环日本海地区的航线优化研究
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第３４卷第３期 ２０１１年９月 中 国 航海 ＮＡＶＩＧＡＴ１０Ｎ ＯＦ ＣＨＩＮＡ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１１
文章编号：１００Ｏ一４６５３（２０１１）０３—０１０８～０５
环日本海地区的航线优化研究
孙学珊， 杨忠振
（大连海事大学交通运输管理学院，辽宁大连１１６０２６）
摘要：随着环日本海地区贸易往来的频繁，优化该地区航运网络结构，提升海运通达性，成为推动该地区经济发 展的重要手段。因此，提出一个以航运企业利润最大为目标的航线网络优化模型。该模型综合考虑航线、船型与 需求间的关系，以船舶的载重量为约束，优化航运企业的资源配置，设计航线及选择适宜船型。利用实际数据对该 模型进行检验，结果显示，优化的航线网络以及确定船型在不同经济条件下有所差别，可为环日本海航线的开辟与 运营提供借鉴。 关键词：水路运输；环绕航线；优化模型；船型；环日本海地区
中圈分类号：Ｕ６９２．３ １ 文献标志码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｒｏｕｔｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ａｒｅａ ｏｆ Ｊａｐａｎ Ｓｅａ
Ｓｕｎ Ｘｕｅｓｈａｎ， Ｙａｎｇ Ｚｈｏｎｇｚｈｅｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｊａｐａｎ Ｓｅａ ａｎｄ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｅｃｏｎｏｍｙ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃ— ｅｓｓａｒｙ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｒｏｕｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｍａｒｉｔｉｍｅ ａｃｃｅｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｅａ．Ａ ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｒｏｕｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ａ ｇｏａｌ ｏｆ ｇｅｔｔｉｎｇ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｏｆｉｔｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｒｏｕｔｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ａｍｏｎｇ ｓｈｉｐｓ ａｎｄ ｍａｒｋｅｔ ｄｅｍａｎｄｓ ａｒｅ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｗｉｔｈ ｓｈｉｐ ｔｏｎｎａｇｅ ａｓ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅ— ｓｏｕｒｃｅ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｈｉｐｐｉｎｇ ｃｏｍｐａｎｉｅｓ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｓｈｉｐ ｒｏｕｔｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｓｈｉｐ ｔｙｐｅｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ． Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｗｉｔｈ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｄａｔａ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｒｏｕｔｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｓｈｉｐ ｔｙｐｅｓ ｖａｒｙ ｗｉｔｈ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｂｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｉｎ ｏｐｅｎｉｎｇ ｒｏｕｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｊａｐａｎ Ｓｅａ ａｎｄ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｔ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｗａｙ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ；ｒｏｕｎｄ ｒｏｕｔｅ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；ｓｈｉｐ ｔｙｐｅ；ｔｈｅ ａｒｅａ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ Ｊａｐａｎ Ｓｅａ
随着东亚经济的飞速发展，环日本海地区各国
