运力过剩环境下船舶减速减排策略研究

王直欢， 李霞蔚， 杨 斌

(上海海事大学 科学研究院， 上海 201306)



运力过剩环境下船舶减速减排策略研究

王直欢*， 李霞蔚， 杨 斌

(上海海事大学 科学研究院， 上海 201306)

减速航行是当前集装箱运力供过于求环境下，航运企业控制闲置成本和减少碳排放的重要途径.以单一航线上航速和船舶数量为决策变量，综合考虑航速与航次时间、航线配船数、运营成本及碳排放等非线性关系，构建班轮集装箱船队成本变化最小为目标的混合整数规划模型，算例结果表明随航速下降，船舶总成本先降后升，碳排放成本则持续减少.在此基础上，引入边际利润概念分析海运船舶在不同减排政策下的航速选择策略，并针对油价和货物价值的变化进行敏感性分析.最后，从海运供应链角度讨论了减速航行对船公司以及货主影响，对集装箱船舶运输经济性及航速选择具有借鉴意义.

船舶减速； 船舶能耗； 班轮运输； 碳排放； 非线性规划

海运是全球贸易的重要支柱，也是全球温室气体重要排放源，约占全球温室气体排放总量的3.3%，其节能减排受到广泛关注.近年来船舶运输需求下降，加之2014年下半年油价开始下跌，长荣集团表示，低燃油成本可能诱使船公司提速，导致航线上船舶供应量上升8%，从而加剧运力过剩.当前减速航行被认为是减少运输成本、缓解供需失衡和短期内实现航运业减排目标比较可行的方案[1].在运力过剩及油价浮动背景下，追求低成本成为班轮公司盈利的关键策略，因此，研究航速与船舶成本的关系具有重要意义.

《航运交易公报》指出，2014年中远节省燃油费达4亿美元.董事长马泽华表示：“以前有10艘船走欧洲航线，航速快，油耗大.对标国际先进企业，通过加船减速，可以较大幅度减少油耗量.”因此，除燃油成本因素之外，加船减速带来的利好有进一步研究的价值.

考虑影响船舶航速的主要因素有运费水平、燃油价格、船舶成本、货物价值、利息水平及环境成本[2]，船舶各成本间存在此长彼消的非线性关系，是否减速需综合考虑成本变化及影响权重.国内外学者对不同影响因素进行了深入研究，Jong-Kyun 等[3]围绕航速、油耗量和CO2排放量进行分析，讨论了单船减速对班轮企业的利润影响.Cariou[4]从燃油费用、船舶经营费用以及在途库存成本三者的定量关系分析减速航行的可行性.许欢等[5]引入CO2排放量作为一个目标函数，研究在减速带来的单船碳排放量减少和更多船舶投入营运带来的碳排放量增加之间的平衡点.高超峰等[6]分析周计划内不同航速档呈现出油耗与船队运营成本之间的二律背反规律.靳志宏等[7]结合禁忌搜索算法分析供需失衡时多条航线上多类型船舶运力配置优化问题.

然而，以上文献在构建模型时通常将航速取为固定值，在考虑船舶成本方面仍不够全面，忽略了船队闲置或租用成本.本文基于市场需求低迷、油价浮动以及低碳低硫排放限制下，综合考虑船队规模、船舶闲置成本和排放成本等，从整个船队出发，以航速和配船数量为决策变量，提出基于船舶运力过剩背景的降低航线成本的减速减排问题.

1 问题描述

在上述文献基础上，构建减速前后的船队成本效益函数，并将船舶闲置成本、租用成本和减排成本考虑到目标函数中，分析船舶的减速策略、减排成本和减排效果之间的关系.本研究以国内某大型船公司亚洲-北美航线上的班轮运输船队为研究对象，模型的基本假设包括：

1)该航线上公司年货运量不变.

2)航线船期表确定.

3)航次上的船舶船型和规模相同，且装载率为90%.

4)本文仅考虑海上主机油耗量的变化.

5)船舶闲置成本折合为固定值.

