低碳模式下班轮航线配船问题研究

叶德亮， 黄有方， 胡坚堃

(上海海事大学 物流研究中心， 上海 201306)



低碳模式下班轮航线配船问题研究

叶德亮*， 黄有方， 胡坚堃

(上海海事大学 物流研究中心， 上海 201306)

在绿色低碳环保的大环境下，以一种新颖的视角研究班轮航线配船问题.在全球致力于环保减排的大趋势下，碳的排放权也必将成为一种稀缺资源，随着航运业碳税机制的逐步引入，由于碳税成本的增加，将碳税成本考虑进班轮航线配船优化模型中显得非常必要.文章在经典配船模型的基础上建立了班轮航线配船新模型，推导出船舶燃耗与船舶往返航次时间、航次成本及年航次数之间的数学关系式，并在碳排放约束条件下进行了优化.并通过算例用LINGO软件对模型进行求解.研究表明：考虑碳排放约束和碳税征收因素后，可以为在班轮的碳排放量有限量的情况进行配船优化，满足客户的需求且使船队盈利.

低碳； 碳排放权； 班轮； 航线配船

低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础，应对气候变化背景下实现可持续发展的经济增长模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后的又一次重大进步.航运业承担了全球90%的贸易运输，由于它的排放具有移动性、无界性和跨区域性的特点，要实现航运业的低碳发展也需要具备独特的模式.研究报告显示，目前航运业每年CO2排放量超过12亿t，约占全球碳排放总量的4%[1].如果不采取合理有效的措施，全球航运业CO2排放量将在2050年翻番.长期以来，各方通过各种途径实施减排，主要有以下几种途径：(1)降低航速.航速降低20%，碳排放量将减少40%；(2)研发和应用高效节能技术、可再生能源技术和温室气体减排技术，开发生态船舶节能成套技术；(3)以海运燃油征税为基础，制定一个全球范围内的温室效应气体减排制度.“碳税”是应用税收政策控制温室气体排放的减排方法，从环境经济学理论看，因CO2的排放量与燃料的含碳量直接相关，所以可以按燃料的含碳量向生产者或消费者征收碳税.近年来，尤其是“柏林授权“通过以后，一些发达国家的缔约方，纷纷推出各自的有关温室气体排放、保护全球气候的政策和措施建议，征收CO2排放税是其中的核心内容之一.丹麦早在1991年，其议会就通过征收CO2排放税的议案，而欧盟则考虑在其成员国内引入一个统一的碳税制度，以期改变消费者和生产者的行为方式.出于环保目的考虑，欧盟考虑通过立法将航运业纳入欧盟碳排放交易体系中，希望有助于降低这个行业对气候带来的影响，欧盟在2013年试图效仿航空业将航运业纳入欧盟碳排放交易体系，开始征收“航海碳税”.国际海事组织也正在研究如何利用碳税推动国际航运业减少CO2排放.因此，碳税是当前国际上应对气候变化问题的一项重要制度手段.这里姑且不论其技术上、政策上的可行性，至少可以证明碳税制度已引起各国的重视，并且一些国家已开始实施.一旦航海碳税征收，其对中国航运业的影响不得不引人深思.随着国际社会节能减排呼声日益高涨，针对航运业碳排放问题的博弈的不断升级，温室气体减排的制度建设势在必行，但要使得这种方式对海上的货物运输带来最小的负面影响，还有很长的路要走.本文在全球低碳生产的大背景下，以碳税征收制度为前提，研究在征收碳税的情况下，船公司在进行班轮航线配船时，一方面为充分利用班轮运力，保证运量，实现配船效率最优化，另一方面在建立班轮配船模型时，引入碳税征收系数，将碳税征收成本考虑进来，并通过CO2总量控制手段，限制碳排放量，使碳排放量控制在某一确定的范围内，在此基础上讨论集装箱班轮公司航线配船的优化问题.

