基于熵權(quán)-TOPSIS模型的LNG江海直達船型運輸經(jīng)濟分析

郭亞東，張培林

（武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063）

1 引言

LNG是液化天然氣（Liquefied Natural Gas）的縮寫，具有清潔、高效、安全的特點。目前，長江船舶的動力燃料以柴油為主，燃油經(jīng)濟性差，廢氣排放量大，而LNG因其特有的低碳環(huán)保性和使用經(jīng)濟性，成為長江船舶動力的理想替代燃料，發(fā)展?jié)摿薮蟆０殡S著長江經(jīng)濟帶沿線省份的“煤改氣”和“油改氣”工程的加速推進，LNG的需求量增長迅速，在長江沿線及內(nèi)陸省份具有巨大市場空間。然而目前內(nèi)河LNG運輸市場僅有部分試點船舶營運，發(fā)展較為緩慢，除了政策、安全等不明確因素[1-2]外，對長江干線LNG江海直達船型經(jīng)濟分析研究也較少。因此本文采用科學方法與模型，參照對比內(nèi)河散雜貨、集裝箱船舶經(jīng)濟分析[3]的思路與方法，對Z-W航線的LNG江海直達船型進行了技術(shù)經(jīng)濟分析。

2 航線通航條件

長江干線起自云南水富，下至長江口，全長2 838km。上游習稱川江，屬于山區(qū)河流；武漢-南京段有漢江和鄱陽湖水系，安徽南部有支流匯入，部分河段分汊；南京-瀏河口段江面較寬，南通處可達18km。2018年此航線最小維護水深為4.5m，具體長江航道維護水深見表1。

表1 2018年長江航道維護水深表（宜賓-長江口）

3 LNG江海直達船型方案擬定

Z-W航線LNG江海直達船型方案的擬定，需要考慮多方面因素，具體如下：

（1）航道水深。根據(jù)表1可知，2018年該航線最低航道水深為4.5m，而隨著2018年末長江干線武安段“645工程”的開工建設(shè)，至2020年該航線最低維護水深將達到6m，通航條件將大為改善。

（2）貨運量。W市接卸站不僅滿足本市的LNG需求，而且輻射本市周邊的城市。預(yù)測知此地區(qū)2020年需求量將達到160萬t，需求量巨大，LNG運輸市場發(fā)展前景廣闊。

（3）船舶尺度。目前來看，船舶大型化、標準化是船舶發(fā)展的大趨勢，LNG江海直達船也在朝著這一方向發(fā)展。Z港地處沿海，水深條件良好，因此同二程中轉(zhuǎn)運輸相比，采用江海直達船型運輸組織效率更高，也符合發(fā)展趨勢。

（4）政策。目前長江及其他內(nèi)河LNG船舶運輸尚未開禁，僅有部分試點船舶運行，LNG水上運輸不僅需要提前向港口、消防部門申請報批，船舶靠離泊時亦需要頗為繁瑣的安全措施，故LNG運輸亟待政策解禁。

（5）技術(shù)。LNG運輸船的建造技術(shù)已經(jīng)相當成熟，但我國在LNG江海直達船大型化建造方面還缺乏足夠的技術(shù)和經(jīng)驗。在船型方案擬定過程中，應(yīng)當選擇安全性能高、技術(shù)經(jīng)濟性佳的船型。

綜合考慮上述因素，選取5 000-30 000m3LNG江海直達船型進行分析，具體方案見表2。

表2 LNG江海直達船型

上 述 船 型 中 ，3 000m3、5 000m3、8 000m3、10 000m3為現(xiàn)有運營或試點船型，因3 000m3船型適用于短途、中轉(zhuǎn)運輸，在長距離內(nèi)河運輸中經(jīng)濟性較差，因此具體分析不選取該船型；15 000m3、20 000m3、30 000m3船型資料來自于相關(guān)船廠在建或?qū)⒔ù停砹宋磥鞮NG運輸船型的發(fā)展趨勢。

