国际集装箱海运服务多边多目标匹配研究.pdf

第 卷 第 期 年 月武 汉理工大学学报(信息与管理工程版)().文章编号:()文献标志码:国际集装箱海运服务多边多目标匹配研究兰龙辉李登峰(.福州大学 经济与管理学院福建 福州.电子科技大学 经济与管理学院四川 成都)摘 要:匹配到满意与否的国际集装箱海运服务已然成为影响货物流通和进出口贸易商核心利益的重要因素 首先基于国际海运实际业务需求建立带有不同数据类型的三方匹配指标体系利用匹配指标期望水平与实际水平的比值刻画匹配主体的满意度 其次分别从发货人、船公司和收货人视角出发创新性地采用连乘方式将匹配链条中的前后两次匹配满意度进行连接表现出三者之间独特、现实的匹配关系 再次将所构建的多边多目标匹配模型转化为非标准的指派问题并受匈牙利算法的启发设计出新型的模型求解方法可在有限次迭代之后获得最优解 最后通过案例分析验证所建模型与算法的有效性和实用性关键词:国际集装箱海运服务多边匹配多目标匈牙利解法中图分类号:./.收稿日期:.作者简介:兰龙辉()男博士研究生研究方向为国际物流决策优化.通讯作者:李登峰()男教授研究方向为经济管理决策与博弈.基金项目:国家自然科学基金项目().在国际贸易活动中因海洋运输具有运价低、运量大、运距远的优势集装箱海运已成为国际物流中最主要和最广泛的运输方式之一 根据国际货运代理协会联合会()统计/以上的全球贸易总运量和近 的中国进出口货运总量都是利用集装箱通过海洋运输完成 由此可见海运业对于国际贸易的重要作用 我国法律规定进出口贸易企业无法直接从事国际货物运输业务必须找有资质的国际货物运输代理企业(以下简称货代公司)代为其办理各类进出口货运手续 进出口贸易商在国际海运物流的单证体系中习惯称之为发货人和收货人以出口货物为例出口商为发货人进口商则为收货人 船公司也称船东作为货物的实际承运人负责将指定货物在指定时间内从指定的起运港运输到指定的目的港并交付于指定收货人至此完成国际集装箱海运的运输任务 货代公司作为资源型平台公司基本经营模式是从外部采购各方资源(包括船东、拖车、仓库、保险公司等)为进出口商提供国际物流服务并从中收取服务报酬 因此在国际集装箱远洋运输中货代公司通过整合多项国际物流资源和客户需求进而为各方利益主体匹配到相应的物流服务现实中货代公司掌握最新最全的市场信息为客户提供海运物流服务方案时存在高报运价、错报船公司船期信息等行为造成收、发货人的利益受损 同时收、发货人也会发生谎报货物信息、拖欠账款等现象导致货代公司、船公司的收益降低 针对上述市场行为为减少信息不对称对国际海运物流效益的影响使得国际集装箱海运物流活动的各方能够做出更加科学、公平和高效的决策出现了多种智能匹配辅助决策系统例如 开发的 模块可帮助发货人快速找到最适合的国内外物流服务提供商运去哪的线上系统则提供了在线匹配业务功能可根据发货人的国际物流服务要求自动获取货代公司的报价信息 但是目前上述匹配平台尚处于推广期且仅考虑了某一主体的匹配需求匹配指标较为单一无法满足多指标下多方主体的匹配诉求 因此为解决现有匹配指标、匹配主体单一的问题将在货代公司构建的国际集装箱海运服务匹配平台上最大化发货人、船公司和收货人的匹配满意度提出多指标多边的匹配模型匹配问题最早由 等提出其对婚姻稳定和入学招生情况进行了开创性研究提出 算法并成功解决了婚姻匹配问题证明稳定的婚姻匹配总是存在的 于 年首次提出“双边”和“双边匹配”的概念之后对美国医学院毕业生与实习医院的匹配进行了研究 此后关于双边匹配的研究成果不断出现匹配理论在经济管理领域也得到大量的实践应用 陈希等将双边匹配理论应用在 服务外包中的供给方和需求方用语言变量表示双方的评价信息以供需双方满意度最大为目标构建了 服务供需双边匹配的多目标模型 