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可靠性视角下集装箱班轮轴辐式运输网络的优化设计与策略研究

一、绪论

1.1研究背景

在经济全球化和贸易自由化的浪潮下，全球贸易量持续攀升。国际航运作为国际贸易的主要运输方式，承担着全球约90%的货物运输量，而集装箱班轮运输凭借其安全、高效、便捷以及便于开展多式联运等显著优势，成为了国际航运的核心组成部分。据统计，全球集装箱班轮运输的货物量在过去几十年间呈现出迅猛的增长态势，中国外贸进出口货物的90%通过海运集装箱运输实现，外贸货物集装箱化率已提高到80%以上。

为了提高运输效率、降低运营成本，轴辐式运输网络被广泛应用于集装箱班轮运输领域。轴辐式运输网络通过设立枢纽港，将货物在枢纽港进行集中、中转和分拨，形成了以枢纽港为核心，支线港为辐射的运输模式。这种模式能够充分发挥规模经济效应，提高船舶的装载率和运输效率，减少运输成本。

然而，在实际运营中，轴辐式运输网络面临着诸多可靠性挑战。港口拥堵现象日益严重，随着全球贸易的增长，港口的货物吞吐量不断增加，而港口的基础设施建设和运营管理能力未能及时跟上，导致港口拥堵频繁发生。据相关数据显示，近年来，全球主要港口的拥堵时间和拥堵程度均呈上升趋势，这使得船舶在港停留时间延长，运输效率大幅下降。恶劣天气也是影响轴辐式运输网络可靠性的重要因素，台风、暴雨、大雾等恶劣天气会导致船舶延误、航线变更甚至停航，严重影响货物的按时交付。设备故障同样不可忽视，船舶、港口装卸设备等的故障会导致运输中断或延误，给航运企业带来巨大的经济损失。这些可靠性问题不仅会增加航运企业的运营成本，还会影响客户满意度，降低航运企业的市场竞争力。因此，考虑可靠性的集装箱班轮轴辐式运输网络设计具有重要的现实意义。

1.2研究目的与意义

本研究旨在综合考虑各种影响因素，构建考虑可靠性的集装箱班轮轴辐式运输网络模型，通过优化枢纽港选址、航线规划和船舶配置等关键要素，提升轴辐式运输网络的可靠性和运营效益，为航运企业提供科学合理的决策依据。

对于航运企业而言，本研究具有多方面的重要意义。在降低成本方面，通过优化运输网络，合理安排船舶运力和航线，可以有效减少船舶在港停留时间和空驶里程，降低燃油消耗和运营成本。提高服务质量也是关键，可靠的运输网络能够确保货物按时、安全地交付，减少货物延误和损坏的风险，提高客户满意度，有助于企业树立良好的品牌形象。在增强竞争力上，优化后的运输网络能够提高企业的运营效率和服务水平，使企业在激烈的市场竞争中脱颖而出，赢得更多的市场份额。

从行业发展的角度来看，本研究能够为集装箱班轮运输行业提供新的理论和方法，推动行业的技术进步和创新发展。有助于促进整个行业的资源优化配置，提高行业的整体运营效率和经济效益，推动集装箱班轮运输行业的可持续发展。

1.3国内外研究现状

在集装箱班轮轴辐式运输网络设计方面，国外学者O’Kelly针对轴辐式网络无容量限制的单分配p枢纽中位问题，率先建立了二次整数规划模型，旨在使整个网络成本最小化，并提出了决定最佳枢纽的二次启发式（HEUR1和HEUR2）。Hakimi给出了著名的顶点最优性质，指出网络上的p中位问题至少有一个最优解完全由网络上的顶点构成。Abdinnour-Helm和Venkataramanan指出枢纽选址问题属于NP-难问题，其枢纽间的运输量依赖于枢纽的选择，即便枢纽给定，剩余的非枢纽点到单个枢纽的分配仍被认为是NP-难的二次分配问题。Campbell放宽了非枢纽点必须通过一个单一的枢纽交互的假设，使用贪婪互换启发式为松弛模型找到良好的枢纽位置，并提出了两种确定单一模式分配的方法。Skorin-Kapov等使用紧缩线性规划松弛提出了解决p枢纽中位问题的新公式，获得了CAB数据集所有实例的最佳结果。

国内学者赵宇哲等从轴－辐式集装箱海运网络设计角度出发，深入分析港口节点、航段节线和集装箱OD三个要素的相互关系，考虑到集装箱OD需求的不确定性对轴－辐式集装箱海运网络设计的影响，利用随机规划方法，建立不确定OD需求下的轴－辐式集装箱海运网络优化模型，并借助机会约束规划将其转化为确定性等价模型。计明军等综合考虑枢纽港口的泊位时间限制和集装箱船舶容量限制，建立了一个以航行时间最小为目标函数的轴－辐式集装箱海运网络模型，并通过一种嵌入式的混合遗传算法求解出最优船舶容量。

在可靠性研究方面，国外学者主要从系统可靠性理论出发，研究集装箱班轮运输系统的可靠性评估方法。国内学者武佩剑借鉴可靠性理论和网络理论，将班轮公司服务系统抽象成由点和边二元关系组成的网络模型，把港口不能为班轮公司提供规定功能界定为节点失效，主要研究了集装箱班轮航运网络面对节点随机失效和重要节点失效两种失效方式下