合作用的結(jié)果[1],其穩(wěn)定性和相關(guān)性是影響港口系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要因素,已成為社會各界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)之一。相關(guān)研究主要表現(xiàn)為:①在研究內(nèi)容上,集中于集裝箱布局與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]、集裝箱港口的集疏運(yùn)[3]、港口與城市互動(dòng)[4]等領(lǐng)域,近年來隨著我國港口規(guī)模的迅猛發(fā)展,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)不斷應(yīng)用于港口發(fā)展領(lǐng)域。②在研究方法上,主要構(gòu)建預(yù)測理論體系,建立簡單非線性模型來做定量研究,以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[5]、組合預(yù)測模型[6]為主,特別是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)已經(jīng)應(yīng)用于港口吞吐量的定量研究[7-8]。
貨物的集裝箱運(yùn)輸是是一種新型的、高適應(yīng)性、高效率的現(xiàn)代化運(yùn)輸模式,是港口戰(zhàn)略規(guī)劃的核心內(nèi)容,準(zhǔn)確地預(yù)測港口集裝箱吞吐量對于港口合理科學(xué)的布局、建設(shè)規(guī)模的確定、運(yùn)營管理的部署以及綜合運(yùn)輸?shù)囊?guī)劃都具有十分重要的意義[9]。目前港口集裝箱吞吐量的大多數(shù)預(yù)測研究中對吞吐量增長率的變化規(guī)律和影響因素考慮較少,很難估計(jì)誤差的上下限[10]。港口的集裝箱運(yùn)輸是一個(gè)復(fù)雜龐大的動(dòng)態(tài)發(fā)展系統(tǒng),是多重影響因素綜合作用的結(jié)果,因此不能采用單一的定量預(yù)測方法。
武漢新港位于長江黃金水道中游,由武漢、鄂州、黃岡、咸寧4市口岸統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)而成,于2010年正式成立,是武漢城市圈經(jīng)濟(jì)、社會進(jìn)一步發(fā)展的重要依托,其目標(biāo)是“億噸大港、千萬標(biāo)箱”[11]。近年來,武漢新港依托腹地相對發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和承東啟西、連南接北的區(qū)位優(yōu)勢,取得了較快發(fā)展,為武漢長江中游航運(yùn)中心、全國綜合交通樞紐的建設(shè)奠定了基礎(chǔ),成為“一帶一路”、長江經(jīng)濟(jì)帶兩大國家戰(zhàn)略在武漢的最佳契合點(diǎn)。隨著武漢新港的迅猛發(fā)展,如何合理地規(guī)劃港區(qū)布局已成為武漢新港集裝箱運(yùn)輸進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵議題。解決的關(guān)鍵是明確集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的耦合作用機(jī)制?;诖耍捎孟到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)[12](System Dynamics,SD)的方法與原理,將定性分析與定量分析相結(jié)合,構(gòu)建基于SD的港口集裝箱吞吐量預(yù)測模型,以武漢新港為研究對象,實(shí)證研究和動(dòng)態(tài)模擬港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的相互耦合作用情況,并對其集裝箱吞吐量進(jìn)行合理預(yù)測,為集裝箱港口的發(fā)展規(guī)劃提供理論依據(jù)和決策參考。
2.1 模型的基本假設(shè)
本文所研究的主要內(nèi)容是對武漢新港未來幾年集裝箱吞吐量進(jìn)行預(yù)測,主要變量是武漢新港的集裝箱吞吐量,時(shí)間界限為2010-2030年,模型運(yùn)行的仿真時(shí)間步長為1年。
模型的基本假設(shè)條件如下:
①長江流域重要的港口有重慶港、武漢新港、南京港、上海港等。由于重慶港位于武漢新港的上游,且通過對武漢新港的實(shí)地調(diào)研可知,武漢新港的中轉(zhuǎn)集裝箱絕大多數(shù)來自重慶港。故此假設(shè)武漢新港的水水中轉(zhuǎn)集裝箱貨源全部來自重慶港。
