輸送ネットワークにおける 就航パターンの設計

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1 輸送ネットワークにおける 就航パターンの設計
流通情報工学専攻の嶋です。よろしくお願いします。 輸送ネットワークにおける 就航パターンの設計 　海上コンテナ貨物取扱量の増加傾向は著しく、 コンテナ船の大型化が進行しています。 　本研究では、港湾間の輸送需要を満たすように望ましい輸送ネットワークの設計手法の提案する ことが目的です。 　また、東・東南アジアを中心とした 海上輸送ネットワークの設計を行って、 望ましい船舶の就航及び大きさについて 検討を行います。 　次の図に、輸送ネットワークを示します。 流通管理工学講座 黒川 久幸 流通情報工学専攻 嶋 邦彦 流通管理工学講座 鶴田 三郎 　輸送ネットワークとは、輸送需要を満たすように船が どういう風に回ればよいか、船の大きさや隻数を決めて、 どのように貨物を流すか設定したものです。 　これを船舶の運航ルートと呼びます。 図には、輸送ネットワークとして二つの運航ルートが存在し、 二種類の船舶が各運航ルート上に就航している状況を 示しています。 　なお、運航ルート上の船舶の数は、就航隻数を意味しています。 　先ほど示した輸送ネットワークを対象とし数理計画法を用いて 輸送ネットワークの設計を行ないます。 　図の流れに示すように、まずは、前提条件として、 港湾間のOD表や距離表などを与えます。 　次に、輸送ネットワークの設計を行いますが、本研究では、 次の二段階に分けて行います。 　まずは、就航パターンの設計を行い、 次に運航ルートの設計を行います。 　次に図を用いて、就航パターンと運航ルートの各設計を 説明します。　　　　　　　　　　　　

2 目的 輸送ネットワークの設計手法の提案 東・東南アジアを中心とした海上輸送ネットワークの設計 船舶の最大積載容量の検討 ハブ港の検討

3 輸送ネットワーク

4 輸送ネットワークの設計の流れ

5 就航パターンと運航ルート 就航パターン 運航ルート 本研究で検討を行なう第一段階の就航パターンの設計は、
　本研究で検討を行なう第一段階の就航パターンの設計は、 前提条件として港湾間のOD表、距離表等が与えられたとき、 輸送にかかる総費用を最小とするように就航パターンを求める設計です。 　具体的には、図に示すように 船舶を就航させるリンクを求めると共に そのリンク上においてどのような大きさの船を何隻就航させればよいか求める設計です。 　また、第二段階の運航ルートの設計は、 第一段階で求められた就航パターンを基に 積み替え費用等を考慮して、最も望ましい船舶の運航ルートを求める設計です。 　運航ルートとは、どのような順番で、どのような輸送形態を 用いて、貨物を流すのかを設定したものです。 　本研究では、このうち第一段階の就航パターンについて設計手法を提案します。 　次に、就航パターンの設計の流れを示します。 就航パターン 運航ルート 　本研究では、幹線輸送と支線輸送の二段階に分けて 設計を行います。 　まず、前提条件として、対象地域、港湾及び港湾間のOD表、距離表などを与え、拠点にふさわしい港を抽出します。 その後、拠点を中心としたグループ化を行います。 　そして、就航パターンの設計の定式化に基づいて、 拠点港間について幹線輸送の設計、 グループ域内について支線輸送の設計を行います。　 この２つの設計をあわせて就航パターンの設計が完成します。 次に船会社の総費用の分類を示します。 　本研究では、１船社独占を想定し、図に示す総費用を目的関数として、これを最小化することで設計を行います。 　船会社の総費用は、図のように、運航費、船費、コンテナ関係費の合計です。 　港の整備についての費用は、入出港費や港湾荷役費に含まれています。 　続いて、過去の文献を例に、総費用に占める各費用項目の割合を示します。 　従来の研究や、一般参考書による総費用に占める費用項目の 割合を示します。割合の多い費用について赤い字で表します。 　従来の海上輸送ネットワークの設計では、主に燃料費や船費に ついて最小化を行うことで設計されていましたが、この表を見ますと、コンテナ関係費は、全体に占める割合が高く重要です。 　本研究では、従来からいわれていた費用に、コンテナ関係費を取り入れて、これを総費用とします。 　次に、総費用を、詳細に分析して定式化を行います。

