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新千年下的船舶路线和船期安排问题

Marielle Christiansen，Kjetil Fagerholt，Bjoslash;rn Nygreen，David Ronen

摘要

本文回顾了船舶路线和船期安排问题新千年以来的相关问题的研究，并提供了四个相关问题的基本模型。关于船舶路线和船期安排问题这一领域的研究课题数量大约每十年增加一倍，本文参考了百余篇过去十年里关于这一问题的研究。在所参考的研究里，与过去相比一些更专业、更大范围的问题得到了解决，然而，更为复杂的关键问题仍然没有一个确定的解决方法，这也为未来的研究留下了更具挑战性的突破口。

1 简介

远洋运输船舶是国际贸易的血管，促进了全球经济的扩张。远东地区人口的增长、生活水平的提高和不断加快的工业化进程促进了散装原料进口和集装化的产品出口的远洋运输需求。在进入21世纪的第一个十年，全球油船的运输能力增加了60%，干散货船运输能力增加了65%，而集装箱船运输能力增长速度超过了前者的两倍（增长164%，见表1）。船队运输能力的增加促进了全球海运贸易的迅速扩张，同时期，全球海运贸易量增加了40%（见表2）。全球船队更具效率的船型设计和船舶运营水平提高了其运输生产能力和全世界人民的生活水平。而本文研究的核心——船舶路线和船期安排问题是船队生产力提高的关键因素。

表1.1 世界船队运输能力^a（单位：百万净载重吨）

a：统计范围为100总吨以上货运船舶，来源：UNCTAD（2011）

表1.2 国际海运贸易（单位：百万吨）

a：铁矿、谷物、煤、铝土矿/氧化铝、磷酸盐，来源：UNCTAD（2011）

大约每隔十年，我们都发布关于船舶路线和船期安排及相关问题研究的综述，本文是这系列研究综述的第四篇，旨在为科学期刊和专著中编辑出版的有关船舶路线和船期安排的研究提供一个全面、科学的来源，以供该领域的研究者和学习者使用。此外，Christiansen等人也为该领域的研究提供了一个更广阔的视野。关于船舶路线和船期安排以及相关问题的研究数量每十年增加一倍（见第六章），因此，与从前的研究综述相反，由于篇幅的限制，我们必须将所参考的研究限制在以英文出版的评论期刊或专著范围内。因此，本次研究综述主要包括的是工作文件、会议记录、学术论文和技术报告。本篇综述偏重于规范性模型（建议行动方案），而不是描述性模型（描述总体行为的模型），涵盖了2002——2011年期间印刷和在线发布的材料以确保与我们上次研究综述有所衔接和重叠。但是，由于有些期刊是提前出版，因此一些2012年的论文也包括进来。为了阐述的全面性，本文在在必要时也会讨论一些之前研究综述里提到的材料。另外，本研究综述在此不介绍集装箱班轮运营相关专业问题，如：泊位调度，集装箱堆放，集装箱管理，集装箱堆场管理和货物配送，这些问题可参考近期相关研究（如Stahlbock and Voss，2008）。本文也不包括非商业船只（如海军舰艇）的相关研究。

伴随着集装箱班轮网络设计研究和相关课题的增长，集装箱船队发展迅速，因此，我们的研究综述中将更多地涵盖这一领域，并针对集装箱运输提出了两种基本的模型。海运库存路线（MIR）问题，包括这一问题范围内的液化天然气（LNG）运输和海上供应船（OSV）也受到越来越多的关注。而近年来，由于燃料价格上涨，船舶的航行速度和对环境的影响越来越受到重视。因此，这些问题在本研究综述中将分别在对应章节进行讨论。

为了便于初学者理解，在此先介绍远洋运输船舶运营的一些基本情况。远洋运输船舶运营有三种模式：班轮运输、货主自行运输和租船运输。班轮运输中船舶按照固定的路线和事先公布的船期表运营，谋求利润最大化，类似于公共巴士运输服务。货主自行运输中，货主拥有货物，实际操纵船只，谋求货物运输成本的最小化，类似于私人船队。而在租船运输中，船舶随货源组织运输（其中部分货源可能是选港货）谋求利润的最大化，类似于城市出租车。货主自行运输和租船运输中，船舶路线和船期安排决策是非常相似的（除了租船运输中会存在选港货），因此，在讨论与班轮运输的区别时，这两种运营模式常常被视为一体。根据各自不同的特征，每种运输模式都会有自己的适用情况，例如由于泊位数量有限（即船舶到达必须协调）、运输货物具有一定危险性，液化天然气的运输就采用租船运输或是货主自行运输的方式。关于海上货物运输更多的背景信息，读者可以参考Christiansen et al. (2007).

