考慮港口貨運需求多重時間窗的集裝箱班輪航線集成設計論文

1、本科論文考慮港口貨運需求多重時間窗的集裝箱班輪航線集成設計摘 要本文以中日集裝箱班輪航線理論研究結果與生產實際差異為切入點，研究此差異出現原因。假設此現象是由各港口貨運需求的計算周期存在差異所致。欲論證此假設，以集裝箱班輪航線運營系統(tǒng)為對象，設計集裝箱班輪航線，分解先前港口貨運需求的計算周期（周）為天，以天為單位統(tǒng)計港口貨運需求，并創(chuàng)新性提出港口貨運需求時間窗概念。以掛靠港選擇和掛靠順序確定為決策變量，單艙利潤最大化為目標函數，建立掛靠港選擇、掛靠順序確定、量本利三層數學模型。最后，以中日環(huán)繞航線系統(tǒng)為案例，以港口貨運需求統(tǒng)計周期為控制變量，設計對照實驗求解。結果證明，對于周期較短、港口貨運需

2、求存在波動的班輪航線，貨運需求計算的周期會對班輪航線設計產生影響。關鍵詞：集裝箱班輪航線，貨運需求，多重時間窗 AbstractIn this paper, the differences between the research results and practice of container lines between China and Japan are taken as the starting point. In order to study the differences, it is assumed that this phenomenon is caused by the

3、difference in the period of measuring the freight demand of each port. In order to demonstrate this hypothesis, the container liner operation system is taken as the object, the container liner route is designed, the calculation cycle (week) of the previous port freight demand is decomposed into days

4、, and the port freight demand is counted by days. In addition, the concept of time window for port freight demand is put forward innovatively. Based on the decision variables of the choice and order of affiliated ports, a three-layer mathematical model of the choice, order and cost-benefit of affili

5、ated ports is established. Finally, taking the China Japan round trip system as an example and the statistical period of port freight demand as the control variable, a comparative experiment is designed to solve the problem. The results show that for the liner routes with short cycle and fluctuating

6、 port freight demand, the cycle of freight demand calculation will affect liner route design.Key words: liner route, freight demand, multiple time windows 目 錄前 言11 集裝箱班輪航線設計概述31.1集裝箱班輪航線構成要素31.2集裝箱班輪運輸特點31.3集裝箱班輪航線運行模式42 集裝箱班輪航線設計決策52.1 集裝箱班輪航線構成因素52.2 集裝箱班輪航線重點決策內容63 港口貨運需求多重時間窗73.1時間窗概念73.2時間窗分類73

7、.3時間窗在集裝箱班輪運輸中的應用84 集裝箱班輪航線集成設計84.1 問題描述84.2集裝箱班輪航線集成設計84.2.1模型假設84.2.2模型符號94.2.3模型構建105 案例分析115.1 參數設置及說明115.2實驗計算對比13結論16致謝17參考文獻18本科論文前 言研究背景：船舶運輸依靠貿易發(fā)展，所以船舶運營規(guī)律要符合工業(yè)生產規(guī)律，因而觀察港口貨運需求波動要參照工業(yè)生產周期的變化。如果忽略其中聯系的變化，理論研究會脫離生產實際，進而缺乏現實意義。對于類似中日航線等貨運周期較短的班輪航線，上述情況產生的效果會被放大。因此，中日航線的理論研究結果與生產實際出現差異的情況出現了。為探究

8、此情況出現原因，基于文獻查詢，主觀做出假設并加以證實。對于航運產業(yè)變化的理論性的規(guī)律總結，通過生產實際加以驗證或延伸，是理解行業(yè)運行模式和探索行業(yè)運行規(guī)律的有效方式。研究目的與意義：本論文將以集裝箱班輪航線運營系統(tǒng)為研究對象。針對影響該系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問題，鑒于其與經典背包問題（KP）和旅行商問題（TSP）存在的差異，考慮到它們之間的相互影響、相互作用、相互耦合的關系，提出了考慮港口貨運需求多重時間窗的集裝箱班輪航線集成設計。并將該設計作為經典背包問題與旅行商問題的復合問題的變異性實踐。研究提煉該問題的類別屬性、基本特點、解決思路、建模方法、求解方法等，使集裝箱班輪航線理論研究進一步貼近生產實際