②武漢新港通江達(dá)海、輻射中部、未來目標(biāo)面向全國乃至世界。經(jīng)濟(jì)腹地包括湖北、湖南、重慶、四川、河南、山西、陜西七省市,是北方煤炭“江鐵聯(lián)運(yùn)”、中西部地區(qū)集裝箱“江海直達(dá)”運(yùn)輸?shù)闹匾獦屑~[11]。根據(jù)武漢新港的地理位置、發(fā)展現(xiàn)狀和目前我國集裝箱運(yùn)輸?shù)恼w格局,通過對武漢新港的實(shí)地調(diào)研,本文認(rèn)為湖北省是武漢新港的直接經(jīng)濟(jì)腹地,重慶市為間接經(jīng)濟(jì)腹地。
③不考慮通貨膨脹率的影響,假設(shè)武漢新港的腹地經(jīng)濟(jì)能保持穩(wěn)定增長。
④湖北省政府對武漢新港的建設(shè)采取長期支持政策,暫不考慮其他復(fù)雜的政策因素對武漢新港建設(shè)所產(chǎn)生的影響。
⑤假設(shè)武漢新港發(fā)展的外部自然資源條件只受岸線資源、水資源與能源資源的影響。
⑥武漢新港的集疏運(yùn)能力用貨運(yùn)量來量化代替。
2.2 因果反饋分析
基于系統(tǒng)的總體性、層次性和相關(guān)性等原則,通過對港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)主要變量之間相互關(guān)系的分析,建立港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)主要變量的因果回路圖,宏觀上可以形成資源環(huán)境─經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源環(huán)境─港口運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)發(fā)展─港口運(yùn)輸三大因果反饋環(huán)。如圖1所示。
圖1 港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)主要變量因果回路
2.3 SD模型結(jié)構(gòu)
確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的首要任務(wù)就是根據(jù)所研究問題的實(shí)質(zhì)和目的來劃定系統(tǒng)的邊界[12]。根據(jù)系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的可操作性原則,將港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)分解為港口資源環(huán)境子系統(tǒng)(資源條件、地理形勢和環(huán)境水平)、港口經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)(經(jīng)濟(jì)水平、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)投入)和港口運(yùn)輸子系統(tǒng)(運(yùn)輸水平和貨運(yùn)指標(biāo))。
2.3.1 資源環(huán)境子系統(tǒng)。根據(jù)武漢新港資源和能源的利用結(jié)構(gòu)和水平,將地理?xiàng)l件和航道條件作為資源環(huán)境子系統(tǒng)的主要變量,重點(diǎn)考量作為水平變量的水資源、岸線資源和能源的消耗情況,并對環(huán)境因素等輔助變量進(jìn)行分析,使其與其他子系統(tǒng)相連接,以確保系統(tǒng)的完整性。其主要變量體系見表1。
表1 資源環(huán)境子系統(tǒng)主要變量
2.3.2 港口經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。主要包括經(jīng)濟(jì)水平、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)投入三部分。武漢新港的集裝箱吞吐量主要是由直接經(jīng)濟(jì)腹地各產(chǎn)業(yè)適箱貨通過水路運(yùn)輸所產(chǎn)生的,同時(shí)也受對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易和間接經(jīng)濟(jì)腹地的影響。經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)的穩(wěn)步提升能促進(jìn)港口運(yùn)輸子系統(tǒng)的發(fā)展,同時(shí)也受資源環(huán)境子系統(tǒng)的限制。其主要變量體系見表2。
表2 港口經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)主要變量
2.3.3 港口運(yùn)輸子系統(tǒng)。港口運(yùn)輸子系統(tǒng)主要包括運(yùn)輸水平和貨運(yùn)指標(biāo)兩個(gè)方面。其中運(yùn)輸水平主要是指港口的集疏運(yùn)與通過能力,也是引起港口集裝箱吞吐量變化的主要原因變量。港口集疏運(yùn)能力由陸路集疏運(yùn)能力和水路集疏運(yùn)能力兩部分構(gòu)成;港口通過能力則與港口的固定資產(chǎn)總值有關(guān)。其主要變量體系見表3。
