需求約束下集裝箱碼頭裝卸設(shè)施配置逆優(yōu)化模型

魯 渤王輝坡汪壽陽

(1.大連大學(xué)國際學(xué)院,遼寧大連116622；2.大連大學(xué)智慧航運(yùn)與物流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116622；3.大連大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,遼寧大連116622；4.中國科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京100190)

1 引 言

長期以來一直存在港口過剩的爭論,有的學(xué)者認(rèn)為我國港口產(chǎn)能存在總體供給過剩.例如:姜超雁等[1]認(rèn)為港口之間的距離在200 km比較合理,而我國沿海港口的密度為50 km就有一個1 000t以上的港口,導(dǎo)致港口產(chǎn)能總體過剩,各港口之間均出現(xiàn)過度競爭.龐彪[2]認(rèn)為我國各港的實(shí)際吞吐能力平均過剩三四成,即使情況較好的長三角港口,平均過剩產(chǎn)能也達(dá)兩成以上,珠三角港口過剩產(chǎn)能約三成.而有的學(xué)者認(rèn)為我國港口僅僅是結(jié)構(gòu)性的過剩.例如:史婧力[3]認(rèn)為雖然部分區(qū)域港口存在產(chǎn)能過剩,但是由于港口屬于公共基礎(chǔ)設(shè)施,適度過剩是正常的,但同時部分港口確實(shí)存在產(chǎn)能過剩和收益下滑的局面.2015年12月中央經(jīng)濟(jì)工作會議提出“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革是適應(yīng)和引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)的重大創(chuàng)新”,各行各業(yè)都應(yīng)該按照中央的統(tǒng)一部署,根據(jù)行業(yè)本身的特點(diǎn)進(jìn)行供給管理,供給創(chuàng)新,優(yōu)化供給結(jié)構(gòu).港口行業(yè)也不例外,根據(jù)市場需求優(yōu)化自己的資源配置實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革.

因此,業(yè)界的共識是在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下,過去依靠粗放式發(fā)展的經(jīng)濟(jì)模式已經(jīng)不能適應(yīng)新時代的要求,必須根據(jù)國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的戰(zhàn)略,對目前的港口資源進(jìn)行優(yōu)化,避免過度競爭,從而提高集裝箱碼頭的收益.供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的核心是去產(chǎn)能,這就要求在滿足市場需求的條件下,以最小成本減少集裝箱碼頭裝卸設(shè)施.但是目前對集裝箱碼頭生產(chǎn)的優(yōu)化主要集中在效率方面,即如何有效的利用港口現(xiàn)有的岸線、裝卸設(shè)備和堆場等資源,提高港口通過能力和吞吐量[4-6].

雖然這些研究對于提高集裝箱碼頭的運(yùn)行效率,降低生產(chǎn)成本起到了重要的作用,但是這和目前國家的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革戰(zhàn)略不相符.即如何在市場需求一定的條件下通過優(yōu)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)施,優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)收益的優(yōu)化.因此,本文將研究在需求約束下通過優(yōu)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)施的數(shù)量實(shí)現(xiàn)對集裝箱碼頭的去產(chǎn)能和供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革.本文提出在需求約束的條件下優(yōu)化港口設(shè)施配置的科學(xué)問題.傳統(tǒng)的港口資源優(yōu)化和配置研究都是以產(chǎn)能最大化或效率最高為研究目標(biāo)的,本論文的研究以需求不足為前提,對產(chǎn)能淘汰過程進(jìn)行優(yōu)化,使得資源調(diào)整費(fèi)用最小.利用互補(bǔ)松弛定理構(gòu)建了集裝箱碼頭裝卸設(shè)施逆優(yōu)化模型.

