資源池組合運輸模式下的LNG海上運輸航線配船研究

謝新連，牛東翔,2，趙瑞嘉，黃 帥

(1. 大連海事大學 綜合運輸研究所，遼寧 大連 116026； 2. 廣東大鵬液化天然氣有限公司，廣東 深圳 518048)

0 引 言

天然氣作為一次能源的新生力量，因其高效、清潔的特性得到了越來越廣泛的應用[1]。隨著我國進口LNG貿易量的日益增大，LNG進口企業意識到運輸環節具有重要的戰略意義，開始與賣方簽訂FOB交付模式(即由買方負責組織運輸的交付模式)的長期購銷協議[2]。

“照付不議”和“點對點運輸”是LNG海上運輸貿易的兩大特點。“照付不議”是將LNG的生產、海上運輸、銷售與用戶捆綁在一起，買賣雙方共同承擔LNG供應鏈中的風險。為化解“照付不議”的風險，提高貿易與運輸的靈活性，市場上出現了賣方采取LNG資源池銷售策略的貿易方式[3]。在傳統的LNG長協議中，賣方通常依賴于單一固定的LNG來源供貨；而資源池供貨則可不依賴于單一的天然氣田和液化設施，賣家能從多個貨源地進行供貨，買家也不對貨源地進行限制。以此為基礎，該策略可進一步拓展為買賣雙方資源池策略，即賣方可以從多個資源供應地組織貨源供應給買方，甚至可以通過LNG現貨市場采購進行供貨；買方可以從多個接收地接收貨物，賣方也不對接收地進行限制，由此形成了全部裝貨港組成的上游資源池與全部卸貨港組成的下游接收池之間的多點對多點的資源池組合運輸模式。

航線配船問題是一項復雜的優化決策研究。其目的是用于解決航運企業將各類型船舶合理地配置到不同航線上，以期獲得最佳經濟效益的方案[4]。國內外學者對航線配船做了大量的研究，E.E.HALVORSEN-WEARE等[5]通過建立期租方式下的航線配船模型，解決了海洋供應船裝備計劃優化的問題；WANG Xin等[6]通過租入/出船舶達到改變船隊規模的情況下，建立了不定期船的航線配船模型，解決了船隊的租船方案與運輸計劃優化問題；吳暖等[7]以貨物時間價值損失最小和營運成本最低為目標，建立了集裝箱班輪航線配船的多目標優化模型；包甜甜等[8]綜合考慮船隊的經濟效益和環保效益，建立了經濟、環保雙目標的班輪航線配船優化模型；李佳等[9]以船舶公司航線運營利潤最大化、運力浪費最小化為目標，建立了雙目標航線配船模型，并通過遺傳算法進行了求解。現有研究多是針對不定期船舶、集裝箱班輪等的航線配船問題，對LNG海上運輸的航線配船分析還比較少。

在LNG海上運輸研究方面，T.BIOBAKU等[10]采用風險分析法評估了LNG航線選擇的問題；H.ANDERSSON等[11-13]分別從LNG供應商和運輸企業角度分析了LNG運輸計劃與庫存管理的問題，并建立了供應商角度下的LNG庫存和運輸調度模型，解決了LNG交付計劃的優化問題；黃濤[14]建立了基于風險評估的LNG航線選擇及配船模型，并通過遺傳算法進行求解，但其航線配船只考慮了滿足運量約束情況，未考慮實際運營中航次數與配船數的關系。這些學者僅從賣方角度分析了LNG運輸選線或調度問題，較少從買方角度展開研究。

筆者從買方角度出發，通過建立傳統貿易模式和資源池組合運輸模式的LNG海上運輸航線配船模型，優化了進口LNG航線配船運輸計劃問題，降低了企業進口LNG的運輸成本，并在一定程度上提高了貿易和運輸的靈活性。

