主导权异质性视角下的过坝方式货运量分担率研究

赵 旭， 尹熙琛， 高 攀

(1.三峡大学 经济与管理学院; 2.三峡大学 水库移民研究中心，湖北 宜昌 443002)

0 引言

大中型水利水电工程的兴建，在疏浚航道提升内河通航能力的同时，也使得过坝运输需求逐年增加，而目前水利枢纽有限的过闸能力却难以与之相匹配，进而导致航运阻塞的现象愈演愈烈。如三峡双线五级船闸的年设计通过量为1亿吨，但2010年的实际过坝运量就已接近极限，到2017年已超过其设计水平的40%，船舶的平均待闸时间已达30～60小时[1]。目前已有各水利水电枢纽均开始尝试修建翻坝公路，以“水-公”或“水-公-水”等联运方式来缓解水运货物在坝前的梗阻情况[2]。然而由于行政管辖权的不同，通航建筑和翻坝公路间一直缺乏明晰的协同分配机制[3]。这使得翻坝转运投入的合理性和有效性难以论证，进而导致在基础设施投入、定价模式等核心问题的决策上缺乏科学依据。因此探究水运货物在各类过坝方式间的分担率，实现坝前待闸船舶拥堵的合理分流，降低翻坝成本并提升效率已成为亟待解决的问题。

因能源结构和经济发展水平的差异，国外水电站的建设高峰已基本结束[4,5]，学者更注重库区生态修复的研究，极少涉及由大坝引起的通航阻塞问题[6,7]。为解决这一问题，国内学者一方面建议引入翻坝运输进行货物分流，一方面进行船舶优化调度以挖掘通航建筑物的过坝潜力。如刘耕等[8]针对金沙江梯级电站通航设施能力不足的问题，设计了“公路+皮带”、“公路+溜筒”等多种翻坝运输方式。胡适军等[9]则从提高船闸运行效率的角度出发，利用遗传算法对通航排序机制进行了优化。目前的研究倾向于打造综合过坝运输系统来缓解通航拥堵，如在考虑过坝货物复杂多样性的前提下，提出整合通航建筑物、翻坝公路、翻坝铁路和管道等四种路径的构想[10]。虽然上述研究在一定程度上缓解了大坝通航拥堵，但大都集中在增加通道上，对船舶货物在不同过坝方式间的分配机制还未有深入研究。然而优化过坝货物分担率，才是解决内河通航梗阻的核心所在[11]。

目前在货运量分担率研究中，主要采用基于Logit模型进行分析。如Cantillo等[12]通过构建随机阈值Logit模型，来处理货运分担率属性过多的问题。Swait[13]进一步提出了MNLS模型(Multinomial Logit Swait)，能更精确测量多因素影响下的分担效率。Castro[14]则设计出受约束的CMNL模型(Constrained Multinomial Logit)，来辨析货主的自主选择行为。近年来这些模型已应用于高铁产品货流分配[15]，国际集装箱内陆运输链选择[16]等领域。以往运用Logit及其扩展模型的研究，侧重于厘清分担率中不同货主的差异化决策机理，但仍难以处理过坝运输中的几个特殊问题：①异质性问题，即水运货物过坝中不仅涉及货主间的差异，同时各过坝方式的主导方还存在不同，如通航建筑物的控制权归属通航管理局，而翻坝公路则可由货主自主决定；②主导权转移问题，货物在各类过坝路径间的转换虽有提及，但伴随其中的还有货运主导权变化，双转移情形下的致因与分流机制尚缺乏探讨；③优化不足问题，传统的logit计量回归模型过于聚集决策者行为，忽视了航运过闸及翻坝运输过程中的约束条件，以致于分担率的相关性影响结论较多而无法实现精准测算。

据此本研究突破以往实证研究的局限，针对过坝运输主导权异质性情形，在建立过坝方式效用函数的基础上，根据主导权转移变化条件和通航建筑物过坝原则，构建了过坝方式货运量分担率模型。同时以三峡大坝为例，探讨了船舶过坝顺序、翻坝费率和分担率的关系。本研究将为缓解大坝通航拥堵，提供基于货运分担率的新视角。

