JP7107048B2 - 船隊ポートフォリオ設計装置、方法及びプログラム - Google Patents
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Description
小型の船舶では大型船に比べてフレートの単価が高く設定されているため、小型の船舶により高い頻度で輸送する場合、フレートが高くなる傾向になる。また、着岸できる岸壁数には限りがあるため、小型の船舶により高い頻度で輸送する場合、多数の船舶が一度にやってきたときに着岸できずに、滞船が発生することが懸念される。
一方、大型船で大量に輸送する場合、1ヶ所の揚地で全てを荷揚げする場合にはフレートは安いが、輸送量が大量であることから1ヶ所の揚地での必要量を超えることが多い。そのため、複数の揚地に寄港(多港揚げ)する必要が生じ、多くの揚地を経由する場合に発生するエクストラチャージ(多港割増)が必要となることがある。また、大型船で大量に輸送する場合、大量の荷揚げをするため、一度の揚げ時間が増大することによる、次の船舶を待たせることによる滞船の発生リスクが考えられる。
このように、船舶の船隊構成、具体的には船舶の船型と隻数の組み合わせによって、輸送費用が大きく異なってくる。したがって、フレートと滞船料を適正化しながら、船舶の船隊構成を設計することは、販売価格の競争力に直結し、価格競争力を維持するために重要である。
しかしながら、特許文献1では、与えられた船舶に対して配船を行っているに過ぎず、船隊ポートフォリオを設計するものではない。また、滞船料を考慮しているものの、フレートに関する記述はない。
しかしながら、特許文献2では、特定の具体的な配船計画の一ケース、つまりある一断面において、その一断面に対して与えられた配船計画に対して、予め与えられた船舶リストの中の船舶に対して配船計画を作成しているに過ぎず、船隊ポートフォリオを設計するものではない。
[1] 複数の船型の船舶を対象として、設計対象期間において積地から揚地に物品を輸送する際の、船舶の船型と隻数の組み合わせである船隊ポートフォリオを設計する船隊ポートフォリオ設計装置であって、
実績情報に基づいて、揚地毎の船舶の到着間隔の分布を計算する第1の分布計算手段と、
実績情報に基づいて、揚地毎での1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布を計算する第2の分布計算手段と、
前記第1の分布計算手段で計算した船舶の到着間隔の分布と、前記第2の分布計算手段で計算した1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布とに基づいて、待ち行列理論を適用して、一定期間での荷揚総量を一定として扱うことで、前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を計算する計算手段と、
前記計算手段で計算した前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係に基づいて、フレートと滞船料の合計を最小化する目的関数の下で前記船隊ポートフォリオを決定する数理計画問題を設定する数理計画問題設定手段と、
前記数理計画問題設定手段で設定した数理計画問題を求解して、前記船隊ポートフォリオを求める求解手段とを備えたことを特徴とする船隊ポートフォリオ設計装置。
[2] 前記数理計画問題設定手段は、積地毎の契約量、揚地毎の使用量、船型に応じて定められたフレートの単価、船型に応じて定められた滞船時間の単価、船型毎の輸送可能量、実績情報から得られる航海日数を用いて、前記目的関数及び制約条件を定式化することを特徴とする[1]に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
[3] 前記数理計画問題設定手段は、前記数理計画問題を設定する際に、非線形関数で表される前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を、線形近似することを特徴とする[1]又は[2]に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
[4] 前記数理計画問題設定手段は、非線形関数で表される前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を、区分線形近似を用いて線形近似することを特徴とする[3]に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
[5] 前記第1の分布計算手段は、揚地毎の前記船舶の到着間隔の分布を、所定の確率密度関数に従って計算することを特徴とする[1]乃至[4]のいずれか一つに記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
[6] 前記第2の分布計算手段は、揚地毎の前記1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布を、所定の確率密度関数に従って計算することを特徴とする[1]乃至[5]のいずれか一つに記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
[7] 前記第2の分布計算手段は、入港準備時間及び段取り時間のうち少なくともいずれか一方を含む実荷揚げ外時間を、船舶の着岸から離岸までに掛かる時間から差し引いた値を、前記1隻あたりの荷揚げに掛かる時間とすることを特徴とする[1]乃至[6]のいずれか一つに記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
[8] 前記実荷揚げ外時間を定数とすることを特徴とする[7]に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
