长江流域枢纽港选址问题研究

任宗伟，葛雅丽，王玉娇，刘 莉，陶晓明

（1.哈尔滨商业大学 管理学院，黑龙江 哈尔滨 150028；2.大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁 大连 116026）

长江流域枢纽港选址问题研究

任宗伟1，葛雅丽2，王玉娇1，刘 莉1，陶晓明1

（1.哈尔滨商业大学 管理学院，黑龙江 哈尔滨 150028；2.大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁 大连 116026）

主要研究长江内河枢纽港中位选址问题。首先，阐述了枢纽港在国内外研究的现状；其次，分析长江流域主要港口的现状；然后建立基于成本最低的整数规划模型，对长江流域主要的21个港口的数据进行分析；最后得出枢纽港的最优选择。

长江流域；内河运输；枢纽选址；整数规划模型

1 引言

为使国家在建设港口时可以更好地集中资源建设重要港口，对不同港口的发展规划应有更好的区分。同时，为对目前许多港口在没有考虑自身情况以及与周边港口协调发展等前提下盲目追求大型化、专业化而造成的资源闲置与浪费的行为给予纠正，本文基于运输成本最低来构建整数规划模型对长江流域枢纽港选址问题进行研究。这样对港口进行划分方面对长江流域枢纽港选址问题研究的发展有着重要的理论意义。另一方面对长江流域水运物流的资源整合、港口城市的经济发展与解决因经济快速增长而对水运运输量发展的需要等方面也有着重要的指导意义。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

选址问题最早是由Weber在1909年提出的。O’Kelly等在1986年通过研究航空客机的网络，第一次为枢纽港选址问题提出一个数学模型，他的公式是关于单分配多枢纽站中位的问题，通过建立运输成本最优模型给出枢纽港选址结果[1-2]；Yoon和Current于2008年提出了多分配的枢纽选址和枢纽网络设计问题，研究中不仅分情况考虑固定和变动的连接成本，而且考虑非枢纽节点之间的直达运输[3]。Mattew B.Machow, Adib Kanafani通过使用离散选择模型分析美国港口间的班轮运输问题，该模型的结果表明最重要的影响因素是港口的地理位置[4]。Joyce M.W.Low等在2009年基于枢纽港网络对内河港口进行了评价（NHPA），该模型对港口经营者和政策制定者选择合适的承运人很有用[5]。Nasrin Asgari等使用AHP方法对英国主要港口的可持续性发展进行层次划分[6]。Z.Tan等从内河港口的地理位置、服务价格和容量出发建立M/M/1排队模型，使得整个供应链得到最大化的收益，并以长江作为案列进行了数据分析[7]。

2.2 国内研究现状

国内关于枢纽港选址的研究时间较短，但也有很多学者对其进行了深入的研究。谭珍玲在2009年对物流网络中的轴辐式网络的经济性进行了探讨，分析了其优缺点并用定量的方法对经济性做了研究[8]。杜航在2012年运用层次分析法对港口选址进行研究，对备选港进行评价并对选址结果的合理性进行验证，但其主要分析对象是10万吨级的散货码头[9]；杨忠振在2013年对长江水域的集装箱运输航线进行了优化设计，主要考虑了内河运输的特点，从枯水期和丰水期以及多种船型出发建立模型优化航线[10]。彭传圣等在2014年基于低碳环保、可持续的理念对当前港口进行了绿色港口的等级评价，确定了绿色港口的评价指标体系和评价方法[11]。

3 长江流域主要港口现状分析

长江流域干线的货运量已经稳居世界第一。2014年，长江规模以上港口完成货物吞吐量20.6亿t，同比增长7.3%；2015年预计完成完成货物总吞吐量21.3亿吨，同比增长7%。2014年，长江规模以上港口完成集装箱吞吐量1 295.5TEU。2015年预计完成集装箱吞吐量1 380TEU，同比增长6.5%。

