集裝箱碼頭生產(chǎn)運(yùn)作模式選擇優(yōu)化模型

1、集裝箱碼頭生產(chǎn)運(yùn)作模式選擇優(yōu)化模型 摘要：針對集裝箱碼頭各作業(yè)環(huán)節(jié)的取舍和規(guī)模的選擇，文章研究了集裝箱碼頭生產(chǎn)運(yùn)作模式的優(yōu)化選擇問題。與以往的研究不同，本文基于系統(tǒng)工程的原理，對各子系統(tǒng)進(jìn)行成本和收益分析，以單位投資收益最大化為原則，建立數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)集裝箱碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行在功能效用上和投資效益上整體達(dá)到最優(yōu)，從而科學(xué)的確定集裝箱碼頭的生產(chǎn)運(yùn)作模式的選取。通過實例證明，文章提出的模式選擇模型有很強(qiáng)的現(xiàn)實性和實用性，能有效解決碼頭在建設(shè)過程中成本和收益、投資與風(fēng)險之間的矛盾。關(guān)鍵詞:作業(yè)環(huán)節(jié)；生產(chǎn)運(yùn)作模式；系統(tǒng)工程；單位投資收益a selection-optimizing model of co

2、ntainer terminals operation modeabstract: aiming at the accepting or refusing choice and scale selection of each operating process, a selection-optimizing model of container terminals operation mode is established. different from the past studies, the relationships of costs and revenues of every sub

3、-systems are analyzed based on the principle of system technology. through the mathematics model, aiming at the maximization of single-container profit, the optimalizing proposal of the container terminals operation mode selection is trying to be found to make the whole system get the entire optimiz

4、ation on both function effectiveness and investment benefit. experimental results show that the proposed mathematics model can effectively solve the contradiction of cost/revenue and investment/risk.key words: operating process, operation mode, system technology, revenue per investment 1 緒論集裝箱碼頭生產(chǎn)運(yùn)作

5、模式是集裝箱碼頭經(jīng)營管理和業(yè)務(wù)操作的基礎(chǔ)，它的設(shè)計和選擇對集裝箱碼頭功能效用的發(fā)揮和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率的提高有著十分重要的作用。針對集裝箱碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃問題，已有的研究主要集中在碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模上，并強(qiáng)調(diào)子系統(tǒng)建設(shè)中設(shè)施設(shè)備規(guī)模和配置的優(yōu)化建模，如碼頭吃水設(shè)計1、泊位布局模型2、堆場優(yōu)化模型34、岸橋與泊位優(yōu)化配置56、貨運(yùn)站建設(shè)與經(jīng)營7等。由于這些研究的角度和層面的局限性，其模型難以保證集裝箱碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行在功能效用上和投資效益上整體最優(yōu)。本文將運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想，基于系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模、系統(tǒng)運(yùn)行效率和系統(tǒng)投資收益的綜合考慮，提出基于集裝箱碼頭生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃的生產(chǎn)運(yùn)作模式優(yōu)化選擇問題

6、。這一研究思路在經(jīng)濟(jì)學(xué)的其他領(lǐng)域已有相關(guān)優(yōu)秀文章發(fā)表，但從整體角度考慮集裝箱碼頭建設(shè)的相關(guān)研究較少，如katta.g8，刁素芳9，張曉暉 10等也主要是從宏觀角度定性分析航運(yùn)企業(yè)的經(jīng)營模式選擇問題。本文將從集裝箱碼頭生產(chǎn)的各個作業(yè)環(huán)節(jié)入手，通過對子系統(tǒng)投資成本和收益進(jìn)行分析，構(gòu)建集裝箱碼頭生產(chǎn)運(yùn)作模式的優(yōu)化選擇模型，并對具體碼頭的生產(chǎn)運(yùn)作模式構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化選擇。2 問題描述從集裝箱碼頭的專門承擔(dān)船舶裝卸、從事水路與其他運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)換的功能上看，集裝箱在碼頭口岸的生產(chǎn)過程主要分為進(jìn)口業(yè)務(wù)、出口業(yè)務(wù)、中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)等。如果從貨物進(jìn)離口岸的角度看，其生產(chǎn)過程的作業(yè)環(huán)節(jié)主要包括：出口時的集裝箱生成環(huán)節(jié)、集裝箱的

