王直歡， 李霞蔚， 楊 斌

(上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院， 上海 201306)

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運(yùn)力過剩環(huán)境下船舶減速減排策略研究

王直歡*， 李霞蔚， 楊 斌

(上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院， 上海 201306)

減速航行是當(dāng)前集裝箱運(yùn)力供過于求環(huán)境下，航運(yùn)企業(yè)控制閑置成本和減少碳排放的重要途徑.以單一航線上航速和船舶數(shù)量為決策變量，綜合考慮航速與航次時(shí)間、航線配船數(shù)、運(yùn)營成本及碳排放等非線性關(guān)系，構(gòu)建班輪集裝箱船隊(duì)成本變化最小為目標(biāo)的混合整數(shù)規(guī)劃模型，算例結(jié)果表明隨航速下降，船舶總成本先降后升，碳排放成本則持續(xù)減少.在此基礎(chǔ)上，引入邊際利潤概念分析海運(yùn)船舶在不同減排政策下的航速選擇策略，并針對油價(jià)和貨物價(jià)值的變化進(jìn)行敏感性分析.最后，從海運(yùn)供應(yīng)鏈角度討論了減速航行對船公司以及貨主影響，對集裝箱船舶運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性及航速選擇具有借鑒意義.

船舶減速； 船舶能耗； 班輪運(yùn)輸； 碳排放； 非線性規(guī)劃

海運(yùn)是全球貿(mào)易的重要支柱，也是全球溫室氣體重要排放源，約占全球溫室氣體排放總量的3.3%，其節(jié)能減排受到廣泛關(guān)注.近年來船舶運(yùn)輸需求下降，加之2014年下半年油價(jià)開始下跌，長榮集團(tuán)表示，低燃油成本可能誘使船公司提速，導(dǎo)致航線上船舶供應(yīng)量上升8%，從而加劇運(yùn)力過剩.當(dāng)前減速航行被認(rèn)為是減少運(yùn)輸成本、緩解供需失衡和短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)減排目標(biāo)比較可行的方案[1].在運(yùn)力過剩及油價(jià)浮動(dòng)背景下，追求低成本成為班輪公司盈利的關(guān)鍵策略，因此，研究航速與船舶成本的關(guān)系具有重要意義.

《航運(yùn)交易公報(bào)》指出，2014年中遠(yuǎn)節(jié)省燃油費(fèi)達(dá)4億美元.董事長馬澤華表示：“以前有10艘船走歐洲航線，航速快，油耗大.對標(biāo)國際先進(jìn)企業(yè)，通過加船減速，可以較大幅度減少油耗量.”因此，除燃油成本因素之外，加船減速帶來的利好有進(jìn)一步研究的價(jià)值.

考慮影響船舶航速的主要因素有運(yùn)費(fèi)水平、燃油價(jià)格、船舶成本、貨物價(jià)值、利息水平及環(huán)境成本[2]，船舶各成本間存在此長彼消的非線性關(guān)系，是否減速需綜合考慮成本變化及影響權(quán)重.國內(nèi)外學(xué)者對不同影響因素進(jìn)行了深入研究，Jong-Kyun 等[3]圍繞航速、油耗量和CO2排放量進(jìn)行分析，討論了單船減速對班輪企業(yè)的利潤影響.Cariou[4]從燃油費(fèi)用、船舶經(jīng)營費(fèi)用以及在途庫存成本三者的定量關(guān)系分析減速航行的可行性.許歡等[5]引入CO2排放量作為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，研究在減速帶來的單船碳排放量減少和更多船舶投入營運(yùn)帶來的碳排放量增加之間的平衡點(diǎn).高超峰等[6]分析周計(jì)劃內(nèi)不同航速檔呈現(xiàn)出油耗與船隊(duì)運(yùn)營成本之間的二律背反規(guī)律.靳志宏等[7]結(jié)合禁忌搜索算法分析供需失衡時(shí)多條航線上多類型船舶運(yùn)力配置優(yōu)化問題.

然而，以上文獻(xiàn)在構(gòu)建模型時(shí)通常將航速取為固定值，在考慮船舶成本方面仍不夠全面，忽略了船隊(duì)閑置或租用成本.本文基于市場需求低迷、油價(jià)浮動(dòng)以及低碳低硫排放限制下，綜合考慮船隊(duì)規(guī)模、船舶閑置成本和排放成本等，從整個(gè)船隊(duì)出發(fā)，以航速和配船數(shù)量為決策變量，提出基于船舶運(yùn)力過剩背景的降低航線成本的減速減排問題.

