基于均衡性设计思路下的广州港“穿梭巴士”的船舶航线优化

◎ 王智利 谢兰兰 王泽龙 李永清 李丹妮 万柏玲

1.广州航海学院；
2.广州港船务有限公司

公共驳船（以下按习惯称“穿梭巴士”）业务是连接枢纽港与喂给港的重要工具，以满足枢纽港集装箱集疏运的需求为目标，在枢纽港与其喂给港之间开展穿梭船业务，以此降低运输价格，提高服务水平。广州港已经基本确立了以南沙港为中心、具有竞争优势的“穿梭巴士”运营网络体系，已开通运营72条“穿梭巴士”驳船支线，基本实现了对珠三角区域中小码头业务全覆盖。本文通过对珠三角区域航线设计与运力配置问题的研究，采用基于均衡性的思路对现有的穿梭式航线进行混合航线模式设计，在对集疏运系统的长期优化效果来看，能够提高船舶周转率和集装箱的运输效率，在一定程度减少船队固定成本的支出，有助于支线港达成更高的准班率要求、更高效地完成集疏运运输任务。也将有效减少枢纽港船舶拥堵问题，对环境保护和成本节约方面均有重要意义。

1.1 集疏运的不均衡性

广州港集疏运基本采取的是以南沙港区为中心，将集装箱由南沙港运向各个周边港口的疏运过程和从各周边港口运往南沙港的集运过程的“点对点”传统的直达运输模式。该模式简单但少有多港挂靠的现象出现，导致对航线需求数量较大。且当腹地支线港口群的货源差异性较大时，支线港口之间的运量波动规律和运量水平差异均较大。

1.2 航线空重箱的不均衡性

广州港“穿梭巴士”各个支线港口的空箱剩余量较多，调到枢纽港的空箱集运量大于空箱疏运量，疏运重箱大于集运重箱，集运方向上的重箱与疏运方向上的空箱波动趋势大体同步，但运量水平存在一定差距，且无论集运还是疏运方向，均存在空重箱转化不完全和空重箱运输平衡性不佳问题。

1.3 运营成本较高

内支线集装箱运输的货运量一般较小、进出口货物数量不平衡，以“点对点”为主的直达运输模式导致集疏运和航线空重箱的不均衡性突出，投入使用的船舶数量较多且总运输时间较长，从而导致船舶运营成本较高；
其次集运和疏运双向上运输的箱位利用率不均衡，浪费船舶箱位，导致单位货物的运输成本较高；
最后通过点对点的港口间穿梭运输模式构成的航线网络将会在部分航线上以远超航线网络平均水平空载率完成运输，较低的载箱率带来了较高的经济成本。

通过对珠江水系自然条件加以分析和利用，基于历史运输数据的分析，对港口的运量特征进行刻画，依照港口间的特点进行匹配，并对航线班期最小化的集疏运航线网络中集疏运均衡性和空重箱量均衡性之和原则进行合理设计，指派合理的船型在经港口匹配后生成的各条航线上运营使船队总体营运成本最低，可有效降低船舶空载率，提高船舶利用率，降低运输成本，实现航线优化。

3.1 航线构造过程

基于广州港“穿梭巴士”集疏运网络所在流域的水文地理特征和港口间的连通性，使用K-means思想的聚类方式考虑港口间的连通性及航程距离对支线港口群进行聚类划分，然后基于聚类结果对各个聚类中的子港口群按箱量特征进行匹配并对均衡性水平逐次进行启发式算法并计算验证，将原有的多条南沙到支线港的穿梭航线依照其运输结构与运量的特征整合为一条含有多个挂靠港的环绕式航线，将子港口群聚类中集疏运均衡性特征能够实现适应性互补以及兼顾了集疏运双向运输过程中的空重箱均衡水平的支线港口组合到同一航线的挂靠港口群中，从源头上减少这些航线箱量不平衡性对船队带来的负面影响。对于不适合匹配的港口，则保留其穿梭航线的模式，最终在整个集疏运网络系统中依照支线挂靠港的特征优化为成点对点直达穿梭航线与环绕式航线有机结合的混合航线模式。

具体而言，在航线设计上基于支线港口的货运特征，考虑集疏运的均衡性和航线空重箱的均衡性对航线网络进行优化设计，通过对港口群之间合理组合的方式改善支线港口的运输均衡性，从而达到提高船舶箱位利用率、减少集疏运网络运输需求的目的，并根据港口的运量特征，因地制宜的选择保留点对点直达穿梭航线与环绕航线的有机结合，通过这种混合航线模式的应用保证航线模式的适应性，如图1所示。

图1 混合航线网络模式

3.2 系统运营成本比较过程

在航线设计的结果预期中，通过模型组合而成的大部分环绕式航线均能够有效降环绕航线中各支线港以相互独立的穿梭式航线完成运输时的船舶运力需求，但由于部分支线港之间航行距离过远，组合为环绕式航线后,对于部分支线港而言相比原有穿梭航线模式增加了运输距离，从而存在对单位运输成本起到负面效果的可能。因此,本文计划对提出的航线改进设计方案进行船舶运力优化配置，通过对船舶的运力配置进行更新，将匹配好的港口集合按照箱量和船舶运输能力进行匹配规划，然后对最优成本进行计算，比较在原有穿梭式航线在更新运力配置前后的成本、集疏运网络中全部采用环绕航线设置的模式与混合式航线三种模式下相同运力配置规则之下的系统运营成本。