1 过坝方式货运量分担率建模

过坝运输方式主要有通航建筑物和翻坝运输两类，所提供的服务差异性较大，各自对应的货运量分担率模型也有不同。因此需预先分析两类过坝运输方式，明确船舶及货物过坝主导权属性，再根据效用最大化理论，建立各过坝方式的效用函数，分析主导权的转移变化过程，最终构建过坝方式的货运量分担率模型。

1.1 过坝运输方式与主导权异质性

通航建筑物由升船机与船闸组成，受通航管理局控制并提供免费的过坝服务，具有较强的经济性优势。然而过坝的无偿性使得待闸船舶及货物量逐年增加，平均待闸时间激增，导致其快速性优势大大降低。翻坝运输有公路和铁路等方式，而后者尚处在规划阶段，未实际运营，所以目前主要以前者为主。在经公路翻坝中，货主需支付高额的运输和装卸成本。但与经由通航建筑物过坝相比，现行翻坝公路运输具有频次高、速度快等优点，其等待时间可忽略并计入装卸时间之中。由于翻坝运输会涉及货物在水路和陆路之间的衔接转换，因此翻坝总时间可分为装卸和运输时间两部分。

两种过坝方式流程如图1所示，其中获得通航管理局授权且编序的船舶，在码头锚地等待过坝。在接到过坝通知后，船舶从待闸锚地航行距离d1到坝前，并经由指定的通航建筑通过大坝，然后继续航行距离d2后完成过坝。若经由翻坝运输过坝，货主则可自主选择方式和货物分配。载货船舶从锚地航行距离d3到上游(下游)转运码头，并将货物从船舶装卸至对应的翻坝运输工具上，载运距离d4后到达下游(上游)转运码头。当货物装载至相应的船舶，航行距离d5后即为过坝完成。一般来讲，d3对翻坝运输的时间和费用影响可忽略不计，d4代表翻坝运输距离。若货物完成装载时翻坝即结束，则d5取值为0。故目前过坝运输中存在货主和通航管理局两个主导方，主导权会在两者之间转移，进而影响到各方式的货运量分担情形。因此，必须将主导权转移分析纳入到分担率计算模型中。

图1 各过坝方式的基本流程

1.2 过坝效用函数与分担率模型

主导权的转移实际受各过坝方式效用影响，一般来说翻坝运输较为安全，所以其效用函数主要与其经济性、快速性等因素相关，如式(1)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

目前船舶在码头锚地停泊等待的时间持续递增，多处于连续等待状态[18]。而船舶除单一逐次过坝外，还可按照一定的船舶总吨级组合过坝。因为通航建筑物通过能力恒定，所以各批次的总吨级大致相等[19]。因此过坝顺序从b到b+n-1的船舶组成的批次为k的组合，其吨级总量应不超过通航建筑物的通过能力。为了便于管理及避免船舶之间发生碰撞，第k与k+1批次船队之间有较长的过坝时间间隔T。此时通航管理局为便于对船舶进行组织调度，会将相邻批次间的时间间隔设为定值。根据船闸和升船机的操作要求，同一批次船舶会共用一个闸室或承船厢，并需以较小且固定的时间间隔到达，此间隔可视为常数T′。因此过坝批次为k且过坝顺序为b+n的船舶等待时间，可利用相邻船队的间隔时间T和船队内船舶之间的间隔时间T′近似求得。如公式(6)～(9)所示。

(9)

由图1可知，航行距离d1的时间为船舶过坝的准备时间，其值为船舶反应距离与平均反应航速的比值，如式(10)所示。而等级的差异使船舶的平均反应航速也不同，如式(11)可分为两类。

(10)

(11)

(12)

1.3 主导权转移情况下的分担率计算

(13)

(14)

(15)

