Combinable containers: A container innovation to save container fleet and empty container repositioning costs
可组合集装箱:一项集装箱创新,可节省集装箱船队和空箱重新定位成本
Keywords 关键字
1. Introduction 1. 引言
在过去的二十年里,全球集装箱运输量呈指数级增长。因此,航运公司一直在增加对船舶和集装箱等设备资产的投资。这样做,他们不可避免地面临空箱重新定位的问题,这主要是由于涉及特定贸易航线的两个地区之间的进出口贸易量不平衡。基本上,这种非生产性资源利用不仅发生在全球层面,也发生在区域层面。
这种失衡可能或多或少具有整个世界经济的结构性基础。空载旅程的年度总成本是巨大的:一家中型全球航运公司约为 300 至 5 亿美元,整个航运业约为 15 至 200 亿美元 (Schlingmeier,2016 年)。此外,该成本约占特定航运公司总成本的 20%(UNCTAD,2011 年)。因此,改进空箱管理是航运公司要做出的关键决策之一。处理空箱管理的策略主要集中在避免或减少低效的空箱旅程。相反,当航运公司缺乏空集装箱来满足货物需求时,集装箱通常是短期租赁的。然而,可以减少整个集装箱资本和运营成本的选择并不那么突出。
就上述见解而言,过去二十年中出现了一些容器创新,例如可折叠容器和可组合容器(以下分别称为 FLD 和 CMB)。这些尖端集装箱将在第 2 节中详细说明,与仅使用标准干货集装箱 (STD) 相比,航运公司可以部署更少的集装箱,减少空箱重新定位,并随后以更具成本效益的方式利用船上和陆地存储空间的给定运输能力。值得注意的是,本研究不包括对非干货集装箱的讨论,例如冷藏集装箱和框架集装箱,这些集装箱不能用 FLD 和 CMB 代替。最新的容器技术 CMB 尚未得到广泛研究;然而,有几项关于 FLD 的现有研究。
在这项研究中,我们假设一家班轮公司试图确保 CMB 在班轮运输网络中经济地运作良好,然后再承诺对其进行投资。本研究的目的是从集装箱船队规模和空箱管理的角度为如何处理 CMB 提供管理见解。因此,我们通过考虑各种贸易失衡和不同的货物运输趋势,评估 CMB 和 STD 的集装箱船队构成,以及与集装箱船队和空箱管理相关的总成本。在本次评估中,我们解决了一个最低成本的多商品网络流问题,称为集装箱船队规模和空箱管理问题 (CFSMP)。CFSMP 可用于同时确定 STD/CMB 的船队规模和规划期内的空箱分配/重新定位;给定具有固定时间表的服务路线、船舶的运载能力、港口之间的运输需求和其他输入参数。通过考虑问题的结构,我们应用了一种精确的方法(Gurobi 求解器)来获得 CFSMP 的最优解,计算负担相对较小。
为了正确理解背景,我们在此介绍集装箱业务的战术和运营纪律。班轮运输公司目前面临着各种各样的决策问题。首先,在战略规划层面,需要解决集装箱船的船队规模和混合问题,以及市场和贸易选择问题。前一个问题决定了与每艘船舶运载能力相关的船队组成。后一个问题决定了班轮运输活动的地点。在战术规划层面,必须确定航运服务网络设计、运费和集装箱船队规模。最后,在运营规划层面,航运公司需要确定货物通过航运网络的路线和空箱重新定位。本研究侧重于战术和运营规划层面的相关决策。
一般来说,需要一种有效的规划技术,不仅需要战术规划,还需要运营规划。如上所述,对于集装箱相关业务,前者规划解决了战术规划的集装箱船队规模问题,战术规划决定了满足货物需求所需的集装箱数量。然而,运营规划研究了空箱管理问题,该问题涉及空箱重新定位,以将自己的集装箱分配给新的货物运输,以及在空箱短缺的情况下进行短期集装箱租赁。值得注意的是,大多数航运公司还部署了一些长期租赁集装箱;但是,由于集装箱的运营特性,它们在本文中被视为自有集装箱。
航运公司大规模提供集装箱船队规模,以肯定满足其运输需求,这可能会导致少量的空箱重新定位。相反,小规模的集装箱船队可能导致频繁的空集装箱重新定位和/或大量短期租赁集装箱来填补空集装箱短缺。战术和运营规划之间的这种互动促使航运公司同时做出这些决策,而不是单独做出这些决策。
空箱供应给托运人所在地最近的港口,以以下两种方式满足他们的运输需求:
- –The first is to reposition the empty containers by vessels from excess ports to deficit ports with constraints on the carrying capacity of a vessel and the vessel’s voyage itinerary.
首先是将船舶的空箱从过剩港口重新定位到亏损港口,限制船舶的运载能力和船舶的航程行程。 - –The second approach is to return the empty containers from consignees (importers) to ports after unloading. In addition, the shipping companies store the empty containers at the ports for the next shipments with constraints on the storage capacity of each port.
第二种方法是将空集装箱卸货后从收货人(进口商)退回港口。此外,航运公司将空集装箱存放在港口,以备下次装运,每个港口的存储容量受到限制。
此外,即使有这些供应来源,也要通过短期内从租赁公司租赁集装箱来弥补空缺。
CMB(以及 FLD)等创新集装箱已经出现,以减少船上重新定位的负担并减少港口的空存储空间。为了实现中式结算银行的成本节约,我们非常重视两个地区之间贸易不平衡的变化,因为在双向设备类型(即 20 英尺或 40 英尺集装箱)和货物数量之间实现完全平衡的极端例子不需要创新的集装箱。此外,存在不同的贸易不平衡,这可能导致这些地区之间对相反方向的 20/40 英尺集装箱的需求不平衡。本文旨在确定 20 英尺和 40 英尺集装箱所需的哪些不平衡可以使 CMB 的选择对航运公司具有吸引力。
本文的其余部分组织如下:第 2 节概述了 FLD 和 CMB 的经济特征,以阐明本研究的动机。在第 3 节中,我们介绍了相关文献的综述。第 4 节介绍了问题描述和表述。在第 5 节中,我们介绍了进行的数值实验和获得的相应结果。最后,第 6 节介绍了本研究的主要结论。
2. Innovative containers 2. 创新容器
FLD 的开发是为了节省空间,以便为空集装箱在船上重新定位和在陆地上存储。空时,它们可以向下折叠,看起来像平板集装箱。此外,折叠的容器可以堆积到四个容器高,在物理上看起来像一个 STD。这有助于节省重新定位时间和存储成本。
相比之下,CMB 旨在减少空体位的工作量。它们实际上用作 20 英尺大小的 STD。对于 20 英尺大小的货物,可以简单地按原样使用单个 CMB;但是,对于 40 英尺的货物,可以将两个 CMB 合并为一个单元,以创建 40 英尺的无边界空间,如图 1 所示。整个 40 英尺的空间可以通过抬起每个 CMB 组合侧的端墙并将其固定在屋顶天花板上来实现。因此,CMB 可以分配给需要 20 英尺或 40 英尺集装箱的货物。这意味着在货物分配方面具有更大的灵活性。因此,在将 CMB 分配到下一批货物时,通常必须在短距离内重新定位 CMB。

Fig. 1. Lifting connected CMBs as a single 40 ft standard container.
