隨機(jī)視角下低碳海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

楊蕊,孟燕萍

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隨機(jī)視角下低碳海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

楊蕊1,孟燕萍2

1. 上海海事大學(xué)物流研究中心, 上海 201306 2. 上海財(cái)經(jīng)大學(xué)國(guó)際工商管理學(xué)院, 上海 200433

集裝箱海運(yùn)因便捷、高效、成本低的特點(diǎn)而成為世界貿(mào)易的主流運(yùn)輸工具，但是集裝箱海運(yùn)市場(chǎng)較為復(fù)雜，需求也處于隨機(jī)性；國(guó)際海事組織推出的全球海運(yùn)CO2排放系統(tǒng)對(duì)于航運(yùn)公司運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)存在一定程度的影響，因此如何在隨機(jī)需求下在低碳排放與成本控制之間尋找平衡是各大海運(yùn)公司所要解決的問(wèn)題。本文為解決上述問(wèn)題建立隨機(jī)需求下的低碳軸-輻式海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型，并針對(duì)所建模型采用遺傳算法進(jìn)行求解，最后對(duì)所建立的模型及其求解進(jìn)行仿真驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證表明本文所設(shè)計(jì)的海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建具有指導(dǎo)意義。

低碳; 海運(yùn); 網(wǎng)絡(luò)模型

集裝箱海運(yùn)由輪班實(shí)現(xiàn)，輪班運(yùn)輸是由船舶、航線、港口組成，是一種在特定的日期內(nèi)按照預(yù)計(jì)的路線并采用公布港口名稱的海上運(yùn)輸方式。目前傳統(tǒng)多港掛靠式航線運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適合快速發(fā)展的國(guó)際貿(mào)易發(fā)展，取而代之的是軸-輻式網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型能夠符合當(dāng)今世界貿(mào)易的結(jié)構(gòu)特征又能具有較好的規(guī)模效益，能夠最大程度上減少船舶運(yùn)營(yíng)成本。但是全球一體化，世界貿(mào)易收到世界主要國(guó)家的經(jīng)濟(jì)影響越來(lái)越重，集裝箱也避免不了出現(xiàn)繁榮和衰退的跡象，因此未來(lái)航運(yùn)公司所處的集裝箱海運(yùn)市場(chǎng)同樣存在不確定性和復(fù)雜性，因此航運(yùn)公司如何在不確定的集裝箱海運(yùn)市場(chǎng)隨世界經(jīng)濟(jì)波動(dòng)情況下而選擇合理的海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、避免風(fēng)險(xiǎn)獲取長(zhǎng)期穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)收益是至關(guān)重要的。1997年的《京都協(xié)定書》就要求世界各國(guó)減少溫室氣體的排放，而溫室氣體中CO2對(duì)全球升溫貢獻(xiàn)百分比是70%，該協(xié)議同時(shí)規(guī)定國(guó)際航海航運(yùn)的碳排量問(wèn)題由國(guó)家海事組織進(jìn)行管理，同時(shí)該組織在2004年就制定了采用設(shè)立CO2排放指數(shù)用于限制國(guó)際航海碳排放。因此世界航運(yùn)公司為應(yīng)對(duì)海運(yùn)市場(chǎng)的變化而追尋低成本、高收益又低CO2排放的海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型。目前國(guó)外學(xué)者多是從軸-輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行研究，學(xué)者LASS認(rèn)為停泊港口和干線運(yùn)輸影響運(yùn)輸成本，決定集裝箱運(yùn)輸是否規(guī)模經(jīng)濟(jì)；該研究初步對(duì)軸-輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，但是與當(dāng)下的隨機(jī)需求和低碳排放國(guó)際航海運(yùn)輸環(huán)境并不十分匹配。但是前幾種模型的運(yùn)輸都是建立在相對(duì)穩(wěn)定的需求下，與實(shí)際需求相差甚遠(yuǎn)，因此學(xué)者Shangyao對(duì)城市公交運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)中的OD進(jìn)行需求波動(dòng)分析，認(rèn)為OD需求是彈性且服從概率分布的，進(jìn)而建立隨機(jī)OD需求調(diào)度模型并采用啟發(fā)式算法進(jìn)行求解，并通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證表明具有可行性。而隨著國(guó)際環(huán)保意識(shí)的提高，國(guó)際海事組織對(duì)航運(yùn)碳排放量進(jìn)行限制，低碳經(jīng)濟(jì)將使得船舶大型化、航海速度將被迫降速有提高運(yùn)營(yíng)成本、因此低碳影響著著世界航海運(yùn)輸規(guī)模[1]。因此如何在減少碳排放和減少成本與提高收益之間尋找平衡是眾多學(xué)者研究的內(nèi)容。

本文主要是基于隨機(jī)需求、低碳排放等這些角度對(duì)集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型就行研究。

1 隨機(jī)需求下的低碳海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 常規(guī)海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型