1 問題描述

在上述文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，構(gòu)建減速前后的船隊(duì)成本效益函數(shù)，并將船舶閑置成本、租用成本和減排成本考慮到目標(biāo)函數(shù)中，分析船舶的減速策略、減排成本和減排效果之間的關(guān)系.本研究以國內(nèi)某大型船公司亞洲-北美航線上的班輪運(yùn)輸船隊(duì)為研究對象，模型的基本假設(shè)包括：

1)該航線上公司年貨運(yùn)量不變.

2)航線船期表確定.

3)航次上的船舶船型和規(guī)模相同，且裝載率為90%.

4)本文僅考慮海上主機(jī)油耗量的變化.

5)船舶閑置成本折合為固定值.

2 模型構(gòu)建

2.1 參數(shù)變量

船舶航速的改變會(huì)引起船舶收入、航行成本及環(huán)境成本的變化.船舶航行成本包括燃油費(fèi)、港口使用費(fèi)、在途庫存費(fèi)和固定費(fèi)用等.本文模型中用到的參數(shù)包括：Vs，船舶的實(shí)際航速；Vd，船舶設(shè)計(jì)速度；MF，主機(jī)日耗油量；FM，單船在實(shí)際航速下的主機(jī)單航次耗油量；QCO2，船隊(duì)單個(gè)往返航次的主機(jī)二氧化碳排放量；NVs，投入工作的船舶總數(shù)；OC，船舶日固定運(yùn)營成本；IC，日在途庫存成本；Rdlc，船舶日閑置成本.

2.2 航速與油耗量的關(guān)系

船舶航行的燃油費(fèi)用主要包括主機(jī)燃油費(fèi)和輔機(jī)燃油費(fèi)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)主要提供靠岸停泊作業(yè)和超低速航行，與船舶在海上正常航行的速度變化關(guān)系較小，本文僅考慮主機(jī)功率P產(chǎn)生的油耗量MF與航速的關(guān)系.

(1)

MF=ge×Ld×P×24=kVn,

(2)

MFVs=(Vs/Vd)3.3×MFVd,

(3)

其中，W為船舶排水量(ton)；c為海水常數(shù)；ge為主機(jī)耗油率(g/kWh).

船舶主機(jī)功率與航速大致呈3次方關(guān)系，對于集裝箱這種高耗油船型而言，通過航速與耗油的計(jì)算比，集裝箱船主機(jī)油耗量與航速存在3.3次方關(guān)系[8].因此航速的改變對油耗量的影響巨大，但船速的變化范圍有一定的約束條件，速度越低航行時(shí)間越長，并且隨著船速的下降，船舶實(shí)際功率的改變導(dǎo)致有效油耗率并不會(huì)持續(xù)最佳，通過油耗率的計(jì)算，減速存在一個(gè)最低值，即航速要滿足船舶實(shí)際性能要求.

2.3 航速與CO2排放量的關(guān)系

碳是海運(yùn)燃料的主要成分，在燃料充分燃燒時(shí)，碳幾乎全部轉(zhuǎn)換為CO2.PsaraftisandKontovas(2013)[9]測定的船舶碳排放因子根據(jù)主輔機(jī)使用的不同燃油其值并不一樣，柴油(MDO)碳排放因子為3.082kg/ton，主機(jī)重油碳排放因子為3.021kg/ton，修正了之前的3.17kg/ton.船隊(duì)碳排放量QCO2與油耗量存在比值關(guān)系，而航線上單船往返航次油耗量FM可通過單船日耗油量乘以航行周期天數(shù)得出.船速影響的因子包括船舶實(shí)際功率、航行時(shí)間和為保持班期表不變而改變的船舶總數(shù)NVs.

(4)

QCO2=3.021FMNVs,

(5)

(6)

式中,TOR為船舶年周轉(zhuǎn)次數(shù)；i，j分別為船舶的啟程港和目的港.

2.4 航速與營運(yùn)成本的關(guān)系

一定范圍內(nèi)的船舶減速能有效地降低單船的油耗成本，但除燃油費(fèi)用之外的營運(yùn)成本包括船舶日常固定成本及集裝箱租用成本與航行時(shí)間成正比，其值隨航行周期延長而增加.為保持航次船期表和年貨運(yùn)量不變，班輪公司需要增加船舶數(shù)來滿足貨運(yùn)量的需求.額外投入的船舶將產(chǎn)生新的營運(yùn)成本和CO2排放量，從單船角度來看航速的下降能減少船舶的油耗成本和碳排放成本，但是減速后該船隊(duì)的年總成本變化效益會(huì)隨著船舶數(shù)的增加而下降.單位航次內(nèi)整個(gè)船隊(duì)減速的營運(yùn)成本變化量(包括固定成本OC和在途租用成本IC)表示如下：

(7)

式中,Ps為集裝箱貨值；i為年資金利息；TEU為船舶裝載量；L為船舶裝載率.

