基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的北極掛靠港建模選擇研究

梁承姬， 姚 遠(yuǎn)*， 徐德洪， 翟點(diǎn)點(diǎn)

(1.上海海事大學(xué) 物流科學(xué)與工程研究院， 上海 201306； 2.西安外事學(xué)院 物流學(xué)院， 西安 710000)

基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的北極掛靠港建模選擇研究

梁承姬1， 姚 遠(yuǎn)1*， 徐德洪2， 翟點(diǎn)點(diǎn)1

(1.上海海事大學(xué) 物流科學(xué)與工程研究院， 上海 201306； 2.西安外事學(xué)院 物流學(xué)院， 西安 710000)

隨著全球氣溫變暖，北極冰層不斷融化，北極東北航線全面通航的可能性日益增加.隨著北極東北航線集裝箱貨運(yùn)量的不斷增加，越來越多的船公司會(huì)選擇航行北極東北航線，而北極東北航線的掛靠港選擇將成為船公司必須要考慮的問題.以上海港途經(jīng)北極東北航線到達(dá)鹿特丹港為研究對(duì)象，先運(yùn)用模糊評(píng)價(jià)法縮小港口選擇范圍，對(duì)北極東北航線的沿線港口做定性分析.然后在此基礎(chǔ)之上做定量分析，以船公司利潤最大為目標(biāo)，建立北極東北航線的最優(yōu)掛靠港選擇整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型.最后采用Lingo進(jìn)行求解，得出船公司北極東北航線的最優(yōu)掛靠港方案.結(jié)果表明，采用此種定性和定量相結(jié)合的方法可以更好地解決船公司選擇最優(yōu)掛靠港問題，同時(shí)對(duì)北極航線港口投資建設(shè)具有重要意義.

北極； 東北航線； 掛靠港； 模糊綜合評(píng)價(jià)法； 整數(shù)規(guī)劃

受到全球氣溫不斷上升的影響，北極冰層消融，海冰覆蓋率逐年降低.據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)，北極地區(qū)冰層正在以每10 a 減少8%的速度融化，為北極航線的開通提供了可能.2009年發(fā)布的“北極海運(yùn)評(píng)估報(bào)告”預(yù)測，2030年北極可能出現(xiàn)夏季無冰現(xiàn)象，2050年北極可能將出現(xiàn)全年無冰現(xiàn)象.同時(shí)伴隨著航運(yùn)和破冰技術(shù)的發(fā)展，北極航線實(shí)現(xiàn)全面通航指日可待.開通被航運(yùn)界譽(yù)為“黃金水道”的北極航線，上海以北港口到一些歐洲重要港口比傳統(tǒng)航線縮短25%～55%.2013年，全球共有71艘商船通過北極東北航線.隨著亞歐集裝箱運(yùn)輸量逐年增長，北極東北航線憑借其獨(dú)特的地理優(yōu)勢，對(duì)亞歐集裝箱運(yùn)輸?shù)膬r(jià)值將會(huì)不斷提升.張俠等[1]認(rèn)為北極航線未來更大運(yùn)輸需求是集裝箱運(yùn)輸，預(yù)測到2030年集裝箱貨運(yùn)規(guī)模最大值約為1 753萬TEU.

國內(nèi)外對(duì)于北極東北航線集裝箱運(yùn)輸?shù)难芯恐饕性谂c傳統(tǒng)航線比較，對(duì)其經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行分析.從參考的2010年～2016年最近7年10篇[2-11]國內(nèi)外關(guān)于北極東北航線集裝箱運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)可行性分析的文獻(xiàn)來看，其中有8篇認(rèn)為未來北極東北航線集裝箱運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)和技術(shù)都可行，與傳統(tǒng)航線相比具有明顯優(yōu)勢.可見大多數(shù)學(xué)者對(duì)于未來北極東北航線的集裝箱運(yùn)輸持樂觀態(tài)度.但是在實(shí)際運(yùn)作中，班輪公司在引入新的航線時(shí)，必須要對(duì)掛靠港進(jìn)行選擇.