万树平等针对风险投资商与投资企业的双边匹配问题基于前景理论采用模糊数表示匹配指标进而构建双边主体的总体满意度最后建立风险投资商、投资企业总体满意度最大化和投资中介收益最大化的多目标优化模型 在匹配问题研究中匹配指标一般表现为多属性如何将异质匹配指标进行集结也是匹配问题研究的核心 许颖等考虑隶属度、非隶属度、犹豫度之间的关系构建出新的 阶区间 模糊集记分函数依据成熟的前景理论提出基于参考点相依效用函数的模糊多属性决策方法并通过疫苗投资的多属性决策问题验证该方法的有效性 骆华采用犹豫度公式计算概率犹豫模糊元的犹豫性用信息不完全度公式测量概率犹豫模糊元的不完全性结合元素数值间的差异重新定义了改进后的距离公式并将改进后的距离公式与 方法相融合构建出概率犹豫模糊多属性决策模型综上可知国内外关于匹配问题的理论和应用研究较多集中在双边匹配且匹配满意度的表达无法适用于不同的现实场景 而关于多指标决策问题的研究则主要侧重于指标值的表达和信息的集结方法 针对具有多方匹配主体、多指标评价体系的国际集装箱海运服务的匹配研究较为稀少现有研究也无法从多指标多方主体的利益需求出发描述进出口贸易商、船公司的匹配满意度以及前后匹配主体的逻辑关系 因此笔者将从实际需求出发通过建立多指标多边匹配评价体系提出一种全新的匹配主体综合满意度表达方式以刻画国际集装箱海运服务的匹配特点此外受匈牙利算法思想的启发设计出一种更加符合海运服务匹配要求的算法 匹配指标体系构建.问题描述在整个国际集装箱远洋运输中涉及的重要主体为发货人、船公司、收货人 国际集装箱远洋运输的一般化流程可以概述为:货物由发货人按照约定的贸易条款(包括商品的价格、数量、品质等信息)以集装箱为载体经由船公司经营的远洋货轮进行运输最后将货物定时定点送达指定收货人 该过程的核心匹配问题是为已经确定买卖关系的发货人和收货人通过某种科学决策方法在供过于求的国际集装箱运力市场中找到船期适合、价格适合、综合满意度高的船公司 货代公司因其掌握国际集装箱海运市场上下游的资源通过撮合物流服务需求方和运力的供应方为各方主体匹配到满足自身利益诉求的服务 因此货代公司具备构建匹配平台的天然优势考虑在相同的起运港和目的港的情况下发货人与收货人为一一对应的买卖关系即一个发货人只有一个收货人一个收货人有且只有一个发货人 基于不同主体视角在货代公司搭建的海运匹配平台上构建合理的多指标多边匹配模型建立最大化三方匹配主体的满意度函数 国际集装箱海运服务匹配决策的示意图如图 所示图 国际集装箱海运服务的多边匹配示意图.符号定义与说明模型中所用的符号及其含义:为第 个发货人()发货人集合记作 为第 个船公司()船公司集合记作 为第 个收货人()收货人集合记作 为发货人 评价船公司 时考虑的第 个指标()指标集合记作 为船公司 评价发货人 时考虑的第 个指标()指标集合记作 为船公司 评价收货人 时考虑的第 个指标()指标集合记作 为收货人 评价船公司 时考虑的第 个指标()指标集合记作 为指标 的权重且 为指第 卷 第 期兰龙辉等:国际集装箱海运服务多边多目标匹配研究标 的权重且 为指标 的权重且 为指标 的权重且 为发货人 对船公司 在指标 下的满意度为船公司 对发货人 在指标 下的满意度为船公司 对收货人 在指标 下的满意度为收货人 对船公司 在指标 下的满意度为发货人对船公司的综合满意度为船公司 对发货人 的综合满意度为船公司 对收货人 的综合满意度为收货人 对船公司 的综合满意度为从所有发货人视角出发考虑的整体满意度为从所有船公司视角出发考虑的整体满意度为从所有收货人视角出发考虑的整体满意度为 决策变量若发货人 让船公司 承运集装箱则否则 为 决策变量若船公司 运输集装箱给收货人 则 否则.三方匹配指标的选取与表达.