葉德亮， 黃有方， 胡堅(jiān)堃

(上海海事大學(xué) 物流研究中心， 上海 201306)

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低碳模式下班輪航線配船問題研究

葉德亮*， 黃有方， 胡堅(jiān)堃

(上海海事大學(xué) 物流研究中心， 上海 201306)

在綠色低碳環(huán)保的大環(huán)境下，以一種新穎的視角研究班輪航線配船問題.在全球致力于環(huán)保減排的大趨勢(shì)下，碳的排放權(quán)也必將成為一種稀缺資源，隨著航運(yùn)業(yè)碳稅機(jī)制的逐步引入，由于碳稅成本的增加，將碳稅成本考慮進(jìn)班輪航線配船優(yōu)化模型中顯得非常必要.文章在經(jīng)典配船模型的基礎(chǔ)上建立了班輪航線配船新模型，推導(dǎo)出船舶燃耗與船舶往返航次時(shí)間、航次成本及年航次數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并在碳排放約束條件下進(jìn)行了優(yōu)化.并通過算例用LINGO軟件對(duì)模型進(jìn)行求解.研究表明：考慮碳排放約束和碳稅征收因素后，可以為在班輪的碳排放量有限量的情況進(jìn)行配船優(yōu)化，滿足客戶的需求且使船隊(duì)盈利.

低碳； 碳排放權(quán)； 班輪； 航線配船

低碳經(jīng)濟(jì)是以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)，應(yīng)對(duì)氣候變化背景下實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式，是人類社會(huì)繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后的又一次重大進(jìn)步.航運(yùn)業(yè)承擔(dān)了全球90%的貿(mào)易運(yùn)輸，由于它的排放具有移動(dòng)性、無界性和跨區(qū)域性的特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)的低碳發(fā)展也需要具備獨(dú)特的模式.研究報(bào)告顯示，目前航運(yùn)業(yè)每年CO2排放量超過12億t，約占全球碳排放總量的4%[1].如果不采取合理有效的措施，全球航運(yùn)業(yè)CO2排放量將在2050年翻番.長(zhǎng)期以來，各方通過各種途徑實(shí)施減排，主要有以下幾種途徑：(1)降低航速.航速降低20%，碳排放量將減少40%；(2)研發(fā)和應(yīng)用高效節(jié)能技術(shù)、可再生能源技術(shù)和溫室氣體減排技術(shù)，開發(fā)生態(tài)船舶節(jié)能成套技術(shù)；(3)以海運(yùn)燃油征稅為基礎(chǔ)，制定一個(gè)全球范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)氣體減排制度.“碳稅”是應(yīng)用稅收政策控制溫室氣體排放的減排方法，從環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)理論看，因CO2的排放量與燃料的含碳量直接相關(guān)，所以可以按燃料的含碳量向生產(chǎn)者或消費(fèi)者征收碳稅.近年來，尤其是“柏林授權(quán)“通過以后，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的締約方，紛紛推出各自的有關(guān)溫室氣體排放、保護(hù)全球氣候的政策和措施建議，征收CO2排放稅是其中的核心內(nèi)容之一.丹麥早在1991年，其議會(huì)就通過征收CO2排放稅的議案，而歐盟則考慮在其成員國(guó)內(nèi)引入一個(gè)統(tǒng)一的碳稅制度，以期改變消費(fèi)者和生產(chǎn)者的行為方式.出于環(huán)保目的考慮，歐盟考慮通過立法將航運(yùn)業(yè)納入歐盟碳排放交易體系中，希望有助于降低這個(gè)行業(yè)對(duì)氣候帶來的影響，歐盟在2013年試圖效仿航空業(yè)將航運(yùn)業(yè)納入歐盟碳排放交易體系，開始征收“航海碳稅”.國(guó)際海事組織也正在研究如何利用碳稅推動(dòng)國(guó)際航運(yùn)業(yè)減少CO2排放.因此，碳稅是當(dāng)前國(guó)際上應(yīng)對(duì)氣候變化問題的一項(xiàng)重要制度手段.這里姑且不論其技術(shù)上、政策上的可行性，至少可以證明碳稅制度已引起各國(guó)的重視，并且一些國(guó)家已開始實(shí)施.一旦航海碳稅征收，其對(duì)中國(guó)航運(yùn)業(yè)的影響不得不引人深思.隨著國(guó)際社會(huì)節(jié)能減排呼聲日益高漲，針對(duì)航運(yùn)業(yè)碳排放問題的博弈的不斷升級(jí)，溫室氣體減排的制度建設(shè)勢(shì)在必行，但要使得這種方式對(duì)海上的貨物運(yùn)輸帶來最小的負(fù)面影響，還有很長(zhǎng)的路要走.本文在全球低碳生產(chǎn)的大背景下，以碳稅征收制度為前提，研究在征收碳稅的情況下，船公司在進(jìn)行班輪航線配船時(shí)，一方面為充分利用班輪運(yùn)力，保證運(yùn)量，實(shí)現(xiàn)配船效率最優(yōu)化，另一方面在建立班輪配船模型時(shí)，引入碳稅征收系數(shù)，將碳稅征收成本考慮進(jìn)來，并通過CO2總量控制手段，限制碳排放量，使碳排放量控制在某一確定的范圍內(nèi)，在此基礎(chǔ)上討論集裝箱班輪公司航線配船的優(yōu)化問題.