在集裝箱碼頭資源優(yōu)化領(lǐng)域,學(xué)者們做了大量的工作,并且取得了豐富的成功.目前針對集裝箱碼頭資源配置的優(yōu)化研究主要集中在下面幾個方面:首先,港口泊位調(diào)度的優(yōu)化.在這一領(lǐng)域?qū)W者們做出了大量的工作.例如Nishimura等[7]和Imai等[8-10]提出了從靜態(tài)泊位優(yōu)化到動態(tài)泊位優(yōu)化,從離散泊位優(yōu)化到連續(xù)泊位優(yōu)化等一系列模型和算法.徐亞等[11]構(gòu)建了多碼頭協(xié)調(diào)運(yùn)作的泊位調(diào)度模型,曾慶成等[12]認(rèn)為泊位分配和裝卸橋調(diào)度是相互影響的,因此建立了泊位分配和裝卸橋調(diào)度干擾管理模型.其次,針對港口的集疏運(yùn)體系進(jìn)行優(yōu)化.Xu等[13]對大連港和廣州港的集疏運(yùn)體系進(jìn)行了對比研究；李桂芝[14]應(yīng)用PSO算法對大連港的集疏運(yùn)體系進(jìn)行了優(yōu)化.第三,針對集裝箱的管理進(jìn)行優(yōu)化.Song等[15,16]和Meng等[17]對集裝箱的空箱重置策略進(jìn)行了研究.計明軍等[18]和魯渤等[19]對港口集裝箱的調(diào)運(yùn)進(jìn)行了優(yōu)化.第四,針對堆場的管理和布局進(jìn)行優(yōu)化.例如:沙梅等[20]對集裝箱堆場的布局進(jìn)行了優(yōu)化.何霆等[21]建立了堆場堆存服務(wù)計劃優(yōu)化模型,并提出了求解該問題的算法.邵乾虔等[22]建立了最小化預(yù)翻箱數(shù)量和場橋堆存作業(yè)移動距離的兩階段優(yōu)化模型,并針對兩個階段分別設(shè)計了靜態(tài)和動態(tài)算法.第五,針對集卡和其他資源協(xié)同優(yōu)化.張笑等[23]以總時間最小為目標(biāo)構(gòu)建了集裝箱碼頭集卡與岸橋協(xié)作優(yōu)化模型.近年來,隨著環(huán)保壓力和新優(yōu)化技術(shù)的成熟,港口資源優(yōu)化領(lǐng)域的研究出現(xiàn)了一些新的趨勢.一方面,以港口低碳綠色發(fā)展為目標(biāo)的優(yōu)化逐漸受到學(xué)者的重視[24,25]；另一方面,隨著帶均衡約束的優(yōu)化技術(shù)的完善,針對集裝箱碼頭作業(yè)具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征,部分學(xué)者開始嘗試對集裝箱碼頭的均衡作業(yè)進(jìn)行研究[26,27].

雖然有關(guān)集裝箱碼頭設(shè)施配置優(yōu)化的研究取得了豐富的成果,但是目前所有的研究幾乎只針對集裝箱碼頭的生產(chǎn)運(yùn)營環(huán)節(jié),沒有考慮市場需求.這是因?yàn)殚L期以來我國港口基本處于供不應(yīng)求的局面,導(dǎo)致所有的研究都是針對現(xiàn)有資源進(jìn)行優(yōu)化,沒有考慮資源的動態(tài)調(diào)整,尤其是以“去產(chǎn)能”和“供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革”為目的的動態(tài)調(diào)整.基于此,本文以目前國家推行的供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革為背景,結(jié)合港口行業(yè)產(chǎn)能總體過剩的局面,提出了基于逆優(yōu)化方法的以資源調(diào)整費(fèi)用最小為目標(biāo)的資源配置優(yōu)化模型,該模型對促進(jìn)港口行業(yè)去產(chǎn)能和持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值.

雖然這些研究對于提高集裝箱碼頭的運(yùn)行效率、降低生產(chǎn)成本起到了重要的作用,但是這和目前國家的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革戰(zhàn)略不相符.即如何在市場需求一定的條件下通過優(yōu)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)施、優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)收益的優(yōu)化.因此,本文將研究在需求約束下通過優(yōu)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)施的數(shù)量實(shí)現(xiàn)對集裝箱碼頭的去產(chǎn)能和供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革.

