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1、集装箱码头生产运作模式选择优化模型 摘要：针对集装箱码头各作业环节的取舍和规模的选择，文章研究了集装箱码头生产运作模式的优化选择问题。与以往的研究不同，本文基于系统工程的原理，对各子系统进行成本和收益分析，以单位投资收益最大化为原则，建立数学模型，实现集装箱码头生产系统运行在功能效用上和投资效益上整体达到最优，从而科学的确定集装箱码头的生产运作模式的选取。通过实例证明，文章提出的模式选择模型有很强的现实性和实用性，能有效解决码头在建设过程中成本和收益、投资与风险之间的矛盾。关键词:作业环节；生产运作模式；系统工程；单位投资收益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 绪论集装箱码头生产运作
5、模式是集装箱码头经营管理和业务操作的基础，它的设计和选择对集装箱码头功能效用的发挥和网络运行效率的提高有着十分重要的作用。针对集装箱码头生产系统规划问题，已有的研究主要集中在码头生产系统的各个子系统的建设规模上，并强调子系统建设中设施设备规模和配置的优化建模，如码头吃水设计1、泊位布局模型2、堆场优化模型34、岸桥与泊位优化配置56、货运站建设与经营7等。由于这些研究的角度和层面的局限性，其模型难以保证集装箱码头生产系统运行在功能效用上和投资效益上整体最优。本文将运用系统工程的思想，基于系统建设规模、系统运行效率和系统投资收益的综合考虑，提出基于集装箱码头生产系统规划的生产运作模式优化选择问题
6、。这一研究思路在经济学的其他领域已有相关优秀文章发表，但从整体角度考虑集装箱码头建设的相关研究较少，如Katta.G8，刁素芳9，张晓晖 10等也主要是从宏观角度定性分析航运企业的经营模式选择问题。本文将从集装箱码头生产的各个作业环节入手，通过对子系统投资成本和收益进行分析，构建集装箱码头生产运作模式的优化选择模型，并对具体码头的生产运作模式构造进行优化选择。2 问题描述从集装箱码头的专门承担船舶装卸、从事水路与其他运输方式转换的功能上看，集装箱在码头口岸的生产过程主要分为进口业务、出口业务、中转业务等。如果从货物进离口岸的角度看，其生产过程的作业环节主要包括：出口时的集装箱生成环节、集装箱的
7、集港环节、集装箱的堆存环节、集装箱水平搬运环节、集装箱装船作业环节；进口时的集装箱卸船作业环节、集装箱的堆存环节、集装箱的疏港环节、集装箱水平搬运环节、集装箱拆解环节等。其中各个环节的功能和相互之间的链接次序如图2-1和图2-2所示。卸船堆存拆箱疏港水平搬运水平搬运环节卸船环节堆存环节疏港环节拆解环节图2-1 进口集装箱作业环节堆存装箱集港水平搬运装船堆存环节集港环节生成环节水平搬运环节装船环节图2-2 出口集装箱作业环节如图所示，在集装箱码头的生产运作过程中，各个作业环节虽然链接次序具有固定不变的特点，但是它们的取舍和规模的选择，除了装卸作业环节必须保留以外，则存在一定的取舍性和选择性。不同
8、的作业环节选取与规模选择将形成不同的码头生产运作模式。比如，所有作业环节都选的通吃模式、由港外完成装箱环节的外装模式、由港外完成拆装箱环节的集疏模式、只负责装卸作业环节的过渡模式等。由于生产运作模式的不同，码头的收益与成本、投资与风险也就不同，码头的经营特点也就不同。影响集装箱码头生产过程的作业环节选取和规模选择的因素很多，其中港口未来的货物吞吐量需求、码头建设的资源条件、各个作业环节的操作成本构成与大小、作业环节的投资成本与投资规模以及码头建设的特别要求等因素往往具有直接的影响作用。尤其是作业环节的投资成本和操作成本，作为主导因素与其他因素相互联系、相互制约、相互作用，共同影响着码头作业环节