7、集港環(huán)節(jié)、集裝箱的堆存環(huán)節(jié)、集裝箱水平搬運(yùn)環(huán)節(jié)、集裝箱裝船作業(yè)環(huán)節(jié)；進(jìn)口時的集裝箱卸船作業(yè)環(huán)節(jié)、集裝箱的堆存環(huán)節(jié)、集裝箱的疏港環(huán)節(jié)、集裝箱水平搬運(yùn)環(huán)節(jié)、集裝箱拆解環(huán)節(jié)等。其中各個環(huán)節(jié)的功能和相互之間的鏈接次序如圖2-1和圖2-2所示。卸船堆存拆箱疏港水平搬運(yùn)水平搬運(yùn)環(huán)節(jié)卸船環(huán)節(jié)堆存環(huán)節(jié)疏港環(huán)節(jié)拆解環(huán)節(jié)圖2-1 進(jìn)口集裝箱作業(yè)環(huán)節(jié)堆存裝箱集港水平搬運(yùn)裝船堆存環(huán)節(jié)集港環(huán)節(jié)生成環(huán)節(jié)水平搬運(yùn)環(huán)節(jié)裝船環(huán)節(jié)圖2-2 出口集裝箱作業(yè)環(huán)節(jié)如圖所示，在集裝箱碼頭的生產(chǎn)運(yùn)作過程中，各個作業(yè)環(huán)節(jié)雖然鏈接次序具有固定不變的特點(diǎn)，但是它們的取舍和規(guī)模的選擇，除了裝卸作業(yè)環(huán)節(jié)必須保留以外，則存在一定的取舍性和選擇性。不同

8、的作業(yè)環(huán)節(jié)選取與規(guī)模選擇將形成不同的碼頭生產(chǎn)運(yùn)作模式。比如，所有作業(yè)環(huán)節(jié)都選的通吃模式、由港外完成裝箱環(huán)節(jié)的外裝模式、由港外完成拆裝箱環(huán)節(jié)的集疏模式、只負(fù)責(zé)裝卸作業(yè)環(huán)節(jié)的過渡模式等。由于生產(chǎn)運(yùn)作模式的不同，碼頭的收益與成本、投資與風(fēng)險也就不同，碼頭的經(jīng)營特點(diǎn)也就不同。影響集裝箱碼頭生產(chǎn)過程的作業(yè)環(huán)節(jié)選取和規(guī)模選擇的因素很多，其中港口未來的貨物吞吐量需求、碼頭建設(shè)的資源條件、各個作業(yè)環(huán)節(jié)的操作成本構(gòu)成與大小、作業(yè)環(huán)節(jié)的投資成本與投資規(guī)模以及碼頭建設(shè)的特別要求等因素往往具有直接的影響作用。尤其是作業(yè)環(huán)節(jié)的投資成本和操作成本，作為主導(dǎo)因素與其他因素相互聯(lián)系、相互制約、相互作用，共同影響著碼頭作業(yè)環(huán)節(jié)

9、的選取和規(guī)模的選擇，共同決定著碼頭的投資收益效率和生產(chǎn)運(yùn)作效率。由此可見，集裝箱碼頭的生產(chǎn)運(yùn)作模式選擇問題實際上是一個作業(yè)環(huán)節(jié)選取與規(guī)模選擇的組合問題，即背包問題（kp）與指派問題( ap )的組合問題。3 模型設(shè)計從問題描述中可以看出，作為影響碼頭生產(chǎn)運(yùn)作模式的主要因素，作業(yè)環(huán)節(jié)的投資成本和操作成本如果可以轉(zhuǎn)換為用單位時間內(nèi)的單箱（teu）操作成本來描述，且用c來表示，當(dāng)用r來表示單位時間內(nèi)單箱（teu）收入，用p0表示單位投資收益最大，本文具體表現(xiàn)為單位時間內(nèi)單位投資規(guī)模下單箱利潤最大，單位時間取一年，則其目標(biāo)函數(shù)可以簡述如下：根據(jù)這樣的目標(biāo)函數(shù)，先規(guī)定一個前提假設(shè)：碼頭的建設(shè)動機(jī)是合理的