其二，总时间最小原则：通航建筑物通航效率最大化，通航任务所花总时间最小。如公式(16)所示。

(16)

式中：tA为经由通航建筑物过坝货物j的总时间。一般来说船闸因为操作复杂，所以船舶过坝的操作时间较长，而升船机过坝操作相对直接故时间较短。经由翻坝运输完成过坝时，货主拥有绝对主导权，而经由通航建筑物过坝时，主导权转移至通航管理局。但无论过坝主导权归属如何，整个货物过坝过程都应该满足经济性与快速性两个要求，如公式(17)、(18)所示。

(17)

(18)

(19)

2 实例分析

2.1 各过坝方式分担率分析

三峡大坝拥有世界上最大的通航建筑物(双线五级船闸和升船机)，2018年枢纽通过量1.44亿吨，目前已经初步形成以通航建筑物为主，翻坝公路为辅的过坝运输体系。前者的过坝服务由三峡通航管理局管理，免费服务使得过坝需求量极大，待闸锚地停泊等待船舶数量极多，通航建筑物已提前19年达到设计能力。与之相反的是，翻坝公路的运输费用较高，使用量偏低。三峡通航管理局在为锚地待闸船舶制定过坝排序的同时，也会对船舶进行批次组合，故过坝船舶在获得过坝序号的同时，其所在船队也将获得相应的过坝批次号。为便于船舶调度和避免碰撞事故，通航管理局会在相邻批次的船队间设置恒定且较大时间间隔，而同一批次内的船舶间的时间间隔则较小。以调度计划为例：船队的吨级总量为19000吨级，其中数量一般为3到6艘，船队间调度间隔为1.5小时，同一船队中相邻船舶间的出发间隔为10分钟，各过坝方式的基础数据如表1所示。

表1 过坝方式基础数据

其中i=1、i=2、i=3分别表示船闸、升船机和翻坝公路3种过坝方式，j=1、j=2、j=3为矿物、粮食、化肥三种过坝货物。同时过坝船舶的基础数据：船队过坝次序、船舶过坝顺序、载货量及船只等级、过坝准备距离和平均航行速度，如表2所示。

表2 船舶过坝次序表

根据钟鸣等[3]对于三峡大坝过坝货物量的分配建议，将w1取为0.85，w2取为0.15，结合表1与表2得出各过坝方式的分担率如表3所示。其中翻坝运输与过坝建筑物的货运分担率测算结果，与以往实证研究设定的权重值完全匹配，说明该计算方法可行。在考虑主导权异质性及其转移的前提下，载货量、翻坝公路运输费率与装卸费率是影响翻坝公路货运量分担率的主要因素，而船舶等级、船队过坝批次和船舶过坝顺序，则是影响通航建筑物货运量分担率的关键。下文将通过探讨货运量分担率的影响因素及机制，为缓解三峡拥堵提供决策建议。

表3 过坝方式货运量分担率

2.2 翻坝公路货运量分担率的影响因素

相较于通航建筑物来说，翻坝公路运输方便灵活且迅速快捷，两者的过坝总时间如图2所示。其中当翻坝公路货运量分担率增加时，过坝总时间减少。这说明提升翻坝公路的利用率，可以有效缩短过坝总时间，减少在停泊锚地停泊等待的船舶数量，进而改善三峡大坝的通航拥堵状况。

图2 翻坝公路货运量分担率与过坝总时间

由上文关于过坝方式主导权转移的分析可知，翻坝公路货运量分担率的增加与过坝主导权的转移有关。而船舶载货量、装卸费率和运输费率，又会影响到主导权在通航建筑物与翻坝公路间的转移，因此将分别探讨这些影响因素与翻坝运输货运量分担率的关系。

(20)

图3 翻坝公路费率与其分担率

(21)

图4 装卸费率与翻坝公路货运量分担率

2.3 过坝次序与主导权转移

表4 船舶过坝次序区间值

(22)

