环境可持续集装箱班轮运输管理研究综述

葛颖恩，温馨

(上海海事大学，a.交通运输学院；b.经济管理学院，上海201306)

0 引言

海运承担着国际贸易超过80%的货运量[1]，其中集装箱班轮运输占全球海运业务的24%；2018年全球集装箱货运量达到15200 余万TEU，以8%的年均增长速度领先于其他海运方式。近数十年，航运业污染问题越发引起重视。根据国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)的船舶排放报告[2]，海运业CO2排放量在2019年达93800万t，约占全球CO2排放总量的2.6%。以当前经济发展态势，预估到2050年，涨幅将达到50%~250%；而船舶NOx和SOx的排放量分别达20900万t和11300 万t，已占排放总量的15%和13%。因此，让航运业进入环境可持续发展模式显得尤为重要。

发展绿色航运业，严格控制船舶排放已势在必行。国际上由IMO、欧盟和美国已在全球设立6个污染排放控制区(Emission Control Area,ECA)，限制硫、氮氧化物的排放。我国交通运输部在原来3 个水域控制排放的基础上已扩大到全国沿海岸12 n mile，并在海南水域全面设立排放控制区。自2015年1月1日起，船舶在ECA内使用的燃油硫含量不得超过0.1%；2020年1月1日起，ECA 外船用油的硫含量必须在0.5%以内。船公司一般通过使用低硫油或清洁能源降低排放，如液化天燃气(Liquefied Natural Gas,LNG)，或在船上安装脱硫塔或到港后使用岸电等节能设施来降低硫排放。于2020年1月1日起开始实施的“限硫新规”无疑会造成运价上行，船舶为避开ECA 航行也使航程周期延长。这直接影响集装箱班轮市场。此外，IMO提出了首项温室气体减排战略，即至本世纪中叶，全球航运业温室气体排放量与2008年相比至少降低50%，并逐步朝零碳排放目标迈进[3]。这些行动敦促航运业从设备技术改进、现代运营管理和建立市场机制3 种途径来控制船舶碳排放。我国目前拥有36个亿吨大港，全球前十大集装箱港口中稳占7席。如此密集的航线和频繁往返于各港口的船舶是制造港区和沿海空气污染的重要来源。

在集装箱班轮运输方面，可持续发展主要指班轮公司及港口运营商，在IMO 政策驱动下所采取的自主决策和应对策略。可持续性包括环境、经济和社会3个层面的指标，本文的分析仅限于集装箱班轮运输环境可持续性。如图1所示，针对集装箱班轮运输环境可持续性问题，梳理文献中在战略、战术和运营等3个层面围绕措施、技术和规章制度等所做的研究，并给出研究建议。

图1 研究范围关系图Fig.1 Research scoping

1 战略层面的研究

IMO 及欧盟相继出台了减排政策控制船舶污染。国际防止船舶造成污染公约(MARPOL73/78)第6项附则(Annex VI)规定了对船舶温室气体排放控制的若干政策建议。目前已有60余个国家和地区加入该协议框架，超过全球总运力的50%。从2013年1月1日开始施行的船舶能效设计指数(EEDI)是从技术层面对所有新造船排放标准的强制规定；同时实施的适用于所有400 t 及其以上船舶的能效管理计划则是从经济运作层面为船公司提供了船舶节能减排的政策机制和建议措施，包括低油耗作业的改进策略、装卸流程的优化作业、船体维护、废热循环等。此外，船舶能耗运营指数(EEOI)是对船舶运营过程中排放标准的补充，管理者可自主选择。2015年欧盟理事会通过了针对船舶的监控、报告并核实CO2排放量的条例；根据该条例的要求，从2017年8月1日起，所有挂靠欧盟港口的超过5000 总吨的船舶必须携有碳监控计划，随后将逐步启动核实和报告程序。这些政策的制定无疑对航运业，尤其是班轮运营造成影响。战略层主要涉及企业间决策、环保技术或设备的投资决策和市场机制的规划。

1.1 市场减排机制和政策的制定

征收碳税、燃油税或政府补贴等政策：通过定量分析航运业征收碳税对全球贸易中集装箱班轮运输带来的影响，LEE 等[4]证明一般的碳税征收水平并不会对班轮运输的经济性带来冲击，但会造成中国GDP下滑并阻碍远洋运输的发展。通过建立两种排放交易机制，以集装箱运输和干散货运输为算例分析比较两种机制的优劣，WANG等[5]证明两种机制均可降低航速、承运商成本和燃油消耗量。DAI等[6]研究了征收排放税下班轮公司运输网络配置问题，及其对运营成本和碳排放量的影响。ZHUGE 等[7]讨论了政府应如何制定激励机制以鼓励船舶在进港时减少排放，以实现降低港口区域排放的目的。在Stackelberg 博弈模型基础上构建两个双层补贴制定模型，以提高船公司利润并降低政府成本。HAN 等[8]将港口和船公司加入到政府补贴机制中，从航运服务供应链构建了收益共享模型以满足ECA的减排政策。