图 1.将连接的 CMB 作为单个 40 英尺的标准集装箱进行吊装。
来源:Containerbasis,2018 年,Containerbasis,2018 年
综上所述,FLD 和 CMB 之间的主要区别在于:前者通过折叠和捆绑工艺缩小空容器的容量,从而减少空容器的物理移动量。然而,后者减少了由于尺寸变化(转换)在 20 到 40 英尺之间以匹配货物尺寸而发生空重新定位的机会。
自然,地区之间的贸易存在贸易不平衡,但是,不同尺寸的集装箱(即 20 英尺和 40 英尺)也会导致不平衡。关于 CMB 的潜在优势,Malchow (2016) 指出,在由于贸易不平衡而将空 STD 重新定位在相反的贸易方向之间的情况下,用两个 CMB 代替两个 20 英尺 STD 或单个 40 英尺 STD 可以实现最大的成本节省。
考虑如图 2(a) 所示的假设贸易情况,其中有两个 20 英尺的需求从 O 到 D,一个 40 英尺的货物从 D 到 O。使用 20/40 英尺 STD 意味着分别从端口 D 到 O 和 40 英尺空箱重新定位 20 英尺空箱,反之亦然。相比之下,使用 CMB 完全不会引起空位,如图 2(b) 所示。此外,在两个从 O 到 D 港口进口的 CMB(断开连接的 20 英尺)为空后,这两个空的 CMB 可以合并成一个 40 英尺的容量,以运载从港口 D 到 O 的 40 英尺货物。一旦连接的 CMB(40 英尺)到达 O 港,它们将立即断开连接,以形成两个 20 英尺的空容量,将两件 20 英尺的货物从 O 港运输到 D。即使在更复杂的交易情况下,使用 CMB 也很有可能在很大程度上帮助减少空仓重新定位的机会。然而,CMB 的这种循环运营的可行性完全取决于 O 和 D 港口之间 20/40 英尺的相应贸易流向。

Fig. 2. How CMBs reduce empty containers.
图 2.CMB 如何减少空集装箱。
在某些贸易失衡的情况下,CMB 可能有助于减少上述空箱运输和随之而来的集装箱船队规模。然而,CMB 需要两种额外费用:第一种是 CMB 的开发成本,由于其结构更复杂,它高于 STD。第二个是与港口、集装箱堆场和客户现场的连接/断开 (C/D) 流程相关的成本。
从本质上讲,使用 CMB 需要在降低空箱重置成本与增加集装箱资本和运营成本之间进行权衡。因此,需要一种有效的规划技术来在权衡中找到平衡,以确定 CMB 方法的可行性。尽管 Malchow (2016) 分析了单个 CMB 与 STD 相比的经济特征,但他并没有充分涵盖集装箱运输链的复杂性。将这种复杂性纳入数学模型,可以从整个航运网络的角度评估 CMB 的成本节省。
虽然详细的文献综述将在下一节中介绍,但关于 CMB 的经济特征的报道很少,因此 CMB 的有效性尚未得到充分阐明。因此,如前所述,使用 CMB 可以被视为空置重置成本降低与集装箱资本(以及 C/D 相关)成本增加之间的权衡。对 CMB 的正确评估需要同时进行调查,从战术角度考虑集装箱船队规模问题以进行资本评估,从运营角度考虑空箱管理问题以进行空箱重新定位评估。
3. Literature review 3. 文献综述
在本节中,我们详细回顾了关于集装箱船队规模和空箱管理问题的现有研究,包括航运网络中的空箱分配/重新定位。此外,我们还对用于 FLD 和 CMB 的空容器重新定位问题进行了文献综述。
3.1. Container fleet sizing and empty container management
3.1. 集装箱船队规模和空集装箱管理
首先,我们将重点关注集装箱船队的规模问题。一旦给定的运输需要满载行程的详细信息(航运网络中在起运港-目的地 (OD) 港口对之间移动的满载集装箱数量)和每次行程的特征(长度、不确定性等),集装箱船队选型问题有助于确定满足运输需求所需的自有集装箱的最佳数量。一些研究人员对集装箱船队规模问题表现出了特别的兴趣。Imai 和 Rivera (2001) 可能是第一项旨在解决考虑到极度不平衡的贸易确定适当集装箱船队规模的问题的研究,这是航运服务路线中冷藏货物贸易的典型情况。他们为多对多港口贸易构建了一个仿真模型,以分析给定某些运输需求趋势下,自有集装箱船队规模、短期租赁和港口空箱存储之间的权衡。
其次,我们在此对反映班轮航运网络特征的空箱管理问题进行了回顾,即多船、多港口和固定时间表航运系统。Song 和 Dong (2011) 解决了基于集装箱流平衡方法的航运服务中的空箱重新定位问题。分别基于两种类型的流动平衡处理,检查了两种空容器重新定位策略。前者基于每个端口的点对点平衡方法,而后者基于所有端口之间的协调平衡。Meng 和 Wang (2011) 将中期班轮服务网络设计问题与轴辐式和多港停靠操作的组合网络以及空箱重新定位问题进行了评估。Bell 等人(2011 年)提出了一种基于频率的分配模型,在服务路线中分配满载集装箱和空集装箱,以最大限度地减少起运港和转运港之间的航行时间和集装箱运输时间。Song 和 Dong (2012) 在运营规划层面考虑了具有多路线、多船和多航次特征的航运网络的联合货物路线和空集装箱重新定位问题。
此外,第三项研究是集装箱船队规模调整和空箱管理的综合方法。Shintani et al. (2005) 通过明确考虑空箱重新定位和集装箱船队规模,解决了班轮航运网络建设的问题。Shintani 等人(2007 年)提出了一种综合的同步方法,用于确定具有服务路线特征和空集装箱重新定位的最佳船队组成,以设计一条单一路线。他们获得的结果表明,由于空箱的高效分配,空箱重新定位的航运网络设计问题使得以较慢的速度巡航成为可能,从而可以节省可观的燃料成本。Imai 等人(2009 年)研究了不同服务网络的优缺点,即多端口呼叫 (MPC) 和中心辐射型。他们通过分析包括集装箱船队成本在内的空箱管理成本,比较了与航运网络相关的成本。Dong 和 Song (2009) 研究了在贸易不平衡的多船、多港口和多航次航运系统中联合集装箱船队尺寸和空集装箱重新定位的问题。他们考虑了一种最佳控制策略,可以确定每艘船要移动的满载集装箱和空集装箱的数量。
所有这些相关研究都涉及集装箱船队的规模和/或空箱管理问题;然而,他们中的大多数只考虑 20 或 40 英尺的均质集装箱尺寸。在实际情况下,这两种集装箱尺寸都存在于集装箱运输网络中。因此,两种集装箱尺寸都会出现贸易不平衡。因此,确定如何同时重新定位每种尺寸的空容器是一个重要的问题。CMB 可以提供一种解决方案,可以有效地预测重新定位空集装箱的需求。
3.2. Empty container management using innovative containers
3.2. 使用创新容器管理空箱
在此,我们回顾了 FLD 和 CMB 的研究。对于 FLD,在过去二十年中已经报道了大量关于使用 FLD 方法重新定位空容器的研究。
Konings 和 Thijs,2001 年,Konings,2005 年是解决 FLD 经济可行性的早期工作。这些研究为此类集装箱成功引入航运市场的条件提供了一些迹象。Shintani 等人(2010 年)认为,这些以前的研究不足以涵盖集装箱运输链的复杂性,因此,使用 FLD 同时分析了多个腹地集装箱运输链。他们考虑了这些单独的腹地运输之间的相互关系。Shintani 等人(2012 年)表明,在检查集装箱船队决策过程时,以前的研究都没有涵盖班轮运输网络的复杂性。因此,他们解决了集装箱船队选型和空箱管理问题,包括空箱重新定位,以展示 FLD 在降低相关成本方面的潜在作用。这是第一项将 FLD 的使用整合到航运网络复杂性中的研究。他们指出,带有 STD 和 FLD 的混合集装箱船队是 FLD 在限制航运公司投资风险方面最现实的应用。Zazgornik 等人(2012 年)为木材运输链构建了模型,即车辆路线和集装箱调度的组合问题。然而,他们考虑了将 FLD 应用于木材运输,这种运输是在比海运集装箱简单得多的网络中进行的。Moon 等人(2013 年)在海上使用 FLD 和 STD 研究了空集装箱的重新定位。 Myung 和 Moon (2014) 通过使用 STD 和 FLD 处理多港口和多周期集装箱规划问题,扩展了 Moon 等人 (2013) 提出的问题。他们将该问题建模为考虑服务路线的最低成本流问题。Moon 和 Hong (2016) 同时考虑了使用 STD 和 FLD 在港口之间重新定位空集装箱。他们构建的模型可用于确定要选择的端口,以安装集装箱折叠和展开设施。Wang 等人(2017 年)考虑了集装箱船队的大小、空集装箱重新定位以及在特定航运服务路线中使用 FLD 的船型决策问题。他们假设集装箱船队由长期租赁集装箱组成。Zhang et al. (2018) 研究了用卡车一次运载一个满载集装箱或多个折叠集装箱的可能性。他们的模型可用于最大限度地减少卡车的总工作时间,包括现场的等待时间。Goh (2019) 分析了 FLD 对回程贸易中托运人运费的影响,并量化了 FLD 在班轮运输中的碳减排能力。
