集装箱班轮联盟的航线网络优化与合作机制博弈研究

Under a severe deficit situation in the whole liner shipping industry, liner carriers collaborate and form alliances to cope with the crisis. A major issue that needs to be addressed is how to pool their fleets together and integrate their demands to provide optimal line network and increase carriers profitability. Furthermore, for forming successful and sustainable alliances, a cooperation mechanism needs to provide, which could guide alliance members to share benefits of the alliance and cooperate to realize the optimal line network. Most of the studies focus on the alliances strategy selection problems, very few research efforts have been spent on the tactical planning for the carriers alliances. This study considered the line network and cooperation mechanism design in container liner alliances. Utilizing optimization theory, an bi-level programming model is presented to maximize the overall payoff of the allianc, and determine the optimal fleet planning, line service planning and capacity allocation planning simultaneously. In addition, A fair payoff allocation mechanism is designed based on the nucleolus solution of a cooperative game. To guide the carriers to pursue the optimal service network and form sustainable alliances，the capacity exchange costs are computed using inverse programming techniques. The study extends the recent research and provides theoretical support for carriers in China to form sustainable alliance.

集装箱班轮运输行业面临全面亏损的严峻形势，各个班轮公司计划建立联盟以应对危机。如何整合各个班轮公司的运力与需求，提供最优的航线网络，提高联盟的收益，是班轮联盟需要考虑的首要问题。同时，需要设计一种合作机制引导联盟成员相互合作实现最优的航线网络，并且能够公平的共享联盟收益。以往研究注重班轮联盟的战略选择问题，缺乏从战术计划层面研究联盟的实现问题。本课题拟首先采用优化技术，通过构建与求解班轮联盟的多航线多类型船舶的航线网络双层规划模型，确定最优的船队计划、航线服务计划与舱位分配计划，最大化联盟的总收益。然后基于合作博弈理论的核仁解，确定公平的收益分配方案，采用逆向优化确定合理的舱位交换价格调节联盟成员之间的转移支付，激励成员在追求极大化自身收益的同时可以相互合作实现联盟的最优航线网络，从而保障联盟的成功与稳定。本课题研究为我国的班轮运输企业如何建立联盟提供了战术计划层面的理论支撑与决策依据。

集装箱班轮运输行业现联盟热潮，班轮公司之间互相缔结联盟以应对市场挑战。当前，2M、O3、G6和CKYHE四大班轮联盟占据了集装箱班轮运输市场运力的70～80%。班轮联盟在航线设置、船舶投入和舱位使用等方面进行合作，既能提升服务水平，又可以压缩营运成本，还能扩大服务范围，提高市场份额。然而，结盟容易维持难，如何整合各个班轮公司的运力与需求，设计联盟的航线服务网络，确保联盟的总收益最大，使得联盟发挥最大的作用，是班轮联盟需要考虑的首要问题；另一方面，如何设计联盟的收益分配方案，确保收益分配的公平性，使得联盟能够稳定，是需要解决的另一个关键问题。本项目首先对班轮航线航线设计、航线配船和货物运输规划三个子问题分别进行了研究，考虑了干/支线班轮航线网络的优化设计问题，具有航速优化的班轮航线配船问题，班轮运输和海铁联运中的集装箱舱位分配和动态定价问题，以及空箱调用等问题。然后在此基础上，首次同时考虑了交货期约束和航速的优化，建立了综合考虑船队规划、航线规划和货物路径规划这三个子问题的非线性混合整数规划模型，并基于列生成算法的思想，提出了一种启发式算法对算例进行了求解。接着，本项目基于合作博弈理论，构建了联盟成员的收益分配模型，通过确定合理的舱位交换价格，调节联盟成员之间的转移支付，激励成员在追求极大化自身收益的同时可以相互合作实现联盟的收益极大化，从而保障联盟的成功与稳定。本课题研究为班轮运输联盟的建立与运作提供了科学的理论支撑与决策依据。