目前國內(nèi)外研究掛靠港的選擇問題采用的方法主要是定性評(píng)價(jià)分析和數(shù)學(xué)模型定量研究.如Tran[12]在2011年通過建立以總成本最小化的數(shù)學(xué)模型，選擇出班輪運(yùn)輸掛靠的港口以及掛靠港口的順序.丁明明等[13]在2012年運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)我國沿海港口定性分析，建立集裝箱中轉(zhuǎn)港選擇整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型.國內(nèi)外對(duì)北極東北航線掛靠港選擇的研究比較少.梁承姬等[14]2015年以北極東北航線為背景，以運(yùn)輸總成本和裝卸總成本之和最小為目標(biāo)，建立了船公司航線的最優(yōu)掛靠港選擇模型，但是未考慮船公司的利潤，也未對(duì)北極東北航線沿線港口進(jìn)行系統(tǒng)全面分析.Zhao等[15]2016年以北極東北航線為研究背景對(duì)中歐集裝箱航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究，以船公司利潤最大化為目標(biāo)函數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)船公司集裝箱運(yùn)輸航線與掛靠港進(jìn)行重新設(shè)計(jì).但是未考慮北極東北航線沿線港口的掛靠.雖然目前北極東北航線沿線的港口基礎(chǔ)設(shè)施比較落后，但是未來貿(mào)易市場巨大，并且能夠?yàn)檫^往船舶提供加油維修等服務(wù)，對(duì)于北極東北航線的順利開通意義重大.

本文根據(jù)研究不足，對(duì)北極東北航線掛靠港的選擇問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，并根據(jù)北極東北航線港口的特點(diǎn)采用了定性和定量相結(jié)合的研究方法.首先選取上海港到鹿特丹港的北極東北航線的主要港口，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法縮小掛靠港的選擇范圍，然后以船公司利潤最大為目標(biāo)，建立北極東北航線掛靠港選擇數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算，最終選擇出上海港到鹿特丹港的北極東北航線最優(yōu)掛靠港.

1 問題描述

北極航線狹義上可分為“東北航線(Northeast Sea Routes， NSR)”和“西北航線”，如圖1所示.其中，東北航線西起摩爾曼斯克，經(jīng)北冰洋南部的巴倫支海、喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海、楚科奇海值至太平洋白令海到海參崴，全長約5 620 nmi.西北航線途經(jīng)美國阿拉斯加北部離岸海域、穿過加拿大北極群島.東北航線是如今北極地區(qū)最有吸引力和可行性的海運(yùn)航線.北極航線的開通不僅能大幅縮短航距，還可以緩解現(xiàn)今傳統(tǒng)航線擁堵及海盜威脅等問題.此外，北極地區(qū)被譽(yù)為“第二中東”，蘊(yùn)藏著極其豐富的自然資源.

預(yù)計(jì)未來不久北極東北航線的集裝箱運(yùn)量將會(huì)激增，會(huì)有越來越多的船公司計(jì)劃開拓北極東北航線沿線港口市場，但是為了獲得更大的利潤以及提高開拓新市場的可行性，需要確定哪些港口作為掛靠港.本文以上海港為起始港，途徑北極東北航

線到達(dá)目的港鹿特丹港為研究對(duì)象，對(duì)北極東北航線最優(yōu)掛靠港選擇做出決策.

據(jù)北極航線信息辦公室官方網(wǎng)站(http://www.arctic-lio.com)顯示，從上海港到鹿特丹港的北極東北航線沿線有18個(gè)港口，其中主要港口有8個(gè)，具體地理位置如圖2所示，基本情況如表1所示.