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀

目前，集裝箱班輪運(yùn)輸是現(xiàn)代海上運(yùn)輸?shù)闹饕绞?班輪航線配船是航運(yùn)業(yè)組織運(yùn)輸工作的中心環(huán)節(jié).我國(guó)是航運(yùn)大國(guó)，航運(yùn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、對(duì)外貿(mào)易、社會(huì)發(fā)展的重要支撐.國(guó)家在政策方面也不斷向航運(yùn)業(yè)傾斜.《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于促進(jìn)航運(yùn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)健康發(fā)展的若干意見》、《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)船舶工業(yè)加快結(jié)構(gòu)調(diào)整促進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)施方案(2013-2015年)的通知》(國(guó)發(fā)〔2013〕29號(hào))中提出：減少運(yùn)力存量，優(yōu)化船隊(duì)結(jié)構(gòu)；促進(jìn)專業(yè)化、集約化經(jīng)營(yíng)；推進(jìn)安全綠色發(fā)展.

在目前的低碳大環(huán)境中，航運(yùn)業(yè)可以通過合理降低航速降低碳排放，但航速是班輪航線配船的重要影響因素之一，它不僅直接影響到船舶往返航次時(shí)間，而且影響到航次成本的計(jì)算及航線配船數(shù)，大部分航線配船模型中將航速假設(shè)為常數(shù)，這一假設(shè)是合理的，因?yàn)榘噍喴话阌袊?yán)格的班期要求，以經(jīng)濟(jì)航速航行，因此速度一般不適宜變化.除此以外，從控制碳排放量的角度考慮班輪航線上配船的并不多見.國(guó)內(nèi)外，關(guān)于班輪航線配船的研究成果很多.Shahin Gelareh， David Pisinger運(yùn)用混合整數(shù)線性規(guī)劃的方法，為遠(yuǎn)洋班輪服務(wù)提供商同步地設(shè)計(jì)班輪航線網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行班輪船隊(duì)規(guī)劃[2].Richa Agarwal，Ozlem Ergun針對(duì)船舶調(diào)度和貨運(yùn)班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，研究了船隊(duì)調(diào)度問題[3].Gelareh and Meng提出神經(jīng)整數(shù)混合規(guī)劃模型，研究涉及最優(yōu)航速的短期班輪配船問題[4].上述集裝箱班輪航線配船文獻(xiàn)中，解決了航線配船中船型選擇與船舶數(shù)量的確定這兩個(gè)關(guān)鍵問題.但是研究的背景中都沒有涉及到班輪船舶的碳排放問題.

國(guó)內(nèi)學(xué)者趙剛結(jié)合航運(yùn)業(yè)實(shí)際，對(duì)傳統(tǒng)的班輪配船模型進(jìn)行了改進(jìn)并提出迭代求解法，改進(jìn)后的模型更符合班輪運(yùn)輸?shù)膶?shí)際情況[5].楊秋平等人分析了船隊(duì)規(guī)劃的主要任務(wù)和基本目標(biāo)，歸納了該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，對(duì)船隊(duì)規(guī)劃采用的線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、仿真技術(shù)及其他研究方法進(jìn)行了理論梳理和評(píng)述，并指出了這一領(lǐng)域未來的研究重點(diǎn)與方向[6].此后，逐漸有學(xué)者將視角轉(zhuǎn)向涉及航速和低碳排放的研究，許歡等把船舶航速作為決策變量引入傳統(tǒng)的航線配船模型中，并且把船隊(duì)的CO2排放量作為優(yōu)化目標(biāo)之一，建立船隊(duì)利潤(rùn)最大與碳排放量最小兩個(gè)目標(biāo)最優(yōu)的雙目標(biāo)航線配船模型[7].但是將速度作為決策變量對(duì)于班輪這“五定”的運(yùn)輸方式而言是不太適合的，因?yàn)樗俣仍诎噍啝I(yíng)運(yùn)過程中受班期的限定變化的范圍極其有限.因此，本文假設(shè)船舶以固定經(jīng)濟(jì)航速航行的前提下研究配船問題.從以往學(xué)者的研究中可以看出，班輪航線配船的模型多種多樣，成果也十分豐富，考慮的配船目的也不盡相同，但是在低碳經(jīng)濟(jì)的模式下考慮班輪航線的配船優(yōu)化問題的并不多，所以，本文結(jié)合全球低碳環(huán)保大背景，引入碳稅機(jī)制，在考慮碳稅成本后進(jìn)行班輪航線配船模型的優(yōu)化.