2 模型构建

2.1 参数变量

船舶航速的改变会引起船舶收入、航行成本及环境成本的变化.船舶航行成本包括燃油费、港口使用费、在途库存费和固定费用等.本文模型中用到的参数包括：Vs，船舶的实际航速；Vd，船舶设计速度；MF，主机日耗油量；FM，单船在实际航速下的主机单航次耗油量；QCO2，船队单个往返航次的主机二氧化碳排放量；NVs，投入工作的船舶总数；OC，船舶日固定运营成本；IC，日在途库存成本；Rdlc，船舶日闲置成本.

2.2 航速与油耗量的关系

船舶航行的燃油费用主要包括主机燃油费和辅机燃油费，辅助发动机主要提供靠岸停泊作业和超低速航行，与船舶在海上正常航行的速度变化关系较小，本文仅考虑主机功率P产生的油耗量MF与航速的关系.

(1)

MF=ge×Ld×P×24=kVn,

(2)

MFVs=(Vs/Vd)3.3×MFVd,

(3)

其中，W为船舶排水量(ton)；c为海水常数；ge为主机耗油率(g/kWh).

船舶主机功率与航速大致呈3次方关系，对于集装箱这种高耗油船型而言，通过航速与耗油的计算比，集装箱船主机油耗量与航速存在3.3次方关系[8].因此航速的改变对油耗量的影响巨大，但船速的变化范围有一定的约束条件，速度越低航行时间越长，并且随着船速的下降，船舶实际功率的改变导致有效油耗率并不会持续最佳，通过油耗率的计算，减速存在一个最低值，即航速要满足船舶实际性能要求.

2.3 航速与CO2排放量的关系

碳是海运燃料的主要成分，在燃料充分燃烧时，碳几乎全部转换为CO2.PsaraftisandKontovas(2013)[9]测定的船舶碳排放因子根据主辅机使用的不同燃油其值并不一样，柴油(MDO)碳排放因子为3.082kg/ton，主机重油碳排放因子为3.021kg/ton，修正了之前的3.17kg/ton.船队碳排放量QCO2与油耗量存在比值关系，而航线上单船往返航次油耗量FM可通过单船日耗油量乘以航行周期天数得出.船速影响的因子包括船舶实际功率、航行时间和为保持班期表不变而改变的船舶总数NVs.

(4)

QCO2=3.021FMNVs,

(5)

(6)

式中,TOR为船舶年周转次数；i，j分别为船舶的启程港和目的港.

2.4 航速与营运成本的关系

一定范围内的船舶减速能有效地降低单船的油耗成本，但除燃油费用之外的营运成本包括船舶日常固定成本及集装箱租用成本与航行时间成正比，其值随航行周期延长而增加.为保持航次船期表和年货运量不变，班轮公司需要增加船舶数来满足货运量的需求.额外投入的船舶将产生新的营运成本和CO2排放量，从单船角度来看航速的下降能减少船舶的油耗成本和碳排放成本，但是减速后该船队的年总成本变化效益会随着船舶数的增加而下降.单位航次内整个船队减速的营运成本变化量(包括固定成本OC和在途租用成本IC)表示如下：

(7)

式中,Ps为集装箱货值；i为年资金利息；TEU为船舶装载量；L为船舶装载率.

2.5 目标函数

在保持年货运量不变的前提下，以船舶减速前后的成本效益变化量为目标函数，结合公式(4)至(7)，计算油耗成本、闲置成本LC和营运成本Cop的变化值，表示为：

(8)

(9)

为保证船期表和年工作时间不变，函数中对船舶数和航线年工作日进行约束，其中n是根据年货运量要求定义的航线航次数.决策变量分别为船舶航速Vs和船舶数NVs.

全球经济低迷将加重运力过剩，5 100标箱以上船舶闲置数已提高到10艘，长期供需失衡会影响市场运价、闲置成本和租金水平，进而影响成本竞争及服务质量.假设同类型船舶日闲置成本为1 970美元/d，3000～5000TEU船舶日均租金约1万美元.本文以某公司AWE1远东-美东航线上的集装箱班轮运输为例，船型大小为4 250TEU，设计速度24节，配置使用船舶8艘，闲置运力近9 000TEU，当运力过剩则产生闲置成本，当加船减速后，则需考虑租船成本.