9、。解決問題思路：本問題來源于中日航線理論研究生產實際的差異，為探究其差異出現原因做出初步假設：因中日航線班期較短（一般為一周），差異產生原因可能來自于貨運需求的計算周期存在差異，大多數研究均以周為單位計算貨運需求，但實際操作中船公司以各港口單位班期（周）內每天的貨運需求為航線設計指標，由此二者產生差異。因此，本文在設計集裝箱班輪航線時，受港口裝卸時間窗啟發(fā)，將時間窗這一概念擴展至多重不確定時間窗，靠時間窗內港口貨運需求設計集裝箱班輪航線。另外，本問題仍為航線設計問題，故仍以規(guī)劃層面的集裝箱班輪航線設計方法為基礎。開發(fā)建模方法：根據研究問題解決思路，鑒于問題是經典背包問題與旅行商問題的復合問題的

10、實踐，以及它們之間相互影響、相互作用、相互耦合的關系，運用整數規(guī)劃中動態(tài)規(guī)劃的方法，以單艙利潤最大為運營目標，確定掛靠港口、掛靠順序、艙位分配，構建一個三階段的非線性0-1整數規(guī)劃模型。研究實證方案：最后，本文以中日非理想環(huán)繞航線系統(tǒng)作為案例，通過結果對比，驗證了本文提出假設的可靠性。理論研究與生產實際的差異貨運需求計算周期存在差異發(fā)現問題做出假設國內外文獻閱讀提出港口需求多重時間窗考慮港口貨運需求多重時間窗的集裝箱班輪航線集成設計確定研究問題確定問題路徑構建資產配置運營操作明確問題屬性、確定決策變量集裝箱班輪航線系統(tǒng)確定研究對象構建三階段模型解決問題算例分析驗證分析問題圖1 技術路線圖Fig

11、. 1 The Technique Chart Flow1 集裝箱班輪航線設計概述1.1集裝箱班輪航線構成要素班輪航線的規(guī)范為其抽象提供可能性，集裝箱班輪航線抽象為理論后的因素可分為港口（固定點）、船舶（連接點）、集裝箱(系統(tǒng)容量)，要素和要素之間的關系共同構成了集裝箱班輪航線系統(tǒng)。當研究對象顯然成為一個系統(tǒng)時，研究任何問題都要有系統(tǒng)思維、動態(tài)思維。港口、燃油、航線等要素設計，并結合時間、空間的規(guī)律研究。航行過程中航線和港口的條件要求逐漸提高，此條件包括自然條件和工程條件。海運經濟以規(guī)模效益突出，由于船舶的大型化，掛靠港口數量增加，航線的構成隨之產生重大影響。集裝箱班輪航線在運營條件相對確定的

12、情況下，班輪公司應在穩(wěn)定貨運需求上下功夫。因此，航線上貨流流向和貨流流量是集裝箱班輪航線設計的決定性因素。1.2集裝箱班輪運輸特點準確的船期對集裝箱來說十分重要。船舶的航速相對較高,對比于另外類型的船舶,集裝箱航線可以更高效地按原計劃將貨物運送達目的地。另外，集裝箱航線對天氣要求比較低,很少會出現在港操作時間延誤的情況，由此可以說明集裝箱班輪航線具有準確性。所以,集裝箱航線大多數為班輪航線。（1）班期固定以集裝箱班輪航線班期穩(wěn)定特點為基礎，再根據實際情況制定航線班期。在實際生產實際中的短期班輪航線大多都制定每周一班,這大多為單一班輪運輸公司運營航線，若多家航運公司拼船運營可進一步縮短班期。固定

13、的班期不僅便于航線運營系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)提前安排工作并促進集裝箱班輪行業(yè)的專業(yè)化。（2）掛靠港口少相比于雜貨船，集裝箱船航線掛靠港口相對較少。掛靠港口過多會降低集裝箱班輪航線的運營效益，這是由于過多的掛靠港口會削弱其航運速度快、船期穩(wěn)定準確等優(yōu)勢。因此，為減少掛靠港口數量，需增大單筆運輸交易的運輸量，這對攬活業(yè)務提出更高要求。（3）區(qū)域性突出區(qū)域性也可以視為在一個復雜動態(tài)的系統(tǒng)中的一種相對的靜態(tài)過程，這種靜態(tài)為量化理論提供了條件。集裝箱班輪航線的區(qū)域性顯示國際貨物流向，國際貨物流向又依賴于國際貿易。在國際貿易發(fā)生變化會對航運市場造成影響。貿易變向會突出航運市場區(qū)域性的特征，因此，航運市場的風險控制