制定市场减排机制，需考虑价格弹性、市场竞争、绿色技术投资和排放控制水平等因素。班轮运输市场长期发展的绿色战略决策需要政府政策引导、建立科学市场机制。在海运贸易迅速增长的趋势下，SHI[9]指出仅采取技术和运营层面的措施来降低船舶排放是不够的；进而分析当前7种市场减排机制的可行性，并提出依据国情选择最合适的减排机制。因缺乏评估航运企业船舶环境效益的行业标准，RAHIM 等[10]对10 大班轮公司节能减排的实践情况和制度进行调研，呼吁航运业共同努力，准确而及时地制定市场机制。XING等[11]梳理了降低航运业碳排放的一系列方式，除了被广泛研究的技术和操作层面措施，同时探讨了市场层面措施和自主减排行为。

1.2 绿色政策、技术及措施评估

多种环保政策、措施及技术的比较分析是当下的一个讨论热点。通过对清洁能源、环保技术、运营方式和减排政策进行分析，BALCOMBE 等[12]指出LNG是短期内经济环保且普遍适用的可替代燃料，长期发展应从可再生能源、技术推进、政策和财政支持等方面多管齐下，通过多种途径寻求协同发展降低碳排放；BOUMAN 等[13]也认为只有多种方式相结合才能实现有效的低碳减排目标。通过全面梳理技术、运营和市场层面的碳减排措施并对脱碳进程面临的挑战进行分析，WAN 等[14]认为技术手段多处于研发阶段且成本高昂；降速虽然有效，但进一步的减排空间有限，需结合其他减排措施。

环保技术的潜力是否没有挖掘出来，这是值得讨论的问题。传统化石燃料对环境影响恶劣，将其转化为可再生能源是降低排放的一种途径；SVANBERG 等[15]对可再生能源生物——甲醇，作为海运的替代燃料，从原料、供应系统、甲醇生产、分配至海运业终端的整个供应链的发展潜力进行了分析。

环保技术无疑已经引起越来越多的重视，推广需要对它的经济性有一个合理的评估。在ECA和限硫政策下，未来会有更多航线通过ECA，在硫、氮排放约束下对新造船进行投资决策，ABADIE等[16]建立随机模型依据市场行情估计LNG 和其他4 种燃料的价格，以投资成本和油耗成本最小为目标，对选择安装柴油，还是双燃料发动机，抑或安装洗涤器进行技术决策。面对首个明确的碳减排目标，SCHINAS 等[17]认为传统的融资机制和能力不足以满足船舶减排技术改造，提出“共享节约”融资，为船公司和技术供应商提供了新的融资模式，以推进船舶技术改造的步伐。以一条经过中国ECA区域的航线为例，FAN等[18]对换油和安装混合洗涤器两种减排方式进行成本和收益评估。

1.3 企业间竞争与合作

集装箱供应链的可持续发展，YANG[19]对台湾地区129家班轮公司和机构进行问卷调查，采用结构方程从行业压力、企业内部减排措施、企业间合作3 个方面评估了绿色发展集装箱运输的企业效益，指出业内压力不利于企业间合作的达成。YUEN等[20]通过利益相关者、计划行为和资源依赖理论，对航运可持续发展的驱动和表现进行分析。收集109家干散货船公司和77家班轮公司的数据，揭示了从业者压力、态度以及行为控制会直接影响执行决策，并间接影响经营效益。

供应链节点间的竞争与合作，MALLIDIS 等[21]研究了IMO 限硫政策如何影响承运人对运输供应链的决策，构建了混合整数规划模型，以一条亚欧贸易线为例，从装货港出发运输集装箱，经过进口港、陆路运输(包括重卡、火车和驳船)到分拨中心，最终送到零售商店。当前油价并不会影响到运输网络结构。SHENG等[22]分析了单边排放规则与统一排放规则的经济与环境效益。通过两阶段博弈模型，假设区域港口与航运公司的竞争关系，得到两种排放规则下的市场均衡。每种规则都存在非对称效应，船公司与港口要在降低排放和公平竞争中进行抉择。