2 集裝箱碼頭裝卸設(shè)施配置逆優(yōu)化模型

2.1 集裝箱碼頭作業(yè)過程

Garrido等[28]將集裝箱碼頭的內(nèi)部作業(yè)分成三個階段:集裝箱裝卸,集裝箱移動和集裝箱堆放.集裝箱進(jìn)港過程如下:集裝箱船舶到達(dá)港口后,首先通過集裝箱吊具,例如岸橋等進(jìn)行集裝箱的裝卸作業(yè),然后通過底盤車、跨運(yùn)車、集裝箱卡車、集裝箱叉車與輪胎龍門吊等進(jìn)行集裝箱的移動,最后將集裝箱堆放在指定的集裝箱堆場等待疏運(yùn)出港區(qū).集裝箱出港過程和上述過程相反,首先,將準(zhǔn)備出港的集裝箱堆放至指定堆場,當(dāng)集裝箱船舶到達(dá)港口后,通過集裝箱平移工具將集裝箱平移至裝卸區(qū),最后通過集裝箱吊具進(jìn)行集裝箱裝船操作.操作平面圖見圖1所示.港口企業(yè)是以集裝箱裝卸作業(yè)為主的服務(wù)型企業(yè),裝卸收費(fèi)是其主要收入來源,裝卸總成本是其最主要的生產(chǎn)成本.

圖1 集裝箱碼頭操作平面圖Fig.1 Operation plan of container terminal

2.2 模型構(gòu)建過程

為了達(dá)到上述運(yùn)營目標(biāo),集裝箱碼頭必須投入相應(yīng)的裝卸設(shè)施,這些設(shè)施包括集裝箱吊具,集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)工具以及集裝箱堆場.因此該集裝箱碼頭的資源約束分析如下.

1)集裝箱吊具工時約束

2)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)工時約束

3)集裝箱堆場容量限制

該集裝箱碼頭的第i種集裝箱堆場的容量為QiTEU,平均存放天數(shù)為T,則集裝箱堆場的約束為Txi≤Qi,i∈Γ.

傳統(tǒng)集裝箱碼頭作業(yè)優(yōu)化模型可以表示成如下(LP1)問題

但是在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)和需求不足的背景下,上述模型并不能起到優(yōu)化作用.例如在現(xiàn)有資源約束下的最優(yōu)解為Z?,此時需要裝卸的各種集裝箱的數(shù)量為.但是由于產(chǎn)能過剩該最優(yōu)產(chǎn)量大于市場的集裝箱運(yùn)輸需求量.因此最大利潤Z?盡管在技術(shù)上是可行的,但是實(shí)際中是不可能達(dá)到的,因此集裝箱碼頭的運(yùn)營存在資源的浪費(fèi).根據(jù)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的指導(dǎo)思想,目前的實(shí)際問題是要生產(chǎn)的產(chǎn)量,每種生產(chǎn)要素應(yīng)該減少多少,并盡量降低調(diào)整成本.即通過改變資源約束,即將ds減少為,將tm減少為,將Qi減少為,使得是線性規(guī)劃(LP1)的最優(yōu)解.但是滿足上述要求的不是唯一的.

因此要求以最小的成本實(shí)現(xiàn)上述調(diào)整.有下列優(yōu)化問題(LP2)

3 集裝箱碼頭裝卸設(shè)施逆優(yōu)化模型的求解方法

上述模型是一個典型的逆優(yōu)化問題.[29]因此可以通過構(gòu)建LP1問題的逆優(yōu)化模型來解決需求約束下的集裝箱碼頭裝卸設(shè)施的逆優(yōu)化問題.一般情況下只需將是LP1的最優(yōu)解這一條件用互補(bǔ)最優(yōu)性條件代替即可.令y?為LP1對偶問題的最優(yōu)解,并且約定

LP2可以表示為逆優(yōu)化模型ILP1

ILP2即為需求約束下,根據(jù)需求要求調(diào)整集裝箱裝卸設(shè)施數(shù)量的最小調(diào)整成本模型.

4 集裝箱碼頭裝卸設(shè)施逆優(yōu)化模型的應(yīng)用

4.1 各類參數(shù)賦值

假設(shè)某集裝箱碼頭,可以裝卸兩種集裝箱,普通集裝箱和冷鏈集裝箱.每天裝卸普通集裝箱的數(shù)量為x1,冷鏈集裝箱的數(shù)量為x2,因此Γ={1,2},1表示普通集裝箱,2表示冷鏈集裝箱.同時假設(shè)某碼頭有三個集裝箱泊位,因此Σ={1,2,3},分別表示三個泊位.各集裝箱泊位均采用橋吊裝卸船,即Λ={1}.各泊位都采用底盤車和跨運(yùn)車兩種技術(shù)方案平運(yùn)集裝箱,因此Ξ={1,2},1表示底盤車,2表示跨運(yùn)車.普通集裝箱和冷鏈集裝箱分別存放在普通集裝箱堆場和冷鏈集裝箱堆場.模型(LP1)中的參數(shù)pi的取值為p1=1.0,p2=1.5,其它參數(shù)取值見表1～表9.