圖1 北極東北航線與西北航線示意圖(來源于觀察者網(wǎng)：http://www.guancha.cn/strategy/2017_05_22_409534.shtml)Fig.1 Schematic map of the Northeast Sea Route and Northwest Sea Route

圖2 北極東北航線沿線主要港口地理位置(來源于國家地理測繪信息局：http://11b2dt.nasg.gov.cn)Fig.2 Location of main ports along the NSR

各港口指標(biāo)海參崴港普羅維杰尼亞港佩韋克港季克西港迪克森港杜金卡港阿爾漢格爾斯克港摩爾曼斯克港泊位水深/m100～13035～10279～9429～68100～14080～11834～9247-149岸線長度/m4200435500150080017001500010000泊位數(shù)/個(gè)16651089150100全年無海冰覆蓋天數(shù)/d2502401209045120260365

注：數(shù)據(jù)來源于www.arctic-lio.com/arcticports.

2 基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的掛靠港評(píng)價(jià)分析

首先利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各港口進(jìn)行評(píng)價(jià)分析.模糊綜合評(píng)價(jià)法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論解決模糊問題和難以量化問題的綜合評(píng)價(jià)方法.因?yàn)闁|北航線沿線港口評(píng)價(jià)影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，有些無法通過具體數(shù)據(jù)對(duì)各因素做出確定性評(píng)價(jià)，只能通過“好”、“較好”這類模糊的詞語粗略評(píng)判.因此，應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立評(píng)價(jià)因素權(quán)重與分值的隸屬關(guān)系并采用隸屬度最大原則可以很好地解決該問題[16].通過對(duì)相關(guān)港口信息的廣泛收集，進(jìn)行反復(fù)比較、篩選、分析等處理，結(jié)合科學(xué)性、全面性、客觀性的原則，最終建立北極東北航線掛靠港的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示.

圖3 北極東北航線掛靠港評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation index system of NSR ports of call

然后利用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，邀請(qǐng)10位專家利用德爾菲法對(duì)北極東北航線沿線主要港口各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)級(jí).評(píng)級(jí)規(guī)則如下：分為很好、較好、一般、較差、差共5個(gè)等級(jí)，以海參崴港為例，各指標(biāo)權(quán)重以及評(píng)級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

根據(jù)海參崴港自然條件各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)值可計(jì)算出自然條件的隸屬度值為：

根據(jù)海參崴港基礎(chǔ)設(shè)施各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)值可計(jì)算出基礎(chǔ)設(shè)施的隸屬度值為：

根據(jù)海參崴港港口運(yùn)營各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)值可計(jì)算出港口運(yùn)營的隸屬度值：

根據(jù)海參崴港港口腹地各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)值可計(jì)算出港口腹地的隸屬度值：

表2 各指標(biāo)權(quán)重以及海參崴港評(píng)級(jí)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)海參崴港地理位置各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重以及相應(yīng)的評(píng)價(jià)值可計(jì)算出地理位置的隸屬度值：

根據(jù)海參崴港一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重和各二級(jí)指標(biāo)的隸屬度值可計(jì)算出海參崴港的最終隸屬度值：

根據(jù)最大隸屬度原則，海參崴港的最終評(píng)價(jià)結(jié)果為很好，同理可得其它港口的最大隸屬度和相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)果如表3所示.由評(píng)價(jià)結(jié)果可得出適合成為北極東北航線掛靠港的港口，其中有5個(gè)港口的評(píng)價(jià)結(jié)果都是很好，只是縮小了選擇范圍，并不能較為準(zhǔn)確地選擇最優(yōu)掛靠港，因此需要通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步定量研究.

表3 各港口的最大隸屬度及評(píng)價(jià)結(jié)果

3 建立北極東北航線掛靠港選擇模型

3.1 問題假設(shè)

為了方便建立數(shù)學(xué)模型，將實(shí)際問題理論化，依據(jù)集裝箱運(yùn)輸?shù)奶卣骱蜅l件，對(duì)北極東北航線掛靠港選擇數(shù)學(xué)模型作如下假設(shè)：

1) 北極東北航線僅有一個(gè)起始港和一個(gè)目的港，其中間的掛靠港也僅?？恳淮吻抑恍恫谎b；

2) 各港口之間均為直達(dá)航線；

3) 船公司的船舶航向是單向行駛，并非閉環(huán).