1.4 小结

表1 梳理了在战略层研究发展绿色集装箱班轮运输的部分文献。

表1 战略层研究问题分类Table 1 Classification of research issues at strategic level

综合本节讨论，未来可从以下几点推动该领域战略层面的研究：(ⅰ)对环保技术的发展潜力定量分析，对技术实施的投融资决策建模分析等。已有文献多为定性分析，定量分析、典型案例分析相对明显不足。(ⅱ)最新环保技术、船舶改造或新造船的投融资决策分析，如岸电、节能发动机、环保材料、减排装置等的选择和成本-收益分析。(ⅲ)结合当前或即将施行的环保政策、制度和机制等展开研究，如我国排放控制区扩大范围对班轮运输的影响。(ⅳ)应加强集装箱运输供应链上各节点企业的联系和合作/竞争模式的探讨，增强链条上节点信息的透明化，如环保征税，包括排放税和燃油税等，或补贴政策都会涉及承运人、货主和港方在成本、收益或社会责任的分摊决策。(ⅴ)当前可持续发展不再局限于企业内部，应从供应链角度出发，分析集装箱运输供应链之间的竞争关系；另外，越来越多的航运公司加入航运联盟，企业间应如何共同承担和分配环保责任？(ⅵ)战略层研究还比较碎片化、不够系统，对“绿色”或“可持续”的相关概念界定不清晰。(ⅶ)无论是绿色政策、环保技术还是市场机制的可行性、合理性探讨，专门针对集装箱班轮运输的研究较少；应结合集装箱运输特点、班轮运输行业特征展开研究。

2 战术层面优化

班轮运输在战术层的决策一般涉及：服务频率、船队配置、航行速度以及船期安排等问题。伴随各项环保政策和减排规定，油价上涨、运力波动等问题接踵而至，班轮公司在运营管理中做出相应调整。

2.1 控制油耗或碳排放的班轮运营优化

对班轮运输的油耗或碳排放控制，首先要解决船舶航速与燃油消耗及废气排放的关系问题。2000年以后，将航速作为决策变量的研究逐渐增多。PSARAFTIS 等[23]将航速模型相关的文章按是否考虑了碳排放分类，进行文献梳理。首先介绍建立航速与油耗量关系的文章，多以船舶运营成本最小或总利润最大为目标。对航速与油耗量的幂函数关系进行探讨。WANG 等[24]构建了考虑集装箱转运和运输路径的航速优化模型。利用一家班轮公司的历史数据，首次对速度与油耗之间的幂函数关系进行调整。

第二个关键问题是作为常见约束的港口时间窗问题。在转运时间约束下，KARSTEN 等[25]建立模型优化运输路径、航速和船队配置，并采用Benders分解和列生成技术进行求解。考虑枢纽港转运的集装箱航线网络设计，ZHEN 等[26]构建总成本最小模型来决策船舶配置，港口挂靠次数和航速以及集装箱运量分配。

第三，考虑时间成本或服务水平。衡量转运时间的感知成本，WANG等[27]优化两个挂靠港之间的航速和转运时间；WANG等[28]分别以船公司和供应链为主体构建两个速度优化模型，并加入服务水平约束，前者以运营成本和油耗成本最小为目标、后者还同时考虑存储成本，进而设计多项式时间算法进行求解，分析配船数量、油耗量和服务水平之间的均衡关系。吴暖等[29]设置了最小货物时间价值损失和最低运营成本的双目标，在货主为“理性经济人”的假设下建立航线配船模型并通过改进的NSGA-Ⅱ算法进行求解。

第四，结合燃油策略优化航速。YAO等[30]提出了单船的燃油管理策略，通过选择加油港口、确定加油量和选取速度来降低总燃油成本。探讨燃油税或油价波动对碳排放的影响，CORBETT[31]评估了征收燃油税的经济效益，表明燃油税为150 US$⋅t-1时可降低碳排放量20%~30%。CARIOU 等[32]对比分析降速与欧盟征收燃油税这两种减排措施，指出后一种措施可能会适得其反。PSARAFTIS 等[33]认为船舶的油耗成本取决于有效载荷、货物运载量、油价、运费率和其他相关参数。碳排量的多少还与碳排放系数相关。

第五，优化航速，降低船舶碳排放。将船舶油耗与排放量的计算与解决海运问题的运筹学方法相结合，KONTOVAS[34]提出绿色船舶路径优化和调度的概念并概括出3种可行方法，即以排放量最小为目标，以成本最小为目标(含排放成本)和限制排放的约束。DULEBENETS[35]建立双成本目标的航速优化模型，即与转运时间正相关的成本构成，包括船舶运营成本、储存成本和延误成本；另外是与转运时间负相关的成本构成，包括油耗成本、在港作业成本和碳排放成本。WEN 等[36]在PSARAFTIS 等[33]提出的基于负载的油耗模型基础上，考虑油价、运费率和在途库存成本，构建了总航程时间、总成本和排放量最小的多目标路径和航速优化模型。设置船舶碳排放量约束的文献中：WANG等[37]构建模型来优化加油策略、航速和船队配置，从而分析航速与油耗量和碳排放之间的关系；DE等[38]在服务时间窗和泊位数量约束下，构建船舶运输路径与加油策略联合优化模型，以满足各港口货运需求。