基本軸-輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型采用的是單一分配形式，每個(gè)支線港口的集裝箱OD必須經(jīng)過(guò)其他樞紐港口進(jìn)行中轉(zhuǎn)，樞紐之間用干線相互連接。具體見(jiàn)圖1。

圖 1 基本軸-輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型

基本假設(shè)：

1) 軸-輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)是干線和支線組成的整體性網(wǎng)絡(luò)，支線只服務(wù)于同一區(qū)域內(nèi)的港口；

2) 結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，并不會(huì)發(fā)生諸如戰(zhàn)爭(zhēng)的異常情況；該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的起訖港口和中轉(zhuǎn)樞紐是已知；

3) 樞紐港口的數(shù)量是滿足集裝箱OD的需求的；該系統(tǒng)是考慮規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益的，樞紐港口之間的單位運(yùn)輸成本折扣率是為常數(shù)。

模型建立。對(duì)已知軸-輻式模型網(wǎng)絡(luò)海運(yùn)集裝箱應(yīng)用分析，建立海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)基本模型如下公式1。

運(yùn)輸成本可以分解成航海航運(yùn)航次成本與調(diào)運(yùn)成本，其具體符合函數(shù)的表達(dá)形式為：

公式中：e(e)是港口裝卸集裝箱需求的時(shí)間，X，W是海運(yùn)集裝箱的總量、運(yùn)量。

1.2 隨機(jī)需求條件的網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化

軸-輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型一旦建立，在短時(shí)間內(nèi)一般不會(huì)改變。因此基于集裝箱需求波動(dòng)性的存在，航海路線決策出現(xiàn)不同的決策障礙。航海航運(yùn)工作中，集裝箱的的市場(chǎng)非常復(fù)雜，其集裝箱OD的需求具有明顯的動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性，。因此必須在上述模型中納入需求隨機(jī)性變量，方能更好的適應(yīng)變化的需求航海航運(yùn)市場(chǎng)。在基本模型的基礎(chǔ)之上新加需求變量，其基本假設(shè)是需求OD是屬于服從正太分布的隨機(jī)變量，并不考慮集裝箱的運(yùn)力限制。

模型的構(gòu)建。考慮隨機(jī)需求下的軸-輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型如式7。

2 低碳環(huán)境成本狀態(tài)下優(yōu)化模型

軸-輻式網(wǎng)絡(luò)模型雖然能夠解決樞紐港口與集裝箱航運(yùn)之間的選擇問(wèn)題，但是并沒(méi)有考慮談排放成本。目前通用的計(jì)算方法是針對(duì)碳排放量進(jìn)行征稅，碳排放量可以采用能源折率的方法得到，稅率是已知數(shù)值。

基本假設(shè)。除了隨機(jī)需求下的軸幅式網(wǎng)絡(luò)模型的假設(shè)之外，該模型還需要以下合理假設(shè)：

1) 航海運(yùn)輸集裝箱的運(yùn)輸單位成本與運(yùn)輸距離、能源消耗、集裝箱的OD需求存在線性正比關(guān)系；

2) 中轉(zhuǎn)成本與集裝箱的OD需求呈線性正比關(guān)系卻樞紐建設(shè)的投資成本是一直固定的；

3) 集裝箱的環(huán)境成本是碳排放成本，并不考慮在樞紐港口產(chǎn)生的碳排放因?yàn)樵诟劭诓捎秒娫O(shè)施供能[3]。

模型構(gòu)建。以下公式是低碳經(jīng)濟(jì)下的軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型。

3 隨機(jī)需求與低碳成本狀態(tài)下的模型

上述模型可以為隨機(jī)需求下的低碳軸幅式海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型定義為式11，基本假設(shè)為前文所有假設(shè)。

4 模型求解

隨機(jī)需求下的低碳軸幅式海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型是包括樞紐港口和選擇、低碳成本選擇、最優(yōu)路線選擇的諸多不確定因素構(gòu)成的NP難題，而遺傳算法解決和處理NP難題的高效方法之一，其模型求解的思路是通過(guò)選擇、交叉、變異對(duì)模型進(jìn)行模擬，適應(yīng)環(huán)境得到符合需求的個(gè)體。

