基于班輪運輸特點的中歐間北極航線集裝箱運輸的可行性研究

劉成成, 連 峰, 楊忠振

(寧波大學 海運學院， 浙江 寧波 315211)

1 背景介紹

隨著北極海冰覆蓋范圍與厚度的銳減，北極北海航道(NSR)的通航條件不斷改善，商業航行潛力漸漸顯露。與蘇伊士航線(SCR)相比，經NSR從上海港到鹿特丹港的航程可縮短40%，很顯然利用NSR可縮短亞歐之間船舶航程與貨物的運輸時間，減少海運成本。Li等[1]發現通過NSR的船舶年總載重噸(DWT)從2013年的395萬噸增加到2018年的2 461萬噸，2016年經由NSR航行的船舶共297艘，同比增長35%。盡管NSR的船舶交通量日漸增加，但其中的集裝箱船到目前為止僅有兩艘。因此，有理由認為利用NSR實施亞歐之間的集裝箱班輪運輸的時機尚不成熟，NSR航運難以滿足班輪運輸的需求。與公交類似班輪運輸有固定的航線網絡、穩定的船隊和班期，各艘船舶的起終點首尾相接，重去重回。這使得集裝箱班輪運輸的投入-產出分析不同于不定期的散貨船運輸，不能以單條船一票貨或一個航次作為決算單元。另外，為實現規模經濟，洲際班輪運輸多采用超大集裝箱船，班輪航線網絡越來越呈軸輻式，干線上使用的20000-TEU的超大型集裝箱船無法利用NSR北極航道，用離散選擇模型基于靜態運輸成本計算亞歐之間的NSR和SCR的分擔率在理論上存在缺陷。

在上述背景下，本文考慮集裝箱班輪運輸的特點與2020-2040年間NSR通航能力的變化，基于NSR與SCR設計亞歐之間班輪運輸網絡，優化運輸組織，通過比較不同的網絡方案的成本，揭示NSR在亞歐集裝箱班輪運輸過程中的作用。

2 文獻綜述

目前，在氣候科學和海上運輸領域，有越來越多的文獻預測21世紀北極航線的可用性，其中一部分學者預測和分析了冰層厚度的變化以及隨冰層厚度的變化NSR可能的通航情況。馬龍等[2]利用2006—2015年北極地區逐日海冰密集度數據，以2013年“永盛輪”首航NSR時所經航線為例，基于航線冰情要素明確了7-10月份航線所經水域的海冰密集度。Chai等[3]研究了NSR沿線年冰厚度和強度的統計數據，對海冰厚度、海冰強度等物理參數進行了估算，為北極船舶及船舶的設計和運營提供信息。

另有部分學者從經濟和環境的角度分析NSR的可行性，這部分研究多根據船舶成本、航行成本以及規模經濟等確定兩條航線的經濟性指標，然后針對各種貨物運輸根據經濟或經濟+環境利益的多寡來分析NSR的可行性。Lee & Song[4]等發現從距離和時間上看NSR具有經濟性，但俄羅斯征收昂貴的通行費也是不容忽視的。張愛峰等[5]以AFRAMAX型油輪為母型船，比較利用NSR和SCR在亞歐之間運輸原油的經濟性，證明海冰會降低船舶的裝載量，增加營運成本。夏一平等[6]發現在需要破冰服務時，NSR比SCR節省15%的燃油費，但船舶租金和通行費分別增加36.5%和12.4%。Wang等[7]以航運公司利益最大化為目標，基于廣義納什均衡模型分別計算NRS和SCR的集裝箱流量，發現隨NSR通航天數增加通過NSR運輸的會獲得更多的利潤。錢作琴等[8]分析了NSR的地理環境特點，確定了一條多季節航行的NSR航線與適航船舶選型，比較各季節上海港-歐洲各港單航次使用NSR和SCR的經濟性。Liu等[9]基于設定通航時間、通行收費與燃料價格組合腳本，比較使用4 300TEU的集裝箱船通過NSR與SCR運輸時的年營業利潤，明確了NSR與SCR的競爭條件。Verny & Grigentin[10]研究了上海-漢堡的集裝箱運輸問題，發現通過SCR仍然是最經濟的，但NSR和西伯利亞鐵路不失為替代方案。

上述研究針對單一通道只考慮單航線的單航次成本與利潤，得到的結果對散貨運輸有意義，對于需要長期擁有船隊定點定線定期運營的班輪運輸是不準確和全面的，針對班輪的研究場景設定不符合現實，因此結論具有片面性。另外，他們都假設班輪公司使用一種船型，如：分別基于4 000TEU、8 000TEU或16 000TEU的船舶實施通過NSR和SCR的運輸的費用和收益分析，忽略了NSR通行不了4 000TEU以上船舶的事實，結果也是不準確的。

目前有關班輪航線優化的研究已相當成熟，但有關NSR的研究很少基于班輪運輸的特點和亞歐多港口之間的集裝箱OD流量優化航線網絡。Xu等[11]考慮NSR海冰的動態變化對通航能力和通行費用的影響，提出NSR/SCR組合的集裝箱運輸航線，但并沒有考慮班輪公司的經營行為。Verny & Grigentiny[10]是目前看到的唯一的基于航線設計和NSR未來通航能力的研究，但他們也假設班輪公司只采用一種運輸方式(即大船走SCR、小船走NSR)，沒有考慮海冰限制使得NSR只能季節性通航的問題。