第六，碳税或碳交易政策对班轮运输优化决策的影响。这涉及设置船舶的碳排放额度和交易机制，以及配船、航速与缴纳碳税、购买碳额等问题。俞姗姗等[39]分析了3 种碳排放调控政策：定额或定量征收碳税，以及碳排放权交易对航速决策的影响。邢玉伟等[40]考虑碳税政策的影响，构建航线配船与航速模型。

此外，降速策略对碳减排或降成本的有效性也值得研究。假定燃油价格为350~400 US$⋅t-1，CARIOU[41]研究在主要贸易航线上采取降速策略的成本效益。KONTOVAS等[42]和LINDSTAD等[43]都认为降低航速可有效减少船舶油耗和碳排放，前者分析比较不同泊位作业规则并提出船舶到港2 h内开始装卸作业可缩短航程时间，后者探讨帕累托最优政策并建议采取限制航速的实施。

2.2 预调度式的绿色班轮运营优化

班轮运输在远距离、航程长且动态不间断的运营作业中，存在诸多不确定因素会干扰船期计划。再加上周期性作业，一个节点的延误会对整个运输链条造成连锁反应。因此，在干扰发生前，决策者应预先分配冗余时间，设计鲁棒预调度方案，从而降低潜在不确定因素的负面作用。这对船舶油耗和废气排放会产生哪些影响，将通过梳理下列文献进行分析。

在船期表设计阶段，采取预调度的缓冲措施来降低干扰风险，是针对反复出现、规律的不确定事件，包括海上和在港不确定因素。降低油耗成本方面，WANG 等[44-45]考虑海上不确定性和转运时间限制来优化船期计划，文献[44]未考虑船舶延误的情况，文献[45]进行了扩展。AYDIN等[46]在港口服务时间窗约束下，对航速和加油策略进行动态决策。

在港时间的不确定性挑战船舶碳排放的控制。为此，QI 等[47]针对不同服务水平优化班轮船期，SONG 等[48]建立成本和碳排放最小以及服务可靠度最大的多目标模型。考虑海上环境，尤其是季节因素对航行时间和海上作业的影响，NORLUND等[49]优化了供应船提供补给的船期安排。在不确定交货时间的假设下，LEE等[50]分析降速策略对油耗成本和交付可靠度的影响。

采取节能减排措施会影响船队配置或船队更新。考虑在港时间不确定并满足各挂靠港供需要求，构建的多船型配置、船期计划与集装箱路径优化模型往往是只能利用智慧算法求解。在船队规模、泊位和堆场资源限制下，ZHEN等[51]建立一个以利润最大为目标的装箱量随机变化的船队配置模型；考虑市场需求的不确定性并满足各港口货运需求和船舶碳排放量约束，以总成本最小为目标，DE等[52]构建模型来优化船舶船期安排、行驶速度和货物路径分配，并用粒子群算法求解所建立模型。考虑季节性需求和运费变化，WANG等[53]通过减少或增加访问港来优化班轮运输航线。码头运营及海侧作业的不确定性同样会造成班轮船期延误，船舶进出港和停靠作业过程也会产生废气排放。在解决泊位分配问题中，DU 等[54]考虑船舶动态到港过程中的潮汐变化和减排因素；以降低碳排放为目标优化泊位和岸桥联合调度，ZHEN 等[55]考虑船舶到港时间的不确定性和装卸作业量。

2.3 ECA的设立对班轮运营优化的影响

伴随全球范围逐渐设立排放控制区，加强对船舶氮硫化物排放的管控，学术界开始对设立ECA给班轮运输服务带来的影响展开讨论。

首先，分析应对ECA 的减排措施，如换油策略、安装脱硫塔以及使用LNG。DOUDNIKOFF等[56]和FAGERHOLT 等[57]研究采用低硫油措施，对航行模式、航速和路径选择进行优化。FAGERHOLT 等[58]指出在ECA 内外使用硫含量不同的燃油，根据其不同单价，建立分段速度模型进行优化；还研究了ECA的折射效应，选取船舶通过ECA 边界的最优点。LINDSTAD 等[59]利用成本函数评估ECA 政策下的减排策略，表明没有绝对的最优选项，需要结合船舶的发动机大小，其在ECA内的年油耗量以及未来油价走势进行决策。接下来，GU等[60]通过计算全生命周期成本，同时对换油策略和安装洗涤器进行评估，指出安装洗涤器需要高昂的前期投资，因此船舶在运行过程中仍需要优化航行模式，否则将无法收回成本。HUA等[61]对两艘船舶的全生命周期温室气体排放量进行估算，分别以重油(HFO)和LNG 为燃料。使用LNG 作为船舶燃料，可以有效降低温室气体排放量，但会产生大量甲烷。