[9] 複数の船型の船舶を対象として、設計対象期間において積地から揚地に物品を輸送する際の、船舶の船型と隻数の組み合わせである船隊ポートフォリオを設計する船隊ポートフォリオ設計方法であって、
コンピュータが、
実績情報に基づいて、揚地毎の船舶の到着間隔の分布を計算するステップと、
実績情報に基づいて、揚地毎での1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布を計算するステップと、
前記計算した船舶の到着間隔の分布と、前記計算した1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布とに基づいて、待ち行列理論を適用して、一定期間での荷揚総量を一定として扱うことで、前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を計算するステップと、
前記計算した前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係に基づいて、フレートと滞船料の合計を最小化する目的関数の下で前記船隊ポートフォリオを決定する数理計画問題を設定するステップと、
前記設定した数理計画問題を求解して、前記船隊ポートフォリオを求めるステップとを実行することを特徴とする船隊ポートフォリオ設計方法。
[10] 複数の船型の船舶を対象として、設計対象期間において積地から揚地に物品を輸送する際の、船舶の船型と隻数の組み合わせである船隊ポートフォリオを設計するためのプログラムであって、
実績情報に基づいて、揚地毎の船舶の到着間隔の分布を計算する第1の分布計算手段と、
実績情報に基づいて、揚地毎での1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布を計算する第2の分布計算手段と、
前記第1の分布計算手段で計算した船舶の到着間隔の分布と、前記第2の分布計算手段で計算した1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布とに基づいて、待ち行列理論を適用して、一定期間での荷揚総量を一定として扱うことで、前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を計算する計算手段と、
前記計算手段で計算した前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係に基づいて、フレートと滞船料の合計を最小化する目的関数の下で前記船隊ポートフォリオを決定する数理計画問題を設定する数理計画問題設定手段と、
揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係に基づいて、フレートと滞船料の合計を最小化する目的関数の下で前記船隊ポートフォリオを決定する数理計画問題を設定する数理計画問題設定手段と、
前記数理計画問題設定手段で設定した数理計画問題を求解して、前記船隊ポートフォリオを求める求解手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
本実施形態では、船舶を使用して、一又は複数の積地から一又は複数の揚地に鉄鋼原料(例えば鉄鉱石)を輸送する場合を例にして詳細に説明する。
積地となる、鉄鉱石を産出する産出国は、オーストラリア、ブラジル、アメリカ等多数存在する。鉄鉱石は、その成分や、輸出可能な形態(塊や粉)により分類されており、各産出国において産出可能な鉄鉱石が異なり、これらを銘柄と呼んで区別している。銘柄によって、各産出国において産出可能な量が異なるため、この量に応じて契約を行い、契約量が決定される。一般的に、購入契約は、実際の購入量が契約量に対してある一定幅に入っていれば良い契約となっている。
一方、揚地となる、鉄鉱石を使用する製鉄所は、日本国内に複数存在する。鉄鉱石は、高炉に投入されて鉄に加工されるが、操業を安定的に行うため、銘柄は適切な割合で混ぜ合わされて使用される。高炉等の設備は製鉄所毎にその性能に大きな差があるため、製鉄所毎に使用される銘柄の量は異なったものとなる。また、製鉄所に輸送される量は、製鉄所毎の生産量の違いにより大きく異なり、荷揚能力も大きく異なる。一方で、各製鉄所では安定的な操業を行うために、荷揚量及び日毎の使用量の変動は少なく抑えられるような操業が実行される。
本実施形態では、複数の船型の船舶を対象として、設計対象期間において積地から揚地に鉄鋼原料を輸送する際の船舶の船隊構成(本願においては「船隊ポートフォリオ」と呼ぶ)、具体的には船舶の船型と隻数の組み合わせを、フレートと滞船料の適正化を図りながら設計する。
以下では、対象とする複数の船型は、船型1~船型4とし、数字が大きいものほど大型船であるとする(船型1<船型2<船型3<船型4)。また、対象とする積地、揚地、鉄鋼原料の銘柄は、それぞれ積地1~積地3、揚地1~揚地3、銘柄1~銘柄3とする。また、設計対象期間は、例えば1年とする。
図3に、ある揚地における船舶の到着間隔の度数分布の例を示す。図3の横軸は船舶の到着間隔(日)を、縦軸は割合を表わす。船舶の到着間隔は、積地出港の変動、生産拠点までのリードタイムの違いによる変動の影響が大きく、ランダム性を有することから、平均値1/λの指数分布を想定した(式1)で示す確率密度関数に良い一致を示す。パラメータλは、最尤推定法等で求めることができる。
揚地での1隻あたりの荷役時間は、船舶の着岸(ETB:estimated time of berth)から船舶の離岸(ETD:estimated time of departure)までに掛かる時間として計算する。図4に、ある揚地における1隻あたりの荷役時間の度数分布の例を示す。図4の横軸は1隻あたりの荷役時間(日/隻)を、縦軸は割合を表わす。荷揚げに使用される設備が性能通りの能力は発揮しており、1隻あたりの荷役時間の分布は、平均値α、標準偏差σの正規分布を想定した(式2)で示す確率密度関数に良い一致を示す。平均値α、標準偏差σは、最尤推定法等で求めることができ、表2のようになった。
