低碳模式下班輪航線配船問題研究

葉德亮， 黃有方， 胡堅堃

(上海海事大學 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， 胡堅堃

(上海海事大學 物流研究中心， 上海 201306)

在綠色低碳環保的大環境下，以一種新穎的視角研究班輪航線配船問題.在全球致力于環保減排的大趨勢下，碳的排放權也必將成為一種稀缺資源，隨著航運業碳稅機制的逐步引入，由于碳稅成本的增加，將碳稅成本考慮進班輪航線配船優化模型中顯得非常必要.文章在經典配船模型的基礎上建立了班輪航線配船新模型，推導出船舶燃耗與船舶往返航次時間、航次成本及年航次數之間的數學關系式，并在碳排放約束條件下進行了優化.并通過算例用LINGO軟件對模型進行求解.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行配船優化，滿足客戶的需求且使船隊盈利.

低碳； 碳排放權； 班輪； 航線配船

低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎，應對氣候變化背景下實現可持續發展的經濟增長模式，是人類社會繼農業文明、工業文明之后的又一次重大進步.航運業承擔了全球90%的貿易運輸，由于它的排放具有移動性、無界性和跨區域性的特點，要實現航運業的低碳發展也需要具備獨特的模式.研究報告顯示，目前航運業每年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，全球航運業CO2排放量將在2050年翻番.長期以來，各方通過各種途徑實施減排，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)研發和應用高效節能技術、可再生能源技術和溫室氣體減排技術，開發生態船舶節能成套技術；(3)以海運燃油征稅為基礎，制定一個全球范圍內的溫室效應氣體減排制度.“碳稅”是應用稅收政策控制溫室氣體排放的減排方法，從環境經濟學理論看，因CO2的排放量與燃料的含碳量直接相關，所以可以按燃料的含碳量向生產者或消費者征收碳稅.近年來，尤其是“柏林授權“通過以后，一些發達國家的締約方，紛紛推出各自的有關溫室氣體排放、保護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容之一.丹麥早在1991年，其議會就通過征收CO2排放稅的議案，而歐盟則考慮在其成員國內引入一個統一的碳稅制度，以期改變消費者和生產者的行為方式.出于環保目的考慮，歐盟考慮通過立法將航運業納入歐盟碳排放交易體系中，希望有助于降低這個行業對氣候帶來的影響，歐盟在2013年試圖效仿航空業將航運業納入歐盟碳排放交易體系，開始征收“航海碳稅”.國際海事組織也正在研究如何利用碳稅推動國際航運業減少CO2排放.因此，碳稅是當前國際上應對氣候變化問題的一項重要制度手段.這里姑且不論其技術上、政策上的可行性，至少可以證明碳稅制度已引起各國的重視，并且一些國家已開始實施.一旦航海碳稅征收，其對中國航運業的影響不得不引人深思.隨著國際社會節能減排呼聲日益高漲，針對航運業碳排放問題的博弈的不斷升級，溫室氣體減排的制度建設勢在必行，但要使得這種方式對海上的貨物運輸帶來最小的負面影響，還有很長的路要走.本文在全球低碳生產的大背景下，以碳稅征收制度為前提，研究在征收碳稅的情況下，船公司在進行班輪航線配船時，一方面為充分利用班輪運力，保證運量，實現配船效率最優化，另一方面在建立班輪配船模型時，引入碳稅征收系數，將碳稅征收成本考慮進來，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，在此基礎上討論集裝箱班輪公司航線配船的優化問題.

1 國內外相關研究現狀

目前，集裝箱班輪運輸是現代海上運輸的主要方式.班輪航線配船是航運業組織運輸工作的中心環節.我國是航運大國，航運業是國民經濟、對外貿易、社會發展的重要支撐.國家在政策方面也不斷向航運業傾斜.《交通運輸部辦公廳關于促進航運業轉型升級健康發展的若干意見》、《國務院關于印發船舶工業加快結構調整促進轉型升級實施方案(2013-2015年)的通知》(國發〔2013〕29號)中提出：減少運力存量，優化船隊結構；促進專業化、集約化經營；推進安全綠色發展.

在目前的低碳大環境中，航運業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間，而且影響到航次成本的計算及航線配船數，大部分航線配船模型中將航速假設為常數，這一假設是合理的，因為班輪一般有嚴格的班期要求，以經濟航速航行，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.國內外，關于班輪航線配船的研究成果很多.Shahin Gelareh， David Pisinger運用混合整數線性規劃的方法，為遠洋班輪服務提供商同步地設計班輪航線網絡和進行班輪船隊規劃[2].Richa Agarwal，Ozlem Ergun針對船舶調度和貨運班輪運輸網絡設計，研究了船隊調度問題[3].Gelareh and Meng提出神經整數混合規劃模型，研究涉及最優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中，解決了航線配船中船型選擇與船舶數量的確定這兩個關鍵問題.但是研究的背景中都沒有涉及到班輪船舶的碳排放問題.