3.2 參數(shù)說明

N=1，2，…，n為n個(gè)候選掛靠港的集合；Rj為從上海港出口到港口j每TEU集裝箱的運(yùn)價(jià)；Cij表示集裝箱船從港口i到港口j的運(yùn)輸費(fèi)用；Uj表示集裝箱船在港口j每TEU集裝箱的平均裝卸費(fèi)用；Aj表示集裝箱船在港口j的卸載箱量；TW表示集裝箱船上裝載的集裝箱總數(shù)量；Fj表示集裝箱船的出入港情況，-1代表起始港，1代表目的港，其余的掛靠港均為0；βj表示通過模糊綜合評(píng)價(jià)法確定的港口j的最大隸屬度值；

決策變量：

3.3 數(shù)學(xué)模型

基于上述條件建立數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Xij∈0.1；

(7)

其中，式(1)為目標(biāo)函數(shù)，式(2)～(7)為約束條件.式(1)由3部分組成：第1部分表示集裝箱船運(yùn)輸集裝箱的總收入，第2部分表示集裝箱船的運(yùn)輸總成本，第3部分表示集裝箱船的裝卸總成本.

式(2)表示所選掛靠港的個(gè)數(shù)不大于所有候選掛靠港的總個(gè)數(shù)；式(3)表示在各個(gè)港口的總卸載箱量不大于集裝箱船上的總裝載箱量；式(4)表示出入港次數(shù)約束，集裝箱船在除了起始港與目的港的每個(gè)港口出港和入港次數(shù)均為1次，起始港只能出港1次，目的港只能入港1次；式(5)表示集裝箱船在每個(gè)港口的掛靠次數(shù)不大于1次；式(6)表示集裝箱船從每個(gè)港口的出港次數(shù)不大于1次；式(7)表示決策變量Xij的取值范圍.

4 數(shù)據(jù)收集與模型計(jì)算

4.1 數(shù)據(jù)收集

由于北極東北航線的水深限制，船舶的吃水深度不能超過13 m，大小為3 000 TEU～5 000 TEU的集裝箱船最適合航行北極東北航線[17]，冰區(qū)加強(qiáng)級(jí)別為Arc4的船舶可允許全年通行[18].因此選擇4 000 TEU冰區(qū)加強(qiáng)級(jí)別為Arc4的集裝箱船進(jìn)行研究.

根據(jù)上海航運(yùn)交易所、中國貨代行業(yè)調(diào)查以及該領(lǐng)域?qū)＜业囊庖娍梢灶A(yù)估各港口之間的集裝箱運(yùn)價(jià)、運(yùn)量以及平均裝卸費(fèi)用，如表4所示.北極東北航線候選掛靠港示意圖如圖4所示.通過Google Earth和BLM Shipping計(jì)算出起始港上海港、目的港鹿特丹港與5個(gè)候選掛靠港的航線距離，如表5所示.北極東北航線航行運(yùn)輸成本主要包括船舶租金、燃料費(fèi)、破冰費(fèi)和日常管理費(fèi)用.

表4 各港口集裝箱卸載量、運(yùn)價(jià)以及平均裝卸成本

1) 船舶租金：按近期租船價(jià)格，4 000 TEU普通集裝箱的租金大約為1.3萬USD/d，冰區(qū)加強(qiáng)級(jí)別為Arc4的集裝箱船造價(jià)要高，租金增加20%，即 1.56萬USD/d.北極浮冰大多數(shù)分布在普羅維杰尼亞港到阿爾漢格爾斯克港之間，則可認(rèn)為是冰區(qū)，其余為非冰區(qū).參考文獻(xiàn)[2]抗冰級(jí)船舶“雪龍?zhí)枴钡暮叫兴俣?，船舶在無冰區(qū)平均航行速度為24 kn，在冰區(qū)平均航行速度為14 kn，可計(jì)算每個(gè)港口之間的航行時(shí)間.