匹配指标的选取根据实际调研情况分别对发货人、船公司和收货人的匹配需求进行分析构建对应的匹配指标 从发货人的视角来看其最关心的是实际负责远洋运输船公司的海运价格(以 的集装箱为例区间数)、允许账期(支付船公司费用时被允许的最长时效、区间数)、货轮的开航时间(货轮离港时间实数)从船公司的视角来看其是国际集装箱远洋运输的实际承运人既关注处于上游的发货人也关注处于下游的收货人船公司对于发货人的评价指标可以总结为:公司信誉(发货人在海运市场中的信誉度语言变量)、出货准时率(发货人按照约定时间和地点进行装车装船的准时度语言变量)、回款账期(发货人支付船公司费用时被允许的最长时效区间数)船公司对于收货人的评价指标可以归纳为:公司信誉(收货人在海运市场中的信誉度语言变量)、收货准时率(收货人按照约定时间和地点进行卸车卸船的准时度语言变量)、回款账期(收货人支付船公司费用时被允许的最长时效区间数)从收货人的视角来看其是国际物流活动的终端最关注的是负责实际承运的船公司的行业信誉(船公司在海运市场中的信誉度语言变量)、允许账期(收货人支付船公司费用时被允许的最长时效区间数)、到港时间(货轮到港时间实数).匹配指标的数据类型根据上述匹配指标三方匹配主体针对匹配指标给出对应的期望值给出的期望水平经常是多种不同形式下的定量和定性的指标值 对于定量指标可能以实数或区间数表示如某出口公司期望上海港到泰国曼谷港的海运费报价为 美元/标箱(以常用的 集装箱为例)记作闭区间 而船公司的报价一般为确定的实数如 美元/标箱实数可以看成区间数退化后的特例因此可以写成区间形式 对于定性指标而言一般以语言变量形式给出如评价公司的信誉度、出货准时率等使用“非常高”、“很高”等语言变量来描述 带有语言变量的匹配指标是评价主体根据主观感受给出的一种指标强弱程度化的表达形式笔者采用描述指标更加细腻的七粒度语言评价集合 针对决策过程中的语言变量参照传统做法将语言变量转化为三角模糊数后再进行指标的量化处理 匹配指标满意度函数在国际集装箱海运服务匹配过程中 个主体的 个匹配指标均采用实数、区间数及语言变量进行表示在这些匹配指标中有的指标取值越大越好如出货准时率称之为效益型指标有的指标值则是越小越好如对于发货人来说船公司给出的海运价格越低越满意称之为成本型指标 对两种不同数据类型的匹配指标分别进行满意度函数的构建.区间型匹配指标的满意度()效益型指标 若匹配指标为区间效益型指标即指标值越大匹配主体的满意度越高 假设发货人 对于船公司 在区间型指标 下的期望值为 船公司 在区间型指标 下的实际值为 以 和 为例计算区间效益型匹配指标的满意度 两组区间数的大小关系可以使用图示法进行说明期望值 和实际值 的位置关系可以归纳为 种如图 所示通过观察期望值 和实际值 的相对位置关系可以得出匹配主体在对应指标下的满意度即两个区间数重合的区间越多甚至实际值远大于期望值则在该指标下的满意度越高 基于决策者往往以期望值作为评估得失的心理特征武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月图 区间数 与 的 种位置关系通过匹配指标期望水平与实际水平的比值刻画发货人 对于船公司 在区间效益型指标 下的匹配满意度 即:()/()()/()()式中:“”表示两个区间数的排列顺序关系()成本型指标 若匹配指标为区间成本型即指标值越小匹配主体的满意度越高 同样地通过观察区间成本型匹配指标的期望值 与实际值 的相对位置关系可以得出匹配主体在对应指标下的满意度此时发货人 对于船公司 在区间成本型指标 下的匹配满意度 可以表示为:()/()或 ()/()().