低碳經濟下長三角小內河集裝箱運輸網絡優化

段雪妍， 范 琛

(1. 上海海事大學 經濟管理學院， 上海 201306； 2. 同濟大學 經濟管理學院， 上海 200092)

低碳經濟下長三角小內河集裝箱運輸網絡優化

段雪妍1， 范 琛2

(1. 上海海事大學 經濟管理學院， 上海 201306； 2. 同濟大學 經濟管理學院， 上海 200092)

針對低碳經濟下的內河集裝箱運輸網絡優化問題，建立最低周轉量和航道優化改造模型。在此基礎上，對長三角小內河集裝箱運輸網絡優化改造進行仿真研究，分別針對2015年、2020年和2030年的運輸需求及不同預算情況給出航道優化改造方案。這些方案對有效降低無效集裝箱周轉量和碳排放量具有重要意義，可為相關研究提供理論支持。

交通運輸經濟學； 網絡優化； 集裝箱； 低碳； 長三角小內河

Abstract: To deal with the problem of inland container transport network optimization, a minimum turnover model and a network construction optimization model considering limited budget are established. According to the forecast of transportation demand and diffent budgets in 2015, 2020 and 2030, several construction solutions are proposed based on simulation study. These solutions optimize the transportation distance, so that the low-carbon purpose can be achieved.

Keywords: traffic transport economics; network optimization； container； low-carbon； Yangtze River delta

在低碳經濟下，內河集裝箱運輸因具有成本低、運量大和污染小等優勢而得到廣泛關注。[1-2]上海、杭州、嘉興、湖州、蘇州、無錫和常州等7個城市經濟發達、內河水網密布，是我國發展內河集裝箱運輸條件最為成熟的地區之一(稱為“長三角小內河”)。目前該地區集裝箱運輸尚處于起步階段，高等級航道網絡尚未形成，加上老舊橋梁、船閘及彎道等因素限制，其內河集裝箱運輸航線并不是最優路徑，無效貨物周轉量和碳排放量較大，航道網絡有待優化改造。[3]

已有學者對內河集裝箱運輸網絡優化進行研究。陳飛兒等[4]采用Dijkstra算法分析上海內河航道最短路徑，并提出改造方案；劉帥[5]基于復雜網絡理論研究中三角區域至上海集裝箱運輸路徑的優化問題；羅月蕾[6]將碳排放量轉化為碳排放成本，構建以總成本最低為目標的集裝箱內陸集疏運網絡優化模型；胡鑫博[7]研究嘉興市內河集裝箱水路網絡線路優化問題。然而，上述研究較少考慮碳排放和航道改造預算。這里針對長三角小內河集裝箱運輸網絡，基于低碳視角構建降低內河集裝箱周轉量和航道改造優化的仿真模型，并進行仿真分析，得到多種預算下的航道優化改造方案。

1 長三角小內河集裝箱運輸網絡

1.1長三角小內河集裝箱運輸情況

長三角小內河轄區內的內河航道總里程為12 942 km，其中4級及以上等級航道的里程約占總里程的14%，具體航道等級和分布情況見圖1。

目前營運的內河集裝箱航線主要有4條，分別為：嘉興內河港—杭申線—黃浦江—外高橋港區；湖州安吉港—梅湖線—長湖申線—黃浦江—共青碼頭—外高橋港區；無錫內河港—京杭大運河—蘇申外港線—黃浦江—外高橋港區；杭州東洲港區-杭申線-黃浦江-外高橋港區。根據規劃，上海將于十三五期間建成外高橋內河集裝箱港區和蘆潮港內河集裝箱港區，預測兩個港口集裝箱年吞吐量將分別達到100萬TEU和200萬TEU。但是，由于目前長三角小內河尚未完全形成高等級航道網，部分航道等級較低，這勢必會影響長三角小內河集裝箱的發展，導致船舶繞道航行，增加無效內河運輸周轉量和無效碳排放量。

1.2航道網的抽象和簡化

根據圖1所示的長三角小內河主要航道情況，抽取主要航道和節點，簡化成圖2所示的集裝箱運輸網絡結構，其中：線上數字表示航道距離和航道等級；節點1為無錫港；節點2為蘇州港(含常州箱量)；節點3為湖州港；節點4為嘉興港；節點5為杭州港；節點6為上海外高橋內河集裝箱碼頭；節點7為上海蘆潮港內河集裝箱碼頭；節點8為上海共青碼頭；節點9為上海外高橋港區；節點10為黃浦江，趙家溝節點；節點11為黃浦江，川楊河節點；節點12為大浦線，川楊河節點；節點13為黃浦江，蘇申外港線，大蘆線節點；節點14為大浦線，大蘆線節點；節點15為蘇申內港線，油墩港節點；節點16為杭申線，長湖申，蘇申外港線，油墩港節點；節點17為杭申線，湖嘉申線節點；節點18為梅湖線，長湖申線，湖嘉申線節點；節點19為長湖申浙江段和江蘇段節點。