圖4 北極東北航線候選掛靠港示意圖Fig.4 Schematic map of the NSR candidate ports

2) 燃料費(fèi)：根據(jù)文獻(xiàn)[9]，在非冰區(qū)燃料消耗為0.3 t/nm，在冰區(qū)燃料消耗為0.5 t/nm.根據(jù)文獻(xiàn)[5]，IF380燃油平均價(jià)格為604.4 USD/t.

3) 破冰費(fèi)：根據(jù)文獻(xiàn)[18]，破冰引航費(fèi)是由船舶噸位、船舶冰級(jí)、護(hù)航距離和航行時(shí)期確定的.

4) 日常管理費(fèi)用：日常管理費(fèi)用主要包括船員工資和維修管理費(fèi).根據(jù)文獻(xiàn)[8]航行北極東北航線，4 000TEU的集裝箱船需要19名經(jīng)驗(yàn)豐富的船員，工資要比普通船員要高出10%，每月工資為10萬USD.根據(jù)文獻(xiàn)[6]，全年維修管理費(fèi)按照船舶造價(jià)2‰計(jì)算，4 000TEU冰區(qū)加強(qiáng)級(jí)別為Arc4的集裝箱船的造價(jià)按照5 000萬USD計(jì)，則維修管理費(fèi)為10萬USD.

綜合以上分析，可計(jì)算出北極東北航線每個(gè)港口之間的運(yùn)輸費(fèi)用，如表6所示.

表5 北極東北航線各港口之間航線距離

表6 北極東北航線各港口之間運(yùn)輸成本

續(xù)表6

4.2 模型計(jì)算與結(jié)果分析

將以上數(shù)據(jù)帶入北極東北航線掛靠港選擇模型，利用Lingo進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表7所示.

表7 Lingo求解結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果分析可得出以下結(jié)論：

1) 船公司航行北極東北航線掛靠海參崴港、阿爾漢格爾斯克港和摩爾曼斯克港可使得利潤最大，為59.16 萬USD.

2) 越靠近歐洲的港口由于對(duì)集裝箱市場需求較大且通航條件優(yōu)越，所以優(yōu)勢更加明顯.而未選擇普羅維杰尼亞港的主要原因是該港口對(duì)集裝箱的需求過小，未選擇杜金卡港的主要原因是通航環(huán)境比較惡劣，浮冰較多，從而增加了運(yùn)輸成本.

3) 隨著北極冰雪不斷消融，通航環(huán)境的不斷改善，運(yùn)輸成本會(huì)逐漸減少，船公司會(huì)獲得更大的利潤，從而會(huì)吸引更多的船公司航行北極東北航線，掛靠港的選擇也可能會(huì)因此發(fā)生變化，船公司可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整.

5 結(jié)語

本文針對(duì)船公司選擇上海港到鹿特丹港的北極東北航線掛靠港的問題，首先結(jié)合北極東北航線各港口的特點(diǎn)，通過模糊綜合評(píng)價(jià)法選出比較適合作為掛靠港的港口，縮小了選擇范圍.然后將模糊綜合評(píng)價(jià)法與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，建立最優(yōu)掛靠港選擇模型并進(jìn)行計(jì)算，最終得出選擇哪些掛靠港可以使得船公司獲得的利潤最大.為船公司航行北極東北航線的決策提供一定依據(jù)，也為北極東北航線沿線的港口投資建設(shè)提供一定參考.

但是目前只有2014年中遠(yuǎn)的一艘集裝箱船從上海港到杜金卡港試航，這主要受到目前北極東北航線破冰費(fèi)、季節(jié)性、貨物量等不確定性因素的影響，現(xiàn)階段主要處于理論研究.但是隨著未來北極條件的不斷改善、航行與破冰技術(shù)的不斷進(jìn)步，北極東北航線的通航價(jià)值將會(huì)不斷提升.

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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.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71471110，61540045)；上海市科委創(chuàng)新項(xiàng)目(14170501500，14DZ2280200，16DZ1201402)；上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(J50604)；陜西省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(2015D060)；上海海事大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2016ycx048)．

*通訊聯(lián)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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