國內學者趙剛結合航運業實際，對傳統的班輪配船模型進行了改進并提出迭代求解法，改進后的模型更符合班輪運輸的實際情況[5].楊秋平等人分析了船隊規劃的主要任務和基本目標，歸納了該領域的研究進展，對船隊規劃采用的線性規劃、整數規劃、動態規劃、仿真技術及其他研究方法進行了理論梳理和評述，并指出了這一領域未來的研究重點與方向[6].此后，逐漸有學者將視角轉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的航線配船模型中，并且把船隊的CO2排放量作為優化目標之一，建立船隊利潤最大與碳排放量最小兩個目標最優的雙目標航線配船模型[7].但是將速度作為決策變量對于班輪這“五定”的運輸方式而言是不太適合的，因為速度在班輪營運過程中受班期的限定變化的范圍極其有限.因此，本文假設船舶以固定經濟航速航行的前提下研究配船問題.從以往學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，但是在低碳經濟的模式下考慮班輪航線的配船優化問題的并不多，所以，本文結合全球低碳環保大背景，引入碳稅機制，在考慮碳稅成本后進行班輪航線配船模型的優化.

2 模型建立

2.1 問題描述

設某船公司經營的航線有r條，集合為R，第r條航線上規劃期正向貨運量預測為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劃指標的.船公司在班輪運輸經營中面臨這樣一類決策:如何根據航線上的貨運量，并根據歷史需求和預測的數據以及其它公司的發船頻率確定合理的發班頻率，最合理地將班輪船隊中不同類型的船舶配置到各條航線上，建立航線配船模型，使經營利潤最大化，取得良好效益.本節將在現有配船模型的基礎上考慮一旦碳稅政策實施，碳排放量的供應受到約束，在配船模型中加入碳排放約束后如何進行配船的問題.

2.2 條件假設

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

2.3 班輪航線配船相關技術指標說明

2.3.1 班輪營運成本構成

1)船舶每航次的變動成本

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

(1)

如果將主機油耗成本與主機功率之間成正比，且有關系式：

(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)

整個船隊全年的燃油消耗量可用表示為:

(6)

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

2.3.2 配船模型 與模型相關的參數說明如下.

(7)

s1r=s2r=…=skr=sr(r=1，2，…，n).

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

3 仿真計算

以某船公司的現實規模的運力配置問題為例進行仿真實驗，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.現開辟班輪航線4條,其船隊及航線的基本情況如表1～表6所示.

表1 研究期內船隊情況及航線基本情況

表2 各型船燃油消耗技術指標

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nkr

表4 油價情況

表5 碳排放供應量

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 低碳環境下船公司配船方案

4 對比分析

通過比較發現，在引入碳排放約束前后都能得到班輪最優的配船方案.現有條件下的配船方案船隊年最大利潤為862 340萬元，而在引入碳稅機制所導致的碳排放約束后船隊年最大利潤為409 045萬元，年利潤明顯下降.結果表明，碳排放量約束對船隊盈利預期有重大影響.在適宜航行期內k型船在航線r上往返航次數方面，加入碳排放約束后，次數有所下降，進一步證明碳排放約束對班輪配船的重大影響.這也預示著碳稅制度引入后對整個班輪航運的巨大影響.

表8 現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制，考慮稅收成本的前提下，針對不同水平的征收系數，進行了配船.進一步分析，得出以下結論：

1)船隊最優收益與碳稅征收系數成反比，表明碳稅機制的引入有使船隊收益下降的趨勢.但是由于碳稅機制的引入是實現低碳經濟的途徑之一，使得船隊收益下降成為必然.通過對以碳稅機制為前提的配船模型的優化，仍然可以得出最優的配船方案.從時間角度考察，短期內碳稅會抑制消費需求，使得運量下降，從而抑制經濟增長，但從中長期來看，碳稅將促進相關替代產品的研發，降低環境治理成本，有利于經濟的健康發展.

表9 不同碳稅征收系數下班輪配船的方案以及利潤情況

2) 船隊最優收益隨著碳稅征收系數的提高而下降，證明碳稅征收系數確實有可能成為班輪航線配船重要影響因素.這是符合低碳經濟大背景下航運業的發展趨勢的.把碳稅成本考慮進班輪配船即是低碳模式發展航運業的必然要求，也是進行配船模型優化的方向.

5 結論

航線配船與船隊規劃問題一直是航運業關注和研究的熱點，本文從新的視角，重新審視和研究了當全球碳排放權利受到限制，碳稅成本成為配船模型優化需要考慮的因素時，集裝箱班輪航線配船問題.結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最大化的方案的.低碳經濟是未來經濟發展的新趨勢，面臨環境保護的必要性和緊迫性雙重壓力下，航運業的碳排放也將逐步受到關注，相應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制，并在航空碳排放稅征收的基礎上討論碳稅一旦實施對航運業的影響.

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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.

教育部博士點基金項目(20123121110004).

1000-1190(2015)02-0322-05

F550.74

A

*E-mail: 1160419983@qq.com．