魯 渤王輝坡汪壽陽

(1.大連大學(xué)國(guó)際學(xué)院,遼寧大連116622；2.大連大學(xué)智慧航運(yùn)與物流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連116622；3.大連大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,遼寧大連116622；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京100190)

1 引 言

長(zhǎng)期以來一直存在港口過剩的爭(zhēng)論,有的學(xué)者認(rèn)為我國(guó)港口產(chǎn)能存在總體供給過剩.例如:姜超雁等[1]認(rèn)為港口之間的距離在200 km比較合理,而我國(guó)沿海港口的密度為50 km就有一個(gè)1 000t以上的港口,導(dǎo)致港口產(chǎn)能總體過剩,各港口之間均出現(xiàn)過度競(jìng)爭(zhēng).龐彪[2]認(rèn)為我國(guó)各港的實(shí)際吞吐能力平均過剩三四成,即使情況較好的長(zhǎng)三角港口,平均過剩產(chǎn)能也達(dá)兩成以上,珠三角港口過剩產(chǎn)能約三成.而有的學(xué)者認(rèn)為我國(guó)港口僅僅是結(jié)構(gòu)性的過剩.例如:史婧力[3]認(rèn)為雖然部分區(qū)域港口存在產(chǎn)能過剩,但是由于港口屬于公共基礎(chǔ)設(shè)施,適度過剩是正常的,但同時(shí)部分港口確實(shí)存在產(chǎn)能過剩和收益下滑的局面.2015年12月中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革是適應(yīng)和引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)的重大創(chuàng)新”,各行各業(yè)都應(yīng)該按照中央的統(tǒng)一部署,根據(jù)行業(yè)本身的特點(diǎn)進(jìn)行供給管理,供給創(chuàng)新,優(yōu)化供給結(jié)構(gòu).港口行業(yè)也不例外,根據(jù)市場(chǎng)需求優(yōu)化自己的資源配置實(shí)現(xiàn)集裝箱碼頭供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革.

因此,業(yè)界的共識(shí)是在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下,過去依靠粗放式發(fā)展的經(jīng)濟(jì)模式已經(jīng)不能適應(yīng)新時(shí)代的要求,必須根據(jù)國(guó)家供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的戰(zhàn)略,對(duì)目前的港口資源進(jìn)行優(yōu)化,避免過度競(jìng)爭(zhēng),從而提高集裝箱碼頭的收益.供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的核心是去產(chǎn)能,這就要求在滿足市場(chǎng)需求的條件下,以最小成本減少集裝箱碼頭裝卸設(shè)施.但是目前對(duì)集裝箱碼頭生產(chǎn)的優(yōu)化主要集中在效率方面,即如何有效的利用港口現(xiàn)有的岸線、裝卸設(shè)備和堆場(chǎng)等資源,提高港口通過能力和吞吐量[4-6].

雖然這些研究對(duì)于提高集裝箱碼頭的運(yùn)行效率,降低生產(chǎn)成本起到了重要的作用,但是這和目前國(guó)家的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革戰(zhàn)略不相符.即如何在市場(chǎng)需求一定的條件下通過優(yōu)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)施,優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)收益的優(yōu)化.因此,本文將研究在需求約束下通過優(yōu)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)施的數(shù)量實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱碼頭的去產(chǎn)能和供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革.本文提出在需求約束的條件下優(yōu)化港口設(shè)施配置的科學(xué)問題.傳統(tǒng)的港口資源優(yōu)化和配置研究都是以產(chǎn)能最大化或效率最高為研究目標(biāo)的,本論文的研究以需求不足為前提,對(duì)產(chǎn)能淘汰過程進(jìn)行優(yōu)化,使得資源調(diào)整費(fèi)用最小.利用互補(bǔ)松弛定理構(gòu)建了集裝箱碼頭裝卸設(shè)施逆優(yōu)化模型.