14、需要利用區(qū)域性特點。在對航運市場進行區(qū)域性劃分后，歸納區(qū)域的市場特點和影響市場的因素，對各影響因素賦予權值，并建立一系列可彈性變化的數學模型以應對由于貿易變動產生的風險。在區(qū)域性因素發(fā)生變化后，調整數學模型中的參數以應對形式變化。（4）網絡系統(tǒng)性強由于集裝箱班輪航線掛靠港口少、航運速度快的特點，要求班輪航線根據供給分工不同，分為干線和支線，且干線支線相互組合，進而構成集裝箱班輪航次按運輸網絡。運輸網絡是由點、線構成，即港口和航線。在運輸網絡運行的同時，網絡運營系統(tǒng)配合產生。出于提升該系統(tǒng)的效率、增加效益的目的，要保證各點（港）的有效連接以提升整個系統(tǒng)的運行效率。另外，在做集裝箱班輪航線規(guī)劃使要

15、考慮到系統(tǒng)的整體性。1.3集裝箱班輪航線運行模式集裝箱班輪航線運行模式是指船舶、港口和集裝箱組成的集裝箱班輪系統(tǒng)經過模型抽象，根據船舶往返于掛靠港口形成的閉合路徑特點，集裝箱班輪航線的運行可分為環(huán)繞與鐘擺兩種不同的基本方式。（1）環(huán)繞式航線載貨船舶從始發(fā)港出發(fā)，于航線任意港口卸下貨物或裝載貨物，保證滿足沿途各港口的貨運需求，最終回到始發(fā)港，形成閉合式圓環(huán)的航線模式。如圖1.1所示，此為理想狀態(tài)下環(huán)繞式航線。此環(huán)繞型航線分為順時針、逆時針兩方向。無論順、逆時針，港口只裝載順位兩個港口的貨物，多裝浪費運力。以各港口為起點，按貨物流向劃分半程。因此，船舶除在起始港口外，其余港口的作業(yè)箱量都小于船舶的

16、載運量。在這種運輸方式下，單位航次內部分艙位利用率大大提高。環(huán)繞型航線的理想模型，各港口間弧線距離相等，若港口數量為奇數，各港口平均貨運需求為航線總需求的三分之一。此類型理想型航線可根據實際情況延展，進而更改相關參數。圖1.1 環(huán)繞航線Fig.1.1 Surrounding routes（2）鐘擺式航線鐘擺式航線，顧名思義，航程路線類似鐘擺式來回擺動。具體來說，船舶的行駛為去、回兩個方向，港口在首發(fā)港口裝載其余各港口的貨物，再于各港口依次卸下，各港口重復此工作步驟。如圖1.2所示，在港1裝載到港口2、3、4、5的貨物，并在港口2裝載到港口3、4、5的貨物以此類推，船舶到達港口5后返程并裝載至港

17、口4、3、2、1，符合此航程規(guī)律的航線統(tǒng)稱為鐘擺航線。每個港口均經過至少2次。圖1.2鐘擺航線Fig.1.2Pendulum routes2 集裝箱班輪航線設計決策2.1 集裝箱班輪航線構成因素（1）港口條件港口條件分為地理位置、自然條件、備選港口的航道信息。港口地理位置作為港口選擇的基本條件存在，除港口的地理坐標外，還包括港口所處的經濟發(fā)展地帶及其輻射經濟帶。另外，港口在多式聯運中發(fā)揮的作用也是考慮因素之一。至于自然條件，包括港口所在地的風況、降水、霧況、氣溫、冰況、潮汐等。為了提高港口航道的工作效率，航道信息化成為發(fā)展條件。港口航道的信息化有助于優(yōu)化港口的集裝箱吞吐量，滿足港口不同階段的發(fā)

18、展要求。在選擇港口位置、泊位水深及天氣航道信息在備選港口的地理位置、泊位水深變化及天氣變化都會成為掛靠港口的決定性因素，上海、青島、寧波等港口都是以得天獨厚的自然條件得以良好發(fā)展?，F港口為滿足各船舶要求都會提供航運產業(yè)鏈中的配套服務。如上海國際航運金融中心、上海期貨交易市場等配套金融服務中心。船舶在選擇掛靠港口時，需要考慮掛靠港口的位置、天氣和泊位等待率。另外，碼頭風力會造成較大的燃油耗費：因為船舶如果是頂風航行,船舶需要更大的馬力，與此同時船舶耗油量成倍增長。除此之外，作業(yè)時間也會受到影響，可能由于時間延誤造成掛靠港口時間錯位、交貨延遲，造成更大的損失。（2）貨運需求量集裝箱運輸業(yè)是國際貿易