圖2 長三角小內河集裝箱運輸網絡模型

2 內河集裝箱運輸網絡仿真模型

2.1最低集裝箱周轉量模型

假設內河網絡中有n個節點，包括m1個始發節點和m2個終點，從m1個始發節點運輸貨物到m2個終點。m1個始發點的集合為Ω1，m2個終點的集合為Ω2，dij為網絡中從第i點到第j點的距離。

假設需要將wstTEU的集裝箱從網絡中的s點運到t點，則從s點發出的貨物和到達t點的貨物均應為wstTEU，即

(1)

設網絡中到達i點的從s點運到t點的貨物量應等于由i點發出的從s點運到t點的貨物量，即

(2)

為降低無效集裝箱的周轉量，求解一個航運網絡中的滿足航運需求的最小周轉量，令全局集裝箱周轉量最小化，即

(3)

則可得到以下全局最低集裝箱周轉量模型。

(4)

2.2航道優化改造模型

假設第i點與第j點之間的航道有Hij種改造方案，其中第h種改造方案對應的改造費用為chij。為方便描述，假設chij

(5)

改造后的航道行船路徑選擇模型為

(6)

通過設置不同的改造投資預算，可給出一系列周轉量下的最優改造方案。

2.3航道優化改造的低碳節能效果

假設一定集裝箱周轉量對應的碳排放量為C，船舶CO2排放指數為ICO2。[8]根據國家標準[9]，內河船用柴油的CO2轉換系數為3.206，則航道優化改造后節約的無效集裝箱周轉量所對應的的碳排放量計算式為

C=3.206ICO2Dst

(7)

內河集裝箱船舶的船型大小、設計參數及ICO2指數均不相同，這里通過調研得到6種不同船型的ICO2(見表1)。

3 仿真數據

3.1內河集裝箱貨運量

長三角小內河集裝箱運輸目前還處于起步階段，歷史數據較少；同時，根據國內外內河集裝箱運輸發展的經驗，內河集裝箱運輸量在行業成熟后將出現跨越式增長。因此，通過實地調研和專家訪談開展預測。

表1 6種船型的內河集裝箱船舶ICO2

目前進入上海的長三角內河集裝箱船舶中只有安吉港的船舶停靠共青碼頭，其他船舶均直接掛靠外高橋港區。內河集裝箱船舶進入外港掛靠會給船舶航行帶來不安全因素。此外，由于外港作業泊位緊張，海船優先掛靠，內河集裝箱船舶在港等待時間大大增加，進而導致航次時間增加、經濟效益下降。上海目前正規劃專門用于內河集裝箱掛靠的外高橋和蘆潮港內河集裝箱港區，未來內河集裝箱箱量將逐步集中到這兩個港口。據此可預測得到2015年、2020年和2030年長三角小內河網絡各節點間的集裝箱運量(見表2)。

表2 各節點間的集裝箱運量預測結果萬TEU

3.2航道通過能力

根據不同航道等級和航道利用率，可計算得到各節點之間航道的集裝箱通過能力(見表3)。[10-11]

3.3航道改造費用

航道改造費用包括航道改造工程費用、橋梁改造費用、土地使用費、拆遷費和資金費用等。這里通過實際調研多條航道的改造費用，取長三角小內河7個城市的航道改造費用的平均值計算不同等級航道的改造成本(見表4)。

表3 不同等級航道的集裝箱通過能力萬TEU

表4 不同等級航道的改造成本 萬元/km

4 仿真結果分析

根據“2.1”節和“2.2”節中的模型，運用混合整數規劃進行求解。[12]

4.12015年運輸需求情況分析

對2015年運輸需求情況進行仿真分析，得到2015年航道預測流量和最大通過能力見圖3，其中線上數字分別表示實際運輸箱量(萬TEU)和航道最大通航箱量(萬TEU)，下同。結果表明，2015年航道基本可以滿足運輸需求，年總運輸周轉量為7 996.6萬TEU·km。

圖3 2015年航道預測流量和最大通過能力

4.22020年運輸需求情況分析

對2020年運輸需求情況進行分析，得到2020年航道預測流量和最大通過能力見圖4。由于運輸需求增加，總運輸周轉量為18 020萬TEU·km，4～17，16～15，15～8及17～16等航段的實際運輸量和最大運輸能力較為接近，容易出現航道擁堵，需對運輸網絡進行優化改造。

圖4 2020年航道預測流量和最大通過能力

得到的2020年航道網絡優化改造方案仿真結果見圖5，圖中的3個節點中，第1個節點13.6億元投資使總運輸周轉量下降到17 560萬TEU·km；繼續增加預算并不能使其進一步下降，只有當投資預算達到30.6億元時才會有所變化，可下降到17 400萬TEU·km；若繼續增大投資，則只有到48.6億元時總運輸周轉量才會有變化，可下降到17 360萬TEU·km。這里給出的改造方案是幾個可行的最優方案，具體選擇哪種方案需決策者在作出進一步分析研究之后決定。