在集裝箱碼頭資源優(yōu)化領(lǐng)域,學(xué)者們做了大量的工作,并且取得了豐富的成功.目前針對(duì)集裝箱碼頭資源配置的優(yōu)化研究主要集中在下面幾個(gè)方面:首先,港口泊位調(diào)度的優(yōu)化.在這一領(lǐng)域?qū)W者們做出了大量的工作.例如Nishimura等[7]和Imai等[8-10]提出了從靜態(tài)泊位優(yōu)化到動(dòng)態(tài)泊位優(yōu)化,從離散泊位優(yōu)化到連續(xù)泊位優(yōu)化等一系列模型和算法.徐亞等[11]構(gòu)建了多碼頭協(xié)調(diào)運(yùn)作的泊位調(diào)度模型,曾慶成等[12]認(rèn)為泊位分配和裝卸橋調(diào)度是相互影響的,因此建立了泊位分配和裝卸橋調(diào)度干擾管理模型.其次,針對(duì)港口的集疏運(yùn)體系進(jìn)行優(yōu)化.Xu等[13]對(duì)大連港和廣州港的集疏運(yùn)體系進(jìn)行了對(duì)比研究；李桂芝[14]應(yīng)用PSO算法對(duì)大連港的集疏運(yùn)體系進(jìn)行了優(yōu)化.第三,針對(duì)集裝箱的管理進(jìn)行優(yōu)化.Song等[15,16]和Meng等[17]對(duì)集裝箱的空箱重置策略進(jìn)行了研究.計(jì)明軍等[18]和魯渤等[19]對(duì)港口集裝箱的調(diào)運(yùn)進(jìn)行了優(yōu)化.第四,針對(duì)堆場(chǎng)的管理和布局進(jìn)行優(yōu)化.例如:沙梅等[20]對(duì)集裝箱堆場(chǎng)的布局進(jìn)行了優(yōu)化.何霆等[21]建立了堆場(chǎng)堆存服務(wù)計(jì)劃優(yōu)化模型,并提出了求解該問題的算法.邵乾虔等[22]建立了最小化預(yù)翻箱數(shù)量和場(chǎng)橋堆存作業(yè)移動(dòng)距離的兩階段優(yōu)化模型,并針對(duì)兩個(gè)階段分別設(shè)計(jì)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)算法.第五,針對(duì)集卡和其他資源協(xié)同優(yōu)化.張笑等[23]以總時(shí)間最小為目標(biāo)構(gòu)建了集裝箱碼頭集卡與岸橋協(xié)作優(yōu)化模型.近年來,隨著環(huán)保壓力和新優(yōu)化技術(shù)的成熟,港口資源優(yōu)化領(lǐng)域的研究出現(xiàn)了一些新的趨勢(shì).一方面,以港口低碳綠色發(fā)展為目標(biāo)的優(yōu)化逐漸受到學(xué)者的重視[24,25]；另一方面,隨著帶均衡約束的優(yōu)化技術(shù)的完善,針對(duì)集裝箱碼頭作業(yè)具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征,部分學(xué)者開始嘗試對(duì)集裝箱碼頭的均衡作業(yè)進(jìn)行研究[26,27].

雖然有關(guān)集裝箱碼頭設(shè)施配置優(yōu)化的研究取得了豐富的成果,但是目前所有的研究幾乎只針對(duì)集裝箱碼頭的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié),沒有考慮市場(chǎng)需求.這是因?yàn)殚L(zhǎng)期以來我國(guó)港口基本處于供不應(yīng)求的局面,導(dǎo)致所有的研究都是針對(duì)現(xiàn)有資源進(jìn)行優(yōu)化,沒有考慮資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整,尤其是以“去產(chǎn)能”和“供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革”為目的的動(dòng)態(tài)調(diào)整.基于此,本文以目前國(guó)家推行的供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革為背景,結(jié)合港口行業(yè)產(chǎn)能總體過剩的局面,提出了基于逆優(yōu)化方法的以資源調(diào)整費(fèi)用最小為目標(biāo)的資源配置優(yōu)化模型,該模型對(duì)促進(jìn)港口行業(yè)去產(chǎn)能和持續(xù)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值.

雖然這些研究對(duì)于提高集裝箱碼頭的運(yùn)行效率、降低生產(chǎn)成本起到了重要的作用,但是這和目前國(guó)家的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革戰(zhàn)略不相符.即如何在市場(chǎng)需求一定的條件下通過優(yōu)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)施、優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)收益的優(yōu)化.因此,本文將研究在需求約束下通過優(yōu)化集裝箱碼頭裝卸設(shè)施的數(shù)量實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱碼頭的去產(chǎn)能和供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革.