表3 港口運(yùn)輸子系統(tǒng)主要變量
2.3.4 各子系統(tǒng)相互作用機(jī)制。港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)是由資源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸系統(tǒng)高度融合的復(fù)雜發(fā)展動(dòng)態(tài)系統(tǒng),具有高階次、非線性和多重反饋性等特征,各子系統(tǒng)間的相互耦合作用以行為反饋的形式得以呈現(xiàn):①港口腹地經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,使人均消費(fèi)水平得以提高,這間接導(dǎo)致了集裝箱運(yùn)輸需求的增加。②隨著港口基礎(chǔ)設(shè)施和集疏運(yùn)能力的不斷完善,港口集裝箱吞吐量需求持續(xù)增加,當(dāng)有限的港口通過能力不能滿足其不斷增長的吞吐量需求時(shí),便會加劇貨物集裝箱運(yùn)輸能力的短缺,進(jìn)而出現(xiàn)貨物積壓現(xiàn)象。③港口集裝箱吞吐量的增加與自然資源的消耗呈正相關(guān)關(guān)系,但港口的自然資源是有限的,如果岸線開發(fā)及其他資源的利用超出大自然的承載力,港口建設(shè)便會進(jìn)入瓶頸,從而限制港口的進(jìn)一步發(fā)展。
2.4 港口集裝箱吞吐量預(yù)測模型的構(gòu)建
根據(jù)港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)主要變量因果回路圖,在詳細(xì)分析系統(tǒng)各主要變量之間因果反饋關(guān)系的基礎(chǔ)上,可以得到港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的存量流量圖,如圖2所示。存量流量圖能夠用符號表達(dá)模型的復(fù)雜概念,其中港口集裝箱吞吐量受腹地經(jīng)濟(jì)、港口通過能力、港口集疏運(yùn)能力以及港口自然資源環(huán)境的綜合影響。
系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)主要通過連接不同變量的微分方程式來體現(xiàn)[13]。在港口集裝箱運(yùn)輸模型中,所有的變量之間的精確關(guān)系都是通過方程關(guān)系式連接起來的,而整個(gè)模型的內(nèi)在結(jié)構(gòu)也可以通過這些變量之間的精確關(guān)系體現(xiàn)出來。模型的部分方程關(guān)系式見表4。
為了驗(yàn)證所建立模型的有效性,在得到存量流量圖與結(jié)構(gòu)關(guān)系式的基礎(chǔ)上,本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件VENSIM PLE,以武漢新港為例對系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真,以便對武漢新港集裝箱吞吐量的預(yù)測及規(guī)劃提供一定的參考價(jià)值,其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選自湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒、重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒、中國港口統(tǒng)計(jì)年鑒、湖北省統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站以及武漢新港官方網(wǎng)站。
圖2 港口集裝箱運(yùn)輸SD模型流圖
表4 港口集裝箱運(yùn)輸SD模型主要結(jié)構(gòu)方程表
3.1 模型參數(shù)估計(jì)及檢驗(yàn)
本文參數(shù)的精確度是以滿足系統(tǒng)建模的基本要求為基準(zhǔn)的,主要通過查閱相關(guān)資料、統(tǒng)計(jì)年鑒和已發(fā)表的相關(guān)研究成果,相關(guān)變量的表函數(shù)及參數(shù)的確定是應(yīng)用SPSS軟件對相關(guān)變量進(jìn)行回歸分析得出的。具體的參數(shù)確定方法見表5。
3.1.1 各產(chǎn)業(yè)適箱化貨物系數(shù)的確定。2010-2015年武漢新港內(nèi)貿(mào)箱吞吐量與湖北省各產(chǎn)業(yè)GDP的具體情況見表6。
表5 參數(shù)確定方法一覽表
表6 2010-2015年武漢新港內(nèi)貿(mào)集裝箱吞吐量與湖北省各產(chǎn)業(yè)GDP值