本文的各章主要内容如下：在下一章中，我们讨论班轮运输，从网络设计的战略问题开始，然后转向战术和运营问题。第3章讨论租船运输，从船队规模和组成开始，转向货物路线和调度，然后到MIR和LNG。第4章的重点是航行速度，加油量和船舶排放。第5章讨论了离岸物流（OSV），驳运和货物储存。第6章提供了对这一领域以往研究的简要统计分析。最后发表结语。

2 班轮运输

目前，集装箱运输占整个班轮运输业务的主要部分。随着近几十年来，使用集装箱运输普通件杂货这一趋势的不断加速，班轮运输经营也将普通件杂货船更换为集装箱船。海运集装箱在半个多世纪前出现，但是最初，由于需要大量的资金投入和相应设施的改造，海运集装箱的发展十分缓慢。在过去，件杂货（占包装货物的主要部分）由多层甲板船舶运输，在整个运输过程中，需要对每件（箱、袋等）货物进行多次手动处理。这种劳动密集型的运输过程导致非常严重的货物损坏，并造成大量货物损失。此外，还使得船舶在港口用于货物装卸的时间占到了其航行时间的50%—70%，然而，需要特别注意的一点是，船舶只有在航行时才是有生产效益的。

近几十年来的货物集装箱化降低了运输成本和货差货损，并提高了船舶利用率。集装箱船在港口用于货物装卸的时间只占其航行时间的15%—30%（线路越长，港口装卸时间占航行时间百分比越短）。过去三十年，世界集装箱船队运输能力量已经翻了一倍以上（见表1），越来越多的船队吸引了越来越多学者的研究兴趣。然而，目前集装箱的市场占有率已经趋于饱和（即大部分适合集装箱化的货物已经集装箱化），未来的增长主要来自贸易增长。洲际集装箱运输航线（例如亚洲—欧洲，亚洲—北美洲）通常以一条主航线和多条区喂给航线的轴辐式系统运行。集装箱在枢纽港进行主航线与喂给航线之间的转运，区域内集装箱运输服务（例如远东地区航线，地中海—欧洲航线）也可能包括送货服务。主线往返可能需要几个月的时间，而喂给航线则要短得多。少数集装箱船以货主自运的模式运作，主要是运送特殊货物（例如冷藏产品）。Kjeldsen（2011）提供了班轮运输中航线和班期安排问题的分类。

近几十年来其他（占次要部分）班轮航运业务显着扩张，主要是运输汽车，卡车，拖车和其他可滚装运输设备的滚装船（Ro Ro）。滚装船通常有多层甲板，货物通过斜坡上下船。

2.1航线网络设计

班轮运输通常按照既定路线和数月前就以公布的船期表运营，虽然航班的频率可能会发生季节性变化，但路线本身可能多年不会改变。因此，航线网络设计是一项重要的战略决策。在这种情况下，一条航线是三个主要因素决定的结果：（1）哪些港口要挂靠，以什么顺序、（2）挂靠港口的频率、（3）所使用船舶的大小和航速，此外，还会有一些互相合作船公司之间的联合航线的情况。构造航线和选择运营航线问题通常被称为航线网络设计问题。为了解决这以问题，船公司需要对其吸引的需求量进行合理的估计。因此，在建立航线网络设计问题的模型时，企业通常还会对船舶的使用类型进行建模，并根据估计需求进行船舶分配。航线网络设计结果通常使用数年，而船舶的部署（即船舶到路线的分配）可能会每年改变多次，如下所述。

我们在这里介绍一个线性网络设计的数学模型，是Agarwal和Ergun（2008）所提出模型的一个简单的版本，然后再来回顾过去十年关于这一问题的文献。

在下面的模型中，我们假定船公司决定经营一系列集装箱航线。船公司现有一组指定的路线，由R表示，但他们只想运营其中一个有利可图的子集。该公司已决定所有路线应每周运行一次，并将船舶的类型限制为由V表示的集合。我们还假设1天的决策时间是足够的，一周内日期集合由D表示。集合中的元素表示如下：r表示路线，v表示船舶类型，i和j表示天数，另外，o和d分别表示特定需求的起点和目的地，而p表示任意港口。

在这个网络设计模型中，我们假设使用固定的每周需求量是合理的。每周第i天从o到d可由船舶运输的需求量大小为D^（o,d,i）（货物不一定在第i天立即被运输）。所有的三元组（o,d,i）集合由W表示。线路r由船型v的船舶L_vr每周出发提供运输服务，船型v的船舶L_vr具有K_v的集装箱容量。可能存在一些船型的可用船舶数量不足，所以N_v是v型船舶的数量上限。

在一周内，每天的每个港口作为一个节点，我们的航线网络模型基于由这些节点构成的图表。图表中所有节点的集合由N表示，并由n表示N中元素（或者由n(p,i)或直接(p,i)更具体地表示出港口p和日期i的信息）。图中所有弧的集合表示为A并包含三个子集。子集（1）由不同船型在确定航线上的相邻港口之间的所有船舶路径组成。这些路径的长度在图中以天为单位用1到7之间的整数表示，实际长度则是7与一个非负整数的乘积再加图上长度。子集（2）包括从同一个港口的第i天到第i 1天的所有港口（地面）弧，包括从第7天到第1天的弧。子集（3）由(d,j)中的所有j回到(o,i)的虚拟的弧（(o,d,i)）构成。所有船舶和集装箱都可以流到子集（1）和（2）的弧上，船舶必须遵循其路线，而集装箱可以加入或离开船舶航线。子集3中的弧上没有真正的流量，但在模型中，集装箱在虚拟弧上流动，以创建所有参与运输服务的集装箱的闭合弧。与子集无关，所有弧由字母a或由（起始节点，末端节点）表示。

经济指标表示如下：（1）R^(o,d,i)是第i天从港口o运送一个集装箱到港口d的单位收入。（2）表示沿着弧a运输

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