间的贸易往来愈加频繁。由于该地区特有的地理位
置，贸易运输主要依靠海运。因此，近年来中、俄、
韩、日四国都致力于开辟环日本海航线，以便进一步
促进该地区区域经济发展。目前，该地区的海运航
线并不密集，其中，最重要的航线——“黄金航线”承
担了大部分的贸易货运量。从总体看，环日本海航
线普遍存在着航线运距长、箱位利用率低、货源不稳
定等诸多缺陷，而这些缺陷在很大程度上促使航运
公司难以在该区域内建立完善的航运运输网络，降
低其经营海运航线的收益。从而减弱了航运公司在 该地区开辟和运营航线的积极性，促使海运运输需
求难以得到满足，限制了该地区各国间的贸易往来。 为进一步促进环日本海地区的多边贸易，大力发展
该地区的海运运输网络十分必要。为此，开发环形
航线优化模型，并利用模型设计符合环日本海地区
地理特点的环绕形航线，同时对选择适宜船型进行
了分析研究，系统模型及成果可供航运企业开辟环
日本海航线及运营决策参考。
在环绕航线的优化设计方面，Ｒａｎａ和Ｖｉｃｋ—
ｓｏｎＥ￣３建立以班轮公司效益最大为目标的非线性整
数规划模型，尝试同时解决港口选择和航线优化两
个问题；Ｊａｒａｍｉｌｌｏ和ＰｅｒａｋｉｓＬ２ 根据实际操作成本，
设计了线性规划模型，并利用模型对某一实际运营
航线进行分析，探讨其最佳的港口靠泊顺序。徐天
芳、胡丽娜＿３ 根据航线集装箱最大箱量运输能力等
收稿日期：２０１１—０５—２４ 作者简介：孙学珊（１９８８一），女，天津人，硕士生，从事航线优化研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｒｙｓｔａｌ１７１＠ｌｉｖｅ．ｏｎ． 杨忠振（１９６４一），男，ｉＥｑ＇￣Ｘ，教授，博士生导师，从事交通规划与管理研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇｚｂｏｎｇｚｈｅｎ＠２６３．ｎｅｔ．
孙学珊，等：环日本海地区的航线优化研究 １Ｏ９
原则，提出了集装箱班轮航线配船的数学模型。吴 文一 采用最短路径选择模型，在运输网络中分析
集装箱运输最短路径的选择，以及整个运输网络的
优化。
由于上述模型大都比较复杂，使用者难以收集
到所需数据，使实际应用受到制约。为了克服这些
弱点，提出～种较简单的航线优化模型，该模型以航
运企业最大利润为目标，同时考虑企业资源的合理
配置，确定最优航线和最佳船型，最后利用环日本海
地区的相关数据，验证该模型的可行性和实用性。
１ 航线优化模型
航线网络是影响航运企业收益最重要的因素之
一 ５ ］，为扩大收益，企业在设计航线网络时除考虑
航线本身外，还从企业整体的角度分析航线方案是
否有利于企业整体运力的调配和企业发展目标的实
现＿６］。其次，企业还从资源优化配置的角度，保证使
用船型在技术等方面要适合准备开辟的航线。
这里将上述问题转化为一个类似于“旅行商”问
题 及最优船型选择问题的复合问题。其中，“旅
行商”问题在多个港口中，选择需要挂靠的港口，并
确定船舶的挂靠顺序 。。。船型选择问题在明确船
舶运行成本和挂靠港口的基础上，进一步确定货物
的流向、流量以及适宜使用的船型。
１．１ 模型假设
相关假设如下：
１）被选港口固定，港口之间的航行距离和货流
需求量已知。
２）出口货运费率参照现行市场运价。
３）船舶在各个港口的作业时间设定为常数。
４）运营船舶为周班运输。
１．２成本函数 的确定
不同类型的船舶所对应的航运成本为ｃ ，它是
由固定成本（ ）和运营成本（Ｂ ）两部分组成。其
中，Ｇ 主要包括船舶的租金、港口使费； 包括燃油
（重油、轻油）费用和港口的装卸费，航运成本的计
算公式为：
ｃｔ，一Ｇ ＋Ｂ： （１）
Ｇ 一（ ＋Ｔ ＋ＴＪ）￣Ｅ￣ｑ－Ｔｉ×ｐ ＋
×Ｐ （２）
Ｂ：一 × ×＾＋（ ＋ ）×
ｑ ×Ｚ＋ｚ ＋Ｘ， （３）
式（１）～式（３）中：Ｃ 为第ｋ种船型将货物从ｉ港运 送到Ｊ港的航运成本； 为第ｋ种船型将货物从ｉ
港运送到Ｊ港的固定成本；Ｂ 为第ｋ种船型将货物
从ｉ港运送到 港的变动成本 为船舶在ｉ港的装
货费用；Ｘｊ为船舶在 港的卸货费用；Ｄ 为ｉ港到Ｊ
港的距离；Ｖ 第ｋ种船舶的航速；Ｔ 为船舶在ｉ港
的作业时间；丁Ｊ为船舶在 港的作业时问；Ｅ 为第
ｋ种船舶的每日租金；Ｐ 为船舶在ｉ港的港口使用
费； 为船舶在Ｊ港的港口使用费；ｈ为每吨重油价
格； 为每天消耗重油的吨数；Ｚ为每吨轻油的价
格；ｑ 为每天消耗轻油的吨数。
１．３优化模型
以环形航线各航段为研究对象，各航段的利润
之和为航线的总收益，模型以总收益最大为目标函
数。 表示航段的有无，３７ 一１表示港口ｉ，Ｊ间有
航段， —０表示港口ｉ， 间无航段；Ｙ 、Ｙ，表示１
时表示港口被挂靠，为０时表示港口不被挂靠。
：ｍａｘ 一∑∑ × ［Ｒ ｘ ｄ 一ｃ ］一 ｉ＝ｌ Ｊ一１ ×［ 一（ 一ｂ ＋ ）］ （４）
ＳＴ： — ， （５） ２一ｌ
一．Ｙｉ （６） Ｊ一１ ｄ≤ （７）
（∑ｄ：） ≤ （８）
ｉ、ｊ、ｋ、 ＝＝＝１，…，
在式（４）～式（８）中：Ｒ，为将每个标箱从ｉ港运送到
港的运费；硝为第尼种船舶在ｉ港装上到ｊ港卸下
的货物； 为不同船舶的最大载重量； 为惩罚系
数；“ 为第ｋ种船舶到达ｉ时所装载的货物；ｂ 为第
ｋ种船舶到达ｉ时所卸下的货物； 为ｉ港到Ｊ港的
货运需求量。
式（４）表示模型以最大利润为目标，该目标函数
中不仅考虑了运输收入和不同船型的运输成本，同
时加入了一个惩罚系数，当运输需求超过船舶额定
载重吨时，就会产生额外机会成本的损失，采用惩罚
系数表现其对航线整体收益的影响。约束条件式
（５）和式（６）表示环绕航线中各港口不能被重复挂
靠；约束条件式（７）表示船舶在港口所装上的货物应
该小于港口问的货运需求；式（８）表示在环绕航线
中，每一航段都有载货量上限约束。以图１为例，进
一步说明约束条件式（８）如下。
图１中的环形航线挂靠三个港口，包括三个航
段，对于航段１，其货载量上限约束条件为Ｄ ｚ≤ ，