1 LNG航線配船模型

1.1 問題描述

在進口LNG貿易的年度貨物交付計劃中，裝貨港的供給量與卸貨港的需求量及LNG價格都是比較穩定的，LNG船舶嚴格按照運輸計劃組織運輸，該計劃一旦制定，若沒有特殊情況不會有較大變動。在滿足年度貨運供需要求前提下，需要制定LNG進口企業運輸成本最小的最佳航線配船方案。傳統貿易模式與資源池組合運輸模式下的LNG航線配船方式見圖1。

圖1 LNG海上運輸航線配船模式Fig. 1 Ship allocation mode for LNG maritime transport

在建立數學模型前，筆者進行如下假設：

1)LNG進口企業采取期租的方式從市場上租入船舶進行運輸；

2)以簡單航次形式運輸LNG，即船舶去程空載，回程滿載，僅留少量底角用于燃料及貨艙保冷，各船均以經濟航速航行；

3)同一船型的船舶在相同航線上的在港時間、載貨能力和航次成本均相同。

1.2 傳統貿易模式下的LNG航線配船模型

傳統貿易模式下，LNG進口通常由若干條固定航線進行點對點運輸。針對這一特點，筆者結合大宗工業物資運輸[15]和班輪運輸航線配船的建模方法，建立了傳統貿易模式下的LNG海上運輸航線配船模型，記為A1。

(1)

(5)

?k=1,2,…,K, ?h=1,2,…,H

(6)

yk≤Nk,?k=1,2,…,K

(7)

xhk,yk≥0且為整數

(8)

式(1)為目標函數，表示該公司的運輸成本最小，運輸成本由航次總成本和租船總成本構成；式(2)、式(3)分別表示各航線上實際完成的運輸量，需要滿足供給量與需求量的約束；式(4)表示各航線上完成的航次數，航次數應不低于LNG終端用戶使用計劃要求的最小運輸次數；式(5)為各型船營運時間的約束；式(6)為航次時間的計算；式(7)為市場上可租入的各型船的數量約束；式(8)為變量約束。

1.3 資源池組合運輸模式下的LNG航線配船模型

LNG進口企業采用資源池策略簽訂購銷協議，由全部裝貨港組成上游資源池，全部卸貨港組成下游接收池，由此形成了多點對多點的資源池組合運輸模式。筆者在A1基礎上引入該運輸模式，建立資源池組合運輸模式下的LNG海上運輸航線配船模型，記為A2。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

?k=1,2,…,K,?i∈I,?j∈J

(14)

yk≤Nk, ?k=1,2,…,K

(15)

(16)

式(9)為目標函數，表示資源池組合運輸模式下該公司的運輸成本最小，運輸成本由航次總成本和租船總成本構成；式(10)表示各型船在上游資源池中裝貨港i的裝貨量不能超過該港的供給量；式(11)表示各型船在下游接收池中卸貨港j的卸貨量不能低于該港的需求量；式(12)表示各型船在下游接收池中卸貨港j的卸貨次數不低于LNG終端用戶計劃要求的最小卸貨次數；式(13)為各型船營運時間的約束；式(14)為航次時間的計算；式(15)為市場上可租入的各型船的數量約束；式(16)為變量約束。

A1和A2均為混合整數線性模型，可通過線性優化軟件編程求解。

2 算例分析

某LNG進口企業與賣方簽訂了FOB交付模式的長期LNG購銷協議，分別在3條航線上(3條航線分別記為LⅠ、LⅡ、LⅢ)組織LNG的進口運輸。各航線供給充足，需完成的運輸量分別為380×104、260×104、300×104t；LNG終端用戶計劃要求各卸貨港最小卸貨次數分別為48、36、42次。該公司采用期租方式從市場上租船進行運輸，市場上可租用的船型信息見表1。若該公司與賣方約定采用資源池組合運輸模式進口LNG，將3個裝貨港作為上游資源池，3個卸貨港作為下游接收池，則資源池組合運輸模式下存在可行航線的航次時間及航次成本信息見表2。