表1 參數(shù)δijs的取值Table 1 The value of parameterδijs

表2 參數(shù)cijs的取值Table 2 The value of parametercijs

表3 參數(shù)γijm,m=1的取值Table 3 The value of parameterγijm,m=1

表4 參數(shù)γijm,m=2的取值Table 4 The value of parameterγijm,m=2

表5 參數(shù)vijm,m=1的取值Table 5 The value of parametervijm,m=1

表6 參數(shù)vijm,m=2的取值Table 6 The value of parametervijm,m=2

表7 參數(shù)aijs的取值Table 7 The value of parameteraijs

表9 參數(shù)βijm,m=2的取值Table 9 The value of parameterβijm,m=2

4.2 模型應(yīng)用的主要結(jié)論

在上述資源和技術(shù)約束下,該集裝箱碼頭的最優(yōu)產(chǎn)量應(yīng)該為普通集裝箱310 TEU/d,冷鏈集裝箱1 000 TEU/d.

但是由于港口產(chǎn)能過剩,假設(shè)目前該碼頭的需求量為普通集裝箱280 TEU/d,冷鏈集裝箱850 TEU/d.因此需要使用本文提出的需求約束下集裝箱碼頭裝卸設(shè)施逆優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化.經(jīng)過計算可知,當(dāng)橋吊工時減少為412.7 h/d,冷鏈集裝箱堆場的容量減少為12 750 TEU時,在目前的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)下,普通集裝箱280 TEU/d,冷鏈集裝箱850 TEU/d的產(chǎn)能是最優(yōu)的.

可見傳統(tǒng)模型通過資源優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有裝卸設(shè)施下使得集裝箱碼頭吞吐量最大化的效果,但是由于經(jīng)濟(jì)形勢的變化,實(shí)際需求量小于碼頭的吞吐量,使得這一結(jié)果在實(shí)際運(yùn)營中并不是最優(yōu)的,還存在碼頭裝卸設(shè)施的閑置,這增加了碼頭運(yùn)營的成本.而新的模型在保證市場需求的情況下,使得碼頭裝卸設(shè)施得到了充分使用,降低了運(yùn)營成本,因此是“去產(chǎn)能”和進(jìn)行供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的理想資源優(yōu)化模型.

5 結(jié)束語

以效率最大為目標(biāo),以現(xiàn)有資源為約束的優(yōu)化模型,在面臨市場需求不足時,存在資源浪費(fèi).針對這一問題,本文構(gòu)建了基于逆優(yōu)化的集裝箱碼頭裝卸設(shè)施配置優(yōu)化模型,用以減少資源利用率不足導(dǎo)致的浪費(fèi).這對港口行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和去產(chǎn)能具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用.本論文提出的模型適用于為集裝箱碼頭整體或主要環(huán)節(jié)進(jìn)行去產(chǎn)能提供方案,但是該模型在使用時,還存在一些問題需要解決:首先,從生產(chǎn)運(yùn)營的角度來看,需要明晰各環(huán)節(jié)碼頭裝卸設(shè)施的生產(chǎn)效率及任務(wù)分配情況,并要求生產(chǎn)效率和任務(wù)分配在一定時期保持穩(wěn)定.其次,從市場需求的角度來看,港口的需求具有一定的不確定性,尤其是短期內(nèi)不確定性可能造成較大的影響.在具體應(yīng)用時可以構(gòu)建面向不確定性需求的隨機(jī)逆優(yōu)化模型,以便從理論上解決這一問題.此外可以采用必要的技術(shù)手段例如,適當(dāng)設(shè)計一個資源冗余項,以保障港口需求量波動時能夠順利處理或者延長優(yōu)化周期,這樣可以降低不確定性.