从国家统计局收集的2013年长江流域主要港口经由地区GDP比例情况，对长江流域港口主要经由经济腹地情况进行分析：江苏省GDP占总比值最高，为29%；重庆市和江西省GDP占总比值最低，为7%；其他长江流域主要经由地区GDP占总比值由高到低依次是：四川省为13%；湖南省和湖北省为12%；上海市为11%；安徽省为9%。

4 问题及模型建立

对于长江流域的枢纽港选址问题的研究中，通过设计多分配P枢纽站选址问题的整数规划模型来定量分析，建立运输成本最低的目标函数。长江流域的的枢纽港选址问题主要是多枢纽港中心问题（P-hub Median Problem)，要建立最小运输成本问题（时间，距离等）的目标函数，需要作如下假设：

（1）一班轮航线仅用一种船型；

（2）船舶在各港口的停泊时间相同；

（3）集装箱在必要时可在不同班轮航线之间转运；

（4）同一航线的平均航速相同；

（5）节点之间无容量限制。

目标函数：

符号说明：

N—港口节点集合；

P—枢纽港的数量；

Wij—起点i到终点j之间的流量；

Cik—从起点i到终点k之间的直接单位运输成本；

Ckm—枢纽港k和m之间的单位运输成本；

Xijkm—从节点i出发，经由枢纽港k，m到达目的地节点j的流量占总流量的比例；

yk—枢纽港判断变量，当k为枢纽港时为1，否则为0；

a—枢纽港之间运输的折扣因子，0≤a≤1；

T—某条航线的航行总时间；

ti—在起始港i的时间；

tj—在目的港j的时间；

tp—航次的停泊时间；

Cij—从i港到j港的v型船直航总费用；

Sv—v型船的航行速度；

为提高xA的估计精度,也可反复将公式(11)得到的估计值作为并再次应用公式(11)获得更精确的xA的估计。

Disij—港口i到港口j之间的距离。

目标函数（1）是从节点i到j运输所有集装箱的总运输成本最低；约束（2）限定枢纽港的数目为P个；约束（3）与（4）必须通过枢纽港中转，不可在非枢纽港处中转；约束（5）表示所有流量必须经过枢纽港中转；约束（6）是计算航次的单位集装箱运输成本；式（7）用于计算航线的全程航行时间；式（8）计算租船成本；式（9）-式（11）是0-1约束。

本文的单位集装箱运输成本主要考虑从港口i到港口j的直接运输成本，目前，长江集装箱内支线运输中，以租船经营为主，所以在研究集装箱运输成本时，选择租船经营作为标准。在租船经营下，船员工资、船舶维修费用、保险费用、物料费、润滑油均由船东承担，集装箱运输成本计算考虑主要船舶租金、船舶航行燃油费用和装卸包干费。港务费、船舶的航养费、过费闸、事故损失费以及管理费等因为占运输成本的比例小，对比较单位运输量的运输成本结果没有明显影响，不作考虑。

5 数据收集与数值计算

5.1 数据收集

选择长江沿线港口中集装箱量较大的21个港口，从上游至下游依次为：泸州、重庆、宜昌、荆州、城陵矶、武汉、黄石、九江、安庆、铜陵、芜湖、马鞍山、南京、镇江、扬州、台州、江阴、南通、太仓、外高桥、洋山，分别用P1,P2,...,P21表示。表1为某港口集装箱流量，各港口间的运价取自实际公布的运价表。港口间的距离见表2。数据来自某班轮公司，其他数据见表3-表5。

表1 港口间O-D流量/标箱

表2 港口间的距离（km）

5.2 数值计算

通过对LINGO程序进行多次运行得到全局最优解。由求解结果可知，研究的模型为整数线性规划（ILP），模型变量总数为190 542个，经过1 132 509次迭代得到全局最优解即最小总成本为9 444 550元，且决策变量yk为1的港口为P2，P6，P13，P20，P21，即这五个港口为枢纽港时可达到全局最优。图1表示选为枢纽港的港口位置图。注：五角星号为选址地点。