其次，分析ECA 可能带来的负面效应。通过分析3年内途经ECA边界的7000条船的AIS数据，ADLAND 等[62]发现，自2015年北美设立ECA 以来，宏观来看并未对船舶航速有显著影响，这与很多文献的观点相悖。CHANG等[63]采用两阶段法对ECA 限制下的欧洲和北美港口进行分析，表明ECA 的减排政策在一定程度上会损害这些港口的运营效益(15%~18%)。CHEN 等[64]研究了ECA 的设立对全球航运的影响，通过收集亚欧航线上经过地中海海域、并可能经过ECA的船舶数据，分析了这些船舶的轨迹特征，结果显示，绝大部分船舶会选择绕行ECA，这会造成某些地区的局部污染排放量过高。从船舶运营者的角度，Li等[65]探讨了船舶经过ECA 时的应对策略，进而构建模型来优化航行模式和降低成本的策略；分析了计划穿过北美减排区域的航线，发现有39.05%的船舶会选择规避ECA(即在ECA外航行)，从而造成船舶的总排放量不减反增。

第三，在ECA排放限制下，船公司需采取节能减排措施，对航速、挂靠港和加油选择、船队配置、航行模式和轨迹或路径等中期决策产生影响、需要协同规划或优化。CARIOU[66]在ECA 排放限制和船舶运载能力约束下，构建利润最大的多货物多挂靠港装卸作业的网络流模型，对挂靠港的选择、挂靠顺序、货物流、配船数量和航速联合优化。MA等[67]在天气变化和排放控制政策下，进行航线与速度的多目标优化。在考虑ECA 政策下，ZHEN[68]等以总成本最小为目标优化包含中转港转运的航线网络，以此确定船队配置、绿色减排措施、航速和船期表、每组起讫点(OD)对的货运量、岸电安装策略等。在船舶进港时，ZHUGE 等[69]提出班轮自主降速激励机制来制定船期计划，以降低油耗并满足港区的排放要求。船公司之间通过航线网络彼此进行货运业务，REINHARDT 等[70]构建了考虑商业需求和排放约束的班轮航速鲁棒模型，优化转运时间、码头作业时间、运河通过时间以及公司间的合作协议等。以总油耗成本最小和硫排放最少为目标，ZHEN等[71]构建了班轮在ECA内外航行的双目标优化模型，以决策航行路径和航速。以班轮运输海上航行和在港作业停留的整个航程为目标，DONG 等[72]构建模型优化ECA 内减速区的最佳航速。WANG 等[73]对经过ECA 的班轮运输服务问题进行整体优化，决策变量包括船舶配置、船期计划、航行路径和速度等，结果表明，ECA 的设立使船公司至少节约2%的运营成本。通过研究硫排放约束、碳税和降速激励机制等3 种减排措施，ZHUGE[74]同时优化航行路径、航速和船队配置，并采用动态规划方法求解问题。在这些研究中，ZHUGE等[69]、REINHARDT等[70]和DONG等[72]分析了船公司采取减排策略对航速的影响，其他文献将航速优化与其他中期决策同时建模。

此外，诸多文献分析了ECA 政策下减排技术的发展潜力。AMMAR[75]对网格式集装箱船舶使用甲醇-柴油双燃料发动机进行经济和环境效益评估。在使用双燃料发动机基础上，船舶还需降速28%，并采用选择性催化还原法处理柴油的废气排放，才能满足IMO最新的环保标准。

2.4 应对国际运输网络演变战术层面的选择

国际运输网络在各国经济发展竞争全球性资源的大背景下持续演变，包括时下讨论比较多的“一带一路”倡议和中美贸易战。学者普遍是站在推动“一带一路”倡议落实的角度研究班轮运输的可持续发展。围绕新贸易线(铁路班列或班轮航线)加入运输网络的经济性和可行性问题，重新构建海上运输网络。在“一带一路”框架下，考虑加入两条新铁路运输线，YANG等[76]建立双层规划模型优化亚欧之间的航运服务网络；与海运相比，铁路运输依然受限于运费高、运量低和单位货运量的能耗高、污染大。相比于水运，铁路运输更加高效、且可直达丝绸之路经济带的沿线国家；同时，带动我国中西部地区发展的作用是水运无法完成的。为此，政府补贴铁路货运从而鼓励货主选择中欧班列、新亚欧大陆桥班列；这毋庸置疑提高了货运效率，当然代替运价低、运量大的班轮运输也从来不是联通丝绸之路经济带各国铁路班列设置的初衷或目标。在分析两条远东-欧洲的新班轮航线经济性的基础上，YANG等[77]通过绩效评价系统对新的班轮航线与已有航线进行比较，并调查价格变动、限硫令和“一带一路”政策对新增航线的影响。