由表4可得，b=b*时，两种方式过坝的效用相同；bb*时，翻坝公路过坝更具优势。另外船舶所载货物的性质不同，船舶所对应的b*值也不一样(表4)，这与过坝实际情况相符。本例中待闸锚地到通航建筑物的距离较小，因此过坝准备时间不是影响主导权转移的主要因素，故在载货量和货物种类一致的情况下，船舶所对应的次序区间(b*值)不变。

当船载货物种类相同时，载货量越大的船舶其b*值越小(排序越前)。这源于船载货物量越大，因等待而引发的货物迟滞成本越高，所以载货量较大的船舶所能承受的停泊等待时间更小，则更有可能选择快速性较好的翻坝运输过坝。但是目前翻坝公路的高额计费，会使得大规模货物的翻坝转运成本过高。因此地方政府需与翻坝公路营运方协商，可推出有针对性的优惠措施，提升高货载船舶选择翻坝公路运输的几率。而当船舶载货量相等时，装载单价更高货物的船舶所对应的b*值更小。对于载有高价值或时间敏感性货物的船舶，通航管理局应在考虑过坝总体最优的情况下，提升其过坝优先级，由此带来的外部性可由货主支付附加费用进行弥补。若此类货物经由翻坝公路过坝，享受的快捷过坝服务不会影响其他竞争性过坝主体的通过效率，故地方政府和翻坝公路运营方也可专门制定针对高单价货物的优惠计费方案，以兼顾通航过坝效率和经济收益。

3 结论

基于过坝方式主导权异质性背景，本研究测算了各过坝方式的货运量分担率，并通过探究翻坝运输费率、过坝顺序等因素对缓解通航拥堵的作用机制，具体结论如下：

(1)翻坝运输是对通航建筑物过坝方式的有效补充，综合提升翻坝公路的利用率，可以改善三峡大坝船舶及货物的过坝运输状况。

(2)翻坝公路运费和装卸费率的下降，能有效驱动过坝主导权向货主转移。当翻坝公路完全免费时，其货运量分担率最优也未达到100%。而且存在一个运费区间，无论费率如何提高翻坝公路的货运量分担率均不会改变。但当装卸费率下降70%后，货运量分担率即达到100%，说明降低装卸费率比降低运输费率，更能增加翻坝公路货运量分担率，以提升投入基础设施的利用水平。

(3)存在一个可计算的过闸次序阈值b*，当船舶计划排序小于b*时应选择经通航建筑物过坝，反之则通过翻坝公路效用更高。

(4)在载货量相等的条件下，载有高单位价值或时间敏感性货物的船舶，因其单位等待时间成本更高，所对应的排序值也更小，因此需尽早安排过坝以避免发生较大损失。

结合研究结论，提出以下政策建议：

(1)通航管理局作为过坝运输中重要的主导方之一，应在其原有的以船型和优先级为基础的调度方式中，加入对于翻坝运输的协同调度，充分利用翻坝运输方式来缓解拥堵。

(2)地方政府也应采取补贴等措施，激励货主选择翻坝公路转运货物，进而缓解通航建筑的通行压力。

(3)翻坝运输管理者可在一定区间内适当提升翻坝运输费率，在以翻坝公路快速灵活性优势改善过坝状况的前提下，获得较高的经济收益。同时地方政府可加大翻坝转运码头等基础设施投入，以提高效率降低装卸成本的方式，增加翻坝运输的货运量分担率，进而改善通航状况。

(4)针对载有高单位价值货物的船舶，地方政府和通航管理部门应联合推出转运优惠方案，提高其利用公路进行翻坝运输的可能性。另外两方还需进一步协作，推行通航建筑物和翻坝公路的联动调度，通过各过坝方式的有效利用来缓解通航拥堵。

未来的研究将秉承主导权异质性分析，进一步探讨各过坝方式对于枢纽通航拥堵的改善效力。同时将考虑针对现行通航建筑物的免费策略，实行分时段通航拥堵收费机制，并对其定价形式、力度及效用进行研究。