2 模型建立

2.1 問題描述

設(shè)某船公司經(jīng)營(yíng)的航線有r條，集合為R，第r條航線上規(guī)劃期正向貨運(yùn)量預(yù)測(cè)為Qr.公司擁有船舶k種類型，集合為K，航次裝載能力分別為N1，N2，…，Nk的k種船型.公司的年碳排放量是有計(jì)劃指標(biāo)的.船公司在班輪運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)中面臨這樣一類決策:如何根據(jù)航線上的貨運(yùn)量，并根據(jù)歷史需求和預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)以及其它公司的發(fā)船頻率確定合理的發(fā)班頻率，最合理地將班輪船隊(duì)中不同類型的船舶配置到各條航線上，建立航線配船模型，使經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)最大化，取得良好效益.本節(jié)將在現(xiàn)有配船模型的基礎(chǔ)上考慮一旦碳稅政策實(shí)施，碳排放量的供應(yīng)受到約束，在配船模型中加入碳排放約束后如何進(jìn)行配船的問題.

2.2 條件假設(shè)

1)船公司擁有船舶數(shù)量一定，研究期內(nèi)不考慮新建船舶，不租船;2)航線上班輪掛靠港口順序確定，按時(shí)入港離港，不允許脫班;3)規(guī)劃期內(nèi)每條航線上的年貨運(yùn)量已知，且均勻發(fā)生;4)同一航線上航速相同，且在期初確定，期內(nèi)保持不變;5)規(guī)劃期內(nèi)班輪發(fā)班頻率保持不變;6)規(guī)劃期內(nèi)每條航線上的碳排放量一定;7)規(guī)劃期為1年.

2.3 班輪航線配船相關(guān)技術(shù)指標(biāo)說明

2.3.1 班輪營(yíng)運(yùn)成本構(gòu)成

1)船舶每航次的變動(dòng)成本

主機(jī)功率與航速之間近似成3次方的關(guān)系.根據(jù)試驗(yàn)分析，在一定的相似條件下，船舶排水量Δ，主機(jī)功率PM和航速s之間存在如下近似關(guān)系[8]：

(1)

如果將主機(jī)油耗成本與主機(jī)功率之間成正比，且有關(guān)系式：

(2)

(3)

則有航次總成本：

(4)

2)第k型船在第r航線上每往返航次的單船油耗量可表示為：

(5)

整個(gè)船隊(duì)全年的燃油消耗量可用表示為:

(6)

將(6)式乘上CO2的轉(zhuǎn)化系數(shù)(這里采用IPCC的系數(shù)，即1噸船用燃油約產(chǎn)生3.17 t CO2)[9].

2.3.2 配船模型 與模型相關(guān)的參數(shù)說明如下.

(7)

s1r=s2r=…=skr=sr(r=1，2，…，n).

式(8)為航線配船數(shù)量約束；式(9)為班輪運(yùn)力約束；式(10)為班輪發(fā)船頻率約束；式(11)為CO2排放量約束；(12)表明CO2排放量是碳稅征收系數(shù)的函數(shù)；式(13)保證決策變量的非負(fù)性和整數(shù)性.

3 仿真計(jì)算

以某船公司的現(xiàn)實(shí)規(guī)模的運(yùn)力配置問題為例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，該船公司擁有3種噸位的集裝箱船舶共19艘，分別是5250TEU 5艘、3700TEU 8艘、2700TEU 6艘.現(xiàn)開辟班輪航線4條,其船隊(duì)及航線的基本情況如表1～表6所示.