19、的派生產業(yè)，因此國際貨物交易量直接或間接決定國際航運業(yè)航線的貨運需求量。由于集裝箱班輪航線操作的規(guī)范性，時間不再成為系統(tǒng)內首要不確定因素，貨物來源不確定的重要性逐漸凸顯。航線運營的特點要求航線上各港口穩(wěn)定的貨源以保證航運公司班輪的正常運轉。為保證穩(wěn)定這一攬活特征，船公司在設計航線前應對航線上各O-D對的貨物需求做詳細的前期調查，參考之前的貨運需求波動，結合相關的變化因素，對貨運需求的波動趨勢做科學預測。用以上類似方法得到的數據為基礎，做出航運公司航線港口選擇和掛靠順序選擇。此外，對于具有強烈增長趨勢的航線，船公司為了提前搶占市場會放棄短期利益而開辟新航線。為了減少前期損失或應對航運市場的蕭條，

20、船公司可以優(yōu)化航線降低成本，避免開辟新航線而造成更大的經濟損失。 隨著全球化發(fā)展，航運公司調整和更改航線的情況越來越多。大型跨國公司是全球化生產鏈，海外生產加工需要大量原材料和產品的在全球范圍內的運輸，由于航運市場需求穩(wěn)定且需求量大量增加，航運公司會以客戶需求為導向調整航線以提高服務品質。（3）船舶因素集裝箱船作為集裝箱航運市場產品的載體，因而船舶的特性會成為影響航運產業(yè)特征的一部分。船舶的特性包括船體本身和船舶附加服務。船舶因素不僅狹隘的指船體，也包括集裝箱班輪航線系統(tǒng)中與船舶有關的部分：船舶載重能力、船舶的與航道匹配能力、船舶耗油能力。因此，除了對船舶的物理學研究，也要延伸其物理特性改變對

21、航運系統(tǒng)影響的規(guī)律。其中存在一些相悖的規(guī)律，迫使決策者在相悖的二者中尋找平衡點。 例如研究船舶燃油時不可回避的問題，當沿線港口燃油價格存在差異，為降低燃油成本，船舶載重與船速之間存在的矛盾：增加低價燃油載重會占用貨物載重，如果減少燃油載重，就要提高船速，燃油成本就會隨之提高。 （4）班期密度集裝箱班輪運輸是規(guī)定船舶航行班期的船舶運輸方式。班期密度是在設定的一定時間長度內發(fā)班的次數。班期密度直接與航線長度和航線配船數量有關。對于航線的配船數實際需要通過貨運需求量決定：如果航線貨源大量穩(wěn)定，船舶數量較易確定；如果航線貨源較少或持續(xù)性不穩(wěn)定，可采取多公司共同租用的方法將風險降到最低。班期密度的制定是

22、航運市場供需雙方的流動性博弈：班期密度由集裝箱班輪公司制定，但仍需根據貨主貨物的生產周期進行調整；在調整過程中供需雙方以雙方實力爭取主動權。在前期市場開發(fā)階段，班期密度是由船公司根據航線貨運量和船公司實力初步預估班期密度，具體計算方法相對固定，但仍需要注意需求波動對班期的影響，班期設置不應極端，班期制定還應科學合理。（5）艙位分配集裝箱班輪運輸囿于集裝箱的規(guī)模尺寸，若出現虧艙或甩貨現象，皆會造成較大程度的損失。因此，集裝箱艙位分配是集裝箱班輪航線優(yōu)化不可忽略的一部分。以往論文研究集裝箱箱位分配大多分為重箱、空箱，有時又拓展冷藏箱箱類。艙位分配的優(yōu)化結果自然而言與航線選定港口貨運需求、港口掛靠順

23、序、船舶載運量、集裝箱需備量等因素直接聯動相關。本文改變了港口貨運需求的時間窗，顯然會改變掛靠港口選定和掛靠港口順序，進而改變艙位分配。另外，若不合理調配空箱會導致港口集裝箱分配不均：部分港口空箱堆積，造成額外的港口堆存費；另一部分港口空箱缺失，造成額外的租箱費，以增加運營成本。因此，優(yōu)化船舶航線時要考慮空箱調配方案，充分利用自有空箱，控制成本。2.2 集裝箱班輪航線重點決策內容集裝箱班輪航線決策重點實質為兩個方面:船舶掛靠港選擇與掛靠順序確定，其余決策內容以這兩方面內容為基礎。船舶掛靠港選擇是第一步，從開辟航線沿岸選擇適合船舶掛靠條件的港口。將符合物理條件的港口作為備選港口，備選港口的貨運需