ステップS2、S3により、到着間隔が指数分布、処理(サービス)時間が正規分布、窓口が1の待ち行列で与えられ、平均待ち時間となる1隻あたりの滞船時間Wq(日/隻)は、(式3)のポラツェック・ヒンチンの公式より計算することができる。
lot×λ=unload ・・・(式4)
ここで、荷揚げの際にはターンタイム等の入港準備時間や段取り時間が掛かる。この時間(実荷揚げ外時間と呼ぶ)(「arrange」と呼ぶ)はある程度決まった時間となるので、定数と考えることができる。このため、1隻あたりの実荷揚げ時間は、((1/μ)-arrange)となる。また、設備が性能通りの能力を発揮しているとして、荷揚能力(「ability」と呼ぶ)(トン/日)は定数と考えることができる。以上より、(式5)が導かれる。
ability=lot/((1/μ)-arrange) ・・・(式5)
ここでは、厳密解を求める手法を用いて最適化を行うために、与えられた情報に基づいて混合整数計画問題として、目的関数及び制約条件を数学式で表わして定式化する。ここでいう定式化とは、予め設定されている数学式の枠組みに基づいて、与えられた情報に対して目的関数及び制約条件を設定することをいう。厳密解を求める手法として、例えば混合整数計画法を用い、この形式に則って、目的関数及び制約条件を定式化する。なお、メタヒューリスティック手法や他の厳密解法を用いることも勿論可能である。
表4に示す揚地毎の使用量は、例えば揚地毎の使用量の実績情報に基づいて、1年あたりの銘柄毎の使用量の予定値として与えられる。
また、船舶毎にフレートの単価、滞船料の単価は異なるものの、船型毎に似た傾向の値を示すといえ、ここでは表5、表6に示すように、船型で区分した単価として扱う。ここでは、積地は国外であるのに対して、揚地は国内にあることを想定しており、揚地間の距離が近いことから、表5に示すフレートの単価は、揚地によるフレートの単価の違いが少ない場合を対象として、船型・積地別に与えられている。また、多港揚げする際の割増フレート(表5に「多港割増」として記載)も同様の場合を対象とした。この場合、例えば船型1を使用して積地1から揚地1か所で荷揚げする場合のフレートの単価は20.0(ドル/トン)となる。2か所の揚地で荷揚げする場合には20.0+1.0=21.0(ドル/トン)となり、3か所の揚地で荷揚する場合には20.0+1.0+1.0=22.0(ドル/トン)となる。
また、表8に示す積地・船型毎の積地出港から次の積地出港までの航海日数は、例えば実績における航海日数の平均値として与えられる。
この場合に、例えば定数は次のように定義され、上記情報に基づいて値が設定される。
求解部106は、ステップS5において定式化した目的関数及び制約条件を最適化或いは準最適化することで、最適解或いは準最適解を得る。ここでは、最適化する手法として分枝限定法を用いて、厳密解を得る。分枝限定法及び特殊順序集合SOS2は一般に知られた手法であり、ここでは解説は省略する。また、数理計画問題の求解には、これらの手法が実装された市販のソルバーを用いてもよい。
この求解により制約条件を満足し、目的関数が最小化された決定変数の値が計算される。つまり、フレートと滞船料の合計を最小化し、契約量の許容範囲内で、かつ使用量を満たし、船型毎の船数の最大数Itの範囲で、各船の使用の有無、積地、揚地、積銘柄、積量、揚銘柄、揚量が計算される。
表9乃至表12に、ステップS6において求めた結果の例を示す。なお、船型1では船舶の使用がなかったため、表9、10には表示されていない。また、表9、10では各銘柄の合計量を表わすが、銘柄毎の量を表わすようにしてもよい。
上記実施形態では、鉄鋼メーカにおける鉄鉱石や石炭の輸送を例にしたが、これに限られるものではなく、本発明は、複数の船型の船舶を対象として、設計対象期間において積地から揚地に物品を輸送する際の船隊ポートフォリオを設計するのに広く適用可能である。例えば鉄鋼メーカにおける鉄鉱石や石炭以外にも、化学メーカや石油メーカおける原油、電力メーカにおけるLNGや石炭は、主に大型船を使用して、国外に存在する一又は複数の積地(外国の鉱山、炭鉱、油田、ガス田)から国内の一又は複数の揚地に輸送される。これら輸送には、契約形態にもよるが、一般にフレートと滞船料が発生し、この支払額を削減することが物品の販売価格の競争力に直結する。
本発明を適用した船隊ポートフォリオ設計装置は、例えばCPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータ装置により実現される。なお、図1では船隊ポートフォリオ設計装置100を一台の装置として図示したが、例えば複数台の装置により構成される形態でもかまわない。
また、本発明は、本発明の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがプログラムを読み出して実行することによっても実現可能である。
101:入力部
102:船舶到着分布計算部
103:船舶処理率分布計算部
104:荷揚・滞船時間関係計算部
105:数理計画問題設定部
106:求解部
107:出力部
Claims (10)
- 複数の船型の船舶を対象として、設計対象期間において積地から揚地に物品を輸送する際の、船舶の船型と隻数の組み合わせである船隊ポートフォリオを設計する船隊ポートフォリオ設計装置であって、
実績情報に基づいて、揚地毎の船舶の到着間隔の分布を計算する第1の分布計算手段と、
実績情報に基づいて、揚地毎での1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布を計算する第2の分布計算手段と、
前記第1の分布計算手段で計算した船舶の到着間隔の分布と、前記第2の分布計算手段で計算した1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布とに基づいて、待ち行列理論を適用して、一定期間での荷揚総量を一定として扱うことで、前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を計算する計算手段と、
