بهینه‌سازی حمل و نقل چندوجهی بین‌المللی با در نظر گرفتن کانتینرینگ محموله‌های فله

کانتینری کردن محموله‌های فله به جابجایی کانتینرهای خالی و کاهش فرسایش محموله‌های فله در تجارت بین‌المللی کمک می‌کند. این مقاله یک مسئله بهینه‌سازی حمل و نقل چندوجهی بین‌المللی را بررسی می‌کند که کانتینری کردن محموله‌های فله را در دوره‌های برنامه‌ریزی چندگانه در نظر می‌گیرد. ما یک فرمول ریاضی برای این مدل بهینه‌سازی ارائه می‌دهیم که تصمیمات مربوط به خرید تجهیزات و مقادیر کانتینری کردن محموله‌های فله را در نظر می‌گیرد. با در نظر گرفتن عدم قطعیت تقاضای محموله‌های فله، مدل پایه ما به یک مدل برنامه‌ریزی عدد صحیح مختلط تصادفی دو مرحله‌ای تعمیم داده می‌شود. یک الگوریتم تجزیه بندرز بهبود یافته برای حل این مدل پیشنهاد شده است. نتایج آزمایش‌های عددی و تحلیل حساسیت نشان می‌دهد که: (1) نرخ بالای اتلاف محموله‌های فله، تعداد زیاد گره‌ها در شبکه و یک دوره برنامه‌ریزی طولانی، شرکت‌های حمل و نقل را به دنبال کردن کانتینری کردن محموله‌های فله ترغیب می‌کند. (2) هنگامی که قیمت تجهیزات کانتینری معقول باشد، کانتینری کردن محموله‌های فله می‌تواند در هزینه‌ها صرفه‌جویی کند. (3) هرچه شبکه پیچیده‌تر باشد، قیمت تجهیزاتی که شرکت‌های حمل و نقل می‌توانند برای کانتینری کردن محموله‌های فله بپردازند، بالاتر است. و (4) در نظر گرفتن تقاضای نامشخص با سناریوهای تقاضای بیشتر می‌تواند به کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک کند.

مقدمه

با جهانی شدن اقتصاد، تجارت بین‌المللی در چند دهه گذشته رونق گرفته است. از کالاهایی که هر ساله در سراسر جهان معامله می‌شوند، 80 درصد توسط کشتی حمل می‌شوند. Xu و همکاران (2020). با این حال، حمل و نقل صرفاً مبتنی بر اقیانوس می‌تواند منجر به زمان انتظار طولانی برای ترخیص و ترانزیت گمرکی بندر شود. علاوه بر این، محدودیت‌های جغرافیایی ممکن است خدمات درب به درب را غیرممکن کند. بنابراین، در سال‌های اخیر، حمل و نقل چندوجهی به طور فزاینده‌ای توسط شرکت‌های حمل و نقل و فورواردرها پذیرفته شده است. حمل و نقل چندوجهی شامل ادغام روش‌های مختلف حمل و نقل (مانند جاده، راه آهن، اقیانوس و هوا) برای تشکیل یک زنجیره کامل حمل و نقل بار، با هدف بهره‌وری لجستیکی بهینه و حداقل هزینه حمل و نقل است. کالاها را می‌توان با استفاده از واحدهای مختلف (جعبه‌ها، پالت‌ها، قفس‌ها، کانتینرها) حمل کرد یا مستقیماً به عنوان بسته‌بندی فله‌ای روی وسایل نقلیه حمل و نقل بارگیری کرد (Archetti و همکاران، 2022).

حمل و نقل بین‌المللی اقیانوسی را می‌توان در درجه اول به حمل و نقل محموله‌های فله خشک، حمل و نقل تانکر، حمل و نقل کانتینری و سایر انواع کشتی‌های تخصصی تقسیم کرد. در میان این موارد، حمل و نقل کانتینری و حمل و نقل محموله‌های فله، به ترتیب تقریباً 16٪ و 40٪ تا 50٪ از حجم تجارت (به میلیون تن) را به خود اختصاص می‌دهند (گوردون، 2023). در دوران پس از همه‌گیری، با بهبود تدریجی اقتصاد جهانی، بازار حمل و نقل فله خشک گسترش بیشتری یافته است. طبق گزارش تحقیقاتی کلارکسونز، حجم کل تجارت جهانی حمل و نقل فله خشک در سال 2022 به 5.22 میلیارد تن رسیده است (گوردون، 2023). انتظار می‌رود تقاضای جهانی برای حمل و نقل فله خشک در سال 2023 تقریباً 1.4 درصد رشد کند. با این حال، به دلیل عواملی مانند جنگ، ازدحام و بازیابی ظرفیت، نرخ گردش مالی فعلی کشتی‌های حمل بار فله همچنان پایین است و این امر توسعه روش‌های جدید برای حمل و نقل محموله‌های فله را ضروری می‌سازد. نرخ تلفات محموله در حمل و نقل محموله‌های فله بالا است و به دلیل اجاره‌های مسافرتی، گاهی اوقات کشتی‌های حمل بار فله کافی وجود ندارد که منجر به هزینه بالای حمل و نقل می‌شود. بنابراین، تعداد فزاینده‌ای از بنادر و شرکت‌های حمل و نقل اقیانوسی سعی در حمل محموله‌های فله در کانتینرها دارند. محموله‌های مناسب برای بارگیری کانتینر شامل ابزار، سرامیک‌های شیشه‌ای، مایحتاج روزانه، غلات، سنگ معدن فلز، زغال سنگ و غیره است. رودریگو و نوتبوم، 2015، لیرن و وانگ، 2013 و چانگ و توار (2014).