24、求作為航線優(yōu)化數據。第二步確定掛靠港口順序，此步驟需要約束條件作為選擇器進行選擇。約束條件要根據港口位置、掛靠時間約束、各港口裝卸操作連接約束等。集裝箱班輪航線的時間計算包括海上航運時間、港口等待時間和港口裝卸時間，上述兩個決策重點的優(yōu)化可以縮短航線運營時間，提高集裝箱的周轉效率。因此，集裝箱班輪航線以運營利潤最大化為目標函數，以掛靠港口選擇、掛靠次序為決策變量。根據本問題的求解目標，因此將本問題歸類于旅行商問題，并采用旅行商問題的思路進行編程和求解。3 港口貨運需求多重時間窗本文由于發(fā)現中日航線集裝箱班輪航線設計理論與實際存在差異，因此試圖細化原有貨運需求統(tǒng)計周期，將一周時間細化為以天為單位

25、，以此統(tǒng)計港口波動貨運需求。對于一周之內，貨運需求較為穩(wěn)定的港口而言，此方法探索空間不大。但對于貨運需求每天相差0.1以上的港口而言，存在研究必要性，以發(fā)現差異存在原因。之所以將時間定義為時間窗，是由于港口每天的貨運需求存在差異，時間窗可以成為表示此差異的手段。雖然這種表達式間接的，但是時間窗可以此準確表達時間和波動貨運需求兩者之間的關系，成為研究此問題的有力工具。之所以稱其為多重時間窗，因為時間窗是按照時間序列相鄰排列，每個港口進入每個時間窗都存在可能性。 文章創(chuàng)新性提出多重時間窗的概念是為了快捷、有效的研究針對問題。3.1時間窗概念時間窗就是一個時間段約束的形象表示，而每個時間段都具有起始

26、時間和結束時間。由此，對于集裝箱班輪航線設計而言，時間窗內外的時間會產生不同的價值。設計者可根據自身目的為其賦予不同的價值解釋。3.2時間窗分類可將目前論文中時間窗出現的形式歸納分類為：（1）按照限制方法進行劃分按照限制方法，時間窗可劃分為單向和雙向兩類。單向時間窗是規(guī)定最早開始時間或最晚結束時間，兩者其中之一；雙向時間窗是確定服務雙邊時間邊界，即最早開始時間和最晚結束時間同時約束。例如，集裝箱運輸行業(yè)，船舶到達港口最早和最晚的時間約束，早于最早時間和晚于最晚時間都將受到懲罰。 （2）按價值強度進行劃分按照賦予時間窗的價值強度，可分為硬時間窗、軟時間窗和混合時間窗。硬時間窗是指必須在規(guī)定時間內

27、為顧客提供事先協商的服務，若跳出預設時間窗，顧客有權拒絕接受服務，并要求賠償。這對服務提供者來說是懲罰成本。因此，為規(guī)避此成本風險，在航線優(yōu)化時期，船公司會將時間窗設為絕對約束，跳出時間窗的懲罰成本被設為無窮大的數。軟時間是指相對硬時間窗而言，懲罰成本是彈性變化并位于可接受范圍內?；旌蠒r間窗是綜合前兩種時間窗，當超出時間在一定范圍內，是可接受的，采取軟時間窗計算方法；逾越這一范圍，采取硬時間窗規(guī)則，懲罰成本會成倍放大。因此，船公司要平衡風險和利益，在最大程度爭取利益的同時，還要降低出現懲罰成本的風險。 3.3時間窗在集裝箱班輪運輸中的應用本文假設中日航線班期差異，原因可能來自于計算貨運需求的周

28、期存在差異。因此本文時間窗成為表現時間和港口貨運量之間關系的載體：以24小時為單位劃分時間窗，港口會出現不同的時間窗內的貨運量強度不同，由此直接影響了集裝箱班輪航線的規(guī)劃。對于貨流量不穩(wěn)定的中小型港口，貨物生產周期會造成港口周末的貨運量相較于其他時間有較大幅度增長，因而產生不同時間窗內貨運量強度不同。不確定性是水上交通研究的重要特性，主要有需求的波動、在港時間或運輸時間的不確定等因素或其因素導致船舶租賃成不確定。由此，派生出各種不同的表示方法：例如 Wang29將需求表示為運輸時間的函數；Ng30通過均值及方差描述貨運需求的不確定性；Aydin31假設船舶在港服務時間服從均勻分布；而Elges

