混合不确定性下的港口决策：两阶段方法实现循环经济

论文题目：Digital Twin-integrated circular Dry Port-Seaport network with smart contract and viability Dimensions

第一作者：Shabnam Rekabi 伊朗德兰黑大学博士生，以机器学习、数据驱动和各类量化优化方法为核心手段，结合工业4.0/5.0、物联网技术，聚焦应急物资配送医药等领域的可持续、韧性、智能化供应链与物流网络设计优化。

E-mail：shanam.rekabi7313@ut.ac.ir

通讯作者：Zeinab Sazvar 伊朗德黑兰大学工业工程系副教授，研究以工业 4.0/5.0、循环经济、物联网为核心背景，聚焦供应链与物流领域的多维度优化。E-mail：sazvar@ut.ac.ir

混合不确定性下的港口决策：两阶段方法实现循环经济

论文摘要

工业4.0推动了供应链的数字化，但随着工业5.0（I5.0）的提出，物流设计正在从强调效率转向强调人本性、韧性与可持续性。传统的干港‑海港网络（DPSLN）模型主要关注成本和效率，缺乏对人—机合作、循环经济和混合不确定性的系统考虑。本文在此背景下提出一个以可行性为核心的两阶段决策框架。第一阶段采用随机模糊最劣–最优法（SFBWM），基于可持续性、灵活性、数字化和韧性等维度评估潜在干港；第二阶段构建多目标多周期混合整数规划（MOMIP）模型，在混合不确定性下，通过数字孪生（DT）和智能合约等技术优化网络配置，目标同时涵盖经济、社会与环境绩效。模型通过模糊鲁棒随机（FRS）优化与新开发的随机元目标规划（SMGP）求解，研究以南伊朗港口为例，验证模型有效性。结果表明，DT可降低18%的总成本并使出口增幅29%，智能合约提高透明度45%且缩短交付时间25%。该研究不仅为传统DPSLN向I5.0转型提供路线图，也为港口决策者提供了可持续、韧性和人本的管理启示。

一、研究背景与问题定义

1.1 工业5.0与可行供应链

• 工业4.0引入了数字孪生、物联网和人工智能等技术，提高了港口和干港的效率与可追溯性。然而，其技术导向忽视了劳动力福祉和系统韧性。
• 工业5.0（I5.0）强调将人本、可持续和韧性理念融入技术应用，通过人—机协同提升供应链弹性和社会价值。
• 可行性理论认为供应链应在不确定环境下维持适应性、自治性和系统一致性。在干港‑海港网络中，实现韧性、敏捷和循环性等特性是可行网络的核心。

1.2 研究对象与挑战

• 干港‑海港网络（DPSLN）：干港承担海港的海关、仓储和税务功能，缓解沿海拥堵并促进内陆连通。
• 研究空白：现有模型多关注成本与效率，忽略人本和循环经济理念。此外，智能合约在干港与回收中心间应用有限，混合不确定性（随机与模糊因素共存）尚缺系统研究。
• 目标问题：构建兼顾经济、社会与环境绩效的可行循环DPSLN，将数字孪生、智能合约和循环经济整合到网络设计中，以应对混合不确定性并提升韧性和人本价值。

二、两阶段决策框架与模型构建

2.1 决策框架与关键维度

下图展示了本文设计的两阶段决策框架：第一阶段利用 SFBWM 评估干港优先级，第二阶段通过混合整数规划优化网络配置。

图1 描述了海港、干港、农场/回收中心和终端客户之间的物流流向，包括出口和进口路线以及废弃物再循环。此网络强调了循环经济在DPSLN中的重要性，废弃物经回收中心转化为能源或堆肥。

图2 概述了可行循环DPSLN的六个关键维度：【可持续性】【韧性】【灵敏性】【人本性】【数字化】和【循环经济】。这些维度是后续指标选择和模型目标的重要基础。

图3 展示了两阶段决策结构。第一阶段通过 SFBWM 确定各干港的权重和优先级；第二阶段在此基础上构建多目标模型，综合经济、社会和环境目标，采用 FRS 处理混合不确定性并通过 SMGP 求解。