表1 船舶数据信息

数据来源:船讯网，RobertStahlbock(2012).

3 航速优化分析

3.1 平衡成本与减排效益的航速选择

以设计速度24节为基础，根据目标函数(8)求出在不同航速下的成本变化值如表2，成本减少值总趋势先增后减，较低航速时固定成本的增加将抵消油耗效益；CO2排放量持续减少，但减少的趋势逐渐缓慢.

如表2所示，航速的下降引起航行周期延长，从该航次整个船队来看，在24节到10节之间总成本比设计速度24节持续减少，在16.4节成本减少量达最大值11 008 713美元，CO2减少量则随航速的下降持续增加，成本和CO2变化量趋势如图1.

表2 不同航速下船舶成本和CO2排放量的变化

图1 不同航速下船队航次成本和CO2变化量Fig.1 Fleet voyage costs and CO2emissions at different speeds

在利润最大化和排放量最小化之间寻找一个最佳航速前，引入一个CO2变化弹性来反映CO2排放变化量对航速变化的反应程度，即CO2变化的百分比除以航速变化的百分比.计算结果表明，CO2变化弹性值在14节航速时CO2变化弹性值接近1.3，表示CO2排放量随航速下降变化幅度较大；在14节之后，CO2变化弹性逐渐下降，减排效果减弱，CO2变化量小于7 481.9t.

3.2 平衡边际利润和碳税的航速选择

综上所述，得到两个结论：随着航速的下降，船舶总成本先降后升，小于一定航速后减速效益不再体现；CO2排放量与航速存在正相关性，但航速小于14节后减排幅度逐渐平缓.从班轮公司角度来看，减速的目标是在满足减排任务的范围内选择最佳航速使成本最小化.企业在利润值之间选择最高值时往往不会考虑CO2排放量增加的幅度，只要符合市场规定的减排目标即可.为此，本文通过计算边际利润，探讨市场减排政策对企业利益的影响.

图2 利润与二氧化碳变化比值曲线Fig.2 The ratio curve of marginal profit and CO2 changes

如图2，边际利润等于利润变化值与CO2变化量的比值，即二氧化碳排放量的减少能带来的单位利润值.当边际利润值小于市场碳税，则班轮公司需要为增加利润而导致排放量增多的行为付出代价.目前国际市场上提出的二氧化碳税在20美元/t～50美元/t之间.当市场碳交易价在200美元/t左右，CO2有减少20%-45%的可能性.

通过上述模型结果分析得出，考虑航速影响的船队规划模型，不仅可根据现有的成本影响因素计算航线最佳航速与船舶投入数，同时符合当前航运企业思考成本战略的减速减排、船队规模调整的新要求，具有一定的参考价值.针对各成本之间的影响因素变化，对油价和货值进行敏感性分析.

4 敏感性分析

4.1 燃料价格的波动

油价变化趋势难以预测，且对航速的选择有很大影响，燃油成本同时受油价和油耗量影响，在低油价提速会增加油耗量，进而会抵消燃油成本效益.本文通过分析3种油价下的航速选择，更好应对油价影响.

当前重油市场价格在450美元/t左右，参考往年油价水平，图3分别取400美元/t、700美元/t和1000美元/t油价，分析集装箱船总成本的变化趋势.

图3 不同油价下船舶航次成本随航速变化图Fig.3 Voyage costs at different vessel speeds and fuel prices

结果表明，在一定航速范围内，油价越高船舶总成本随航速下降的比例越明显.油价水平在700美元时，最佳航速为14节左右，而随着半年来油价降至400美元后，在航速16.4节左右成本效益最大.

油价下降会诱使航速有所提升，但在考虑碳排放成本及闲置成本后，航速改变相对较小.目前市场上大部分船公司采用航速变化来控制成本，在油价下降或运价高时选择提高航速，增加年航次数[11].但企业对燃油采购价存在合同性质，对油价的反应具有时间性，在当前全球加大控制碳排放趋势下，船公司成本不仅仅受油价影响，与航速有关的油耗量的变化、船舶闲置或租用成本都需全面考虑.