29、em32則假設其服從正態(tài)分布等。4 集裝箱班輪航線集成設計初步假設：因中日航線班期較短（一般為一周），差異產生原因可能來自于計算貨運需求的周期存在差異，大多數研究均以周為單位計算貨運需求，但實際操作中船公司以各港口單位班期（周）內每天的貨運需求為航線設計指標，由此二者產生差異。4.1 問題描述集裝箱班輪航線通常將計算O-D對單位班期內貨運需求作為航線設計的基礎數據。此種計算方法雖將計算時間壓縮至單位班期內，但仔細研究單位班期內相對更短的時間單位的貨運需求差異，不難發(fā)現這其中仍有可挖掘空間。集裝箱班輪運輸是一種對時間要求極為嚴格的航運運輸模式，處于同一條航線上的各港口之間需要流暢連接和整體規(guī)劃來

30、控制成本。因此，本問題將單位班期分割為時間跨度更短的連續(xù)時間窗，以提高問題研究的精確度。另外，本問題雖帶有時間窗，究其本質是KP與TSP的組合問題，因此目標函數將分為三層模型同步求解。4.2集裝箱班輪航線集成設計4.2.1模型假設本文研究的是考慮港口貨運需求多重時間窗的非理想環(huán)繞航線，為了模型能夠合理有效地建立，已知條件如下：（1）港口間距離和O-D貨流量；（2）港口間貨運市場價格；（3）港口使費、船舶運營費用；（4）貨運需求時間窗為簡化問題，對以下方面進行假設：（1）本文思路來源于中日航線，因此設計航線班期為周班；（2）各港口相關費用相同；（3）船舶不過載；（4）班輪航線船舶船型一致；（5）

31、未選中備選港口不作為直線港；（6）各港口按時完成裝卸作業(yè)，無時間延遲。4.2.2模型符號N：備選港口集合；V: 港口組合方式集合；k:第k種備選港口組合方式；P: 選中港口組合的目標函數值；ak：選擇第k種備選港口組合方式為1，否則為方式為0；sk：在第k種備選港口組合方式下選擇第s種掛靠順序為1，否則為0；wij：港口i, j之間路徑選擇，選中為1，否則為0；Rijx，Rijy：重、空箱從港口i運至港口j的單箱收益；Cijx,Cijy:重、空箱的單箱在港作業(yè)費用；xij,yij:港口i, j之間的重箱和空箱數量；lijm:如果第m個航段上有i, j港口對上的貨物則為1，否則為0；Cpf、Cp

32、t、Cpl、Cpp：分別為船舶重油成本、輕油成本、租船成本和港口成本；riw:船舶在周w到達i港為1，否則為0； dij:港口i, j之間的實際貨運需求量； qiw:港口i貨運需求；：船舶大?。?I:無窮大數； dij:港口i,j之間的平均貨運需求。4.2.3模型構建本文的集裝箱班輪航線集成設計是由掛靠港口選擇（KP）、掛靠港口順序確定（TSP）以及量本利模型確定的三層模型確定，三層模型之間存在相互關聯部分，故可使用求解。第一階段：選擇掛靠港口（KP）目標函數： MaxPak （4.1）約束條件：kVak=1 （4.2）ak0,1 kK （4.3）第二階段：確定掛靠港口順序（TSP）目標函數：

33、MaxP=sSskPsk （4.4）約束條件：jNwij=jNwji iN （4.5） iSjSwij1 SN； （4.6）W=wiji1,N;j1,N （4.7）wij0,1 i,jN （4.8）第三階段：量本利模型 目標函數：（4.9）MaxP=1CAPiNjN(Rijx-Cijx)xij+(Rijy-Cijy)yij-(Cpf+Cpt+Cpl+Cpp)（4.10）（4.14）約束條件：i=1Nj=1N(xij+yij)lijm,i,jN,lLxij+yijdij,i,jN （4.11） (wij-1)Iai+tij+hi-aj,i,jN （4.12）ai+tij+hi-ajI1-wij,