2 集裝箱碼頭裝卸設(shè)施配置逆優(yōu)化模型

2.1 集裝箱碼頭作業(yè)過程

Garrido等[28]將集裝箱碼頭的內(nèi)部作業(yè)分成三個(gè)階段:集裝箱裝卸,集裝箱移動(dòng)和集裝箱堆放.集裝箱進(jìn)港過程如下:集裝箱船舶到達(dá)港口后,首先通過集裝箱吊具,例如岸橋等進(jìn)行集裝箱的裝卸作業(yè),然后通過底盤車、跨運(yùn)車、集裝箱卡車、集裝箱叉車與輪胎龍門吊等進(jìn)行集裝箱的移動(dòng),最后將集裝箱堆放在指定的集裝箱堆場(chǎng)等待疏運(yùn)出港區(qū).集裝箱出港過程和上述過程相反,首先,將準(zhǔn)備出港的集裝箱堆放至指定堆場(chǎng),當(dāng)集裝箱船舶到達(dá)港口后,通過集裝箱平移工具將集裝箱平移至裝卸區(qū),最后通過集裝箱吊具進(jìn)行集裝箱裝船操作.操作平面圖見圖1所示.港口企業(yè)是以集裝箱裝卸作業(yè)為主的服務(wù)型企業(yè),裝卸收費(fèi)是其主要收入來源,裝卸總成本是其最主要的生產(chǎn)成本.

圖1 集裝箱碼頭操作平面圖Fig.1 Operation plan of container terminal

2.2 模型構(gòu)建過程

為了達(dá)到上述運(yùn)營(yíng)目標(biāo),集裝箱碼頭必須投入相應(yīng)的裝卸設(shè)施,這些設(shè)施包括集裝箱吊具,集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)工具以及集裝箱堆場(chǎng).因此該集裝箱碼頭的資源約束分析如下.

1)集裝箱吊具工時(shí)約束

2)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)工時(shí)約束

3)集裝箱堆場(chǎng)容量限制

該集裝箱碼頭的第i種集裝箱堆場(chǎng)的容量為QiTEU,平均存放天數(shù)為T,則集裝箱堆場(chǎng)的約束為Txi≤Qi,i∈Γ.

傳統(tǒng)集裝箱碼頭作業(yè)優(yōu)化模型可以表示成如下(LP1)問題

但是在經(jīng)濟(jì)新常態(tài)和需求不足的背景下,上述模型并不能起到優(yōu)化作用.例如在現(xiàn)有資源約束下的最優(yōu)解為Z?,此時(shí)需要裝卸的各種集裝箱的數(shù)量為.但是由于產(chǎn)能過剩該最優(yōu)產(chǎn)量大于市場(chǎng)的集裝箱運(yùn)輸需求量.因此最大利潤(rùn)Z?盡管在技術(shù)上是可行的,但是實(shí)際中是不可能達(dá)到的,因此集裝箱碼頭的運(yùn)營(yíng)存在資源的浪費(fèi).根據(jù)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的指導(dǎo)思想,目前的實(shí)際問題是要生產(chǎn)的產(chǎn)量,每種生產(chǎn)要素應(yīng)該減少多少,并盡量降低調(diào)整成本.即通過改變資源約束,即將ds減少為,將tm減少為,將Qi減少為,使得是線性規(guī)劃(LP1)的最優(yōu)解.但是滿足上述要求的不是唯一的.

因此要求以最小的成本實(shí)現(xiàn)上述調(diào)整.有下列優(yōu)化問題(LP2)

3 集裝箱碼頭裝卸設(shè)施逆優(yōu)化模型的求解方法

上述模型是一個(gè)典型的逆優(yōu)化問題.[29]因此可以通過構(gòu)建LP1問題的逆優(yōu)化模型來解決需求約束下的集裝箱碼頭裝卸設(shè)施的逆優(yōu)化問題.一般情況下只需將是LP1的最優(yōu)解這一條件用互補(bǔ)最優(yōu)性條件代替即可.令y?為L(zhǎng)P1對(duì)偶問題的最優(yōu)解,并且約定

LP2可以表示為逆優(yōu)化模型ILP1

ILP2即為需求約束下,根據(jù)需求要求調(diào)整集裝箱裝卸設(shè)施數(shù)量的最小調(diào)整成本模型.