6 结论

在了解多分配p枢纽港选址理论的基础上，了解长江流域发展的现状，并收集到相关数据，建立整数规划模型求解在折扣为0.7且枢纽港为5个情况下的全局最优解。通过本文研究得出如下结论：长江上游地区选择重庆作为枢纽港，中游选择武汉作为枢纽港，而下游选择了南京、外高桥、洋山作为枢纽港。长江下游的枢纽港个数为三个明显多于中上游地区，这主要是由于长三角地区的经济发展更为快速，更有上海、江苏、浙江、安徽作为经济腹地支撑。上海地区有两个，这主要是上海的经济腹地支撑和上海的优越的地理位置以及频繁的对外贸易决定的。外高桥港和洋山港靠近上海市，居我国南北海岸线的中心；作为长江入海口，其作用一部分是内河运输，另一部分是进出口贸易。

由于受到一些客观因素的影响，在模型的建立上，本文没有考虑长江流域丰水期与枯水期的船舶型号的区别，使得模型的最优结果并不完全适用于任何时期，如何将内河运输的特点结合枢纽港选址模型使得结果更加贴合实际是下一个研究方向。

图1 选址结果图

表4 港口间航行船舶型号

表5 不同港口之间运输过程的相关时间消耗（天）

[1]O’Kelly.The location of interacting hub facilities[J].Transportation Science,1986,20(2):92-105.

[2]O’Kelly.Activity levels at hub facilities in interacting networks[J].Geographical Analysis,2004,18(4):343-356.

[3]Yoon M G,Current J.The hub location and network design problem with fixed and variable arc costs:formulation and dual-based solution heuristic[J].Journal of the Operational Research Society,2008,5(9):80-89.

[4]Mattew B.Machow,Adib Kanafani.A disaggregate analysis of port selection[J].Transportation Research Part E,2004,(40):317-337.

[5]Joyce M W Low,Shao Wei Lam,Loon Ching Tang.Assessment of hub status among Asian ports from a network perspective[J].Transportation Research Part A,2009,(43):593-606.

[6]Nasrin Asgari,Ashkan Hassani,Dylan Jones,Huy hoang Nguye.Sustainability ranking of the UK major ports：Methodology and case study[J]. Transportation Research Part E,2015,(73):47-64.

[7]Zhijia Tan,Wan Li,Xiaoning Zhang,Hai Yang.Service charge and capacity selection of an inland river port with location-dependent shipping cost and service congestion[J].Transportation Research Part E, 2015,(76):13-33.

[8]谭珍玲,海峰,施国雷.轴辐式物流网络的经济性分析[J].物流论坛, 2009,(5):11-13.

[9]杜航.基于层次分析法的港口选址问题研究[J].中国水运,2012,(4): 32-35.

[10]杨忠振,董夏丹,郭利泉.长江水道集装箱运输航线网络优化[J].大连海事大学学报,2014,(3):1-12.

[11]彭传圣.绿色港口评价标准编制[J].工程建设标准化,2014,(7):29-33.

Study on Location Problem of Hub Ports along the Yangtze River Valley

Ren Zongwei1,Ge Yali2,Wang Yujiao1,Liu Li1,Tao Xiaoming1
(1.School of Management,Harbin University of Commerce,Harbin 150028; 2.School of Transportation Management,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China)

In this paper,we mainly studied the location problem of the inland hub ports along the Yangtze River valley.First we summarized the current status of the domestic and foreign literatures on the hub port;then we analyzed the current status of the major ports on the river;next,we built the integer programming model for the minimum cost and used it to analyzed the 21 major ports involved;and at the end,we arrived at the optimal candidate for the hub port.

Yangtze River valley;inland waterway transportation;hub location allocation;integer programming model

F259.27；U651+.2

A

1005-152X(2015)11-0072-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2015.11.021

2015-09-28

2010年黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目（11551107）

任宗伟（1979-），男，辽宁凌源人，副教授，博士，研究方向：物流设施规划与设计。