34、i,jN （4.13）wWriw=1,iNriw,=wWriw,wW,iN (4.15)w=1Wriw=ai,wW,iNdij=dijwW(riwqiw),i,jN,wW（4.16）（4.17）公式（4.1）-（4.3）表示從備選港口群中選出最佳掛靠港口組合；公式（4.4）-（4.6）表示確定已選港口的掛靠順序；約束（4.9）單艙利潤最大目標函數；（4.10）航段船舶運載箱量小于船舶艙容；約束（4.11）表示各港口之間的艙位分配必須小于實際港口之間的貨運需求；約束（4.12）-（4.13）表示選擇港口掛靠時間約束；約束（4.14）-（4.16）表示港口貨運需求時間窗與掛靠時間的變換關系約束；約

35、束（4.17）表示港口實際貨運需求與時間窗內波動貨運需求變化轉換。5 案例分析本文研究班輪航線運行方式為環(huán)繞航線，為驗證模型和算法的有效性，本案例采用中日班輪航線，使得班輪公司單艙利潤最大。5.1 參數設置及說明相關參數設置：（1）備選港口：大連、天津、青島、北九州、大阪、神戶（2）計算期：一個航次（3）班期：一周（4）班輪航行速度：21節(jié)（5）重油價格：320USD/t，輕油價格560USD/t（6）假設船舶在每個港口平均作業(yè)時間為0.5天（7）市場上船舶類型：1000TEU、1200TEU、1400TEU、1800TEU、2000TEU、2400TEU、2800TEU、3000TEU、36

36、00TEU、4000TEU表5.1 港口間海運距離Tab. 5.1 Shipping distance between ports大連天津青島北九州神戶大阪大連0186272568850868天津18604907569921002青島2724900512799809北九州5687565120253408神戶850992799253016大阪8681002809408160表5.2 港口間平均貨運需求及運價Tab. 5.2 The average freight requirements and freight rates between ports大連天津青島北九州神戶大阪大連0/00/00/

37、0390/300230/370230/370天津0/00/00/0300/310260/390260/390青島0/00/00/0350/300390/320390/320北九州20/21030/22040/2000/00/00/0神戶50/23040/24040/2100/00/00/0大阪50/23040/24040/2100/00/00/0表5.3港口貨運需求時間窗Tab. 5.3 The harbor freight demand time windows一二三四五六日大連0.821.61.4天津1.2青島1111111北九州0.8

38、神戶1.3大阪1.3表5.4 港口裝卸費Tab. 5.4 Container handling cost in ports大連天津青島北九州 神戶大阪 重 箱606060100100100 輕 箱454545808080表5.5 船型及成本對應關系Tab. 5.3 Body form and cost corresponding relationships船型（TEU）單位時間重油消耗（t/d）單位時間輕油消耗 （t/d）船舶租金（USD/d）港口使費USD10002222.085004

39、900012002423.0105005200014002723.5118005800018003224.5131006600020003525.2140007000024003926.3150007900028004427.2162008500030004627.7168008700036004928.4174009200040005329.818500950005.2實驗計算對比本研究的算例求解采用LINGO11進行編程，（1）選擇掛靠港口采用港口平均貨運需求：圖5.1 掛靠港Fig.5.1 Affiliated ports采用港口貨運需求時間窗：圖5.1 掛靠港Fig.5.1 Affil

40、iated ports（2）確定掛靠順序及時間：采用港口平均貨運需求：大連（五） 天津（五） 青島（七）北九州（一）神戶（二）大阪（三）大連（五）采用港口貨運需求時間窗：大連（五） 青島（六）北九州（七）神戶（一）大阪（二）大連（四）（3） 各港口艙位分配結果：表5.6按港口平均貨運需求計算的艙位分配()Tab. 5.6 The space assignment based on average cargo demand in different ports()大連天津青島北九州神戶大阪大連重箱230230空箱天津重箱300260260空箱青島重箱340390390空箱北九州重箱203040空

41、箱356263神戶重箱504040空箱12915242045大阪重箱504040空箱235280表5.7 考慮港口貨運時間窗的艙位分配()Tab. 5.7 The space assignment considering the time window for cargo demand in different ports()大連青島北九州神戶大阪大連重箱460460空箱57青島重箱384432420空箱北九州重箱3042空箱257374120神戶重箱6354空箱210450大阪重箱6050空箱310290（4）船型表5.8 兩方案的船型Tab. 5.8 The type of body fr