CMB 是由两家公司独立开发的相对较新的创新:德国 TWORTY BOX(TWORTY BOX,2019 年)和西班牙 CONNECTAINER(有效的海上工程解决方案 (ESES),2019 年)。它们的结构基本相似;但是,后者比前者更实用,因为 CONNECTAINER 有一些电子显示器,可以根据其连接或断开状态识别容器的唯一标识号和重量、皮重等特性。据我们所知,Malchow (2016) 是现存唯一从实践角度讨论 CMB 经济可行性的学术研究,尽管他没有充分考虑集装箱运输链的复杂性。根据这些公司的网站,TWORTY BOX (2019) 使用与 Malchow (2016) 相同的方法论证了 CMB 的可行性,而 ESES (2019) 认为,如果 15 家主要航运公司将其 12.5% 的集装箱船队从 STD 转向 CMB,他们可以在全年节省约 10 亿美元的集装箱相关成本。尽管 ESES (2019) 认识到由 STD 和 CMB 组成的混合集装箱船队的有效性,但该公司并未讨论对 CMB 经济性的关键验证,特别是关于混合集装箱船队和 20/40 英尺交通地区之间的贸易不平衡。鉴于班轮运输网络的复杂性,将 CMB 引入航运市场需要进行深入评估。因此,这项研究在研究 CMB 的可行性方面是新颖的。
在上述研究背景下,我们研究了在复杂的航运服务路线的规划范围内使用 CMB 节省集装箱相关成本的可能性。
4. Problem description 4. 问题描述
CFSMP 要求表示 STD/CMB 和 20/40 英尺的流量守恒,并结合 CMB 的 C/D 过程的特征特性和 20/40 英尺的不同容器尺寸。这方面的同源模型可以从 Imai 等人(2009 年)、Shintani 等人(2012 年)的研究中了解。前者提出的模型处理集装箱尺寸中具有同质 STD 船队的集装箱流,而后一种模型处理 20 英尺的 STD 和 FLD 流。然而,他们的模型没有考虑 20/40 英尺的多个集装箱尺寸中 STD/CMB 的流量守恒。
如图 3 所示,CFSMP 将航运服务路线作为 MPC 网络的一种形式,考虑了明确区分集装箱状态的多商品流,例如 STD/CMB、20/40 英尺、满载/空载和拥有/租赁。满载集装箱和空箱的移动与船舶的航行行程有关。因此,我们在此基于航行行程对具有时空网络的集装箱流进行建模。图 4 显示了这样一个时空网络,代表了 5 艘船在 4 个港口停靠的航程,在 MPC 网络中有一定的停靠间隔。

Fig. 3. The MPC network.
图 3.MPC 网络。

Fig. 4. Vessels’ voyages in the space-time network.
图 4.船只在时空网络中的航行。
4.1. Tactical and operational planning
4.1. 战术和作战规划
如第 1 节所述,CFSMP 协调了这两个规划决策,以节省整个集装箱相关成本,因为集装箱船队规模(战术规划)和空箱管理(运营规划)之间存在密切关系。
从战术角度来看,CFSMP 旨在通过检查规划期内航运网络中自有 STD/CMB 的数量来优化集装箱船队规模。集装箱车队部署后,通常会使用超过 10 年。由于在确定最佳集装箱车队规模时,几乎不可能准确估计未来的运输需求,因此本研究提出了一种确定车队规模的方法,作为只有在规划视距开始时才能放入时空集装箱流网络的自有 STD/CMB 数量的决策变量。
从操作的角度来看,CFSMP 可用于确定空集装箱的数量,这些空集装箱将从多余港口重新定位到短缺港口,储存在港口,以及从租赁公司租赁到港口,仅用于近期的运输。
因此,使用 CFSMP 进行分析可以研究 CMB 在空集装箱重新定位/处理成本降低与昂贵的初始投资和 C/D 处理导致的成本增加之间的权衡。
4.2. Assumptions 4.2. 假设
CFSMP 建模基于以下假设:
- (i) (一)A single shipping company provides the liner service network, in which the company can fully control the overall empty container movements. Thus, any empty containers can be repositioned at any place for any shipments.
一家船公司提供班轮服务网络,该公司可以完全控制整个空箱的移动。因此,任何空集装箱都可以在任何地方重新定位,用于任何货物。 - (ii) (二)All the transportation demands can be satisfied within the planning horizon using any type of container such as own STDs/CMBs and leased containers.
在规划范围内,使用任何类型的集装箱(如自有 STD/CMB 和租赁集装箱)都可以满足所有运输需求。 - (iii) (三)The exploitation cost of a container includes the purchase cost (depreciation) and the other cost to keep the container in operation, i.e., maintenance and repair costs.
集装箱的开采成本包括购买成本(折旧)和保持集装箱运行的其他成本,即维护和维修成本。 - (iv) (四)The leasing cost of a container consists of the hiring cost that is proportional to the round trip time between OD ports for assigned cargo traffic, the transportation cost between the ports for the backhaul operation, and the associated handling (lifting on/off) cost at those ports. The backhaul assumption can be justified by the fact that leased containers are sent back from the destination port to the origin port after use by unplanned vessels under the shipping company's responsibility as soon as their use is complete.
集装箱的租赁成本包括租赁成本,该成本与指定货物运输的 OD 港口之间的往返时间成正比,回程操作的港口之间的运输成本,以及这些港口的相关处理(吊装开/关)成本。回程假设是合理的,因为租赁的集装箱在使用完成后,由航运公司负责的计划外船舶使用后,会立即从目的港送回起运港。 - (v) (五)The container fleet consists of CMBs (20 ft size only) and STDs (both 20 ft and 40 ft sizes). However, all containers offered for lease are assumed to be STD of 20 and 40 ft. CMBs are assumed not to be leased owing to its less economic advantages. It is worthy to note that long-term lease containers are regarded as own containers of the shipping company in this study.
集装箱船队由 CMB(仅限 20 英尺尺寸)和 STD(20 英尺和 40 英尺尺寸)组成。然而,所有出租的集装箱都假定为 20 英尺和 40 英尺的 STD。由于 CMB 的经济优势较小,因此假定不出租。值得注意的是,在本研究中,长期租赁集装箱被视为船公司自有集装箱。 - (vi) (六)The containers stay in the hinterlands of ports for loading or unloading at the customers' sites within a certain period of time.