6 就航パターンの設計の流れ

7 船会社の費用 燃料費 運航費 港費 入出港費 港湾荷役費 直接船費 船員費 修繕費 船用品費 船費 潤滑油費 総費用 間接船費 減価償却費
コンテナ修繕費 コンテナ償却費 コンテナ利息 船費 コンテナ関係費 港費 直接船費 間接船費 入出港費 船員費 修繕費 船用品費 潤滑油費 保険料 船舶税 減価償却費 利息

8 総費用に占める 費用項目の割合

9 目的関数 総費用を（１）式のように、運航費、船費、コンテナ関係費の合計で 表します。 この総費用を最小となるように設計を行います。
Callは総費用、Ca1は運航費、Ca2は船費、Ccはコンテナ関係費です。 運航費 （第1項）これは燃料費で、（第2項）これは入出港費で、 （第3項）港湾荷役費です。 船費 （第1項）これは船員費で、（第2項）これは修繕費で、 （第3項）これは間接船費です。 次に説明変数について説明します。 　まずは、流動量について説明します。 これは、港①から④への輸送需要が200の場合についての 一例です。 流動量を右上のような配列で表現します。 例えば、図の港①から②へ200流しているならば、 このような配列で表します。 　図のように輸送需要が200であっても、必ずしもリンクの流動量は200であるとは限りません。 流動量の制約としては、 出ていく量の制約として、輸送需要の発地である港①では、 200出て行きます。 また入ってくる量の制約として、輸送需要の着地である港④では、 200入ってきます。 また、経由点である港②や③は、出ていく量とはいてくる量はかならず等しいです。 　また、貨物の対象がコンテナですので、マイナスの値になることはありえず、0以上の整数です。 　運ばれる量の制約として、例えば、港②から④への輸送容量は、仮に100しかないとすると、直接200運べませんので、100流し、残りの100を港③を経由して流します。　このように、リンクの流動量は、就航船舶の輸送容量を越えて流すことはありません。 　次に、就航状況について説明します。

10 流動量 流動量xij ①→④への輸送需要が200の場合 2 200 100 1 100 4 100 3

11 就航状況 A A 2 B B 1 4 A A 3 就航状況RAij 就航状況RBij 就航状況も右上の表のような配列で表現します。
　就航状況も右上の表のような配列で表現します。 ここでは、大型船Aと小型船Bが就航しています。 大型船Aは①から②へ1便、②から④へ1便、④から③へ1便、 ③から①まで1便という風に就航しており、 それをこのような配列で表します。 また小型船Bは②から③へ2便、③から②へ2便という風に就航しており、それもこのような配列で表します。 　就航状況が、 整数であればその港間のリンクに船が単位期間内に1表した整数便就航することを示し、 空白は0で、その港間のリンクには就航しないことを意味します。 　このように、就航状況は、単位期間内のリンクごとの便数を表す 整数変数です。 　港の制約として、どの港においても、入ってくる船の就航隻数と 出て行く船の就航便数は必ず等しいです。 船の運航の特性を就航状況で表します。 　次に制約条件をまとめます。 就航状況RAij 就航状況RBij 1 2 3 4 B A A 　紺色で表す制約条件は、コンテナの流動量に関する制約です。 　緑色で表す制約条件は、輸送容量とコンテナ流動量の両方に関する制約です。赤色で表す制約条件は、港への就航の制約条件です。 　本研究では、コンテナ関係費を考慮しており、そのウェイトが高いですので、空コンテナの回送も重要である。そこで、空コンテナに関しても実入りコンテナの流動量と同様な制約条件を与えます。 　また、式(11）は、港における大型船の入出港の制約条件です。 　港の水深をｈで表し、船の喫水をDで表します。水深ｈより喫水Dが大きい場合、その港へ就航できないことを表しています。 　就航パターンの設計は、以上の制約式を満たして、 総費用が最小となるように　実入りコンテナ流動量ｘ　と空コンテナ流動量ｙ、及び就航状況Rを求める設計です。 B A A 再び、就航パターンの設計の流れを示します。 丸数字は設計の順番を表し、この手順に従って設計例を示します。 本研究では、就航パターンを幹線輸送と支線輸送にわけて設計します。 ①では、前提条件として対象地域及び港湾を設定し、港湾間のOD表や距離表を示します。 ②では、幹線と支線にわけるために、拠点港の抽出手順と、グループ化の手順を示し、実際にグループ化を行います。 ③、④では、拠点港間の幹線輸送及び、支線輸送の設計例を示します。 その後、幹線輸送について船の大きさを変えたときの費用と、 ハブ港に関する分析を行います。