从成本、环境影响、可靠性和安全性等方面对“一带一路”经济走廊的发展潜力进行分析，并与传统运输航线相比，WEN 等[78]论证了“一带一路”倡议的优势所在。对“一带一路”航运网络进行分析，PAN 等[79]找出连通性较差的节点港口并指出其连通性有待提高。ZHANG等[80]对“一带一路”协议框架内的56个国家的能源性能进行逐一计算并比较分析。随着“一带一路”政策的推动，中国政府提高了在西非国家对交通基础设施的投资额，XIN等[81]以广义交通成本最小为目标，构建了航运网络设计与基础设施投资联合优化模型。

中美贸易战已冲击到航运市场，航运企业应在战术层面做好准备，以应对由此衍生的与贸易息息相关的市场风险。从业内专家分析来看，贸易摩擦会全面影响航运各细分市场，对油运、集运和散运市场均带来了不同程度的负面影响。GONG 等[82]研究中美贸易影响下，干散货运价指数与股票市场的动态相关性，结果显示，中美贸易量的降低会增强运价与股价的传染风险。基于中美航运贸易数据，王列辉等[83]分别设置随机与蓄意两种网络攻击方式，对中美集装箱航运网络进行脆弱性评估并找出相对重要的中介港口。

2.5 小结

表2 梳理了战术层的研究问题。结合本节的讨论，建议从以下几个方向推进该领域在战术层面的研究：(ⅰ)确定性条件下通过优化航速控制船舶油耗和排放的研究已非常充分，但仍有很多不确定性因素应予以考虑，包括运输市场需求波动、国际原油价格波动、政策因素、季节和天气因素、船舶运力变化，以及影响全球或较大区域的疫情(如2020年初开始影响全球的新冠肺炎疫情)等。(ⅱ)利用当下或历史实际数据(如AIS数据)分析不确定事件的发生规律，提高不确定因素相关参数设定或随机事件概率分布的准确性与合理性。(ⅲ)全球集运市场已然呈现各大航运联盟主导态势，面对迫在眉睫的减排任务，各联盟纷纷出台燃油税，进而将部分成本转向托运人承担；联盟内各企业间是否存在某种竞争或合作关系，是否可以通过协作(合作机制或协议定价)承担经济风险和社会责任，进而向客户提供更加优质的服务，值得进一步探究。(ⅳ)考虑船舶在港时间不确定的文献中，多数直接假设船方会根据码头繁忙情况降速，以缩短在港等待时间，但很少有文献对船方和港方这种合作关系的合理性进行论证；对于港口与船公司的协议或博弈关系需进一步讨论，如制定不同的时间窗或作业效率等。(ⅴ)与上、下游运输节点的联系逐渐增多，如考虑码头作业资源的限制；内陆转运中需考虑转运时间或货运需求的限制；环保技术投资建设会涉及到航运公司与码头的关系，如岸电装置的安装涉及到航运企业、政府与港口三方决策。

表2 战术层研究问题分类Table 2 Classification of research issues at tactical level

3 执行层面决策

梳理海运环境政策和限排要求下，班轮公司在执行层面所作的决策调整，主要包括绿色可持续的集装箱调运以及干扰恢复管理。

3.1 控制排放的集装箱调运

集装箱调运离不开班轮公司的中期决策，并且包含了空箱调运问题。降低油耗的空箱调运策略，SONG 等[84]引入拓扑结构和船舶负载因子，以成本最小为目标构建远洋运输航线设计模型，决策航线结构、船舶配置和空箱调运问题。AKYÜZ 等[85]在转运时间约束下，研究了多类型货物运输路径优化以及空箱调运问题。胡坚堃等[86]建立了多港挂靠与轴辐式混合网络模型，对航线选择与船型配置、重箱与空箱调运、航速选择进行决策优化。控制排放的空箱调运研究，SONG 等[87]采用基于活动的方法计算两条亚欧航线上班轮运输的碳排放量，以此选择更环保的航线行驶，并分析了空箱调运策略和在港装卸作业量对碳排放因子的影响。沈二乐等[88]在保证重箱正常运输和碳排放约束下，建立了考虑碳交易的双目标空箱调运模型，分析碳交易价格对总成本和运输时间的影响。GOH[89]提出了影子定价法，预估可折叠集装箱对太平洋西向贸易中回程空箱运费的影响，并采用基于活动的方法估计了碳排放量。可折叠集装箱缩小了去程和回程的运费差值，回程不再需要内陆转运，且有利于降低碳排放量。

针对集装箱运输减排问题，QIU 等[90]在“一带一路”背景下构建了允许船舶共享的集装箱运输分配模型，其中以中国-中南经济走廊为算例，分析显示，船舶共享有利于节能减排并提高收益。基于班轮公司合作，IRANNEZHAD 等[91]构建时间窗约束下的动态车辆分配和调度模型，优化内陆空箱调运和集卡调度；分析指出，公司之间的合作可减少不必要的运输和箱量存储，降低40%的油耗和排放；若利用共享集卡或大型集卡，更具有环保效益。