染色體設(shè)計(jì)：將染色體分為兩段，第一段spoke1為樞紐港口掛靠情況，第二段為spoke1掛靠情況。染色體[0,1,0,1,0,1,1,0,0,0]表示模型中樞紐港口為10個(gè)，其中spoke1中港口2和4被掛靠，spoke2中的1和2港口被掛靠。初始種群生成：港口掛靠數(shù)量影響模型求解，因此最初定義為75%的種群染色體在spoke1和spoke2港口掛靠數(shù)量在[1.2.3]隨機(jī)生成，剩余部分在在spoke1和spoke2港口掛靠數(shù)量在[4.5]隨機(jī)生成。適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算：本文建立的適應(yīng)度函數(shù)為：=-。選擇、交叉、變異：其運(yùn)作思想是不適合外界要求的個(gè)體將逐步淘汰，進(jìn)而逐步篩選出適應(yīng)需求的個(gè)體。算法的交叉操作是：對(duì)一組子代染色體以交叉概率PC選擇需要交叉的兩個(gè)個(gè)體，隨機(jī)選擇spoke1和spoke2的交點(diǎn)，通過(guò)教皇兩個(gè)交叉點(diǎn)的基因就能產(chǎn)生新的個(gè)體。變異操作是：以子代染色體以變異率PM選擇需要變異的個(gè)體，并隨機(jī)選擇染色體spoke1和spoke2基因進(jìn)行交換，變異產(chǎn)生的個(gè)體將取代子代染色體。引入移民算子：引入移民算子的目的是增加算法種群的多樣性，提高算法尋找最優(yōu)收索空間。算法停止準(zhǔn)則：設(shè)定算法最大進(jìn)化階Gen，當(dāng)進(jìn)化次數(shù)達(dá)到的時(shí)候算法停止并輸出最優(yōu)值[4]。

5 案例分析

本文所建立模型的假設(shè)條件：集裝箱的OD需求是符合正太分布的。其仿真案例分析集裝箱OD需求的期望值與方差如下表1。根據(jù)表2個(gè)港口的坐標(biāo)能夠計(jì)算出航線距離。本文用序號(hào)1~10分別代表10個(gè)不同的港口。

表1 集裝箱OD需求的期望值與方差

表2 各個(gè)港口的位置坐標(biāo)

在給定的福式海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型中，對(duì)港口節(jié)點(diǎn)K，L進(jìn)行選擇，確定合理的優(yōu)化路線是的總運(yùn)輸成本最小。表3是樞紐港口的投資費(fèi)用與中轉(zhuǎn)成本之間的關(guān)系。

表3 樞紐港口K,L投資成本與中轉(zhuǎn)成本

建立隨機(jī)需求下的低碳海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型：若考慮碳排放，=0.25；不考慮碳排放情況時(shí)0。其余模型參數(shù)：進(jìn)化次數(shù)500次，種群規(guī)模50，pc=0.88，pm=0.1，采用Matlab仿真結(jié)果如下表3。

表4 實(shí)驗(yàn)?zāi)M計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3，當(dāng)=0.25時(shí)候，隨機(jī)需求狀態(tài)下最優(yōu)掛靠方中spoke1和spoke4的數(shù)量都是4個(gè)共8個(gè)，目標(biāo)函數(shù)值是566366元；0時(shí)，隨機(jī)需求狀態(tài)下最優(yōu)掛靠方中spoke1和spoke4的數(shù)量都是4個(gè)共4個(gè)，目標(biāo)函數(shù)值是419654元。這表明低碳排放與港口掛靠數(shù)量存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是考慮集裝箱的運(yùn)輸成本時(shí)候，考慮低碳排放能夠降低集裝箱的運(yùn)輸成本。

6 結(jié)論

本文根據(jù)傳統(tǒng)軸輻式模型為基礎(chǔ)，逐步添加限制條件包括：集裝箱OD隨機(jī)需，低碳排放等兩個(gè)因數(shù)。同時(shí)設(shè)定相關(guān)的假設(shè)：認(rèn)定集裝箱OD的隨機(jī)需求符合概率分布，通過(guò)對(duì)碳排放增稅的方式將低碳排放納入該模型當(dāng)中。通過(guò)研究本文認(rèn)為所建立的隨機(jī)需求航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)控制碳排放和控制航海成本、決策航海路線具有指導(dǎo)意義[5]。

[1] 王旭坪,阮俊虎,張凱,等.有模糊時(shí)間窗的車輛調(diào)度組合干擾管理研究[J].管理科學(xué)學(xué)報(bào),2011,14(6):2-15

[4] 戴卓,胡凱.多目標(biāo)低碳閉環(huán)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型及算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2014,31(6):1648-1653,1660

[3] 隆耀.論低碳經(jīng)濟(jì)下我國(guó)能源發(fā)展策略[J].特區(qū)經(jīng)濟(jì),2017(3):94-95

[4] 趙宇哲.競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下的軸-輻式集裝箱海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題[J].中國(guó)管理科學(xué),2015,23(7):103-112

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Construction of Low-carbon Shipping Network Model from the Random Perspective

YANG Rui1, MENG Yan-ping2

1.201306,2.200433,

Because of its convenience, efficiency and low cost, container shipping has become the mainstream means of transportation in world trade. The global Marine CO2emission system launched by IMO has a certain influence on the operation network of shipping companies. Therefore, how to find a balance between low carbon emission and cost control under the random demand is the problem to be solved by each shipping company. In this paper, to solve the above problems, a low carbon axial-spoke shipping network model is established under the random demand, and genetic algorithm is adopted to solve the model. Finally, the model and its solution are simulated and verified.

Low carbon; shipping; network model

TE835

A

1000-2324(2018)05-0880-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.032

2017-10-05

2017-11-27

楊蕊(1993-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楦酆焦?yīng)鏈管理. E-mail:470052775@qq.com