语言变量型匹配指标的满意度同理语言变量型的匹配指标也可以分为效益型和成本型 首先按照对应关系将七粒度的语言变量转化成对应的三角模糊数其次参照图 的做法表达出两对三角模糊数的相对位置关系最后根据期望值和实际值的相对位置来刻画该指标下的满意度 假设发货人 对于船公司 在指标 下的期望值为 ()船公司 在指标 下的实际值为 ()同样地通过观察两对模糊数的位置关系可以分别得到发货人 对于船公司 在语言变量效益型指标和成本型指标下的匹配满意度 效益型指标:()/()()/()()/()()/()”表示两个三角模糊数的顺序关系同理依次可以获得在区间效益型指标、区间成本型指标、语言变量效益型指标和语言变量成本型指标下不同匹配主体的单独满意度即船公司 对发货人 在指标 下的满意度、船公司 对收货人 在指标 下的满意度 和收货人 对船公司 在指标 下的满意度.匹配满意度的集结()指标权重的确定 通过式()式()计算得到某个匹配主体在单个指标下的匹配满意度由于国际集装箱海运物流的匹配模型是多指标下的匹配需要赋予每个匹配指标不同的权重匹配指标、和 的权重分别为、和 可以采用层次分析法 或行业专家打分法确定()匹配满意度的集结 依次获得每个指标的匹配满意度和对应指标权重后根据线性加权法对所有匹配指标满意度进行集结可得到该匹配主体的综合满意度即发货人 对于船公司 在匹配指标集合 下的综合满意度、船公司 对发货人 在匹配指标集合 下的综合满意度、船公司 对收货人 在匹配指标集合 下的综合满意度、收货人 对船公司 在匹配指标集合 下的综合满意度()()第 卷 第 期兰龙辉等:国际集装箱海运服务多边多目标匹配研究()()多边多目标匹配模型构建与求解.构建多边多目标匹配模型根据现实场景基于不同主体角度分析构建国际集装箱海运物流的多边多目标匹配模型 模型仅考虑一个发货人对应一个收货人的海运服务匹配问题因此假定发货人与收货人的人数相同即 把这种一个发货人只对应一个收货人的确定关系表示为一个集合 ()发货人 对应的收货人 从发货人的利益来看其具有优先选择船公司的权利重点考量对船公司各项指标的满意度同时为保证海运任务的顺利进行还需要兼顾考虑到船公司对某一确定收货人的评价如收货人在历史交易中是否存在拖欠账款现象收货效率如何等 因此从发货人角度考虑的匹配链条可以表示为:发货人 船公司 收货人 作为国际贸易的正向物流两个匹配环节的满意度必须同时达到发货人和船公司的要求才能算完成匹配任务所以前后两段匹配的整体满意度表现为连乘关系记作 即:()()从货物实际承运人船公司的视角出发其既考虑对上游发货人评价指标的满意度又要考虑对下游收货人评价指标的满意度具备根据匹配指标选择发货人和收货人的权利 所以从船公司角度考虑的匹配链条可以表示为:发货人 船公司 收货人 同样地上下两段匹配的满意度也采用连乘关系来刻画 因此从船公司角度考虑的整体满意度 为:()()从国际物流末端的收货人角度出发其重点考量对船公司评价指标的满意度此时收货人具备选择船公司的权利 同时还必须考虑到船公司对指定某一发货人的匹配满意度匹配链条可以表示为:发货人 船公司 收货人 前后两次的满意度也采用乘号进行连接 因此从收货人角度考虑的整体满意度 为:()()由此建立国际集装箱海运物流的多边多目标匹配模型:().()()或()()或()()在该模型中式()为目标函数表示最大化分别从发货人、船公司和收货人三个主体出发考虑的满意度式()表示经过所有船公司只能把发货人的货物运输给相应的固定收货人确保发货人和收货人一一对应式()和式()为 变量约束 表示发货人和船公司匹配成功否则匹配失败 表示船公司和收货人匹配成功否则匹配失败.模型求解.