4.1 航线设计模型构建

目标函数：

目标函数（1）为最小化的集疏运航线网络中集疏运均衡性和空重箱量均衡性之和，为评价航线设计的整体均衡性指标。考虑集疏运均衡性的航线设计模型中，对于航线设计的核心思路为通过对同一聚类内的挂靠港依照均衡性组合，其主要过程为选定航线初始港口后，将聚类内的其他港口与之匹配组合并检验模型后对航线整体的集疏运均衡及空重箱均衡记录检验，如果更贴近聚类组合的平均水平，则视为正向改进，保留新加入的港口进入环绕式航线的挂靠港；
如果聚类内的所有未分配的支线港均无法通过与当前港口组合实现对均衡性的改进，则将当前选定的支线港采用穿梭式航线模式进行运营。

4.2 运力配置模型构建

运力配置模型中主要考虑船舶投入运输服务的固定成本和在不同船型船舶在各条航线以不同班期运营所产生的变动成本两方面成本。

目标函数：

约束条件（4）保证各条航线的船舶配置能够完成航线的运输任务，约束条件（5）对船舶发班频次数进行了上限限制，以避免出现按照过高的发班频次设置运力后船舶难以实现正常周转的情况。目标函数（3）在上述两类约束条件下考虑了如何指派合理的船型在经港口匹配后生成的各条航线上运营使船队总体营运成本最低，其中第一项表示指派各型船在各航线运营所花费的固定成本，第二项表示与航行里程相关的航行可变成本。

在对大量驳船航运市场调研和业主单位调研的基础上，主要数据来源于中华人民共和国国家统计局、克拉克森数据库、广州港航等相关航运类网站和公众号发布的规范、报告与数据等信息，以及广州港船务公司提供的驳船运输需求的具体数据和资料。

6.1 整体均衡化效果显著

以年为单位对环绕式航线整体所需的运力需求和以点对点的穿梭航线模式加和所需的总运输需求相对比，计算出了环绕式航线对比穿梭式航线所能节约的运力需求达38257 TEU的箱量。在疏运方向上，实例计算采用的数据中整体集疏运网络中疏运方向箱量占比56.2%，采用通过考虑集疏运均衡性的航线设计算法后在整体集疏运网络上节约了3.65%的箱量需求。

6.2 部分航线均衡化效果显著

部分重要航线在考虑集疏运均衡性的航线设计方案在集疏运运力需求上节约了15844 TEU的箱量运输需求，而在单条环绕式航线的构造上，相较各个支线港以独立的穿梭航线模式进行集疏运节约23.43%的运力需求，并且根据集疏运均衡性通过有选择性的对该聚类内的其他支线港进行匹配，对整个聚类的运输节约了13.16%的运力需求。总之无论是节省的运力需求绝对量还是节省比例上，都能较显著地反映出在混合航线模式下环绕式航线模式相对原有穿梭式航线的运力节约效果。

6.3 成本节约显著

通过对穿梭航线模式、环绕航线模式以及混合式航线模式运营成本对比，发现只考虑环绕航向模式的船队运营成本最高，其次为穿梭航线模式，成本最低的是混合航线模式，与只考虑穿梭航线模式或者只考虑环绕航线模式的航线相比，混合航线模式可有效降低成本114.5万元以及455.1万元，集疏运成本改进比例分别为7.16%以及23.48%，说明混合航线模式有效提升规模效益，降低了集疏运系统中船队的运营成本。

集疏运网络上的各支线港以及航线中的集运运量与疏运运量失衡以及空重箱失衡是影响集疏运网络上航线设计与船舶调度问题中产生不必要运力需求的主要原因。在考虑集疏运均衡性和航线空重箱均衡性对航线网络进行优化设计，因地制宜的选择保留点对点直达穿梭航线与环绕航线的有机结合，通过这种混合航线模式有效降低集疏运系统中不必要的运力浪费，达到提高船舶箱位利用率、降低运营成本，减少集疏运网络运输需求的目的。经过运力配置模型的模拟计算也验证了该种航线模式对降低集疏运航线网络中船队运营成本的可操作性。

由于混合式航线模式在聚类过程考虑了支线港中的航程距离，因而在航线设计过程中有效避免了环绕式航线的可能由于挂靠港过于分散导致的负面影响。结合对航线设计结果中的结果分析综合来看，考虑了集疏运系统中支线港口群之间的集疏运均衡性及空重箱均衡性的航线设计模型能够依照集疏运特性有选择性的应用穿梭航线与环绕式航线模式，二者组合构成的混合航线模式有效降低集疏运系统中不必要的运力浪费，并有效提升规模效益，降低了集疏运系统中船队的运营成本。

混合模式下的航线模式对航次数有一定的减少作用，这意味着不但对于支线港和支线航线有了载箱率的提高和成本的降低。对于繁忙的南沙枢纽港区，更高的载箱率所带来的相对更精简的船队规模与航次密度也有利于提高枢纽港支线船舶的装卸作业效率，减少枢纽港支线船舶的排队等待时间与拥挤程度。此外通过对航次时间的计算，环绕式航线构造对原有航线内各支线港的平均航次时间的延长并不明显，仍有能力满足干线船舶的硬时间窗约束。因此，在新的航线开设后也应该动态地或者周期性地根据航线网络中各个支线港的运量水平与运量类型分布特征进行动态规划和更新。

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