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基于随机规划模型的原油海运供应链网络韧性优化

期刊:大连海事大学专业学位硕士学位论文

类型a:学术研究报告

本研究报告针对大连海事大学交通运输硕士郇蒙蒙(学号1120211584)于2024年6月完成的专业学位硕士学位论文《基于随机规划模型的原油海运供应链网络韧性优化》(Optimizing the Resilience of Crude Oil Shipping Supply Chain Network Based on Stochastic Planning Model)进行学术解读。该研究由钟铭教授指导,研究背景源于中国原油进口高度依赖海运(占比90%)且供应链脆弱性突出的现实问题。

在学术背景方面,该研究立足两个核心领域:一是供应链韧性(Supply Chain Resilience)理论,强调系统在扰动中保持功能和快速恢复的能力;二是随机规划(Stochastic Programming)方法,用于处理不确定性决策问题。研究团队注意到当前原油供应链研究存在三方面局限:(1)多数研究仅聚焦特定阶段(如中断后恢复)而缺乏全周期韧性分析;(2)确定性模型难以反映真实扰动的不确定性;(3)海运网络特有的地理政治风险未被充分量化。因此,研究旨在通过构建两阶段随机规划框架,开发覆盖预防-响应全过程的韧性优化方案。

研究流程包含五个关键环节:

第一阶段是系统建模与韧性策略设计。基于中国实际进口数据(2022年海关统计),构建包含28个供应源节点(如沙特、俄罗斯)、15个海峡/运河节点(如马六甲海峡)和9个接卸港(如宁波舟山港)的网络拓扑结构(详见图2.1-2.3)。创新性提出五项韧性策略:长期供应合同(Long-term Contracts)、接卸港加固(Port Fortification)、战略储备(Strategic Reserves)、进口比例优化(Import Ratio Optimization)和航线运量优化(Route Capacity Adjustment),并将其分类为预防型与应对型策略(表3.1)。

第二阶段建立两阶段随机规划模型。第一阶段决策涉及韧性策略的预配置(如储备库容量),第二阶段则模拟扰动后的应急调整。关键技术突破体现在:1)采用蒙特卡洛模拟(Monte Carlo Simulation)生成包含概率-强度二维参数的扰动情景集合;2)定义韧性水平量化指标α(0-1区间),约束条件要求系统在扰动后保持α比例的需求满足能力;3)通过样本均值近似(Sample Average Approximation)将随机模型转化为确定性等价问题。

第三阶段设计求解算法。针对模型高维特性开发改良的Benders分解算法(Benders Decomposition),主问题处理策略选择,子问题评估情景表现。算法通过Gurobi求解器实现,相比直接求解效率提升43%(表4.6)。创新性引入间隙收敛标准(Gap<0.1%)作为终止条件,最优解验证过程如图3.2所示。

第四阶段开展案例验证。基于真实数据构建算例:1)供应源参数包含最大供应量、长期合同溢价等(表4.1);2)航线数据涵盖距离、通过成本等(附录A);3)接卸港参数含库存上限、加固成本等(表4.4)。通过控制变量法分析发现:当韧性水平α从0.7提升至0.9时,总成本增加23.7%(图4.1),战略储备比例从38%升至52%(图4.2),俄罗斯供应节点利用率提高19%(图4.3),马六甲海峡流量占比下降11%(图4.4)。

第五阶段策略有效性验证。通过组合实验证明:单独实施战略储备策略仅能提升韧性7.2%,而五策略协同可使韧性提升31.5%同时降低成本14.8%(图4.5)。算法性能测试显示,在1000次扰动情景下,Benders分解算法求解时间较常规方法缩短62%(表4.6)。

研究得出三个核心结论:1)高韧性需求(α>0.8)将显著改变策略结构,表现为储备强度非线性增长和运输路径多元化;2)中东供应源的”高集中度-高风险”特性需要通过俄罗斯/非洲多源采购平衡(表2.1);3)港口加固与战略储备的协同效应最为显著,可降低应急运输成本27%。

该研究的科学价值体现在:1)首创将两阶段随机规划应用于海运网络韧性优化;2)提出的α约束方法为韧性量化提供新范式;3)开发的分解算法解决高维情景的求解难题。实践层面上,研究为中国原油供应链提出三方面建议:1)建立动态储备机制,将战略储备比例基准设定为45%;2)优先加固宁波、湛江等关键港口;3)开发中东-非洲双通道运输方案。

本研究的突出亮点在于:1)首次系统量化地缘政治风险对海运网络的影响,通过情景生成技术模拟霍尔木兹海峡封锁等极端事件;2)提出的韧性策略体系被证明可使系统在30%节点失效时仍维持85%运力;3)构建的模型可扩展至LNG(液化天然气)、铁矿石等战略物资供应链。未来研究可进一步整合强化学习算法以应对动态扰动环境。

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