图4 为概念框架，揭示 I5.0 各维度（数字孪生、智能合约、人本、韧性、可持续性、循环经济）如何共同作用，构建具有可行性的干港网络。

2.2 第一阶段：随机模糊最劣–最优法（SFBWM）

• 指标设计：根据可持续性、敏捷性、数字化和韧性等方面，选取六项指标，包括就业创造潜力、土地可获得性、空气质量、危机管理基础设施、高服务水平和新技术培训潜力。
• 方法特点：SFBWM 在最劣—最优法基础上引入模糊数和随机性，同时考虑专家评估的模糊性和参数的不确定性。通过求解非线性规划得出各指标权重和干港得分。

2.3 第二阶段：多目标混合整数规划模型

• 决策变量：包括干港选址、运输量（道路、铁路）、智能合约选择、数字孪生部署、回收与再利用量等。

• 目标函数：模型设定三类目标：

1. 经济目标：最小化运输成本、缺货成本、装卸成本及合同费用等。
2. 发展目标：最大化未开发干港的利用率与就业机会。
3. 综合目标：通过归一化理想解，兼顾环境（减排与回收）、响应性、敏捷性和透明度。

• 约束条件：包括需求平衡、容器流守恒、容量限制、合同选择和碳交易政策（CAPT）等。如需求平衡约束：

保证出口业务满足客户需求。

• 混合不确定性处理：采用模糊鲁棒随机（FRS）方法处理随机、模糊和鲁棒三类不确定性。

• 求解方法：为避免传统目标规划的计算复杂度和不透明性，文中提出随机元目标规划（SMGP）。SMGP利用场景概率和目标权重，求解各场景下目标的偏差，并通过新增变量  捕捉正、负偏离，从而在多目标之间实现理性折衷。

三、案例研究与结果分析

3.1 南伊朗干港网络选址

研究以伊朗南部8个海港和10个候选干港为案例。通过 SFBWM 计算各指标权重（见表1：危机管理基础设施权重为 0.2354，服务水平为 0.2276 等）。最终 SFBWM 选出 DPs 1、2、4、5、6、10 为首选干港。

3.2 二阶段模型结果

图5 展示了案例中海港、干港和客户的位置分布。在第二阶段，模型选择启用干港 1、2、4、10 与海港 2、3、4、7，并通过智能合约连接干港与回收中心。

获得的主要指标值为：经济目标 ，发展目标 ，综合目标 ，表明在兼顾成本的基础上达到了较好的就业和环境绩效。

3.3 敏感性分析与技术评估

• 需求波动：在 ±30% 的需求场景下，总成本随需求增加而上升，未满足需求成本在需求增幅 30% 时增长 33%。为应对峰值需求，建议短期外包或加班而非立即扩建干港。
• 数字孪生效应：采用 DT 可将工人缺勤率下降约 20%，使总成本降低 18%，出口箱量增加 29%。DT 通过实时监控和预测分析提升响应性，但初期需要传感器和数据平台投入。
• 全渠道策略（OCS）：OCS 提升客户忠诚度，进口出口箱量增加约 26%。然而，复杂多渠道管理会增加运营成本，效果受客户数字化成熟度和企业规模影响。
• 智能合约影响：开启智能合约虽增加少量成本，但可将透明度提高 45%，将交付时间缩短 25%。技术应用须结合法律和标准化协议逐步推广。

3.4 管理启示与创新贡献

• 综合系统思维：将 I5.0 理念与 可行性 理论结合，构建兼顾经济效益、环境保护和社会责任的物流网络，实现从工业4.0到5.0的跨越。
• 技术赋能管理：通过数字孪生、全渠道和智能合约实现人—机协同，提高系统可视化和透明度，降低人因错误，增强韧性和敏捷性。
• 混合不确定性建模：首次在DPSLN问题中综合应用 SFBWM、FRS 与新提出的 SMGP 方法，处理专家评估和运营环境中的模糊与随机因素，提高决策稳健性。
• 政策建议：建议港口主管部门分阶段投资危机管理设施与 DT 技术，先在评分最高的干港试点；物流企业应谈判灵活的多模式合同并根据需求压力调整模式；政策制定者可通过绿色债券或韧性补贴引导企业采用智能合约和循环经济。

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