為實施長期的全年不間斷運輸，班輪公司需權衡是用1個船隊(適合NSR)還是2個船隊(分別適合NSR和SCR)實施亞歐之間的集裝箱運輸，因此需要設定與之對應的研究場景，以保證有關NSR班輪運輸研究的有效性。本研究從班輪運輸網絡優化的角度，基于班輪公司的經營行為以20年為時間單元分析中歐之間集裝箱運輸使用NSR的可能性，比較中歐之間的集裝箱利用NSR和SCR的成本，避免基于單時間節點分析通道運輸成本無法反應船舶前后航次之間關系以及船舶資產成本連續發生的問題。

3 模型構建

根據班輪運輸的特點和班輪公司的理性運營行為(即：考慮班輪運輸具有固定的航線網絡、穩定的船隊、1艘船舶各航次起終點首尾相接、重去重回的特性，以10-15年期間的總運輸成本最小為目標進行航線網絡和船舶配備決策)，以及利用NSR時最佳的船舶容量為4 000TEU，利用SCR時最佳的船舶容量為20 000TEU[4,8,10,11]的實際情況，我們認為班輪公司在同時利用NSR和SCR運輸中歐之間的貿易集裝箱時，最有可能的運營方案是：1)保有1個4 000TEU的船隊(隨著冰蓋融化范圍的增加，后期可以考慮用5 000TEU的船替代4 000TEU船)，7-9月運營NSR，10-6月運營SCR；2)保有2個船隊(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，前者7-9月份運營NSR，其他季節閑置封存，后者全年運營SCR；3)保有2個船隊(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，前者7-9月份運營NSR，其他季節船隊閑置封存，后者10-6月份運營SCR，其他季節船隊閑置封存。4)保有2個船隊(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，基于二分法計算集裝箱OD流量在兩條航線的分擔率，2個船隊同時運營：前者7-9月份運營NSR，10-6月份運營SCR，后者全年運營SCR。4種方案的優劣主要取決于其是否比目前的方案(BAU)更具經濟性。為此，針對4種方案(1-3與BAU)計量運輸成本。為計算集裝箱班輪的運輸成本(船舶資產成本、船舶燃油成本、船舶人工成本、船舶港口使用費和集裝箱裝卸費等，需要在港口間集裝箱OD流量和運輸船舶大小已知的情況下，建立軸輻式空重箱班輪運輸航線優化模型，以運輸總成本最小為目標確定航線方案、集裝箱裝卸方案及相應的運輸總成本。

3.1 模型的假設條件

①港口間的集裝箱運輸需求均獲得服務；②空箱調運滿足重箱運輸需求；③船舶數量滿足航線運營需求；④集裝箱航運市場內各港口的空重箱進出總量守恒；⑤各港口間的航行距離和貨運需求(空重箱運量)已知；⑥各港口間的集裝箱運價已知，且不變；⑦由于不考慮船舶的配積載等微觀作業問題，假設運輸的集裝箱都是20英尺標準箱，不考慮集裝箱大小的差異；⑧由于國際班輪公司的自有船舶比例很高(馬士基、地中海、達飛等的自有船比例在65%左右，中遠海集運的自有船比例在50%左右，另外他們還都長租一部分船舶)，因此假設班輪公司在干線運輸中使用自有(購買或長期租賃)的船舶；⑨支線運輸由支線班輪公司負責，干線班輪公司按市場運價向支線班輪公司支付費用。

3.2 航運網絡表示

3.3 重箱OD流量表示

3.4 船舶相關參數與約束

(1)

(2)

(3)

(4)

3.5 運營成本與決策目標

班輪公司以周為單位優化航線網絡的目的是要以最低的成本完成運輸任務，決策的是掛靠港、掛靠順序、在各掛靠港裝卸的空重箱量以及干線航線所需配置的船舶數量。此時，決策的目標函數如式(5)所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

3.6 班輪航線網絡優化模型

在港口間OD集裝箱流量已知時，為最小化運輸成本，班輪公司需確定合適的船舶數量、干線航線的掛靠港口和掛靠順序，該決策問題的優化模型如下：

(9)