表1 市場上可租用的船型信息Table 1 Type of ship available for charter on the market

表2 各航線的航次時間及航次成本Table 2 Voyage time and cost of each route

模型A1和A2的運輸成本分別為2.38、2.19億美元，A2的運輸成本較A1降低8.2%。相應的兩種進口LNG航線配船運輸計劃如表3。

表3 A1和A2的租船方案及各航線運輸航次數Table 3 Chartering plan of A1 and A2 and the number of transportation voyages of each route

從表3可看出：A1確定的租船方案為期租3艘a型船與2艘b型船；A2為期租3艘a型船與1艘c型船。A2租船數量比A1減少1艘，A1期租的5艘船并未充分利用，故應考慮采用各船型實際運營時間與年可運營時間的比值作為衡量各租入船型的使用效率，記為船舶平均使用率。

當航速為18 kn時，A2下3艘a型船和1艘c型船的船舶平均使用率分別為99%、99%；A1下3艘a型船和2艘b型船的船舶平均使用率分別為80%、98%，a型船存在一定程度的運力富余。故可以采取減速航行的策略以保證期租船舶運輸能力的同時降低成本。圖2分析了不同航速下的運輸成本變化情況；圖3分析了航速調整下租船方案變化情況及各船型的船舶平均使用率。

圖2 航速調整下的運輸成本變化情況Fig. 2 Change of transportation cost under speed adjustment

圖3 航速調整下的租船方案及各船型的船舶平均使用率Fig. 3 Chartering plan and average utilization rate of each vessel type under speed adjustment

在A1模型下，由圖2可看出：當航速由18 kn降低至16 kn時，運輸成本小幅度降低。由圖3(a)可知：若租船方案未發生變化，期租的3艘a型船的平均使用率由80%上升至99%，期租的2艘b型船出現小幅度波動；當航速由18 kn提升至19 kn時，運輸成本較大幅度降低，這主要是與租船方案由期租3艘a型船和2艘b型船調整為期租3艘a型船與1艘c型船有關，在運輸成本降低部分中，91.6%是由于租船方案調整導致的；當航速由19 kn提升至20 kn時，運輸成本出現一定幅度上升，租船方案的調整使得租船總成本產生一定幅度降低，但運輸成本中航次總成本增長了15.6%，這主要是由于航速提升導致船舶燃油消耗率增加，從而增大了航次的燃油消耗量，最終導致航次成本增大。

在A2模型下，隨著航速由16 kn提升至20 kn，運輸成本呈總體下降的趨勢；當航速由17 kn降低至16 kn時，運輸成本幾乎無變化，租船方案未發生變化，期租船舶中3艘a型船的平均使用率由82%上升至90%，這與在A1下航速由18 kn降低至16 kn時的規律相同；當航速由17 kn提升至18 kn時，總成本大幅下降，租船方案發生調整，在運輸成本的降低部分中，86.2%是由于租船方案調整導致的，此時各型船舶的平均使用率均接近100%；繼續提升航速，同樣能通過調整租船方案實現運輸成本的降低，但航次總成本會不斷增加。

在同一航速下，A2模型的總成本始終低于A1。從圖3可看出：A1下航速為20 kn時與A2下航速為19 kn時的租船方案相同，且各型船舶平均使用率均為99%左右，但A2下的總成本較A1低7.3%。由此可說明：相對于傳統運輸模式，資源池組合運輸模式下的進口LNG航線配船運輸計劃優化方案能有利于降低運輸成本。

3 結 語

筆者從LNG買方角度出發，分別建立了傳統貿易模式和資源池組合運輸模式下的LNG海上運輸航線配船模型，解決了LNG進口企業通過期租船進口LNG的航線配船運輸計劃優化問題。并以我國某LNG進口企業簽訂的LNG購銷協議為例，驗證了這兩種模式下的LNG海上運輸航線配船模型的合理性，相對于傳統貿易模式，資源池組合運輸模式下進口LNG航線配船運輸計劃優化方案能較大程度降低運輸成本。此外，通過航速調整策略分析了在不同航速下兩種模式的進口LNG航線配船運輸計劃優化方案。