10、，即碼頭的建設(shè)有一定的需求存在，也就是通過優(yōu)化得出的單箱收益為正值。由于單箱利潤和單箱成本與碼頭作業(yè)效率的設(shè)計要求有著直接的關(guān)系，如果根據(jù)碼頭年度吞吐量設(shè)計要求和碼頭的生產(chǎn)規(guī)律及特點(diǎn)，即大多數(shù)航線都按周班制來考慮，船舶周抵港分布率可表示為r。當(dāng)用v表示碼頭設(shè)計的天集裝箱吞吐速度和q表示年度的集裝箱吞吐量設(shè)計要求，則它們的關(guān)系可表示如下： 或 如果用有與無來表示作業(yè)環(huán)節(jié)是否被選取，用大、中、小三種度量來表示作業(yè)環(huán)節(jié)的規(guī)模，分別用和來表示，作為環(huán)節(jié)選取和規(guī)模選擇的決策變量，由于集疏港環(huán)節(jié)和水平搬運(yùn)環(huán)節(jié)中的投資都是水平搬運(yùn)工具投資，所以計算中合并為一個環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上各參數(shù)表示如下：裝卸環(huán)節(jié)的選取，

11、值為0表示不選，1表 示選擇：堆存環(huán)節(jié)的選取，方法同上：拆裝環(huán)節(jié)的選取，方法同上：水平搬運(yùn)及集疏港環(huán)節(jié)的選取，方法同上：裝卸環(huán)節(jié)中，j取1，2，3分別表示岸橋取大、中、小規(guī)模：堆存環(huán)節(jié)中，j取1，2，3分別表示堆場取大、中、小規(guī)模：拆裝環(huán)節(jié)中，j取1，2分別表示貨運(yùn)站規(guī)模為大（兼營拆裝）、?。ㄖ回?fù)責(zé)拆箱）在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)定集裝箱碼頭的單位投資收益模型，其表示如下：目標(biāo)函數(shù)： 約束條件： （2） （3） （4） （5） （6） 表達(dá)式（1）描述了集裝箱碼頭單位投資收益最大的目標(biāo)函數(shù)；表達(dá)式（2）、（3）、（4）分別給定了環(huán)節(jié)選取和規(guī)模選擇的決策變量取值限制；x1=1,x4=1表明裝卸環(huán)節(jié)和水平

12、搬運(yùn)環(huán)節(jié)必須存在；表達(dá)式（5）、（6）是根據(jù)現(xiàn)實碼頭的操作，表示當(dāng)不選取堆存環(huán)節(jié)時，拆裝環(huán)節(jié)也將舍去； c0表示單箱公共成本，包括單箱機(jī)會成本c01和單箱公共設(shè)施投資成本c02。由于計算方式不同，本文把單箱成本分為四類：單箱公共成本c1（意義同上面的c0）、單箱岸橋投資成本c2、單箱水平搬運(yùn)工具投資成本c3，其他單箱投資成本（包括貨運(yùn)站投資、堆場投資、碼頭前沿建設(shè)等）c4。其中，n為建設(shè)期；k為折舊期（這里假設(shè)折舊后無殘值）其中， cq為一臺岸橋的投資費(fèi)用vq為一臺岸橋的裝卸速度（單位：teu天）。根據(jù)模型的設(shè)計，q可分別取值為s，m，b，這樣：用就vs、vm，vb分別表示小、中、大型岸橋的裝

13、卸速度；其中，v0為單套水平搬運(yùn)工具的搬運(yùn)速度c0為單套水平搬運(yùn)工具的投資費(fèi)用其中，集合u：與單箱費(fèi)用有關(guān)的費(fèi)用種類集合集合f：與整體投資費(fèi)用有關(guān)的費(fèi)用種類集合碼頭的建設(shè)者在建設(shè)碼頭前根據(jù)碼頭附近的資源情況，依據(jù)各個作業(yè)環(huán)節(jié)的實際投資成本、操作成本以及各個環(huán)節(jié)的收益情況，將資料代入上述模型中，就能簡單快捷的得出碼頭的最優(yōu)生產(chǎn)運(yùn)作模式選擇方案。4 實例應(yīng)用 本文以某集裝箱碼頭的建設(shè)為例，分析該模型在碼頭實際建設(shè)中的實用性。首先進(jìn)行前提假設(shè) 假設(shè)碼頭的貨源是充足的，即保證碼頭各作業(yè)環(huán)節(jié)能滿負(fù)荷運(yùn)行，使碼頭各設(shè)備能最大效用的發(fā)揮其功能。然后根據(jù)碼頭腹地的經(jīng)濟(jì)情況分析對其貨量進(jìn)行預(yù)測，確定該集裝箱碼頭