4 集裝箱碼頭裝卸設(shè)施逆優(yōu)化模型的應(yīng)用

4.1 各類參數(shù)賦值

假設(shè)某集裝箱碼頭,可以裝卸兩種集裝箱,普通集裝箱和冷鏈集裝箱.每天裝卸普通集裝箱的數(shù)量為x1,冷鏈集裝箱的數(shù)量為x2,因此Γ={1,2},1表示普通集裝箱,2表示冷鏈集裝箱.同時(shí)假設(shè)某碼頭有三個(gè)集裝箱泊位,因此Σ={1,2,3},分別表示三個(gè)泊位.各集裝箱泊位均采用橋吊裝卸船,即Λ={1}.各泊位都采用底盤車和跨運(yùn)車兩種技術(shù)方案平運(yùn)集裝箱,因此Ξ={1,2},1表示底盤車,2表示跨運(yùn)車.普通集裝箱和冷鏈集裝箱分別存放在普通集裝箱堆場(chǎng)和冷鏈集裝箱堆場(chǎng).模型(LP1)中的參數(shù)pi的取值為p1=1.0,p2=1.5,其它參數(shù)取值見表1～表9.

表1 參數(shù)δijs的取值Table 1 The value of parameterδijs

表2 參數(shù)cijs的取值Table 2 The value of parametercijs

表3 參數(shù)γijm,m=1的取值Table 3 The value of parameterγijm,m=1

表4 參數(shù)γijm,m=2的取值Table 4 The value of parameterγijm,m=2

表5 參數(shù)vijm,m=1的取值Table 5 The value of parametervijm,m=1

表6 參數(shù)vijm,m=2的取值Table 6 The value of parametervijm,m=2

表7 參數(shù)aijs的取值Table 7 The value of parameteraijs

表9 參數(shù)βijm,m=2的取值Table 9 The value of parameterβijm,m=2

4.2 模型應(yīng)用的主要結(jié)論

在上述資源和技術(shù)約束下,該集裝箱碼頭的最優(yōu)產(chǎn)量應(yīng)該為普通集裝箱310 TEU/d,冷鏈集裝箱1 000 TEU/d.

但是由于港口產(chǎn)能過剩,假設(shè)目前該碼頭的需求量為普通集裝箱280 TEU/d,冷鏈集裝箱850 TEU/d.因此需要使用本文提出的需求約束下集裝箱碼頭裝卸設(shè)施逆優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化.經(jīng)過計(jì)算可知,當(dāng)橋吊工時(shí)減少為412.7 h/d,冷鏈集裝箱堆場(chǎng)的容量減少為12 750 TEU時(shí),在目前的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)下,普通集裝箱280 TEU/d,冷鏈集裝箱850 TEU/d的產(chǎn)能是最優(yōu)的.

可見傳統(tǒng)模型通過資源優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有裝卸設(shè)施下使得集裝箱碼頭吞吐量最大化的效果,但是由于經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化,實(shí)際需求量小于碼頭的吞吐量,使得這一結(jié)果在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中并不是最優(yōu)的,還存在碼頭裝卸設(shè)施的閑置,這增加了碼頭運(yùn)營(yíng)的成本.而新的模型在保證市場(chǎng)需求的情況下,使得碼頭裝卸設(shè)施得到了充分使用,降低了運(yùn)營(yíng)成本,因此是“去產(chǎn)能”和進(jìn)行供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革的理想資源優(yōu)化模型.

5 結(jié)束語

以效率最大為目標(biāo),以現(xiàn)有資源為約束的優(yōu)化模型,在面臨市場(chǎng)需求不足時(shí),存在資源浪費(fèi).針對(duì)這一問題,本文構(gòu)建了基于逆優(yōu)化的集裝箱碼頭裝卸設(shè)施配置優(yōu)化模型,用以減少資源利用率不足導(dǎo)致的浪費(fèi).這對(duì)港口行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革和去產(chǎn)能具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用.本論文提出的模型適用于為集裝箱碼頭整體或主要環(huán)節(jié)進(jìn)行去產(chǎn)能提供方案,但是該模型在使用時(shí),還存在一些問題需要解決:首先,從生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的角度來看,需要明晰各環(huán)節(jié)碼頭裝卸設(shè)施的生產(chǎn)效率及任務(wù)分配情況,并要求生產(chǎn)效率和任務(wù)分配在一定時(shí)期保持穩(wěn)定.其次,從市場(chǎng)需求的角度來看,港口的需求具有一定的不確定性,尤其是短期內(nèi)不確定性可能造成較大的影響.在具體應(yīng)用時(shí)可以構(gòu)建面向不確定性需求的隨機(jī)逆優(yōu)化模型,以便從理論上解決這一問題.此外可以采用必要的技術(shù)手段例如,適當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)資源冗余項(xiàng),以保障港口需求量波動(dòng)時(shí)能夠順利處理或者延長(zhǎng)優(yōu)化周期,這樣可以降低不確定性.