9、的选取和规模的选择，共同决定着码头的投资收益效率和生产运作效率。由此可见，集装箱码头的生产运作模式选择问题实际上是一个作业环节选取与规模选择的组合问题，即背包问题（KP）与指派问题( AP )的组合问题。3 模型设计从问题描述中可以看出，作为影响码头生产运作模式的主要因素，作业环节的投资成本和操作成本如果可以转换为用单位时间内的单箱（TEU）操作成本来描述，且用C来表示，当用R来表示单位时间内单箱（TEU）收入，用P0表示单位投资收益最大，本文具体表现为单位时间内单位投资规模下单箱利润最大，单位时间取一年，则其目标函数可以简述如下：根据这样的目标函数，先规定一个前提假设：码头的建设动机是合理的
10、，即码头的建设有一定的需求存在，也就是通过优化得出的单箱收益为正值。由于单箱利润和单箱成本与码头作业效率的设计要求有着直接的关系，如果根据码头年度吞吐量设计要求和码头的生产规律及特点，即大多数航线都按周班制来考虑，船舶周抵港分布率可表示为r。当用V表示码头设计的天集装箱吞吐速度和Q表示年度的集装箱吞吐量设计要求，则它们的关系可表示如下： 或 如果用有与无来表示作业环节是否被选取，用大、中、小三种度量来表示作业环节的规模，分别用和来表示，作为环节选取和规模选择的决策变量，由于集疏港环节和水平搬运环节中的投资都是水平搬运工具投资，所以计算中合并为一个环节。在此基础上各参数表示如下：装卸环节的选取，
11、值为0表示不选，1表 示选择：堆存环节的选取，方法同上：拆装环节的选取，方法同上：水平搬运及集疏港环节的选取，方法同上：装卸环节中，j取1，2，3分别表示岸桥取大、中、小规模：堆存环节中，j取1，2，3分别表示堆场取大、中、小规模：拆装环节中，j取1，2分别表示货运站规模为大（兼营拆装）、小（只负责拆箱）在此基础上，我们设定集装箱码头的单位投资收益模型，其表示如下：目标函数： 约束条件： （2） （3） （4） （5） （6） 表达式（1）描述了集装箱码头单位投资收益最大的目标函数；表达式（2）、（3）、（4）分别给定了环节选取和规模选择的决策变量取值限制；x1=1,x4=1表明装卸环节和水平
12、搬运环节必须存在；表达式（5）、（6）是根据现实码头的操作，表示当不选取堆存环节时，拆装环节也将舍去； C0表示单箱公共成本，包括单箱机会成本C01和单箱公共设施投资成本C02。由于计算方式不同，本文把单箱成本分为四类：单箱公共成本C1（意义同上面的C0）、单箱岸桥投资成本C2、单箱水平搬运工具投资成本C3，其他单箱投资成本（包括货运站投资、堆场投资、码头前沿建设等）C4。其中，n为建设期；k为折旧期（这里假设折旧后无残值）其中， Cq为一台岸桥的投资费用Vq为一台岸桥的装卸速度（单位：TEU天）。根据模型的设计，q可分别取值为s，m，b，这样：用就Vs、Vm，Vb分别表示小、中、大型岸桥的装
13、卸速度；其中，v0为单套水平搬运工具的搬运速度c0为单套水平搬运工具的投资费用其中，集合U：与单箱费用有关的费用种类集合集合F：与整体投资费用有关的费用种类集合待添加的隐藏文字内容1码头的建设者在建设码头前根据码头附近的资源情况，依据各个作业环节的实际投资成本、操作成本以及各个环节的收益情况，将资料代入上述模型中，就能简单快捷的得出码头的最优生产运作模式选择方案。4 实例应用 本文以某集装箱码头的建设为例，分析该模型在码头实际建设中的实用性。首先进行前提假设 假设码头的货源是充足的，即保证码头各作业环节能满负荷运行，使码头各设备能最大效用的发挥其功能。然后根据码头腹地的经济情况分析对其货量进行