模型转化上文建立的是非线性的多目标 整数匹配模型采用传统的求解方法非常困难甚至无法求解得到 整数解 通过观察模型特点和国际集装箱海运匹配问题的行业特征受匈牙利算法的启发设计该模型的有效求解方法 采用线性加权方法将多目标匹配模型转化为单目标模型进行求解 为保证三方海运匹配主体的公平性设每个目标的权重为/因此上述多目标匹配模型可转化为单目标模型如式()所示 国际集装箱海运匹配问题的本质是为确定关系的发货人和收货人匹配到满意度最大的船公司由于发货人和收货人在匹配之前就已经为确定的贸易关系可将发货人和收货人视为一对确定关系的贸易组合 由此借鉴指派问题的思想将三方主体的匹配问题转化为整数规划中的指派问题 借用匈牙利算法思想对模型进行求解 ()将确定收发关系的贸易组合即集合 ()发货人 对应的收货人 中的任意元素看作“人”负责实际承运的船公司 看作“事”贸易组合对船公司的整体满意度作为满意度矩阵.模型算法设计将多目标匹配模型转换成类似指派问题后可知这是一类特殊的整数规划问题即特殊的 武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月 规划问题借用匈牙利籍数学家康尼格提出的关于矩阵中独立零元素的定理来求解该问题因此称之为匈牙利解法 该定理已证明若从指派问题的系数矩阵 的某一行(或某一列)各元素同时减去一个常数 得到新的系数矩阵 此时以 和 为系数矩阵的指派问题具有相同的最优解 国际集装箱多目标匹配问题转化为指派问题后的模型算法步骤:以发货人和收货人建立的贸易组合作为行、船公司作为列他们之间相应的整体满意度为矩阵的元素构成满意度矩阵 选出满意度矩阵中最大值记作 用最大值 减去满意度矩阵中所有元素获得新的满意度矩阵 找出含有零元素的行划掉这些行 从划掉行后剩余的满意度矩阵中继续找出其中的最大值 重复步骤 步骤 若所有行都被划去则获得最优匹配否则转入步骤值得注意的是变换后的满意度矩阵中某行可能存在多个零元素表示贸易组合对于零元素所对应的多家船公司的满意度相等但是最终有且只能选择其中一家船公司进行运输变换后的满意度矩阵中某列允许同时存在多个零元素表示一家船公司可以同时承担多组运输任务符合现实匹配场景 实例分析国际集装箱海运匹配平台收到如下匹配任务:个发货人需从起运地上海港出口货物到目的地德国汉堡港、家符合起讫港要求的船公司和 个在目的港的收货人 发货人和收货人组成 组一一对应的贸易关系:(长荣贸易 沃尔玛)、(升升材料 普兰电子)、(新世界家居奥瑟商贸)、(徐记 茨尔林业)、(大唐木业 斯特家居)即发货人与收货人一一对应关系集合为 ()()()()()船公司分别为 马士基航运、地中海航运 和 中远海运 模型仅考虑货物为整箱的情况即一个集装箱仅有一名货主不存在拼箱货海运费以 箱型的集装箱为单位进行报价.数据来源国际集装箱海运匹配平台根据三方客户提交的匹配需求和实际调研情况统计给出了三方匹配主体在不同评价指标下的期望水平和实际水平具体如表 表 所示表 发货人对船公司关于指标 与 的期望水平 表 船公司关于指标 与 的实际水平 表 船公司对发货人关于指标、和 的期望水平 注:非常低很低低中等高很高非常高下同 鉴于某一家的发货人对于发货的时间是确定的即同一发货人对任意一家船公司的期望开航时间 是 相 同 的 期 望 的 开 航 时 间 为期望的开航时间为 期望的开航时间为 期望的开航时间为期望的开航时间为 同理同一家船公司对于任意一家发货人来说开航日期 都是相同的实际开航时间为的实际开航时间为 的实际开航时间为 第 卷 第 期兰龙辉等:国际集装箱海运服务多边多目标匹配研究表 发货人关于指标、和 的实际水平表 船公司对收货人关于指标、和 的期望水平表 收货人关于指标、和 的实际水平表 收货人对船公司关于指标、和 的期望水平由于某一的收货人对于期望的收货时间是确定的即同一收货人对于任意一家船公司的到港时间要求 是相同的收货人 期望的到港时间为 收货人 期望的到港时间为 收 货 人 期 望 的 到 港 时 间 为 收 货 人 期 望 的 到 港 时 间 为 收 货 人 期 望 的 到 港 时 间 为表 船公司关于指标 和 的实际水平 同理由于每个船公司的到港时间是确定的即同一家船公司对于任意一家收货人的实际到港时间 都 是 相 同 的 的 实 际 到 港 时 间 为的实际到港时间为 的实际到港时间为.