表1 研究期內(nèi)船隊(duì)情況及航線基本情況

表2 各型船燃油消耗技術(shù)指標(biāo)

表3 每艘k型船在r航線上每年可完成的最大往返航次數(shù)nkr

表4 油價(jià)情況

表5 碳排放供應(yīng)量

表6 船舶每航次的固定成本

用LINGO軟件求解得配船方案如下：

表7 低碳環(huán)境下船公司配船方案

4 對(duì)比分析

通過比較發(fā)現(xiàn)，在引入碳排放約束前后都能得到班輪最優(yōu)的配船方案.現(xiàn)有條件下的配船方案船隊(duì)年最大利潤(rùn)為862 340萬元，而在引入碳稅機(jī)制所導(dǎo)致的碳排放約束后船隊(duì)年最大利潤(rùn)為409 045萬元，年利潤(rùn)明顯下降.結(jié)果表明，碳排放量約束對(duì)船隊(duì)盈利預(yù)期有重大影響.在適宜航行期內(nèi)k型船在航線r上往返航次數(shù)方面，加入碳排放約束后，次數(shù)有所下降，進(jìn)一步證明碳排放約束對(duì)班輪配船的重大影響.這也預(yù)示著碳稅制度引入后對(duì)整個(gè)班輪航運(yùn)的巨大影響.

表8 現(xiàn)有條件下船公司配船方案

在碳排放約束條件下，通過引入碳稅征收機(jī)制，考慮稅收成本的前提下，針對(duì)不同水平的征收系數(shù)，進(jìn)行了配船.進(jìn)一步分析，得出以下結(jié)論：

1)船隊(duì)最優(yōu)收益與碳稅征收系數(shù)成反比，表明碳稅機(jī)制的引入有使船隊(duì)收益下降的趨勢(shì).但是由于碳稅機(jī)制的引入是實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的途徑之一，使得船隊(duì)收益下降成為必然.通過對(duì)以碳稅機(jī)制為前提的配船模型的優(yōu)化，仍然可以得出最優(yōu)的配船方案.從時(shí)間角度考察，短期內(nèi)碳稅會(huì)抑制消費(fèi)需求，使得運(yùn)量下降，從而抑制經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，但從中長(zhǎng)期來看，碳稅將促進(jìn)相關(guān)替代產(chǎn)品的研發(fā)，降低環(huán)境治理成本，有利于經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展.

表9 不同碳稅征收系數(shù)下班輪配船的方案以及利潤(rùn)情況

2) 船隊(duì)最優(yōu)收益隨著碳稅征收系數(shù)的提高而下降，證明碳稅征收系數(shù)確實(shí)有可能成為班輪航線配船重要影響因素.這是符合低碳經(jīng)濟(jì)大背景下航運(yùn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)的.把碳稅成本考慮進(jìn)班輪配船即是低碳模式發(fā)展航運(yùn)業(yè)的必然要求，也是進(jìn)行配船模型優(yōu)化的方向.

5 結(jié)論

航線配船與船隊(duì)規(guī)劃問題一直是航運(yùn)業(yè)關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，本文從新的視角，重新審視和研究了當(dāng)全球碳排放權(quán)利受到限制，碳稅成本成為配船模型優(yōu)化需要考慮的因素時(shí)，集裝箱班輪航線配船問題.結(jié)果顯示在增加碳排放量約束后也是可以制定出使公司利潤(rùn)最大化的方案的.低碳經(jīng)濟(jì)是未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新趨勢(shì)，面臨環(huán)境保護(hù)的必要性和緊迫性雙重壓力下，航運(yùn)業(yè)的碳排放也將逐步受到關(guān)注，相應(yīng)地減排措施和制度也將逐步建立.本課題組擬接下來研究具體的碳排放量的確定機(jī)制，并在航空碳排放稅征收的基礎(chǔ)上討論碳稅一旦實(shí)施對(duì)航運(yùn)業(yè)的影響.

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Study on fleet deployment question for liners with low carbon pattern

YE Deliang， HUANG Youfang， HU Jiankun

(Logistics Research Center，Shanghai Maritime Univeristy， Shanghai 201306)

This paperstudy on fleet deployment question for Liners basing on green and low carbon environmental protection in a novel perspective. In the trend of global commitment toenvironmental protection and emission reduction， the rights of carbon emissions will also become a kind of scarce resources，with the carbon tax mechanism of shipping industry was introduced gradually ，due to the increase in the carbon tax cost， the carbon tax cost’s considerations into the fleet deployment optimization model is very necessary. This paper establishes a new model of fleet deployment based on the classical model， deduced the mathematical relationship between oil consumption and round-trip time， voyage cost and the voyage times， and optimized in carbon emission constraint conditions. And through an exampleto solve the model by using Lingo. Research result shows that: After considering the constraints of carbon emission and carbon taxfactors， fleet deployment for liners can be achieved and optimized with limited carbon emissions situation， meet the needs of the customers and make profits for the company．

low carbon; carbon emissions rights; liner; ships routing

2014-10-11.

教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20123121110004).

1000-1190(2015)02-0322-05

F550.74

A

*E-mail: 1160419983@qq.com．