1 国内外相关研究现状

目前，集装箱班轮运输是现代海上运输的主要方式.班轮航线配船是航运业组织运输工作的中心环节.我国是航运大国，航运业是国民经济、对外贸易、社会发展的重要支撑.国家在政策方面也不断向航运业倾斜.《交通运输部办公厅关于促进航运业转型升级健康发展的若干意见》、《国务院关于印发船舶工业加快结构调整促进转型升级实施方案(2013-2015年)的通知》(国发〔2013〕29号)中提出：减少运力存量，优化船队结构；促进专业化、集约化经营；推进安全绿色发展.

在目前的低碳大环境中，航运业可以通过合理降低航速降低碳排放，但航速是班轮航线配船的重要影响因素之一，它不仅直接影响到船舶往返航次时间，而且影响到航次成本的计算及航线配船数，大部分航线配船模型中将航速假设为常数，这一假设是合理的，因为班轮一般有严格的班期要求，以经济航速航行，因此速度一般不适宜变化.除此以外，从控制碳排放量的角度考虑班轮航线上配船的并不多见.国内外，关于班轮航线配船的研究成果很多.Shahin Gelareh， David Pisinger运用混合整数线性规划的方法，为远洋班轮服务提供商同步地设计班轮航线网络和进行班轮船队规划[2].Richa Agarwal，Ozlem Ergun针对船舶调度和货运班轮运输网络设计，研究了船队调度问题[3].Gelareh and Meng提出神经整数混合规划模型，研究涉及最优航速的短期班轮配船问题[4].上述集装箱班轮航线配船文献中，解决了航线配船中船型选择与船舶数量的确定这两个关键问题.但是研究的背景中都没有涉及到班轮船舶的碳排放问题.

国内学者赵刚结合航运业实际，对传统的班轮配船模型进行了改进并提出迭代求解法，改进后的模型更符合班轮运输的实际情况[5].杨秋平等人分析了船队规划的主要任务和基本目标，归纳了该领域的研究进展，对船队规划采用的线性规划、整数规划、动态规划、仿真技术及其他研究方法进行了理论梳理和评述，并指出了这一领域未来的研究重点与方向[6].此后，逐渐有学者将视角转向涉及航速和低碳排放的研究，许欢等把船舶航速作为决策变量引入传统的航线配船模型中，并且把船队的CO2排放量作为优化目标之一，建立船队利润最大与碳排放量最小两个目标最优的双目标航线配船模型[7].但是将速度作为决策变量对于班轮这“五定”的运输方式而言是不太适合的，因为速度在班轮营运过程中受班期的限定变化的范围极其有限.因此，本文假设船舶以固定经济航速航行的前提下研究配船问题.从以往学者的研究中可以看出，班轮航线配船的模型多种多样，成果也十分丰富，考虑的配船目的也不尽相同，但是在低碳经济的模式下考虑班轮航线的配船优化问题的并不多，所以，本文结合全球低碳环保大背景，引入碳税机制，在考虑碳税成本后进行班轮航线配船模型的优化.

2 模型建立

2.1 问题描述

设某船公司经营的航线有r条，集合为R，第r条航线上规划期正向货运量预测为Qr.公司拥有船舶k种类型，集合为K，航次装载能力分别为N1，N2，…，Nk的k种船型.公司的年碳排放量是有计划指标的.船公司在班轮运输经营中面临这样一类决策:如何根据航线上的货运量，并根据历史需求和预测的数据以及其它公司的发船频率确定合理的发班频率，最合理地将班轮船队中不同类型的船舶配置到各条航线上，建立航线配船模型，使经营利润最大化，取得良好效益.本节将在现有配船模型的基础上考虑一旦碳税政策实施，碳排放量的供应受到约束，在配船模型中加入碳排放约束后如何进行配船的问题.

2.2 条件假设

1)船公司拥有船舶数量一定，研究期内不考虑新建船舶，不租船;2)航线上班轮挂靠港口顺序确定，按时入港离港，不允许脱班;3)规划期内每条航线上的年货运量已知，且均匀发生;4)同一航线上航速相同，且在期初确定，期内保持不变;5)规划期内班轮发班频率保持不变;6)规划期内每条航线上的碳排放量一定;7)规划期为1年.