圖5 2020年航道網絡優化改造方案仿真結果

改造方案1：若改造總投資達到13.6億元，則將16與17節點間的杭申線航道改造為三級航道，改造后的結果見圖6。可看出，改造后16與17節點間的航道擁堵狀況大大緩解，且每年總運輸周轉量下降到17 560萬TEU·km，減少無效運輸周轉量460萬TEU·km。根據式(3)和表1，按照最低ICO2估算，相應可減少的碳排放量為1 578 t；按照最高ICO2估算，相應可減少的碳排放量為3 258 t。

改造方案2：若預算達到30.6億元，則將16與17節點間的杭申線航道改造為三級航道，15與8節點間的蘇申內港線航道改造為四級航道，改造后的結果見圖7。可看出，改造后年總運輸周轉量下降到17 400萬TEU·km，減少無效運輸周轉量620萬TEU·km，最低估算可減少的碳排放量為2 127 t，最高估算可減少的碳排放量為4 392 t。

圖6 2020年第1種改造方案和航道流量

圖7 2020年第2種改造方案和航道流量

改造方案3：若預算達到48.6億，則將16與17節點間的河道升級為三級河道，15與16節點間的河道及8與15節點間的河道升級為四級河道，改造后的結果見圖8。可看出，改造后年總運輸周轉量下降到17 360萬TEU·km，減少無效運輸周轉量660萬TEU·km，最低估算可減少的碳排放量為2 264 t，最高估算可減少的碳排放量為4 675 t。

圖8 2020年第3種改造方案和航道流量

4.32030年運輸需求情況分析

對2030年運輸需求情況進行分析，由于運輸需求激增，運輸網絡不能滿足需求，無解，需對運輸網絡進行優化改造。最優改造方案和改造結果圖9。改造總投資為161.4億元，總運輸周轉量為33 790萬TEU·km。

圖9 2030年的最優改造方案和改造結果

5 結束語

在低碳經濟下，內河集裝箱運輸越來越引起各方的關注，優化改造內河航道網絡既是促進內河集裝箱運輸發展的有效途徑，也是降低無效集裝箱周轉量、減少無效碳排放量的有效措施。由于航道改造工期長、投資巨大，因此需要慎重決策。這里從航道規劃者的角度構建基于低碳視角的內河集裝箱運輸網絡優化改造模型，以長三角小內河集裝箱運輸網絡為例進行仿真分析，得到一系列預算下的改造方案，對內河航道優化改造決策和同類研究而言具有一定的參考意義。

[1] 劉慶珍.內河航運發展問題反思[J]. 中國水運：理論版,2006,4(8):35-37.

[2] 高曉月,封學軍.基于低碳經濟的內河集裝箱運輸效益分析[J]. 華東交通大學學報,2013,30(4):54-58.

[3] 趙東華,陳虹,黃荳荳.上海內河集裝箱運輸發展的問題探討[J]. 水運工程,2012(12):27-31.

[4] 陳飛兒,張仁頤.上海港集裝箱內河集疏運網絡優化[J]. 上海交通大學學報,2006,40(6):1019-1023.

[5] 劉帥.基于復雜網絡中的中三角區域至上海集裝箱運輸路徑優化研究[D]. 武漢：武漢理工大學, 2013.

[6] 羅月蕾.低碳視角下集裝箱港口內河集疏運網絡優化研究[D]. 大連：大連海事大學, 2014.

[7] 胡鑫博.嘉興市集裝箱水路運輸網絡研究[D]. 大連：大連海事大學, 2008.

[8] FARRELL A E, REDMAN D H, CORBETT J J,etal. Comparing Air Pollution from Ferry and Landside Commuting[J].Transportation Research Part D，2003(8)：343-360.

[9] 中華人民共和國交通運輸部．JT/T 826—2012， 營運船舶燃料消耗限值及驗證方法[S]．

[10] 朱俊,張瑋.基于跟馳理論的內河航道通過能力計算模型[J].交通運輸工程學報, 2009, 9(5): 83-87.

[11] 林莉君.基于仿真的蘇申內港線航道通過能力分析[D]. 上海：上海交通大學, 2011.

[12] 胡運權, 郭耀煌. 運籌學教程[M].北京：清華大學出版社, 2007：129-155.

InlandContainerTransportNetworkOptimizationinYangtzeRiverDeltaUnderLow-CarbonEconomy

DUANXueyan1,FANChen2

(1. School of Economics and Management, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China；2. School of Economics and Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)

2015-11-07

教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20113121110003)

段雪妍 (1979—)，女，安徽淮北人，副教授，博士生，從事交通運輸經濟與管理研究。 E-mail: 328236505@qq.com

1000-4653(2016)01-0110-05

U695.5

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