حمل و نقل کانتینری معاصر همچنین مشکلات عملی زیادی دارد، مانند مسئله جابجایی کانتینر خالی. بنابراین، حمل و نقل فله کانتینری نه تنها می‌تواند نرخ تلفات کالا را کاهش دهد (شینتانی و همکاران، ۲۰۱۹)، بلکه با بهره‌برداری از انباشت کانتینرهای خالی در برخی بنادر مازاد، هزینه حمل و نقل را نیز کاهش می‌دهد (فنگ و همکاران، ۲۰۲۴). طبق گفته ماتسودا و همکاران (۲۰۲۰)، ما این نوع حمل و نقل را کانتینری کردن محموله‌های فله (BCC) تعریف می‌کنیم. کانتینری کردن محموله‌های فله نیاز به مقداری هزینه سرمایه‌گذاری ثابت، مانند خرید تجهیزات کانتینری کردن، و هزینه متغیر، مانند هزینه نیروی کار کانتینری کردن محموله‌های فله دارد.

در سال‌های اخیر، به دلیل عدم تعادل تجاری مسیرهای کشتیرانی، مشکل کانتینرهای خالی در تجارت کانتینری وجود داشته است. به عنوان مثال، ترافیک کانتینری بین آسیا و ایالات متحده آمریکا سه برابر ترافیک بین ایالات متحده آمریکا و آسیا است که منجر به کانتینری شدن برخی از محموله‌های فله‌ای با ارزش بالا، مانند دانه‌های قهوه، شده است. در حال حاضر، 95٪ از دانه‌های قهوه کانتینری هستند. از دهه 1990، مقدار فزاینده‌ای از گندم از استرالیا کانتینری شده و به اندونزی حمل شده است (ماتسودا و همکاران، 2020). با در نظر گرفتن تایوان به عنوان مثال، به طور متوسط، 84.5٪ از حجم تجارت غلات با حمل و نقل کانتینری حمل می‌شود، با نرخ کانتینری 75٪ برای کالاهای وارداتی و 94٪ برای کالاهای صادراتی (لیرن و وانگ، 2013). یانگ و همکاران (2016) بنادر انتقال زغال سنگ مانند بنادر چینهوانگدائو و تیانجین را بررسی می‌کنند و متوجه می‌شوند که کانتینری شدن زغال سنگ بلوکی یک روند جدید است. پیش‌بینی می‌شود تقریباً ۳٪ از ۴۱۰ میلیون تن زغال‌سنگ در کانتینرها حمل شود، زیرا حمل و نقل سنتی با کشتی‌های فله‌بر منجر به از دست رفتن تقریباً ۱۰٪ زغال‌سنگ بلوکی می‌شود.

در این مقاله، ابتدا یک مدل حمل و نقل بین‌المللی چندوجهی چنددوره‌ای برای کانتینری کردن محموله‌های فله ایجاد می‌کنیم، که تصمیمات خرید تجهیزات کانتینری و میزان محموله فله‌ای که قرار است کانتینری شود را در نظر می‌گیرد، که امکان حمل و نقل محموله در دوره‌های زمانی مختلف را نیز فراهم می‌کند. سپس، مدل قطعی پایه به یک مدل برنامه‌ریزی تصادفی دو مرحله‌ای که عدم قطعیت تقاضا را در نظر می‌گیرد، گسترش می‌یابد. مرحله اول شامل تعیین گره‌های خرید تجهیزات کانتینری و تعداد کشتی‌های فله چارتر شده است. مرحله دوم بر تعیین حجم حمل و نقل محموله‌های فله و محموله‌های فله کانتینری در دوره‌های مختلف برای بهینه‌سازی هزینه کل تمرکز دارد. یک الگوریتم تجزیه بندرز بهبود یافته برای حل مدل‌ها پیشنهاد شده است. در نهایت، از طریق آزمایش‌های محاسباتی گسترده، دریافتیم که: (1) نرخ بالای اتلاف محموله‌های فله، تعداد زیاد گره‌ها در شبکه و یک دوره برنامه‌ریزی طولانی، شرکت‌های حمل و نقل را به دنبال کردن کانتینری کردن محموله‌های فله ترغیب می‌کند؛ (2) هنگامی که قیمت تجهیزات کانتینری معقول باشد، حمل و نقل کانتینری محموله‌های فله می‌تواند منجر به صرفه‌جویی در هزینه شود؛ (3) هرچه شبکه پیچیده‌تر باشد، قیمت تجهیزاتی که یک شرکت حمل و نقل می‌تواند هنگام بررسی کانتینری کردن محموله‌های فله بپردازد، بالاتر است؛ و (4) در نظر گرفتن تقاضای نامشخص با سناریوهای تقاضای متعدد می‌تواند به کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک کند.