14、的設(shè)計年吞吐量為500萬teu。根據(jù)該碼頭的實際情況，并通過一定的計算，各收益指標(biāo)和成本指標(biāo)如下：表4-1 各環(huán)節(jié)單箱收益指標(biāo)（單位：元/teu）裝卸環(huán)節(jié)堆存環(huán)節(jié)拆裝環(huán)節(jié)水平搬運(yùn)大中小大中小無大小無340300250414359207050030000表4-2 各環(huán)節(jié)單箱成本指標(biāo)（單位：元/teu）裝卸環(huán)節(jié)堆存環(huán)節(jié)拆裝環(huán)節(jié)水平搬運(yùn)大中小大中小無大小無2041871643602001500402201042表4-3 其他指標(biāo)vsvmvbcscm120teu/天140teu/天160teu/天3000萬4000萬cbcovoc12r5000萬130萬120teu/天0.2元/teu3/7對應(yīng)于折舊

15、期k，我們規(guī)定折舊期為10年，且10年后無殘值。同時規(guī)定建設(shè)期n為兩年。根據(jù)上述數(shù)據(jù)代入第3部分我們設(shè)定的模型中，利用lingo軟件進(jìn)行編程計算，最終得出結(jié)果：其他為0，反映到圖表上如表4-4所示： 表4-4 結(jié)果示意圖環(huán)節(jié)裝卸堆存拆裝水平搬運(yùn)x1x2x3x4101010101010101010=1=0結(jié)果表明，該碼頭在建設(shè)時應(yīng)采用外裝模式，建設(shè)只進(jìn)行拆箱業(yè)務(wù)的貨運(yùn)站，建設(shè)中型堆場，采用大岸橋作業(yè)，能達(dá)到單位時間內(nèi)單位投資下單箱利潤最大，即能達(dá)到碼頭的投資收益效率最優(yōu)。通過該案例分析證實了本文模型的實用性，該模型能對碼頭的生產(chǎn)運(yùn)作模式的選擇給出精確的數(shù)學(xué)分析，為碼頭的建設(shè)者提供建設(shè)性的指導(dǎo)意見

16、。5 結(jié)論及研究展望 通過研究得知，目前關(guān)于集裝箱碼頭生產(chǎn)運(yùn)作模式選擇的研究極少，本文基于系統(tǒng)工程的思想，通過數(shù)學(xué)建模確定系統(tǒng)建設(shè)的規(guī)模、提高系統(tǒng)建設(shè)的效率、增加單位投資的收益，利用成本和收益分析，以單位投資收益最大為目標(biāo)，有效解決了集裝箱碼頭生產(chǎn)運(yùn)作模式的選取問題，解決了集裝箱碼頭成本和收益、投資和風(fēng)險之間的矛盾，為碼頭功能效用和投資收益在整體上的優(yōu)化研究提供了有價值的解決思路和解決方法。集裝箱碼頭的建設(shè)屬于一個宏觀建設(shè)問題，其影響因素眾多，收益、成本情況復(fù)雜，以往的研究大多是基于定性和經(jīng)驗層面的研究，本文的創(chuàng)新點(diǎn)就是將定量分析引入到集裝箱碼頭的生產(chǎn)運(yùn)作模式選取的研究中。雖然做出了一定的簡化

17、，但卻能為其他生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)運(yùn)作模式選取提供一個合理的研究思路與方法。在未來更加精細(xì)化、更加廣泛的生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作模式選擇、經(jīng)營模式選取等傳統(tǒng)定性化研究定量化分析將成為一個很好的研究方向，適應(yīng)于新時期新型企業(yè)集約化發(fā)展的要求，具有深遠(yuǎn)的意義。 參考文獻(xiàn)：1 楊長義. 淺析海港碼頭前沿水深的計算問題j. 港工技術(shù),2006,12:13-152 秦進(jìn),繆立新,陳長彬. 時間窗限制下港口泊位優(yōu)化分配問題模型j. 船海工程, 2010,39(2):142-1453 chuqian zhang,jiyin liu,yat-wah wan. storage space allocation in c

18、ontainer terminalsj. transportation research part b.2003,37:883-9034 陳慶偉,王繼榮. 集裝箱堆場出口箱堆存模型及其算法j. 物流科技, 2007,7:106-108 5 qingcheng zeng,zhongzhen yang. integrating simulation and optimization to schedule loading operations in container terminals.j computers&operations research 2009,36:1935-19446楊春霞,王諾. 基于多目標(biāo)遺傳算法的集裝箱碼頭泊位岸橋分配問題研究j. 計算機(jī)應(yīng)用研究,2010,2