14、预测，确定该集装箱码头的设计年吞吐量为500万TEU。根据该码头的实际情况，并通过一定的计算，各收益指标和成本指标如下：表4-1 各环节单箱收益指标（单位：元/TEU）装卸环节堆存环节拆装环节水平搬运大中小大中小无大小无340300250414359207050030000表4-2 各环节单箱成本指标（单位：元/TEU）装卸环节堆存环节拆装环节水平搬运大中小大中小无大小无2041871643602001500402201042表4-3 其他指标VsVmVbCsCm120TEU/天140TEU/天160TEU/天3000万4000万CbcovoC12r5000万130万120TEU/天0.2元/
15、TEU3/7对应于折旧期k，我们规定折旧期为10年，且10年后无残值。同时规定建设期n为两年。根据上述数据代入第3部分我们设定的模型中，利用Lingo软件进行编程计算，最终得出结果：其他为0，反映到图表上如表4-4所示： 表4-4 结果示意图环节装卸堆存拆装水平搬运x1x2x3x4101010101010101010=1=0结果表明，该码头在建设时应采用外装模式，建设只进行拆箱业务的货运站，建设中型堆场，采用大岸桥作业，能达到单位时间内单位投资下单箱利润最大，即能达到码头的投资收益效率最优。通过该案例分析证实了本文模型的实用性，该模型能对码头的生产运作模式的选择给出精确的数学分析，为码头的建设
16、者提供建设性的指导意见。5 结论及研究展望 通过研究得知，目前关于集装箱码头生产运作模式选择的研究极少，本文基于系统工程的思想，通过数学建模确定系统建设的规模、提高系统建设的效率、增加单位投资的收益，利用成本和收益分析，以单位投资收益最大为目标，有效解决了集装箱码头生产运作模式的选取问题，解决了集装箱码头成本和收益、投资和风险之间的矛盾，为码头功能效用和投资收益在整体上的优化研究提供了有价值的解决思路和解决方法。集装箱码头的建设属于一个宏观建设问题，其影响因素众多，收益、成本情况复杂，以往的研究大多是基于定性和经验层面的研究，本文的创新点就是将定量分析引入到集装箱码头的生产运作模式选取的研究中
17、。虽然做出了一定的简化，但却能为其他生产企业进行相关生产运作模式选取提供一个合理的研究思路与方法。在未来更加精细化、更加广泛的生产企业生产运作模式选择、经营模式选取等传统定性化研究定量化分析将成为一个很好的研究方向，适应于新时期新型企业集约化发展的要求，具有深远的意义。 参考文献：1 杨长义. 浅析海港码头前沿水深的计算问题J. 港工技术,2006,12:13-152 秦进,缪立新,陈长彬. 时间窗限制下港口泊位优化分配问题模型J. 船海工程, 2010,39(2):142-1453 Chuqian Zhang,Jiyin Liu,Yat-wah Wan. Storage space allo
18、cation in container terminalsJ. Transportation Research Part B.2003,37:883-9034 陈庆伟,王继荣. 集装箱堆场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
19、-19446杨春霞,王诺. 基于多目标遗传算法的集装箱码头泊位岸桥分配问题研究J. 计算机应用研究,2010,27(5):1720-17257 李金华. 集装箱货运站建设与经营管理设想J. 集装箱化, 1995,4:12-158 Ktta G. Murty,Jiyin Liu,Yat-wah Wan. A decision support system for operations in a container terminalJ. Decision Support Systems 2005,39:309-3329 刁素芳. 我国港口发展机遇及模式J. 水运管理, 2006,28(8):9-1210 张晓晖. 深圳赤湾集装箱港口经营模式研究D. 兰州大学：兰州大学，2008.