集装箱在一定时间内留在港口腹地,以便在客户现场装卸。 - (vii) (七)To simplify the structure of the model, the model does not consider elaborate container movements whether laden or empty between ports and customers' sites.
为了简化模型的结构,该模型没有考虑港口和客户现场之间复杂的集装箱移动,无论是满载还是空载。
4.3. Notations 4.3. 符号
Index and Sets: | |
: | set of ports in a shipping service network |
: | set of container types and states, that is |
: | index of container types and states, where = 1, 2, 3, and 4 if the container type specifies disconnected CMB (20 ft), connected CMB (40 ft), STD (20 ft) and STD (40 ft), respectively |
: | set of chronological time (the planning horizon) |
Input parameters | |
: | carrying capacity of a vessel |
: | time spent by a container in the hinterland of port for import or export |
: | transit time from port to port |
: | storage capacity of the container pool at port |
: | exploitation cost of an owned CMB over the planning horizon |
: | exploitation cost of type owned containers over the planning horizon |
: | C/D cost of a CMB at port |
: | storage cost of 20 ft container at port |
: | storage cost of 40 ft container at port |
: | leasing cost of 20 ft container from port to port |
: | leasing cost of 40 ft container from port to port |
: | repositioning cost of 20 ft container from port to port |
: | repositioning cost of 40 ft container from port to port |
: | number of 20 ft cargo shipments transported from port to port at time |
: | number of 40 ft cargo shipments transported from port to port at time |
Decision variables | |
: | total number of CMBs to be put into service over the planning horizon |
: | total number of type owned containers to be put into service over the planning horizon |
: | number of connecting/disconnecting processes of CMBs at port at time |
: | number of type empty owned containers to be transferred from port to port at time |
: | number of type empty owned containers to be stored at port at time |
: | number of leased 20 ft containers to be used for transportation demands that leave port at time for port |
: | number of leased 40 ft containers to be used for transportation demands that leave port at time for port |
Auxiliary variables related to decision variables | |
: | number of type laden owned containers to be transported from port to port at time |
: | total number of type laden owned containers to be imported to port at time |
: | total number of type empty owned containers to be repositioned from other ports to port at time |
: | total number of type empty owned containers to be sent to shippers (exporters) in the hinterland from port at time , and it is equal to the total cargoes to be exported using type containers |
: | total number of type empty owned containers to be repositioned from port to other ports at time |
: | total number of type empty owned containers to be returned from consignees (importers) in the hinterland of port at time , and it is equal to the total cargoes to be imported using type containers |
本小节介绍用于模型的数学公式的符号,如下所示:
Index and Sets: | |
: | set of ports in a shipping service network |
: | set of container types and states, that is |
: | index of container types and states, where = 1, 2, 3, and 4 if the container type specifies disconnected CMB (20 ft), connected CMB (40 ft), STD (20 ft) and STD (40 ft), respectively |
: | set of chronological time (the planning horizon) |
Input parameters | |
: | carrying capacity of a vessel |
: | time spent by a container in the hinterland of port for import or export |
: | transit time from port to port |
: | storage capacity of the container pool at port |
: | exploitation cost of an owned CMB over the planning horizon |
: | exploitation cost of type owned containers over the planning horizon |
: | C/D cost of a CMB at port |
: | storage cost of 20 ft container at port |
: | storage cost of 40 ft container at port |
: | leasing cost of 20 ft container from port to port |
: | leasing cost of 40 ft container from port to port |
: | repositioning cost of 20 ft container from port to port |
: | repositioning cost of 40 ft container from port to port |
: | number of 20 ft cargo shipments transported from port to port at time |
: | number of 40 ft cargo shipments transported from port to port at time |
Decision variables | |
: | total number of CMBs to be put into service over the planning horizon |
: | total number of type owned containers to be put into service over the planning horizon |
: | number of connecting/disconnecting processes of CMBs at port at time |
: | number of type empty owned containers to be transferred from port to port at time |
: | number of type empty owned containers to be stored at port at time |
: | number of leased 20 ft containers to be used for transportation demands that leave port at time for port |
: | number of leased 40 ft containers to be used for transportation demands that leave port at time for port |
Auxiliary variables related to decision variables | |
: | number of type laden owned containers to be transported from port to port at time |
: | total number of type laden owned containers to be imported to port at time |
: | total number of type empty owned containers to be repositioned from other ports to port at time |
: | total number of type empty owned containers to be sent to shippers (exporters) in the hinterland from port at time , and it is equal to the total cargoes to be exported using type containers |
: | total number of type empty owned containers to be repositioned from port to other ports at time |
: | total number of type empty owned containers to be returned from consignees (importers) in the hinterland of port at time , and it is equal to the total cargoes to be imported using type containers |
4.4. Mathematical formulation of the model
4.4. 模型的数学公式
- (1)The CFSMP model CFSMP 模型
CFSMP 的数学公式如下: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27)
目标函数 (1) 是最小化由以下成本元素组成的总成本:前两项分别表示 CMB 和 STD 的开采成本。第三个术语涉及 CMB 在港口的 C/D 流程成本。接下来的四个术语介绍了各种类型和长度的空箱在港口之间的重新定位和港口存储的成本。最后一个术语涉及港口之间 20/40 英尺集装箱的租赁成本。方程。(2)、(3) 是港口所有自有集装箱类型的流量守恒。这些方程的推导将在下一节中更详细地讨论。方程。(4)、(5) 定义从腹地收货人返回的集装箱数量,而 Eqs. (6)、(7) 用于将集装箱送往腹地进行下一次装运。方程。(8)、(9)、(10)、(11) 确定要重新定位的空集装箱的数量。方程。(12)、(13) 定义要租赁的容器数量。约束 (14) 确保在港口 存储的空自有集装箱类型 之和受港口存储容量的限制。方程。(15)、(16) 定义已部署的所有类型的容器的数量。情 商。 集合 (17)、(18) 定义端口 处连接或断开连接的 CMB 的数量 (17)、(18) 的推导将在后面提供。所有约束条件 (19)、(20)、(21) 都保证满载集装箱和空箱的总数不能超过船舶运载能力。换句话说,这些约束集决定了船舶将空集装箱从有剩余集装箱的港口重新定位到集装箱短缺的港口的空载能力。感兴趣的读者可以参考推导 (4) 了解更多详情。
- (2)
在此,我们介绍了 Eqs 的推导。(2)、(3)。所提出的模型区分了每种类型的港口空集装箱的流量守恒。本研究中的流量守恒概念如下:在每个节点处,传入容器的总数必须等于传出容器的总数。这种流量守恒的特点是任何不同容器类型(如 CMB 和 20/40 英尺 STD)采用通用的数学结构。
图 5 显示了一个坐标,该坐标 定义了与当时在港口 停靠的船舶相关的特定节点 ,其中 表示当时 港口 可用的 空集装箱类型总数。

Fig. 5. Flow conservation for empty containers at a port.