42、om selection方案船型（TEU）24002000（5）單艙利潤表5.9 兩方案的單艙利潤Tab. 5.9 The type of body from selection方案單艙利潤（USD/TEU）13.5915.23結論本文通過設計考慮港口貨運需求多重時間窗的集裝箱班輪航線，論證港口貨運需求計算周期的差異會導致港口選擇發(fā)生變化，進而影響航線利潤。通過設計數學模型，結合實際案例，得到以下結論：（1）文章可論證開篇假設：港口貨運計算周期是造成中日航線理論研究結果和生產實際差異的影響因素之一。（2）對于周期較短、港口貨運需求波動的航線，縮短港口貨運需求的計算周期可以改變航線港口選擇，提高

43、單艙利潤。如例所示，中日航線港口貨運需求統(tǒng)計周期由一周變?yōu)橐惶鞎r，天津港從原航線中剔除。此改變符合生產實際，同時平均單艙利潤也隨之上漲。致謝本研究及學位論文是在我的導師陳超教授的親切關懷和悉心指導下完成的。從論文的選題、方案設計到論文撰寫，無不傾注了陳老師的細心教導。陳老師深厚的理論基礎、豐富的實踐經驗、嚴謹的治學態(tài)度，讓我受益匪淺。從課題的選擇到項目的最終完成，陳老師都始終給予我悉心的指導和不懈的支持。在此還要特別感謝王春娟老師。王老師在我的論文撰寫階段給予我很大的幫助和指導，王老師開拓創(chuàng)新的學者風范、博大的胸懷和誠懇的為人，值得我學習。最后，再次對關心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝。參

44、考文獻1陳超. 集裝箱環(huán)繞航線均衡運行原理及作業(yè)量函數模型J. 大連海事大學學報, 2004(01): 61.2陳超, 張哲, 曾慶成.基于波動需求的集裝箱航線優(yōu)化設計J.大連海事大學學報, 2011, 37(04): 83-86+90.3李國明, 李軍華. 帶軟時間窗的隨機需求車輛路徑問題的算法研究J/OL. 計算機集成制造系統(tǒng): 1-202020-02-23. http: /4李卓, 李文霞, 巨玉祥, 陳曉明, 何曉平.混合蟻群算法求解帶軟時間窗的車輛路徑問題J.武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2019, 43(04): 761-766.5徐榮敏. 考慮港口貨運需求時間窗的集裝箱

45、班輪航線優(yōu)化設計D. 大連海事大學, 2015.6顏偉. 集裝箱航線系統(tǒng)優(yōu)化設計模型研究D. 大連海事大學, 2012.7孫國東. 基于季節(jié)波動的集裝箱班輪航線優(yōu)化研究D. 大連海事大學, 2010.8Shuaian Wang, Abdurahim Alharbi, Pam Davy. Liner ship route schedule design with port time windowsJ. Transportation Research Part C, 2014, 41.9Fagerholt, K., & Christiansen, M. (2000). A travelling s

46、alesman problem with allocation, time window and precedence constraints an application to ship scheduling.International Transactions in Operational Research, 7(3), 231.10de Armas, J., Lalla-Ruiz, E., Expsito-Izquierdo, C., Landa-Silva, D., & Melin-Batista, B. (2015). A hybrid GRASP-VNS for ship rout

47、ing and scheduling problem with discretized time windows.Engineering Applications of Artificial Intelligence, 45: 350360.11Yin, J., Wang, N., & Perakis, A. N. (n.d.). A Real-Time Sequential Ship Roll Prediction Scheme Based on Adaptive Sliding Data Window.IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS MAN CYBERNETICS

48、-SYSTEMS, 48(12), 21152125.12Ghasemi-Sardabrud, M., Zarkandi, M., & Mahmoodjanloo, M. (2019). A Ship Routing and Scheduling Problem Considering Pickup and Delivery, Time Windows and Draft Limit.2019 15th Iran International Industrial Engineering Conference (IIIEC), Industrial Engineering Conference

49、(IIIEC), 2019 15th Iran International, 165170.13Zhao, Y., Zhou, J., Fan, Y., & Kuang, H. (2020). Sailing speed optimization model for slow steaming considering loss Aversion mechanism.Journal of Advanced Transportation, 11.14Liling Huang, & Jiaqi Yang. (2019). Location-distribution of cruise ship supply logistics distribution centre considering time window.Systems science & control Engineering,1, 338.15張淼. 集裝箱班輪航線評價指標體系研究D.大連海事大學, 2