12 制約式

13 就航パターンの設計の流れ ① ② ③ ④

14 ① 設計対象 東京/横浜 名古屋 大阪/神戸 釜山 天津 上海 香港 基隆 高雄 マニラ ジャカルタ バンコク ポートケラン シンガポール
①　設計対象 　まずは前提条件を設定します。 　対象地域として、海上コンテナ貨物取扱量の増加傾向が著しく、かつ、世界のコンテナ貨物流動量に占める割合が高い、東・東南アジアを対象とします。 　また、アジア地域と特に貿易量の多いアメリカ、ヨーロッパも対象とします。これは、東・東南アジア域内だけでは、域外との影響が表現できず、ネットワークについて十分な検討が行えないためです。 （そして対象港湾として、1994年の年間取扱貨物量がアジア地域では50万TEU 以上、米国では100万TEU 以上の港湾を対象とします。） 　なお設計では、東京港と横浜港のように近距離の港湾はまとめて一つの港としました。 　対象港湾は図に示す通りです。 　次に対象港湾間のOD表を示します。 東京/横浜 名古屋 大阪/神戸 釜山 天津 上海 香港 基隆 高雄 マニラ ジャカルタ バンコク ポートケラン シンガポール ニューヨーク シアトル/タコマ オークランド ロスアンジェルス/ロングビーチ ロッテルダム 　1994年の国間の年間貨物取扱量より推定したものです。 例えば、大阪/神戸港からシンガポールへの輸送需要は 年間２１万5千TEUと非常に多いです。 　次に距離表を示します。 　例えば、香港とシンガポールは行き帰り共、1425mileと同じ距離ですが、 　東京横浜ー大阪神戸は東京横浜から大阪神戸は368mileで、大阪神戸から東京横浜は371mileです。 このように船の航路によっては、距離が違うところも存在しています。 それを示した表です。 次に、港湾のグループ化を行います。 幹線輸送と支線輸送に分けるため、前提条件を元にグループ化を行います。 今回は、対象港湾間の距離と貨物取扱量で示される重心に近い港を拠点港としました。 その拠点港を中心に、クラスター分析、群平均法を用いてグループ化を行いました。 なお、グループ化の基準は、 フィーダー船として1500TEU19ノットの船の就航を想定して、 1航程1サイクルを1隻で行える1600mile以内の距離にある港についてグループ化を行いました。 その基準にあてはまらないニューヨークはグループ対象外とし、拠点港とします。グループ化を行った結果を丸で囲って表します。 　拠点港間の輸送を幹線輸送とし、グループ域内の輸送を支線輸送とします。

15 ①　OD表(1994年)

16 ①　距離表

17 ② 対象港湾のグループ化 エリア1 エリア6 エリア7 エリア2 エリア3 エリア4 エリア5 東京 / 横浜 名古屋 大阪 神戸 釜山
②　対象港湾のグループ化 東京 / 横浜 名古屋 大阪 神戸 釜山 天津 上海 香港 基隆 高雄 マニラ ジャカルタ バンコク ポートケラン シンガポール ニューヨーク シアトル タコマ オークランド ロスアンジェルス ロングビーチ ロッテルダム エリア1 エリア6 エリア7 エリア2 エリア3 エリア4 エリア5