模型计算国际集装箱海运匹配平台获得三方匹配主体之间相互评价的期望值和实际值后首先根据匹配指标所属的 种类型分别利用式()式()计算单个主体在单个评价指标下的满意度 其次组织行业专家评议各匹配指标的权重考虑到船期要求和回款账期是海运市场中最重要的两项指标最终确定各指标的权重向量为:(.)(.)(.)(.)再利用式()式()求得某个匹配主体在对应指标集合下的集结满意度 再次根据式()式()分别获得前后两段具有连乘关系的三方主体利益角度下的整武汉理工大学学报(信息与管理工程版)年 月体满意度 最后通过式()将三方的整体满意度进行集结得到三方互相评价后的最终满意度如表 所示表 发货人、收货人与船公司的整体满意度贸易组()船公司().().().().().将表 改写为指派问题中的满意度矩阵 利用前文设计的模型算法对满意度矩阵进行 次变换便可得到最优匹配矩阵:用图示法表达即为:、匹配结果表明船公司 承担了两项海运任务船公司承担了三项海运任务船公司 不承担运输任务符合模型的特征和现实情况 同时经过验证计算在目标函数权重系数不变时其他匹配方案上的三方主体满意度都会低于现有的匹配方案 因此本文在同时考虑了三方匹配主体满意度的基础上构建的模型所求得的匹配结果即为全局最优方案总之基于三方匹配主体的利益需求建立了多边多目标的海运服务匹配模型通过将模型转化为经典的指派问题受匈牙利解法的启发设计出可通过有限次迭代即可获得最优解的求解算法成功为发货人和收货人匹配到了满足各方要求的船公司进而促进国际集装箱海运服务高效运作.匹配主体权重系数敏感分析在模型求解过程中为保证三方匹配主体的公平性在将多目标转化为单目标的过程中三方主体的权重系数均相等 为探索不同权重系数对于最优匹配方案的影响分别对三方匹配主体的权重系数设置了 组不同的方案 利用前文的模型计算得到三方主体在不同权重系数下的最优匹配方案如表 所示表 三方匹配主体在不同权重系数下的最优匹配方案权重方案发货人船公司收货人最优匹配方案.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、.、第 卷 第 期兰龙辉等:国际集装箱海运服务多边多目标匹配研究 从 组不同权重系数配置下产生的最优匹配方案来看不同的主体权重对于匹配结果有较大影响但是在三方的权重系数越接近时最优匹配方案稳定在权重系数等于/时 因此从管理者的角度分析匹配平台应该结合实际注重不同集装箱海运匹配主体的市场地位以保证匹配的公平性和方案的最优性 结论()构建了以发货人、船公司和收货人为主体的多指标多边多目标的匹配模型 将匹配指标划分为效益型指标和成本型指标通过集结不同匹配主体在不同类型指标下的满意度在表达不同主体视角下的整体满意度中创新性地采用连乘符号连接前后段匹配环节的满意度刻画出国际海运服务选择的特点()在模型求解方面通过将多边多目标的匹配问题转化为非标准的指派问题借鉴匈牙利算法的思想设计出新颖且快捷有效的求解方法相较于传统的匈牙利算法该解法无需将行和列的数量转化为相等的矩阵减少了矩阵变换次数从而提高运算效率()区别于传统的独立零元素的定义该解法中允许行和列中存在多个零元素更加符合海运匹配市场的现实需求 文中所研究的模型和求解算法在一定程度上能够为国际集装箱海运服务匹配平台的相关管理者提供决策依据参考文献:.():.():.陈希樊治平李玉花.服务供需双边匹配的模糊多目标决策方法.管理学报():.万树平李登峰.具有不同类型信息的风险投资商与投资企业多指标双边匹配决策方法.中国管理科学():.许颖徐鑫周礼刚等.基于参考点相依效用的区间 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