各產(chǎn)業(yè)適箱化系數(shù)是指各產(chǎn)業(yè)每單位增加值所生成的內(nèi)貿(mào)箱裝載數(shù)。根據(jù)表6中湖北省各產(chǎn)業(yè)值與武漢新港內(nèi)貿(mào)集裝箱吞吐量數(shù)據(jù),建立三元線性回歸模型:
式中:Y-內(nèi)貿(mào)集裝箱吞吐量;X1、X2、X3-第一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值。
由于內(nèi)貿(mào)集裝箱吞吐量與各產(chǎn)業(yè)增值之間的關(guān)系是非線性的,故此將變量進(jìn)行初步變換,使變換后所得到的新變量對于參數(shù)呈線性關(guān)系。其變化公式為:y=ln(Y),則可得到新的線性回歸模型[14]:
利用SPSS軟件對其參數(shù)進(jìn)行回歸分析,可得到如下回歸方程:
故此,第一、二、三產(chǎn)業(yè)貨物適箱化系數(shù)分別為1.672、-3.520、4.382,其常數(shù)項(xiàng)為-6.012。
3.1.2 模型初始值的確定。在對SD模型進(jìn)行仿真之前,需要對模型中的常量及狀態(tài)變量的初始值進(jìn)行賦值。模型的部分初始參數(shù)設(shè)置見表7。
表7 武漢新港集裝箱運(yùn)輸SD模型部分參數(shù)初始值(2010年)
3.2 預(yù)測結(jié)果及發(fā)展趨勢模擬
本文的主要目的是對影響集裝箱吞吐量的變量進(jìn)行分析,并根據(jù)所建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來對武漢新港的集裝箱吞吐量進(jìn)行預(yù)測,具體的發(fā)展趨勢如圖3所示。
從圖3中可以看出,現(xiàn)階段武漢新港的集裝箱吞吐量處于持續(xù)快速增長階段,主要是因?yàn)槲錆h新港成立的時(shí)間較短,港口基礎(chǔ)設(shè)施和集疏運(yùn)能力的提升空間很大,隨著人們經(jīng)濟(jì)生活水平的提高和相關(guān)鼓勵(lì)政策的實(shí)施,貨物運(yùn)輸量會持續(xù)增長,這就使得集裝箱吞吐量持續(xù)增長。另外,根據(jù)模型預(yù)測,2030年武漢新港的集裝箱吞吐量將達(dá)到1 009.3萬TEU,該預(yù)測值與《武漢新港總體規(guī)劃(修編)》提出的2030年武漢新港集裝箱吞吐量達(dá)到1 000萬TEU較為吻合,證明了模型的適用性與準(zhǔn)確性。
圖3 武漢新港集裝箱吞吐量發(fā)展趨勢圖
3.3 模型有效性檢驗(yàn)
研究過程中還采用傳統(tǒng)的灰色馬爾科夫鏈預(yù)測方法建立相應(yīng)的港口集裝箱吞吐量預(yù)測模型,用于與SD模型的比較分析,以驗(yàn)證系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在港口集裝箱吞吐量中長期預(yù)測的有效性和合理性。以2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對武漢新港集裝箱吞吐量進(jìn)行預(yù)測,選取2011-2015年兩種集裝箱吞吐量預(yù)測模型的仿真值與實(shí)際的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行比較,并分析其相對誤差。其結(jié)果見表8。
表8 模型有效性檢驗(yàn)誤差分析表
通過對SD預(yù)測模型與灰色馬爾科夫鏈預(yù)測模型仿真結(jié)果的對比分析可知,SD模型的相對誤差值遠(yuǎn)小于灰色馬爾科夫鏈模型,其各預(yù)測值的平均誤差為4.54%,除2015年外,其預(yù)測相對誤差都在5%之內(nèi)。2015年的預(yù)測誤差為9.52%,這是由于全國經(jīng)濟(jì)增速放緩,加之受北方某重要港口安全事故的影響,武漢新港開展嚴(yán)格的自查工作,對危險(xiǎn)品及化學(xué)品的運(yùn)輸采取嚴(yán)格的規(guī)定,導(dǎo)致其集裝箱吞吐量的增速有所放緩。
一般認(rèn)為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的誤差在15%內(nèi)都是合理的,該模型的仿真結(jié)果在誤差范圍內(nèi),因此,模型描述的行為與系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)基本相符,具有較高的可信度,建立的港口集裝箱運(yùn)輸模型能夠較為真實(shí)地反映武漢新港集裝箱運(yùn)輸?shù)膶?shí)際系統(tǒng)。