18 ③ 7拠点港間幹線輸送設計結果 コンテナ船3000TEU
　1994年当時の主要な船舶は、3000TEU船でした。3000TEU船の就航を想定し、設計を行った結果を次の図に示します。 　図中の矢印は船を就航させるリンクを表し、線の太さは週に就航便数の多いリンクほど太くしてあります。 　例えば、シンガポールからニューヨークへ輸送する場合、必ず高雄を通ってコンテナを集めて就航していることが見受けられます。しかし、ほとんどは直行型の就航です。 　1994年当時の東・東南アジアとアメリカの間の就航便数は34便あり、本研究の設計結果では29便で、より効率的な設計になっています。 　積載効率で見ると、当時およそ90%の積載効率で運んでいましたが、 本研究では、ほとんど100％に近い積載効率でした。 5便の減少は、この輸送効率の向上によるものと考えられます。 また、当時は望ましい輸送形態になっていなかったと考えられます。 　次に支線輸送の設計例を示します。 　支線輸送も幹線輸送と同様に設計できます。 　ここでは、日本近辺における支線輸送の設計を、水深の浅いところでも就航できる1500TEU船で行いました。 　拠点港と設定した、大阪/神戸と拠点港の候補である、東京/横浜、 及び釜山との就航便数が非常に多くなっていることが目立ちます。 　以上によって就航パターンの設計が完成します。 （間） 　次に、近年コンテナ船の大型化が進んでいますが、いったいどの大きさまで、総費用を安くできるのか目安を得るために、現在は就航できませんが、将来の大型船として、8000TEU船の就航を想定して、設計を行いました。 ただし、水深の制約を外し、すべての港に対して就航できるとしたものです。

19 ④　支線輸送の設計結果

20 7拠点港間幹線輸送設計結果 コンテナ船8000TEU
　これは、船の大きさが変わることにより、輸送形態に影響してくることを意味しています。 　　支線輸送も同様に設計を行うことができます。 　次に、幹線輸送についての分析を行います。 　まずは、水深制約を外し、最大積載容量を変えたときの費用について分析します。この費用は支線輸送の費用も含まれています。 まず、3000TEU～8000TEUまでは、大きくなるにしたがって費用が安くなる傾向があります。9000TEU以降では、高くなっていく傾向が見られます。これは船費の変化によるものが大きいです。 　1994年当時の需要でも、当時の最大船である4500TEU船や現状の最大船の6600TEU船より大きくできる可能性があります。 　このような傾向になるのは、次に示す就航隻数と積載効率の影響によるものと考えられます。 　費用に大きく影響するであろう、就航隻数と積載率について見てみます。 就航隻数が少なくなれば、船費や運航費に影響します。 大きくしすぎると、積載率に影響し、余剰な船舶を就航させることになり、 9000TEU以降では、積載率の影響が出て、費用が高くなってきています。 それは全般の費用に影響しています。 　1994年当時では、8000TEU船が最も効率よく設計できていますが、 現在ではもっと需要が多いので、もう少し大きくできる可能性があります。

21 船舶の最大積載容量に関する分析

22 就航隻数と積載効率 就航隻数 積載効率

23 エリア1におけるハブ港の検討 エリア1 エリア6 エリア7 エリア2 エリア3 エリア4 エリア5 次にハブ港の検討を行います。
グループ化された７つのエリアのうち、日本近辺のエリア1について 今まで、大阪/神戸港をハブ港としていましたが、釜山港としたとき どうなるか検討します。 東京 / 横浜 名古屋 大阪 神戸 釜山 天津 上海 香港 基隆 高雄 マニラ ジャカルタ バンコク ポートケラン シンガポール ニューヨーク シアトル タコマ オークランド ロスアンジェルス ロングビーチ ロッテルダム エリア1 エリア6 エリア7 エリア2 エリア3 エリア4 エリア5 　今回は複数船就航時におけるハブ港の可能性を示します。 　OD表の分布料よりも多く流している、余剰の流動量を示したのが 右図における矢印の線です。 　この流動量のうち、分布量の発地と着地を除き、 中継点の流動量について分析した結果を左の表に示します。 　この表を見ますと、東・東南アジアでは、 従来よりハブ港といわれているシンガポールの他、 大阪/神戸港がハブ港の可能性があることを示しています。 　これは、貿易量の多いアメリカと距離が近いことから、中継点としての機能を求められていることが考えられます。 　輸送ネットワークにおける就航パターンの設計を数理計画問題としてモデル化しました。 　そして、具体的な港湾間のOD表と距離表を基に、就航パターンの設計例を示しました。 　この設計で、全く新しい運航ルートを求めるため、港間にどのような船を何隻就航させたらよいかという就航パターンを求めることができます。 　設計例では、将来の需要増大に備えて、もっと船を大きくできる可能性を示しました。ただし、現状の港湾では、例えば、8000TEU船を就航させる場合、水深が15m以上の港湾でないと就航が難しいので、整備が可能なところに限られます。 　また、ハブ港の検討を行いました。今回は、日本近辺のエリアの大阪/神戸港と釜山港について比較を行いました。 　以上で発表を終わらせていただきます。