图 5.港口空集装箱的流量节约。
参考图 5,所有类型的空流守恒 可以表示如下: (28) (29)
方程。(28)、(29)分别针对 CMB 和 STD 保证当时(即等式左侧)在港口 使用的可用空箱总数由来自先前来源的空箱组成,由右侧上部表示(即前一段时间储存在港口的空箱与从腹地返回/重新定位的空箱之和其他港口),并扩展到右侧下部表示的未来来源(即,下次装运时储存的空集装箱与转移到腹地/重新定位到其他港口的空集装箱之和)。请注意,当 CMB 将其形式更改为 20/40 英尺时, 方程 (28) 决定了 TEU 形式的总数。消除方程 (28) 和 方程 (29) 中的变量 得到方程。(2)、(3) 分别。
在模型中区分了自有 STD/CMB 和租赁容器的流量。对于租赁的集装箱,那些有货物运输的集装箱出现在流网中,但是,那些货物运输后的集装箱没有出现在流网中,因为它们被假设是计划外的船只返回原来的港口。
- (3)
在本文中,我们展示了 Eqs.(17)、(18) 可用于确定 CMB 在某个端口的 C/D 进程数,即 ,它表示连接或断开连接的进程数。值得注意的是,(17)、(18) 的右侧是相同的,因为它们涉及正时连接进程数的计数和负时断开连接进程的处理。
为了更好地理解这一点,考虑一次与港口 相关的 CMB 流量,如图 6 所示,其中 30 个 TEU 表示为断开连接的 CMB,60 个 FEU 表示为连接的 EU,总计 150 个 CMB 以 TEU 为单位,与 、 和 一起流入港口 。它们根据需要以不同的长度组成(即 60 个断开连接的 TEU 和 45 个连接的 FEU)从该港口分布,以及 、 和 via 。因此,必须断开 15 个 FEU 的连接,以创建 30 个 TEU 用于未来的运输。因此,通过将总共 60 个 FEU 与 、 、 和 、 以及总共 45 个 FEU 与 、 和 放在右侧 ,我们可以得到 方程(17)。因此,方程 (18) 在这种情况下是多余的。相反,在连接过程的情况下,方程 (18) 可以在右侧产生正值,而方程 (17) 变为冗余。
- (4)

Fig. 6. Counting the number of C/D processes of CMBs at a port.
图 6.统计一个端口的 CMB 的 C/D 进程数。
在调用端口集中 ,有三种情况涉及 departing port 。约束集 (19) 与港口 1 有关,作为停靠船的出发港口,(21) 与整个航程往返航程中的最后一个港口有关,其中 表示集合 的基数(即,最后一个停靠的港口),以及 (20)专用于所有其他端口。在所有这些约束中,第一个术语表示从相关港口出发的空箱或满载集装箱的数量, 而第二个术语提供有关通过航段从一个港口 到另一个港口 的集装箱运输量的信息。

Fig. 7. Container flow on voyages of a vessel.
5. Numerical experiments
5.1. Shipping service routes
- EU: Busan – Ningbo – Shanghai – Rotterdam – Hamburg – Antwerp – Southampton – Yantian – Shanghai – Busan (77 days for a round trip covering a distance of 26,038 nm, with 11 vessels deployed).
- NA: Qingdao – Ningbo – Shanghai – Busan – Los Angeles – Oakland – Tokyo – Qingdao (42 days, 12,417 nm, 6 vessels).
- AS: Shimizu – Yokohama – Tokyo – Busan – Laem Chabang – Cai Mep – Tokyo – Shimizu (21 days, 8,400 nm, 3 vessels).
5.2. Parameter settings
- The following parameters are used in the experiments:
- (i)Planning horizon (): 52 weeks (or 1 year)
- (ii)Container turnaround time spent in a hinterland (): one week for all hinterlands ports
- (iii)Transit time between ports (): 1 to 11 weeks (EU), 1 to 6 weeks (NA) and 1 to 3 weeks (AS), depending on the distance between ports
- (iv)Carrying capacity of a vessel (): 15,000 TEUs (EU), 8000 TEUs (NA) and 4000 TEUs (AS)
- (v)Storage capacity at a port (): twice as much as the weekly throughput at each port
- (vi)Exploitation cost of a container for 52 weeks: = US$728/TEU, = US$312/TEU and = US$520/FEU
- (vii)C/D cost (): US$100/process for all ports
- (viii)Storage cost: = US$7/TEU/week and = US$11/FEU/week for all ports
- (ix)Repositioning cost: = (US$273 to US$1003)/TEU and = (US$467 to US$1937)/FEU (EU), = (US$281 to US$686)/TEU and = (US$482 to US$1292)/FEU (NA), and = (US$297 to US$491)/TEU and = (US$515 to US$905)/FEU (AS), depending on the port pair
- (x)Leasing cost: = US$1652/TEU and = US$2888/FEU (EU), = US$1103/TEU and = US$1923/FEU (NA), = US$780/TEU and = US$1368/FEU (AS), depending on the port pair. This also includes transportation and handling costs
- (xi)Weekly cargo traffic as the sum of both directions in the trade lane: 7500 TEUs/ 3750 FEUs (EU), 4000 TEUs/2000 FEUs (EU), and 2000 TEUs/1000 FEUs (AS). (This is in the case of balanced trade in different directions for each cargo shipment size between two trade regions)
5.3. Transportation demands between ports
Table 1. Annual transportation demands for each imbalance scheme (SB).
SB | EU | NA | AS | |||
---|---|---|---|---|---|---|
20 ft | 40 ft | 20 ft | 40 ft | 20 ft | 40 ft | |
1:1 | 390,000 | 195,000 | 208,000 | 104,000 | 104,000 | 52,000 |
1.5:1 | 468,000 | 156,000 | 249,600 | 83,200 | 124,800 | 41,600 |
2:1 | 520,000 | 130,000 | 277,333 | 69,334 | 138,667 | 34,667 |
1:1.5 | 312,000 | 234,000 | 166,400 | 124,800 | 83,200 | 62,400 |
1:2 | 260,000 | 260,000 | 138,667 | 138,667 | 69,333 | 69,334 |
Total (in TEUs) | 780,000 | 416,000 | 208,000 |
Table 2. The composition of annual transportation demands in balanced SB (1:1) for each imbalance scheme (DB).
DB | EU | NA | AS | |||
---|---|---|---|---|---|---|
20 ft | 40 ft | 20 ft | 40 ft | 20 ft | 40 ft | |
A–E/E–A | A–E/E–A | A–N/N–A | A–N/N–A | A1–A2/A2–A1 | A1–A2/A2–A1 | |
1:1 | 195,000/195,000 | 97,500/97,500 | 104,000/104,000 | 52,000/52,000 | 52,000/52,000 | 26,000/26,000 |
1.5:1 | 234,000/156,000 | 117,000/78,000 | 124,800/83,200 | 62,400/41,600 | 62,400/41,600 | 31,200/20,800 |
2:1 | 260,000/130,000 | 130,000/65,000 | 138,667/69,333 | 69,333/34,667 | 69,333/34,667 | 34,667/17,333 |
1:1.5 | 156,000/234,000 | 78,000/117,000 | 83,200/124,800 | 41,600/62,400 | 41,600/62,400 | 20,800/31,200 |
1:2 | 130,000/260,000 | 65,000/130,000 | 69,333/138,667 | 34,667/69,333 | 34,667/69,333 | 17,333/34,667 |
Total (in TEUs) | 390,000 | 195,000 | 208,000 | 104,000 | 104,000 | 52,000 |

Fig. 8. Demand trends.
Table 3. Weekly throughput at each port with balanced trade.