S.T.: 式(1)-(5)、(6)-(8)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

3.7 模型求解算法設計

上述模型是一個混合0-1規劃問題，本研究借鑒Shintani[12]等的思路，基于進化算法框架，求解子模型，求解算法的框架流程如下所示。

求解流程

Step 0 給定一個船型

Step 1 初始化：

生成初始種群，每個個體代表一個航線方案Gs；

Step 2計算個體適應度值：

根據給定的船型，用CVX求解模型，優化航線方案，發班頻率，并將此時的運輸系統運營總成本作為評價Gs的適應度函數。

Step 3判斷算法是否終止：

檢查個體適應度最大值與平均值的差，是否小于預設參數μ，滿足則終止，否則執行Step 4；

Step 4 執行交叉，變異，選擇，并返回Step 2。

為縮小解空間，本文僅以航線網絡方案為優化對象。此外，在設計算法時，采用Chen[13]等提出的航線網絡編碼方法、選擇算子、交叉算子以及變異算子等。

4 案例分析

4.1 所需數據

計算時把青島港、天津港、大連港、上海港、寧波港、深圳港、廣州港作為中國側的港口，把鹿特丹港、弗利克斯托港、勒阿弗爾港、安特衛普港、漢堡港作為歐洲側的港口。港口間的集裝箱OD流量數據源自于中國海關的統計報告、海事咨詢機構及各港口的統計報告。蘇伊士運河通行費和北極航道破冰引航費分別設為82萬美元和16美元/噸。計算所需的其他數據及船舶參數如表1、表2。

表1 計算所需數據

表2 船舶相關參數

4.2 結果分析

基于模型的求解結果，可計算得到2020—2040年期間各種情形下的各運輸方案的指標值(表3)，可以看出用兩個船隊分別運營SNR和SCR時，20年內方案1-方案4的運輸成本在4 283-4 559億美元之間，只用一個船隊(4 000TEU/5 000TEU)運營NSR時，運輸成本為4 803億美元。不難看出，兩個船隊組合運輸比單個船隊更具經濟性。但是，在NSR被利用的情況下，一個船隊方案和兩個船隊方案的運輸成本都比BAU的高。這說明由于NSR航線難以滿足班輪的運輸要求，目前乃至未來較長的時期內，通過NSR實施中歐間的集裝箱運輸的時機尚不成熟。

表3 各情形下中歐間集裝箱運輸的成本

4.3 敏感度分析

班輪公司是否應利用NSR而非SCR運輸亞歐之間的集裝箱，理論上是由亞歐之間的集裝箱流量和NSR的通行能力決定的。在NSR能力無法改變時，運輸需求成為決策的決定性要素。為明確什么樣的運輸需求下，班輪公司應選擇NSR，需針對運輸需求實施敏感性分析。本文引入需求變動系數λ，比較λ=0.6、0.9、1.2、1.5等4種情況各種運輸方案的運輸成本。針對4種情況，計算2020—2040年期間各運輸方案的指標值如表4所示，可以看出：

表4 四種運營方案下的運輸成本與BAU下的差值

1) 隨需求系數的增大，四種運輸方案的運輸成本與BAU的差值越來越大，說明隨運輸需求的增加，大型船舶的規模經濟越來越明顯，班輪公司更傾向選擇SCR，選擇NSR概率越來越小。

2) 當需求系數≤0.6時，第一種運輸方案的運輸成本比其他三種及BAU的都小，表明如果中歐之間的集裝箱運輸需求小于等于當前的60%，班輪公司應該選擇NSR。盡管λ≤0.6的概率很小，但也不是不可能發生的事情，如果美國進一步強化單邊主義行徑而導致嚴重的逆全球化，未來中歐之間的貿易就可能萎縮，中歐之間的集裝箱運輸需求就有可能下降到這個水平。

3) 當需求系數>0.6時，BAU下的運輸成本比另外四種的小，表明只要中歐間的集裝箱運輸需求保持在當前的60%以上，班輪公司就會繼續使用大型集裝箱船選擇SCR實施運輸組織。

5 結 論

基于班輪運輸的特點和班輪公司的理性運營行為，針對班輪公司嘗試利用NSR實施中歐之間的集裝箱運輸問題，提出班輪公司最可能采用的運輸方案，即：(1)用一個船隊(4 000-5 000TEU)利用NSR運輸；(2)同時用兩個船隊運輸，其中小型船(4 000-5 000TEU)走NSR，大型船(20 000TEU)走SCR。為分析不同運輸方案的運輸成本，收集了船舶運營成本數據，基于中國海關的公布數據統計出了中歐關鍵港口之間的集裝箱OD流量數據。然后，構建軸輻式班輪運輸網絡模型，基于OD流量為不同的運輸方案設計航線網絡，確定具體的運輸過程，根據模型輸出結果計算各運輸方案下的運輸成本。在假設班輪公司以運輸成本最小為決策依據的情況，通過比較不同運輸方案的運輸成本驗證了目前北極航道對于中歐之間的集裝箱運輸是不經濟的，集裝箱班輪公司不應該主動利用NSR實施中歐之間的集裝箱班輪運輸。

本研究的結論清楚地向班輪公司表明，盡管近年來中歐之間的散貨運輸在積極地嘗試利用北極航線，并確認了在合適的時間段、使用合適的船型通過北極航線運輸恰當的散貨具有很好的經濟性，但北極航線對于集裝箱班輪運輸沒有經濟性，同時利用北極航線和蘇伊士航線組織中歐之間的集裝箱班輪運輸的時機還不成熟。當然，在特殊需求情況下，如新型冠狀病毒施虐期間洲際班輪運輸運力緊張、運價高漲的時間段內，臨時抽調原本用于內貿運輸的小型集裝箱船通過北極航道在中歐之間開展集裝箱班輪運輸的經濟性是有保證的。