前記計算手段で計算した前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係に基づいて、フレートと滞船料の合計を最小化する目的関数の下で前記船隊ポートフォリオを決定する数理計画問題を設定する数理計画問題設定手段と、
前記数理計画問題設定手段で設定した数理計画問題を求解して、前記船隊ポートフォリオを求める求解手段とを備えたことを特徴とする船隊ポートフォリオ設計装置。 - 前記数理計画問題設定手段は、積地毎の契約量、揚地毎の使用量、船型に応じて定められたフレートの単価、船型に応じて定められた滞船時間の単価、船型毎の輸送可能量、実績情報から得られる航海日数を用いて、前記目的関数及び制約条件を定式化することを特徴とする請求項1に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
- 前記数理計画問題設定手段は、前記数理計画問題を設定する際に、非線形関数で表される、前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を、線形近似することを特徴とする請求項1又は2に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
- 前記数理計画問題設定手段は、非線形関数で表される、前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を、区分線形近似を用いて線形近似することを特徴とする請求項3に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
- 前記第1の分布計算手段は、揚地毎の前記船舶の到着間隔の分布を、所定の確率密度関数に従って計算することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
- 前記第2の分布計算手段は、揚地毎の前記1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布を、所定の確率密度関数に従って計算することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
- 前記第2の分布計算手段は、入港準備時間及び段取り時間のうち少なくともいずれか一方を含む実荷揚げ外時間を、船舶の着岸から離岸までに掛かる時間から差し引いた値を、前記1隻あたりの荷揚げに掛かる時間とすることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
- 前記実荷揚げ外時間を定数とすることを特徴とする請求項7に記載の船隊ポートフォリオ設計装置。
- 複数の船型の船舶を対象として、設計対象期間において積地から揚地に物品を輸送する際の、船舶の船型と隻数の組み合わせである船隊ポートフォリオを設計する船隊ポートフォリオ設計方法であって、
コンピュータが、
実績情報に基づいて、揚地毎の船舶の到着間隔の分布を計算するステップと、
実績情報に基づいて、揚地毎での1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布を計算するステップと、
前記計算した船舶の到着間隔の分布と、前記計算した1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布とに基づいて、待ち行列理論を適用して、一定期間での荷揚総量を一定として扱うことで、前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を計算するステップと、
前記計算した前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係に基づいて、フレートと滞船料の合計を最小化する目的関数の下で前記船隊ポートフォリオを決定する数理計画問題を設定するステップと、
前記設定した数理計画問題を求解して、前記船隊ポートフォリオを求めるステップとを実行することを特徴とする船隊ポートフォリオ設計方法。 - 複数の船型の船舶を対象として、設計対象期間において積地から揚地に物品を輸送する際の、船舶の船型と隻数の組み合わせである船隊ポートフォリオを設計するためのプログラムであって、
実績情報に基づいて、揚地毎の船舶の到着間隔の分布を計算する第1の分布計算手段と、
実績情報に基づいて、揚地毎での1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布を計算する第2の分布計算手段と、
前記第1の分布計算手段で計算した船舶の到着間隔の分布と、前記第2の分布計算手段で計算した1隻あたりの荷揚げに掛かる時間の分布とに基づいて、待ち行列理論を適用して、一定期間での荷揚総量を一定として扱うことで、前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係を計算する計算手段と、
前記計算手段で計算した前記揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係に基づいて、フレートと滞船料の合計を最小化する目的関数の下で前記船隊ポートフォリオを決定する数理計画問題を設定する数理計画問題設定手段と、
揚地毎の1隻あたりの荷揚量と滞船時間の関係に基づいて、フレートと滞船料の合計を最小化する目的関数の下で前記船隊ポートフォリオを決定する数理計画問題を設定する数理計画問題設定手段と、
前記数理計画問題設定手段で設定した数理計画問題を求解して、前記船隊ポートフォリオを求める求解手段としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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