EU | |||||
Region | Port | Export | Import | ||
20 ft | 40 ft | 20 ft | 40 ft | ||
Asia | Busan | 944 | 472 | 991 | 495 |
Ningbo | 898 | 449 | 942 | 471 | |
Shanghai | 937 | 468 | 930 | 465 | |
Yantian | 971 | 486 | 887 | 444 | |
Europe | Rotterdam | 905 | 453 | 1023 | 512 |
Hamburg | 946 | 473 | 954 | 477 | |
Antwerp | 975 | 487 | 878 | 439 | |
Southampton | 924 | 462 | 895 | 447 | |
Total | 7500 | 3750 | 7500 | 3750 | |
NA | |||||
Region | Port | Export | Import | ||
20 ft | 40 ft | 20 ft | 40 ft | ||
Asia | Qingdao | 390 | 195 | 437 | 218 |
Ningbo | 420 | 210 | 356 | 178 | |
Shanghai | 432 | 216 | 366 | 183 | |
Busan | 368 | 184 | 427 | 214 | |
Tokyo | 390 | 195 | 414 | 207 | |
North America | Los Angeles | 988 | 494 | 1071 | 535 |
Oakland | 1012 | 506 | 929 | 465 | |
Total | 4000 | 2000 | 4000 | 2000 | |
AS | |||||
Region | Port | Export | Import | ||
20 ft | 40 ft | 20 ft | 40 ft | ||
Asia #1 | Shimizu | 328 | 164 | 332 | 166 |
Yokohama | 338 | 169 | 325 | 162 | |
Tokyo | 334 | 167 | 343 | 172 | |
Asia #2 | Busan | 300 | 150 | 317 | 158 |
Laem Chabang | 359 | 180 | 369 | 185 | |
Cai Mep | 341 | 170 | 314 | 157 | |
Total | 2000 | 1000 | 2000 | 1000 |
5.4. Experimental scheme
5.5. Analyses
- For complete superiority (CSUP): XIMP = NIMP greater than 0 (because MIX = CMU < STU)
- For medium superiority (MSUP): XIMP > NIMP (because MIX < CMU and MIX < STU)
- For inferiority (INFE): NIMP < XIMP = 0 (because STU = MIX < CMU).
- (1)Cost comparisons
Table 4. Comparison of the impacts by using CMBs (EU).
(a) MSUP | |||||
Instance ID | XIMP (%) | NIMP (%) | Total cost (US$ ×106) | ||
STU | MIX | CMU | |||
11-21-12-lgp | 32.5 | 10.9 | 195.2 | 131.8 | 173.8 |
11-12-21-lgp | 32.1 | 10.6 | 194.5 | 132.2 | 173.9 |
115-21-12-lgp | 29.8 | 7.4 | 191.7 | 134.6 | 177.6 |
151-12-21-lgp | 29.0 | 8.7 | 199.2 | 141.5 | 182.0 |
115-12-21-lgp | 29.0 | 6.4 | 189.9 | 134.9 | 177.7 |
11-12-21-lgm | 32.1 | 11.4 | 195.4 | 132.8 | 173.1 |
11-21-12-lgm | 31.6 | 11.0 | 194.4 | 133.0 | 173.1 |
151-12-21-lgm | 29.6 | 9.5 | 200.4 | 141.0 | 181.3 |
115-21-12-lgm | 29.6 | 7.8 | 191.1 | 134.6 | 176.3 |
115-12-21-lgm | 29.5 | 7.9 | 190.8 | 134.5 | 175.7 |
11-21-12-cns | 43.1 | 21.7 | 157.9 | 89.8 | 123.6 |
11-12-21-cns | 43.1 | 21.7 | 157.8 | 89.9 | 123.6 |
115-21-12-cns | 39.0 | 14.9 | 156.5 | 95.5 | 133.2 |
151-12-21-cns | 38.2 | 15.4 | 159.7 | 98.6 | 135.1 |
115-12-21-cns | 38.1 | 13.8 | 155.8 | 96.4 | 134.3 |
11-21-12-cos | 39.0 | 13.6 | 157.3 | 95.9 | 136.0 |
11-12-21-cos | 39.0 | 13.5 | 157.2 | 95.9 | 135.9 |
115-21-12-cos | 35.6 | 8.5 | 156.4 | 100.8 | 143.2 |
115-12-21-cos | 35.1 | 7.8 | 155.2 | 100.8 | 143.0 |
151-12-21-cos | 34.8 | 9.1 | 159.8 | 104.1 | 145.2 |
Bold: The best case by using CMBs | |||||
(b) INFE | |||||
Instance ID | XIMP (%) | NIMP (%) | Total cost (US$ x106) | ||
STU | MIX | CMU | |||
12-11-11-lgp | 0.0 | −60.0 | 104.0 | 104.0 | 166.4 |
115-11-11-lgp | 0.0 | −58.3 | 105.2 | 105.2 | 166.5 |
11-11-11-lgp | 0.0 | −56.4 | 107.0 | 107.0 | 167.4 |
151-11-11-lgp | 0.0 | −54.7 | 108.9 | 108.9 | 168.4 |
21-11-11-lgp 21-11-11-导光板 | 0.0 | −53.6 | 110.2 | 110.2 | 169.2 |
12-11-11-lgm | 0.0 | −54.3 | 108.1 | 108.1 | 166.8 |
115-11-11-lgm | 0.0 | −53.1 | 109.4 | 109.4 | 167.5 |
151-11-11-lgm 151-11-LGM | 0.0 | −49.8 | 113.2 | 113.2 | 169.6 |
21-11-11-lgm | 0.0 | −48.9 | 114.5 | 114.5 | 170.4 |
12-151-151-lgm | 0.0 | −38.4 | 149.3 | 149.3 | 206.5 |
12-11-11-cns | 0.0 | −78.6 | 64.4 | 64.4 | 115.0 |
115-11-11-cns | 0.0 | −76.9 | 65.3 | 65.3 | 115.4 |
11-11-11-cns | 0.0 | −74.3 | 66.7 | 66.7 | 116.3 |
151-11-11-cns | 0.0 | −71.9 | 67.9 | 67.9 | 116.8 |
21-11-11-cns | 0.0 | −70.4 | 68.9 | 68.9 | 117.3 |
12-11-11-cos | 0.0 | −78.6 | 71.8 | 71.8 | 128.3 |
115-11-11-cos | 0.0 | −77.0 | 72.8 | 72.8 | 128.9 |
11-11-11-cos | 0.0 | −74.6 | 74.3 | 74.3 | 129.7 |
151-11-11-cos | 0.0 | −72.1 | 75.8 | 75.8 | 130.5 |
21-11-11-cos | 0.0 | −70.6 | 76.8 | 76.8 | 131.0 |
Underline: The worst case by using CMBs 下划线:使用 CMB 的最坏情况 |
Table 5. Comparison of the impacts by using CMBs (NA).