港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)具有多變量、高階次、多回路和強(qiáng)非線性的反饋系統(tǒng),傳統(tǒng)線性的、簡單的預(yù)測方法無法有效地解釋各子系統(tǒng)的內(nèi)在組織關(guān)系。本文所構(gòu)建的SD預(yù)測模型考慮的影響因素較為全面,不僅考慮了諸如經(jīng)濟(jì)等常規(guī)性因素,而且將自然資源及港口本身的發(fā)展現(xiàn)狀及政策等因素融入系統(tǒng),能夠較為全面地反映各子系統(tǒng)間的相互耦合關(guān)系,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)利用武漢新港集裝箱運(yùn)輸?shù)臍v史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行仿真檢驗(yàn),通過與傳統(tǒng)預(yù)測模型仿真結(jié)果的對比分析,證明了模型的有效性。但是模型也有一定的不足,例如將自然環(huán)境資源因素進(jìn)行了簡化處理,用岸線資源、能源資源和水資源來代替整個(gè)自然資源對港口集裝箱運(yùn)輸?shù)挠绊懀哂幸欢ǖ钠嫘?,預(yù)測結(jié)果存在不同程度的誤差。從總體來說,運(yùn)用該模型,能將各調(diào)控變量都限制在適度的范圍內(nèi),同時(shí)得到目標(biāo)年份的集裝箱吞吐量,具有較強(qiáng)的實(shí)用性和科學(xué)性。
武漢新港集裝箱運(yùn)輸SD模型仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)用于港口集裝箱吞吐量的中長期預(yù)測具有較高的精度,能較為真實(shí)地展現(xiàn)港口集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)部之間的耦合關(guān)系,能夠?yàn)楦劭诘囊?guī)劃決策提供一定的依據(jù)。
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Container Throughput Forecasting of Wuhan Newport Based on System Dynamics
He Kaikai,Chen Yan
(School of Logistics Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)
In this paper,we introduced the system dynamics theory into the forecasting of the container throughput of the Wuhan Newport.Then through causal loop and flowchart analysis,we studied the coupling relationship between the three subsystems of the port,which were the port resource environment subsystem,port economic subsystem and port transportation subsystem.Next considering the influence of multiple uncertain factors upon the container throughput of the port,we built the container transportation SD model of the port and by a regression analysis of the practical data from a field survey of the Wuhan Newport,compared the simulation result of the SD model with that of a traditional forecasting model,demonstrating the validity of the system dynamics model in the long-term forecasting of the container throughput of a port.
Wuhan Newport;container throughput;forecasting;simulation;system dynamics
F224.0;U169.6
A
1005-152X(2017)06-0057-06
10.3969/j.issn.1005-152X.2017.06.016
2017-04-10
湖北省部級基金“交通運(yùn)輸行業(yè)信息化績效評價(jià)系統(tǒng)及評測應(yīng)用研究”(20151g0127);國家自然科學(xué)基金“不確定集港環(huán)境下班輪航線的動(dòng)態(tài)配載決策方法研究”(71372202);國家自然科學(xué)基金“基于移動(dòng)智能體調(diào)度的混雜工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性研究”(61571336)
賀凱凱(1994-),男,碩士研究生,研究方向:物流管理;陳焰(1973-),女,副教授,博士,研究方向:物流管理。