3.2 反应式的绿色班轮运营优化

影响班轮运输的不确定因素按照发生频率可分为，规律性事件和一次性突发事件。对于前者，班轮公司预先分配冗余时间，在执行层面采取预调度的方式应对规律性干扰事件。但当意外事件发生，如码头工人罢工、船舶碰撞、飓风等，造成船舶运输直接中断，班轮运营者在绿色背景下，应从操作层面采取措施恢复受扰的船期和船舶的正常运营。一般的应对策略包括改变航速、跳过港口挂靠、改变港口访问顺序、缩短在港时间等，而这些也会引起船舶油耗量的产生及排放量的变化。

其次，优化降低燃油成本的干扰恢复策略。LI等[92]建立了非线性模型解决船期延误问题，并用动态规划方法进行求解。加快航速是应对短时延误最有效的措施，而突发事件则需要减少挂靠港口数量或改变港口访问顺序才能得到恢复。LI 等[93]针对规律性和偶然性不确定事件造成的延误，为班轮公司提出了实时调度的恢复策略，以最大限度恢复延误船期。设立最小化油耗成本和延迟损失为目标建立了多阶段随机控制模型。CHERAGHCHI等[94]构建了采取加速策略恢复船期的多目标模型，应用几种多目标智能算法求解，得出帕累托解以权衡最小时间延误和最小经济损失两个目标。邢江波[95]采用波优化处理班轮运输中的不确定性问题，构建了轴辐式网络下的集装箱流恢复模型，从而提供可靠的班轮船期表设计。考虑ECA政策的排放约束，DE 等[96]在满足港口泊位数量限制和货运需求下，构建船期计划与燃油管理决策模型，考虑了重油和轻质油的加油策略以及碳税成本，并在恶劣天气导致港口关闭等干扰事件发生时，采取跳港策略建模；LI等[92]仅假设在某种已知情况下采取恢复措施，而其余文献均考虑了未来出现突发事件的可能性。

第三，优化降低船舶排放的干扰恢复策略。通过增加航速、减少挂靠港、改变港口访问顺序等措施来应对4 类突发事件，以权衡油耗增加、对余下航程影响和服务水平之间的关系，BROUER[97]建立恢复策略决策以应对突发情况的混合整数模型，结果使成本节约达58%以上。利用马尔可夫过程，MULDER 等[98]构建班轮船期延误恢复模型，通过中期层面的缓冲时间分配和短期层面的恢复措施相结合，以达到船期设计的经济性和鲁棒性。

3.3 国际原油价格变化和新冠肺炎疫情的影响

在战略和战术层面需要考虑这些因素，实际执行中需要选择何时启动应对策略。因此，本文在这部分讨论国际原油价格变化和新冠肺炎疫情等突发事件的影响以及班轮运输业在运营层面的应对策略。

原油价格的波动主要涉及航运企业的燃油成本，影响班轮公司的燃油补给策略及征收燃油附加税。随着限硫令和绿色航运的推进，油价波动也对绿色环保技术的选择产生了影响。LINDSTAD等[99]比较分析了安装脱硫塔、使用低硫油或LNG的能耗量及成本。在原油价格变化下，不同船型会有不同的选择。原油价格直接关系高硫油价的变动，HALFF等[100]指出“限硫令”会对精炼厂和原油厂商带来不利影响，可能反而会减缓传统燃料向现代燃料转变的过程。MAITR等[101]研究了原油价格与班轮市场股市收益的波动溢出性和关联性。

新冠疫情阻碍了世界供应链的畅通运转，使需求市场疲软，对世界经济环境造成巨大的负面影响，也间接影响了航运业各细分市场。NOTTEBOOM 等[102]对新冠疫情影响下的集装箱港口和班轮运输业进行时空序列分析，并与2008—2009年的金融危机影响相比较。XU 等[103]对中国14 个主要港口的面板数据进行建模，分析了宏观经济、疫情蔓延程度以及政府防控措施对港口运营作业的影响。NARASIMHA 等[104]定量分析了新冠疫情对印度港口运输和海上供应链系统的冲击，并提出了后疫情时代的恢复建议。面对充满疫情风险的邮轮，CHOQUET等[105]探讨了海港国家是否应接收其停靠的法律法规和救助规则。

若船舶不安装脱硫装置，在ECA 内外行驶时会使用硫含量不同的燃油或使用清洁能源，航行速度也会发生变化。这在FAGERHOLT等[58]和ZHEN等[68]两篇文献中有深入研究。