表 5.使用 CMB 的影响比较 (NA)。
(a) MSUP (a) MSUP | |||||
Instance ID 实例 ID | XIMP (%) 国际肥料 (%) | NIMP (%) 净含量 (%) | Total cost (US$ ×106) 总成本(10× 美元 6) | ||
STU | MIX | CMU | |||
11-12-21-lgp 11-12-21-导光板 | 45.5 | 21.0 | 61.6 | 33.6 | 48.6 |
11-21-12-lgp 11-21-12-导光板 | 45.4 | 20.9 | 61.6 | 33.7 | 48.8 |
115-12-151-lgp | 41.1 | 6.1 | 49.2 | 29.0 | 46.2 |
151-151-12-lgp | 40.9 | 7.8 | 49.8 | 29.4 | 45.9 |
115-21-12-lgp | 40.6 | 15.7 | 61.4 | 36.5 | 51.8 |
11-12-21-lgm | 44.5 | 19.9 | 59.9 | 33.2 | 48.0 |
11-21-12-lgm | 44.5 | 19.8 | 60.0 | 33.3 | 48.1 |
115-12-151-lgm | 40.6 | 5.3 | 47.9 | 28.5 | 45.4 |
151-151-12-lgm | 40.5 | 7.1 | 48.5 | 28.9 | 45.1 |
115-21-12-lgm | 40.3 | 15.1 | 59.7 | 35.7 | 50.7 |
11-12-21-cns | 55.3 | 35.0 | 56.1 | 25.0 | 36.4 |
11-21-12-cns | 55.2 | 34.9 | 56.1 | 25.1 | 36.5 |
115-12-151-cns | 53.8 | 25.2 | 44.2 | 20.4 | 33.1 |
151-151-12-cns | 53.4 | 25.7 | 44.4 | 20.7 | 33.0 |
12-21-115-cns | 51.9 | 22.2 | 43.8 | 21.1 | 34.1 |
11-12-21-cos | 48.8 | 22.3 | 58.2 | 29.8 | 45.2 |
11-21-12-cos | 48.7 | 22.3 | 58.3 | 29.9 | 45.3 |
115-12-151-cos | 45.1 | 8.8 | 46.4 | 25.5 | 42.3 |
115-21-12-cos | 44.7 | 16.5 | 57.5 | 31.8 | 48.1 |
151-151-12-cos | 44.6 | 9.7 | 46.7 | 25.9 | 42.2 |
Bold: The best case by using CMBs | |||||
(b) INFE | |||||
Instance ID | XIMP (%) | NIMP (%) | Total cost (US$ x106) | ||
STU | MIX | CMU | |||
11-11-11-lgp | 0.0 | −94.0 | 23.1 | 23.1 | 44.7 |
11-151-151-lgp | 0.0 | −44.2 | 45.5 | 45.5 | 65.5 |
11-151-21-lgp | 0.0 | −36.4 | 55.3 | 55.3 | 75.5 |
11-21-151-lgp | 0.0 | −36.5 | 56.6 | 56.6 | 77.2 |
11-21-21-lgp | 0.0 | −31.2 | 66.5 | 66.5 | 87.3 |
11-11-11-lgm | 0.0 | −92.0 | 22.9 | 22.9 | 44.0 |
11-151-151-lgm | 0.0 | −43.6 | 44.4 | 44.4 | 63.8 |
11-151-21-lgm | 0.0 | −35.5 | 54.1 | 54.1 | 73.2 |
11-21-151-lgm | 0.0 | −35.8 | 55.2 | 55.2 | 75.0 |
11-21-21-lgm | 0.0 | −30.4 | 64.9 | 64.9 | 84.7 |
11-11-11-cns | 0.0 | −101.5 | 16.0 | 16.0 | 32.3 |
11-151-151-cns | 0.0 | −47.9 | 36.4 | 36.4 | 53.8 |
11-151-21-cns | 0.0 | −39.6 | 45.7 | 45.7 | 63.8 |
11-21-151-cns | 0.0 | −38.5 | 46.8 | 46.8 | 64.7 |
11-21-21-cns | 0.0 | −33.3 | 56.1 | 56.1 | 74.7 |
11-11-11-cos | 0.0 | −96.7 | 21.0 | 21.0 | 41.4 |
11-151-151-cos | 0.0 | −52.7 | 39.4 | 39.4 | 60.2 |
11-151-21-cos | 0.0 | −43.3 | 49.0 | 49.0 | 70.2 |
11-21-21-cos | 0.0 | −36.5 | 59.7 | 59.7 | 81.4 |
11-115-115-cos | 0.0 | −49.8 | 41.6 | 41.6 | 62.4 |
Underline: The worst case by using CMBs |
Table 6. Comparison of the impacts by using CMBs (AS).
(a) MSUP | |||||
Instance ID | XIMP (%) | NIMP (%) | Total cost (US$ ×106) | ||
STU | MIX | CMU | |||
11-12-21-lgp | 16.2 | −2.7 | 28.1 | 23.5 | 28.8 |
115-21-12-lgp | 16.1 | −3.4 | 27.3 | 22.9 | 28.2 |
11-21-12-lgp | 16.0 | −2.8 | 28.0 | 23.6 | 28.8 |
151-12-21-lgp | 15.9 | −2.8 | 28.3 | 23.7 | 29.0 |
12-21-12-lgp | 15.8 | −4.9 | 26.8 | 22.6 | 28.1 |
11-12-21-lgm | 16.7 | −2.2 | 27.3 | 22.7 | 27.9 |
11-21-12-lgm | 16.7 | −2.2 | 27.3 | 22.7 | 27.9 |
115-21-12-lgm | 16.3 | −3.2 | 26.4 | 22.1 | 27.2 |
115-12-21-lgm | 16.0 | −3.3 | 27.2 | 22.9 | 28.1 |
151-12-21-lgm | 15.9 | −2.9 | 27.3 | 23.0 | 28.1 |
115-21-12-cns | 21.3 | 3.9 | 25.3 | 19.9 | 24.3 |
11-12-21-cns | 21.3 | 5.2 | 26.1 | 20.6 | 24.8 |
11-21-12-cns | 21.1 | 5.1 | 26.1 | 20.5 | 24.7 |
151-12-21-cns | 20.9 | 4.6 | 26.2 | 20.7 | 24.9 |
115-12-21-cns | 20.7 | 3.9 | 26.1 | 20.7 | 25.1 |
11-12-21-cos | 19.1 | 0.0 | 27.6 | 22.3 | 27.6 |
11-21-12-cos | 19.0 | 0.1 | 27.6 | 22.3 | 27.5 |
115-21-12-cos | 19.0 | −0.5 | 26.8 | 21.7 | 26.9 |
115-12-21-cos | 18.5 | −1.2 | 27.5 | 22.4 | 27.8 |
151-12-21-cos | 18.5 | −0.3 | 27.7 | 22.6 | 27.8 |
Bold: The best case by using CMBs | |||||
(b) INFE | |||||
Instance ID | XIMP (%) | NIMP (%) | Total cost (US$ x106) | ||
STU | MIX | CMU | |||
12-11-11-lgp | 0.0 | −43.2 | 18.0 | 18.0 | 25.8 |
115-11-11-lgp | 0.0 | −42.2 | 18.3 | 18.3 | 26.0 |
11-11-11-lgp | 0.0 | −40.7 | 18.7 | 18.7 | 26.3 |
151-11-11-lgp | 0.0 | −39.4 | 19.1 | 19.1 | 26.6 |
21-11-11-lgp | 0.0 | −38.5 | 19.4 | 19.4 | 26.8 |
12-11-11-lgm | 0.0 | −44.4 | 17.3 | 17.3 | 25.1 |
115-11-11-lgm | 0.0 | −43.4 | 17.6 | 17.6 | 25.2 |
11-11-11-lgm | 0.0 | −41.9 | 18.0 | 18.0 | 25.5 |
151-11-11-lgm | 0.0 | −40.4 | 18.4 | 18.4 | 25.8 |
21-11-11-lgm | 0.0 | −39.5 | 18.6 | 18.6 | 26.0 |
12-11-11-cns | 0.0 | −38.0 | 15.6 | 15.6 | 21.6 |
115-11-11-cns | 0.0 | −37.2 | 15.8 | 15.8 | 21.7 |
12-115-115-cns | 0.0 | −36.8 | 16.5 | 16.5 | 22.6 |
115-115-115-cns | 0.0 | −36.0 | 16.7 | 16.7 | 22.7 |
11-11-11-cns | 0.0 | −36.0 | 16.2 | 16.2 | 22.0 |
12-11-11-cos | 0.0 | −41.5 | 17.4 | 17.4 | 24.7 |
11-11-11-cos | 0.0 | −39.4 | 18.1 | 18.1 | 25.2 |
151-11-11-cos | 0.0 | −38.3 | 18.4 | 18.4 | 25.5 |
21-11-11-cos | 0.0 | −37.5 | 18.7 | 18.7 | 25.7 |
12-115-115-cos | 0.0 | −36.5 | 18.3 | 18.3 | 25.0 |
Underline: The worst case by using CMBs |
- –EU: instance (11-21-12-lgp) with XIMP/NIMP = 32.5/10.9 as the best in MSUP and instance (12-11-11-lgp) with XIMP/NIMP = 0.0/−60.0 as the worst in INFE,
- –NA: instance (11-12-21-lgp) with XIMP/NIMP = 45.5/21.0 as the best in MSUP and instance (11-11-11-lgp) with XIMP/NIMP = 0.0/−94.0 as the worst in INFE,
- –AS: instance (11-12-21-lgm) with XIMP/NIMP = 16.7/−2.2 as the best in MSUP and instance (12-11-11-lgm) with XIMP/NIMP = 0.0/−44.4 as the worst in INFE.