2.3 班轮航线配船相关技术指标说明

2.3.1 班轮营运成本构成

1)船舶每航次的变动成本

主机功率与航速之间近似成3次方的关系.根据试验分析，在一定的相似条件下，船舶排水量Δ，主机功率PM和航速s之间存在如下近似关系[8]：

(1)

如果将主机油耗成本与主机功率之间成正比，且有关系式：

(2)

(3)

则有航次总成本：

(4)

2)第k型船在第r航线上每往返航次的单船油耗量可表示为：

(5)

整个船队全年的燃油消耗量可用表示为:

(6)

将(6)式乘上CO2的转化系数(这里采用IPCC的系数，即1吨船用燃油约产生3.17 t CO2)[9].

2.3.2 配船模型 与模型相关的参数说明如下.

(7)

s1r=s2r=…=skr=sr(r=1，2，…，n).

式(8)为航线配船数量约束；式(9)为班轮运力约束；式(10)为班轮发船频率约束；式(11)为CO2排放量约束；(12)表明CO2排放量是碳税征收系数的函数；式(13)保证决策变量的非负性和整数性.

3 仿真计算

以某船公司的现实规模的运力配置问题为例进行仿真实验，该船公司拥有3种吨位的集装箱船舶共19艘，分别是5250TEU 5艘、3700TEU 8艘、2700TEU 6艘.现开辟班轮航线4条,其船队及航线的基本情况如表1～表6所示.

表1 研究期内船队情况及航线基本情况

表2 各型船燃油消耗技术指标

表3 每艘k型船在r航线上每年可完成的最大往返航次数nkr

表4 油价情况

表5 碳排放供应量

表6 船舶每航次的固定成本

用LINGO软件求解得配船方案如下：

表7 低碳环境下船公司配船方案

4 对比分析

通过比较发现，在引入碳排放约束前后都能得到班轮最优的配船方案.现有条件下的配船方案船队年最大利润为862 340万元，而在引入碳税机制所导致的碳排放约束后船队年最大利润为409 045万元，年利润明显下降.结果表明，碳排放量约束对船队盈利预期有重大影响.在适宜航行期内k型船在航线r上往返航次数方面，加入碳排放约束后，次数有所下降，进一步证明碳排放约束对班轮配船的重大影响.这也预示着碳税制度引入后对整个班轮航运的巨大影响.

表8 现有条件下船公司配船方案

在碳排放约束条件下，通过引入碳税征收机制，考虑税收成本的前提下，针对不同水平的征收系数，进行了配船.进一步分析，得出以下结论：

1)船队最优收益与碳税征收系数成反比，表明碳税机制的引入有使船队收益下降的趋势.但是由于碳税机制的引入是实现低碳经济的途径之一，使得船队收益下降成为必然.通过对以碳税机制为前提的配船模型的优化，仍然可以得出最优的配船方案.从时间角度考察，短期内碳税会抑制消费需求，使得运量下降，从而抑制经济增长，但从中长期来看，碳税将促进相关替代产品的研发，降低环境治理成本，有利于经济的健康发展.

表9 不同碳税征收系数下班轮配船的方案以及利润情况

2) 船队最优收益随着碳税征收系数的提高而下降，证明碳税征收系数确实有可能成为班轮航线配船重要影响因素.这是符合低碳经济大背景下航运业的发展趋势的.把碳税成本考虑进班轮配船即是低碳模式发展航运业的必然要求，也是进行配船模型优化的方向.

5 结论

航线配船与船队规划问题一直是航运业关注和研究的热点，本文从新的视角，重新审视和研究了当全球碳排放权利受到限制，碳税成本成为配船模型优化需要考虑的因素时，集装箱班轮航线配船问题.结果显示在增加碳排放量约束后也是可以制定出使公司利润最大化的方案的.低碳经济是未来经济发展的新趋势，面临环境保护的必要性和紧迫性双重压力下，航运业的碳排放也将逐步受到关注，相应地减排措施和制度也将逐步建立.本课题组拟接下来研究具体的碳排放量的确定机制，并在航空碳排放税征收的基础上讨论碳税一旦实施对航运业的影响.

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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.

教育部博士点基金项目(20123121110004).

1000-1190(2015)02-0322-05

F550.74

A

*E-mail: 1160419983@qq.com．