3.4 小结

相较于在战术层节能减排方面丰富的研究，针对该领域执行层决策方面的研究总结在表3 中。无论从集装箱调运问题，还是干扰事件后针对恢复问题的决策，都应继续推动环境可持续发展方向的研究。值得进一步研究的问题包括：(ⅰ)减排技术的应用或环保政策对集装箱运输路径、运输网络构建的影响。(ⅱ)对于ECA设立下船舶的航行模式，遇到突发事件干扰后，是否需采取不同恢复策略以及降低排放的集装箱流恢复策略。(ⅲ)排放限制下集装箱调运，班轮公司与内陆运输方式的协作或竞争。(ⅳ)考虑集装箱转运过程中的不确定性因素，包括港口需求不确定性、内陆转运方式效率与容量的不一致等。(ⅴ)借鉴绿色公共交通的“共享”“智能”思想，探讨“共享集装箱”“共享集卡”等在集装箱运输中的可行性，以及“智能船舶”“自动驾驶船舶”的减排效益和可行性分析。

表3 执行层研究问题分类Table 3 Classification of research issues at operational level

4 结论

本文旨在就当前集装箱班轮运输环境可持续发展研究现状提供一个综述；按照决策水平、时间脉络和研究主题，从3 个层次7 个类别进行综述。这里的三点观察值得重视：

首先，研究趋势变化与环境政策紧密关联。图2把2009年1月—2021年3月发表的相关文献按战略层、战术层和执行层分4 个时间段进行统计。2009年，海上环境委员会(MEPC)在第59 届会议上，提出了一系列控制船舶温室气体排放的自主选择措施；2011年，MEPC62 通过了船舶能效规则(MARPOL73/78,Annex VI)，并在2013年进入实施，这是首个针对航运温室气体排放的国际法律文件，此后发表的碳排放相关文献占了95%；2018年出台首项碳减排50%的战略目标，2018—2021年的文献[15,19-20]即基于这一政策展开。此外，自2006年至今，全球范围内已有多处ECA 划定，限制船舶硫、氮氧化物的排放。2008年10月，MEPC58 首次提出强制限硫要求及实施时间，关于ECA 政策影响的文献均在2008年之后。伴随2020年“限硫令”的到来，2018—2021年应对ECA 政策的文献占了81%。因此，该领域的研究一直紧扣当前及未来一段时间内航运业发展的现实需求和政策走向。

图2 2009年1月—2021年3月发表的相关文献的分时段分析Fig.2 Analysis of relevant publications from January 2009 to March 2021

其次，从决策水平和问题类别来看，针对战术层决策的研究远多于针对战略和执行两层。大部分研究通过优化或改进航速相关的运营作业(基于船舶能效管理计划)来实现节能减排或改善降低硫排放的运营措施，而长期和短期决策仍需继续深入研究。另外，考虑不确定因素的研究相对较少。

第三，从决策主体来看，大部分研究以航运公司作为单独的决策主体。这需要有所改变，毕竟集装箱班轮运输离不开上下游节点企业、码头运营商和内陆转运；此外，与班轮运输相关的环境政策和机制的制定也离不开政府。

综上，针对3 个决策层面的班轮运输文献研究，表4 列出了对应的典型问题、目标、输入变量、约束、决策变量和典型性代表性文献。

表4 续表

表4 典型性班轮运输决策问题梳理Table 4 Analysis of decision-making issues in typical liner shipping

因此，建议：(ⅰ)继续在优化班轮运输中考虑多目标。梳理的文献中同时考虑环境和不确定性因素的仅有10%。不确定性因素的考虑使研究更贴近实际问题，而将多目标优化作为决策手段可兼顾经济、环境和社会责任，有利于航运业可持续发展。(ⅱ)要结合行业实际提炼科学问题。国际航运业、尤其班轮运输极易受到政策导向、世界经济环境的影响。如“一带一路”倡议的落实对集装箱运输网络重构的影响[90-91]；中美贸易战使关税增加，这都给世界贸易提供服务的集装箱运输带来很大冲击[92]；“2020 限硫令”“2050 碳减排目标”、中国排放控制区扩大等更加严格的排放限制，全球碳达峰、碳中和目标的实施路线图等都将影响全球班轮运输的可持续发展选择。(ⅲ)从供应链的角度，研究集装箱班轮运输的可持续发展。航运联盟、港口集群形式的出现，说明当前的竞争不再局限于企业内部；航运公司应如何处理与横向企业或上下游节点的关系都值得研究。(ⅳ)为配合在运营层面的努力，还要研究通过技术途径或手段推动班轮运输业可持续发展。运营层面的减排效果已经有限，依赖技术手段才能实现既定航运减排目标，包括燃料电池、岸电技术、废热利用、碳捕获和存储、洗涤器，以及太阳能、风能、氢和生物燃料等可再生能源的发展。(ⅴ)借鉴其他运输行业较为成熟的绿色环保发展思路，如“共享”概念、“智慧交通”等促进航运环境可持续发展。