Fig. 9. Composition of total cost.
- (2)Sensitivity analyses on discounting container costs

Fig. 10. Sensitivity analysis for container fleet size on discounting the costs of exploitation and C/D of a CMB.

Fig. 11. Sensitivity analysis for empty container movements on discounting the costs of exploitation and C/D for a CMB.
- (3)Influence of container fleet size by varying trade imbalances

Fig. 12. Container fleet size for varying trade imbalances in the MSUP.

Fig. 13. Container fleet size for varying trade imbalances in the INFE.
图 13.INFE 中不同贸易不平衡的集装箱船队规模。
图 12 和图 13 分别描述了 MSUP 和 INFE 的每种 (SB-TF) 场景下与不同数据库实例关联的 XIMP/NIMP 的容器队列大小和 CMB 影响指标。回想一下,XIMP 和 NIMP 分别大大显示了 STU 和 MIX 之间以及 STU 和 CMU 之间的总成本差距。我们可以一目了然地看到,与 MIX 和 CMU 相比,20/40 英尺的较大数据库不平衡会导致 STU 的集装箱船队大得多。在大多数情况下,CMU 提供最小的集装箱船队,而 MIX 在 STU 和 CMU 之间处于中间位置;MIX 在完全或几乎平衡的数据库中提供与 STU 相似的队列大小。此外,这些不平衡在 XIMP 和 NIMP 之间造成了很大的差距,无论是在 MSUP 还是 INFE 中,都显示了 MIX 的优越性。
- (4)Influence of geographical scale of trade lane
贸易航线地理规模的影响
在本文中,我们研究了地理尺度(即贸易航线的距离)对船舶统一载重量下总成本和集装箱船队规模的影响。图 14 显示了不同距离下总成本和集装箱船队规模之间的比较,例如欧盟航线的基本距离 (x1) 的 1/2 (x0.5) 和 1/4 (x0.25) 变化,其中所有其他实验条件(例如船舶容量)保持不变。趋势表明,距离越短,集装箱船队规模越小,由于两个贸易区域之间的集装箱周转速度更快,集装箱生产率更高,因此总成本更低。

Fig. 14. Influence of geographical scale between two trade regions.
图 14.地理规模对两个贸易区域的影响。
MIX 在所有情况下承担最低的总成本。相反,在 INFE 中,MIX 和 STU 为任何实例提供相似水平的总成本和队列大小。尽管 CMU 在 MSUP 和 INFE 的任何距离场景中都实现了最小的机队规模,但由于 CMB 的开发成本高于 STD,因此与其他方案相比,它的总成本要高得多。
此外,有趣的是,注意到 MIX 在较短贸易距离上的边际经济优势,例如 MSUP 和 INFE。
6. Conclusions 6. 结论
在这项工作中,我们研究了 CMB 降低集装箱资本和运营成本的可能性,这反映了班轮航运网络的特点,如多周期、多船、多港口和固定时间表。迄今为止,还没有研究关注使用 CMB 的集装箱班轮服务的集装箱船队尺寸和空箱管理问题,尽管最近对其他新设计的集装箱(即 FLD)进行了一些研究。我们将服务网络上的整个满载和空箱流量建模为最低成本的多商品网络流问题。该模型确定集装箱船队规模和空箱分配/重新定位,以满足各种贸易不平衡和不同货物运输趋势的运输需求。
根据数值实验,可以得出以下结论。将 CMB 与 STD 一起使用可以大大降低总成本。重要的是,当两个不同地区之间就所需的 20/40 英尺集装箱尺寸存在定向贸易不平衡时,CMB 可以减少空箱运输,因此,由于其使用的灵活性,可以提供小型集装箱船队。当贸易区域之间每个集装箱尺寸的方向不平衡存在较大间隙时,它会突出显示。相反,由于 CMB 在每种集装箱尺寸的平衡贸易中与 STD 提供的经济优势较小,因此由于开采成本高,它们承担的总成本最高。
此外,如果 CMB 开发的成本降低,则潜在的运输成本节省将进一步增加。然而,这需要 CMB 的大规模生产水平能够产生规模经济。此外,集装箱船队规模和空箱运输完全取决于贸易区域之间 20/40 英尺的贸易流向,而不是贴现 CMB 的相关成本。因此,这些成本的折扣不会显著推动 CMB 的使用,但降低 CMB 开采成本必然有助于降低 CMU 船队的集装箱运输成本。
实际上,为了限制投资风险,航运公司最初可能会引入少量的 CMB。尽管如此,如果对 CMB 的期望得到满足,集装箱船队将朝着 CMB 和 STD 的最佳组成发展。
为了促进模型的开发,对在容器业务环境中观察到的现实进行了一些假设;这项研究成功地为在深海航运中采用 CMB 来降低成本的可能性提供了一些见解。
Acknowledgement 确认
作者要感谢三位匿名审稿人抽出时间并提出有用的建议,这些建议大大改进了本文。本研究的主要阶段是在本文的第一作者 Koichi Shintani 在东海大学的支持下在代尔夫特理工大学担任访问研究员时进行的。这项工作得到了 JSPS KAKENHI Grant Number JP18K04618 和 JP17H02039 的财政支持。
Appendix A. Supplementary material
附录 A. 补充材料
Supplementary data 1.
以下是本文的补充数据:
Supplementary data 1.
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本文的研究数据
数据不可用 / 数据将应要求提供
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2022 年,运输研究 E 部分:物流与运输回顾Citation Excerpt : 引文摘录 :This can reduce the chances of the occurrence of empty repositioning caused by imbalances resulting from the needs of containers in different sizes. Shintani et al. (2019) present a model of multi-commodity network flow problem that can optimize the fleet sizes of both standard and combinable containers and reposition the empty containers. Numerical experiments show that the adoption of mixed containers can significantly reduce container related cost.
这可以减少因不同尺寸的集装箱需求而导致的不平衡而导致空重定位的机会。Shintani 等人(2019 年)提出了一个多商品网络流问题模型,该模型可以优化标准集装箱和可组合集装箱的船队规模,并重新定位空集装箱。数值实验表明,采用混合容器可以显著降低容器相关成本。Contracting in ocean transportation with empty container repositioning under asymmetric information
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2020, 运输研究 E 部分: 物流与运输回顾Citation Excerpt : 引文摘录 :Results showed the policy they proposed reduced container repositioning costs. Shintani et al. (2019) formulated a model of a minimum cost multi-commodity network flow problem which aimed to simultaneously determine the fleet sizes of standard and combinable containers and their empty container allocation/repositioning of combinable containers. Numerical experiments showed that mixed use of containers save cost significantly.
结果表明,他们提出的政策降低了集装箱重新定位成本。Shintani 等人(2019 年)制定了一个最低成本多商品网络流动问题的模型,旨在同时确定标准集装箱和可组合集装箱的船队规模及其空集装箱分配/可组合集装箱的重新定位。数值实验表明,容器的混合使用可以显著节省成本。Ranking the strategies to overcome the barriers of the maritime supply chain (MSC) of containerized freight under fuzzy environment
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