هدف در نظر گرفته شده در این مقاله، به حداقل رساندن هزینه کل است که شامل هزینه‌های خرید و نگهداری تجهیزات کانتینری، هزینه اجاره کشتی‌های فله‌بر، هزینه حمل و نقل کالا، هزینه کانتینری کردن کالاهای فله‌بر، هزینه انبارداری کالا، هزینه جریمه تقاضای برآورده نشده و هزینه انتشار کربن می‌شود. هم ادبیات موجود و هم تجربیات دنیای واقعی نشان داده‌اند که برای دستیابی به صرفه‌جویی قابل توجه در هزینه، زنجیره تأمین باید به طور کلی بهینه شود (Fine, 1996). به عبارت دیگر، عوامل اصلی هزینه مؤثر بر عملکرد زنجیره تأمین به دلیل همبستگی بالای آنها باید با هم در نظر گرفته شوند. بهینه‌سازی زنجیره تأمین با هدف فعالیت در یک دوره میان‌مدت تا بلندمدت انجام می‌شود. بنابراین، تصمیم‌گیری در این شرایط عدم قطعیت بسیار مهم است. در همین حال، حجم زیادی از مقالات علمی وجود دارد که مدل‌های زیادی برای طراحی کارآمد زنجیره تأمین و حمل و نقل بار ارائه می‌دهد. این مدل‌ها هماهنگی تصمیمات استراتژیک، تاکتیکی و عملیاتی را در زنجیره تأمین مطالعه می‌کنند و تصمیمات مکان‌یابی و حمل و نقل را برای بهینه‌سازی شبکه زنجیره تأمین اتخاذ می‌کنند (Ekşioğlu و همکاران، ۲۰۰۹، Li و همکاران، ۲۰۲۲، Tolooie و همکاران، ۲۰۲۰)، همچنین نشان می‌دهند که مدل ارائه شده در این مقاله با در نظر گرفتن تصمیمات استراتژیک و عملیاتی منطقی است. علاوه بر این، این مدل با تجارت حمل و نقل فله به کل فله‌برهای بین‌المللی همسو است. بنابراین، ذینفعان این مطالعه شرکت‌های لجستیک فله بین‌المللی مانند Bulk Connection هستند که یکی از بزرگترین شبکه‌های حمل و نقل فله در آمریکای شمالی را دارد و به تدریج از کانتینرهای فله برای حمل کالا استفاده می‌کند. علاوه بر این، BHP Billiton، یکی از بزرگترین شرکت‌های معدنی جهان، در حال بررسی گذار به حمل و نقل کانتینری است. در منطقه پیلبارا استرالیا، BHP Billiton در حمل و نقل سنگ آهن نوآوری کرده و طرح کریدور حمل و نقل سبز سنگ آهن را امضا کرده است.

سهم این مقاله سه‌گانه است. اولاً، برخلاف مطالعات قبلی در مورد حمل و نقل فله و حمل و نقل چندوجهی، ما یک مدل بهینه‌سازی تصادفی دو مرحله‌ای جدید برای بهینه‌سازی شبکه حمل و نقل چندوجهی با در نظر گرفتن BCC در دوره‌های برنامه‌ریزی چندگانه تحت عدم قطعیت تقاضا ارائه می‌دهیم. برخلاف مطالعات قبلی حمل و نقل فله، مدل ما با ارائه یک رویکرد عملی برای طراحی شبکه‌های حمل و نقل فله چندوجهی بین‌المللی، شکاف تحقیقاتی را پر می‌کند. این مدل، فناوری نوظهور BCC را در بر می‌گیرد و به چالش‌های دنیای واقعی، از جمله عدم قطعیت تقاضا و انتشار کربن می‌پردازد. علاوه بر این، این مدل همچنین حمل و نقل بین دوره‌ای، تلفات بار و اجاره کشتی را ادغام می‌کند و کاربرد آن را در سناریوهای دنیای واقعی افزایش می‌دهد. ثانیاً، ما یک الگوریتم تجزیه بندرز بهبود یافته برای حل این مدل به سمت بهینه توسعه می‌دهیم و یک رویکرد جامع ارائه می‌دهیم که در تحقیقات حمل و نقل فله بررسی نشده است. در نهایت، آزمایش‌های عددی گسترده و تحلیل حساسیت برای تأیید اثربخشی و کارایی مدل و الگوریتم پیشنهادی انجام می‌شود. بر اساس نتایج، بینش‌های مدیریتی برای حامل‌های اقیانوسی مربوطه استخراج می‌شود.(منبع).