4.2 减速的货物价值范围

从货主角度来看，慢速航行会提高货物在途库存成本，因此货值越高减速承担的风险越大[12].在供应链中，船东额外费用的变动会转移到上下游，货主往往会在运费和库存成本间进行低成本选择.这种成本关系是由货物的资金成本占运输成本的比值决定，而燃油成本是影响运输成本的主要因素.因此，最佳航速表示为减速增加的库存成本小于燃油成本变动收益.

本例采用美元伦敦银行近年平均利率3%，市场重油价格450美元/t，在货值为50 000美元/TEU以下，其最佳航速变化不大，燃油收益值远大于所增加的货物存货成本.当货物价值约100 000美元时，利润最大化航速从16.4节上升到18节.因此，采取减速策略前首先要对货物价值进行分类，高价值货物往往选择更快更具规模效益的船舶进行运输，若因高航速支付的额外费用大于增加的库存成本，则货主更愿意接受慢速航行.对货主来说，延迟交货将带来两方面成本的提升，一是存货成本，一个是市场成本，但当前运价对于货主来说是满意的，货主一般可接受晚几天交货[13].

5 总结及展望

模型结果表明，集装箱船有实质性的CO2减排潜力，当船舶追求利润最大化时，选择盈利航速16.4节效益较明显，但在高度竞争的航运市场中，实际航速的确定还要考虑当前供需水平、燃油价和货值.

在企业响应市场减排政策的情况下，追求碳排放经济性的同时在边际利润较高的范围内选择航速.燃油价格的变动对航速的影响较大，油价越高企业选择减速带来的利润越大.针对在途库存成本的上升，需要对货物进行分类，减速不适合高价值货物和对时间要求较高的货主.班轮公司应将减速带来的利润公平公开化，对不同货物价值的货主采取一定额度的补偿.

通过合理的航速控制，可以避免港口拥堵情况的发生，提高船舶准点率，还可以缓解市场运力过剩[14].总结减速利弊可得出以下结论：1)盈利航速的选择要根据当前油价和运力水平进行修正，平衡边际利润和延误造成的机会成本.2)减排程度要根据公司的目标和环境政策来选择，随着碳排放权重的增大，即市场越重视减排，企业减速幅度越大.3)减速不适用于在途库存成本占总成本60%以上的货物，成本的增加会抵消油耗下降带来的效益.下一步研究方向主要考虑以下几方面：研究船公司之间舱位联盟，平衡减速和船舶投入问题；考虑航行甩港问题，符合船舶大型化趋势所要求的配载规模效益；从供应链角度考虑船速带来的影响，包括船东和货主利润效益分配，结合市场行情和货主对价格的敏感度制定标箱运价.

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Research on speed and emission reductions of shipping under the excess capacity environment

WANG Zhihuan， LI Xiawei， YANG Bin

(Scientific Research Academy， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306)

Speed reduction has become an important way to control costs and CO2emission under seriousexcess capacity of shipping. In the present work, the economic and environmental factorswere taken into consideration, including voyage time,fleet deployment, inventory costs and carbon tax. Then, a MIP optimization model was establishedwith minimized cost for containerships, indicatingthatshipping costs decreasedbefore risenwhile carbon costs continued dropping as speed reducing. A concept of marginal profit was utilized to analyze the speed selection strategy of shipping under costs saving and emission reduction policies. A sensitive analysis was also conducted to study the relationshipsbetween slow steaming andthe change of fuel price and cargo value. Moreover,the effect of speed reduction on both shipping company and cargo owner is discussed from shipping supply chain perspective, andsuggestions for containership speed reductionare given.

slow steaming; ship fuel consumption; liner shipping; CO2emission; nonlinear programming

2015-02-22.

国家自然科学基金项目(71171129); 上海市科委科研计划项目(12510501600，14DZ2280200);交通运输部应用基础研究项目(2014329810120); 上海高校青年教师培养资助计划; 上海海事大学研究生创新基金项目.

1000-1190(2015)05-0701-06

F552.5；U692.3

A

*通讯联系人. E-mail: hitwzh@gmail.com.