4 船型經(jīng)濟評價指標及測算

4.1 經(jīng)濟評價指標選取

經(jīng)過綜合考量[4]，選取總運營費用、必要運費率、單船年運量、航線配船數(shù)四個指標，各指標解釋及計算方法如下：

（1）總運營費用。總運營費用為各種運營費用之和，是運營水平與成本控制的重要指標，具體計算公式如下：

式中：R1：總運營費用，單位：萬元；Ci:各項費用，具體見表3。

表3 費用表[5] 單位：萬元

（2）必要運費率。必要運費率為運輸單位運量所必要的運費收入，是企業(yè)能夠維持正常運營的最低運價，也可反映企業(yè)的競爭力大小，具體計算公式如下：

其中 R2：必要運費率，單位：元/t；

P：單船年費用，單位：萬元；

ρ：貨載率，單位：%；

t：年往返次數(shù)，單位：次；

D ：船舶載重量，單位：t。

（3）單船年運量。單船年運量為單船年航次與船舶載重噸的乘積，可有效反映單船運輸能力，具體計算公式如下：

其中，R3：單船年運量，單位：萬t；

D ：船舶載重量，單位：t；

t：年往返次數(shù)，單位：次。

（4）航線配船數(shù)。航線配船數(shù)為目的港年需運輸量與單船年運輸量的比值，可反映航線未來經(jīng)營預(yù)期與投資強度，具體計算公式如下：

其中R4：航線配船數(shù)，單位：艘；

Q：W市及其覆蓋地區(qū)LNG年需求量，單位：萬t；R3：單船年運量，單位：萬t。

4.2 經(jīng)濟評價指標測算

對W市LNG需求量進行預(yù)測，可知本市2020年的LNG年需求量為160萬t，利用上述式（1）-式（4），計算各船型方案的經(jīng)濟評價指標，結(jié)果見表4。

5 基于熵權(quán)-TOPSIS模型的船型分析

5.1 熵權(quán)法確定指標權(quán)重

按照信息論基礎(chǔ)規(guī)律，信息是反映系統(tǒng)有序水平的測度，熵是反映系統(tǒng)無序水平的測度；假如指標的信息熵越小，此指標可反映的信息量越多，在經(jīng)濟分析內(nèi)能起的作用越大，所以權(quán)重應(yīng)該越大；與之相反，無序水平越高，則指標信息熵越大，因此提供的信息量越少，權(quán)重就應(yīng)該越小[6]。由此能利用各個指標的變化水平，運用信息熵賦值各個指標的權(quán)重,熵權(quán)法確定權(quán)重步驟如下：

表4 指標測算結(jié)果

（1）標準化處理。現(xiàn)假設(shè)有n種方案，m個評價指標，其原始矩陣為A，則：

因為矩陣A內(nèi)各指標初始值之間難以比較，所以需對這些指標進行標準化處理，設(shè)標準化處理后的矩陣為：

（3）計算各指標的權(quán)重。根據(jù)信息熵值可算出各個指標的權(quán)重為：

則各指標的權(quán)重向量為W=( )w1,w2,…,wm。

綜上，計算得經(jīng)濟評價體系指標（總運營費用、必要運費率、單船年運量、航線配船數(shù)）的權(quán)重依次為：0.305 2，0.220 9，0.282 5，0.191 4。

5.2 TOPSIS模型構(gòu)建

TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）法是根據(jù)有限個評價方案與理想化方案的接近程度進行排序的方法，是在現(xiàn)有的方案中進行相對優(yōu)劣的評價。理想化方案有兩個，一個是肯定的最優(yōu)方案或稱理想解，一個是否定的最劣方案或稱反理想解，評價最好的對象應(yīng)該是與最優(yōu)方案的距離最近，與最劣方案的距離最遠[7]。

（1）原始矩陣的規(guī)范化。將式（6）中已經(jīng)標準化的矩陣B歸一化處理，得到規(guī)范化向量rij,建立關(guān)于規(guī)范化向量rij的規(guī)范化矩陣，見式（9）。