24 ハブ港に関する分析 （大阪/神戸港と釜山の比較)
(釜山の港費設定使用)

25 結論 輸送ネットワーク設計の基となる就航パターンの設計手法を提案した 東・東南アジアを中心とした海上輸送ネットワークの設計
船舶の最大積載容量の検討 ハブ港の検討(大阪/神戸港と釜山港の比較) 質問　需要の変動 解答例　 　日々の貨物のばらつきについて、どう対応するか？ 　今回の研究は、傾向を示すためのもので、これを基盤として、需要の変動を表現できる妥当なデータを与え、シミュレーションを行うことで、設計が完成する。今後の課題としてのテーマの１つとなる。 質問　費用項目の比率の違い（文献AとB） 解答例 　燃料単価と1日あたりの消費量の違いが、比率に大きな影響を与えていると考えられる。 質問　港費のうちわけ 　入出港費と港湾荷役費で構成されている。このうち、港湾荷役費の割合が高い。神戸港など日本の荷役費は、世界的に見ても非常に高く、釜山港の約1.5倍も高く設定されている。入出港費は、この荷役費に比べれば、そこまで、差は出てこない結果になっている。 　荷役費を釜山並みとはいわないまでも、少しずつ下げていくことで、神戸港及び、日本の港湾はハブ港になってくる可能性があることを示した。

26 ノード数と計算時間の関係 　この図を見てわかる通り、ノード数が増えノード数が8を越えたあたりから急激に計算時間が長くなってしまう。対象港湾すべてを一度に実時間内に解 くのは困難である。 　今回はグループ化を行い幹線輸送と支線輸送に分けて行った。 実時間で解けるようなグループ化を行ったが、グループ化の基準を変える ことにより、ネットワークが変わり、総費用も変わるので、さらなる ケーススタディが求められる。 　拠点港の抽出設定が鍵を握っている。水深、年間取扱量、距離関係すべてを考慮して、最適な拠点港を選ぶことが求められる。

27 総費用と各費用項目の表 支線輸送は1500TEU一定

28 ハブ港に関する分析 （大阪/神戸港と釜山港の比較)
幹線輸送 エリア1における支線輸送

29 総費用に占める各費用項目の割合

30 ハブ港に関する分析 （複数船就航時) 今回は複数船就航時におけるハブ港の可能性を示します。
　今回は複数船就航時におけるハブ港の可能性を示します。 　OD表の分布料よりも多く流している、余剰の流動量を示したのが 右図における矢印の線です。 　この流動量のうち、分布量の発地と着地を除き、 中継点の流動量について分析した結果を左の表に示します。 　この表を見ますと、東・東南アジアでは、 従来よりハブ港といわれているシンガポールの他、 大阪/神戸港がハブ港の可能性があることを示しています。 　これは、貿易量の多いアメリカと距離が近いことから、中継点としての機能を求められていることが考えられます。

31 ③ 7拠点港間幹線輸送設計結果 複数船就航時(水深の制約有り)
③　7拠点港間幹線輸送設計結果 複数船就航時(水深の制約有り) 　右に3000TEU船の就航の割り当てを示し、左に5000TEU船、及び8000TEU船の就航を示します。 　3000TEU船は水深の浅いオークランドやニューヨークを中心に 就航しています。 　5000TEU船や8000TEUは水深の深いところを中心に就航しています。 　港湾間の需要に合わせた船を選んでいますので、 　積載率は高く、就航隻数も3000TEU船や5000TEU船を1種類で就航させるよりも少なくなり、費用も安くなっています。 　次に、幹線輸送の分析として、ハブ港の分析を行います。

32 ハブ港に関する分析 (8000TEU船就航時) 　図8に、8000TEU船を就航させたときの実入りコンテナ流動量とOD表の差の量を示す。OD表よりも多くの貨物量を流しているということは、発地となっているグループ以外の貨物が入り込み、その分多く流れていると考えられるためである。これは、拠点港を発地としている点のうち太い線の出入りのあるところほど、ハブ港の可能性があると考えられる。