（2）構(gòu)造權(quán)重規(guī)范化矩陣。根據(jù)5.1節(jié)熵權(quán)法計算的各指標權(quán)重W，建立關(guān)于權(quán)重規(guī)范化值vij的權(quán)重規(guī)范化矩陣：

（3）確定理想解和反理想解。根據(jù)權(quán)重規(guī)范化值vij來確定理想解E*和反理想解E-：

其中，J1是劣性指標集，表示在第 j個指標上的最差值；J2是良性指標集，表示在第 j個指標上的最佳值。良性指標越大，對評估越有利；劣性指標越小，對評估越有利。

（4）計算距離尺度。即計算每個方案到理想解和反理想解的距離。每個方案到理想解E*的距離為D*,到反理想解E-的距離為D-：

（5）計算理想解的貼近度C。

式中，0≤Ci≤1。當Ci=1時，表示該方案為理想狀態(tài)下的理想解；當Ci=0時，表示該方案為反理想解。

5.3 計算結(jié)果

經(jīng)過標準化及歸一化測算，得到5 000m3-30 000m3各船型方案的權(quán)重規(guī)范化矩陣。

其中理想解為E*=(0.0300 0.2059 0.0112 0.0028)，反理想解為E-=(0.0926 0.2147 0.0968 0.0207)。進而計算得到距離尺度*T，D=[0.0 942 0.0848 0.0745 0.0781 0.0437 0.0005]D-=[0 . 0290 0.0306 0.0361 0.0419 0.0655 0.1079]T。

計算得各方案的貼近度C1=(0.2355)，C2=(0.2654)，C3=(0.3260)，C4=(0.3491)，C5=(0.5999)，C6=(0.9953)。

上述不同方案即對應(yīng)此航線各不同LNG江海直達船型，可得到船型分析結(jié)果，見表5。

表5 LNG江海直達船型分析結(jié)果表

由表5可知，30 000m3對應(yīng)的貼近度為0.995 3，是6組方案中距離反理想解最遠的一組方案，是6組方案中較為理想的解，即在此航線上30 000m3的LNG江海直達船型符合性最優(yōu)，技術(shù)經(jīng)濟性最好；同時10 000m3、15 000m3船型的貼近度較為接近，說明在W地區(qū)LNG需求量一定的情況下，15 000m3與10 000m3船型的經(jīng)濟性、符合性不相上下。

6 結(jié)語

隨著“645”水深航道工程的開工建設(shè)，長江中游干線通航條件將進一步提升，內(nèi)河LNG運輸船舶將進一步向大型化、標準化發(fā)展，船舶的安全和經(jīng)濟性能不斷提高[8]，長江貨運將迎來更好的時代。通過對Z-W航線LNG運輸進行方案設(shè)計和指標計算，使用熵權(quán)-TOPSIS模型計算貼近度，結(jié)果表明：在此航線上，W地區(qū)2020年LNG需求量達到160萬t，30 000m3船型的測算結(jié)果最優(yōu)，運輸經(jīng)濟性、時效性最佳；同時10 000m3與15 000m3船型的評價結(jié)果較為相近，此時可考慮兩船型方案的投資費用及償還期限，以便做出科學比較。面對船舶大型化、標準化這一趨勢，湖北省乃至內(nèi)陸省份的港航企業(yè)和相關(guān)部門應(yīng)積極應(yīng)對，提前規(guī)劃；船舶制造企業(yè)應(yīng)在LNG運輸船舶的設(shè)計和制造過程中，把握這一趨勢，論證、試驗安全性能更佳、艙容更大的船舶；船舶營運企業(yè)應(yīng)充分利用不斷提升的航道水深與航運服務(wù)，以戰(zhàn)略眼光來布局內(nèi)河LNG運輸。本文研究結(jié)果可以對湖北省未來LNG運輸?shù)陌l(fā)展與規(guī)劃提供科學的參考依據(jù)。