2.5 目標(biāo)函數(shù)

在保持年貨運(yùn)量不變的前提下，以船舶減速前后的成本效益變化量為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合公式(4)至(7)，計(jì)算油耗成本、閑置成本LC和營運(yùn)成本Cop的變化值，表示為：

(8)

(9)

為保證船期表和年工作時(shí)間不變，函數(shù)中對船舶數(shù)和航線年工作日進(jìn)行約束，其中n是根據(jù)年貨運(yùn)量要求定義的航線航次數(shù).決策變量分別為船舶航速Vs和船舶數(shù)NVs.

全球經(jīng)濟(jì)低迷將加重運(yùn)力過剩，5 100標(biāo)箱以上船舶閑置數(shù)已提高到10艘，長期供需失衡會(huì)影響市場運(yùn)價(jià)、閑置成本和租金水平，進(jìn)而影響成本競爭及服務(wù)質(zhì)量.假設(shè)同類型船舶日閑置成本為1 970美元/d，3000～5000TEU船舶日均租金約1萬美元.本文以某公司AWE1遠(yuǎn)東-美東航線上的集裝箱班輪運(yùn)輸為例，船型大小為4 250TEU，設(shè)計(jì)速度24節(jié)，配置使用船舶8艘，閑置運(yùn)力近9 000TEU，當(dāng)運(yùn)力過剩則產(chǎn)生閑置成本，當(dāng)加船減速后，則需考慮租船成本.

表1 船舶數(shù)據(jù)信息

數(shù)據(jù)來源:船訊網(wǎng)，RobertStahlbock(2012).

3 航速優(yōu)化分析

3.1 平衡成本與減排效益的航速選擇

以設(shè)計(jì)速度24節(jié)為基礎(chǔ)，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)(8)求出在不同航速下的成本變化值如表2，成本減少值總趨勢先增后減，較低航速時(shí)固定成本的增加將抵消油耗效益；CO2排放量持續(xù)減少，但減少的趨勢逐漸緩慢.

如表2所示，航速的下降引起航行周期延長，從該航次整個(gè)船隊(duì)來看，在24節(jié)到10節(jié)之間總成本比設(shè)計(jì)速度24節(jié)持續(xù)減少，在16.4節(jié)成本減少量達(dá)最大值11 008 713美元，CO2減少量則隨航速的下降持續(xù)增加，成本和CO2變化量趨勢如圖1.

表2 不同航速下船舶成本和CO2排放量的變化

圖1 不同航速下船隊(duì)航次成本和CO2變化量Fig.1 Fleet voyage costs and CO2emissions at different speeds

在利潤最大化和排放量最小化之間尋找一個(gè)最佳航速前，引入一個(gè)CO2變化彈性來反映CO2排放變化量對航速變化的反應(yīng)程度，即CO2變化的百分比除以航速變化的百分比.計(jì)算結(jié)果表明，CO2變化彈性值在14節(jié)航速時(shí)CO2變化彈性值接近1.3，表示CO2排放量隨航速下降變化幅度較大；在14節(jié)之后，CO2變化彈性逐漸下降，減排效果減弱，CO2變化量小于7 481.9t.

3.2 平衡邊際利潤和碳稅的航速選擇

綜上所述，得到兩個(gè)結(jié)論：隨著航速的下降，船舶總成本先降后升，小于一定航速后減速效益不再體現(xiàn)；CO2排放量與航速存在正相關(guān)性，但航速小于14節(jié)后減排幅度逐漸平緩.從班輪公司角度來看，減速的目標(biāo)是在滿足減排任務(wù)的范圍內(nèi)選擇最佳航速使成本最小化.企業(yè)在利潤值之間選擇最高值時(shí)往往不會(huì)考慮CO2排放量增加的幅度，只要符合市場規(guī)定的減排目標(biāo)即可.為此，本文通過計(jì)算邊際利潤，探討市場減排政策對企業(yè)利益的影響.

圖2 利潤與二氧化碳變化比值曲線Fig.2 The ratio curve of marginal profit and CO2 changes

如圖2，邊際利潤等于利潤變化值與CO2變化量的比值，即二氧化碳排放量的減少能帶來的單位利潤值.當(dāng)邊際利潤值小于市場碳稅，則班輪公司需要為增加利潤而導(dǎo)致排放量增多的行為付出代價(jià).目前國際市場上提出的二氧化碳稅在20美元/t～50美元/t之間.當(dāng)市場碳交易價(jià)在200美元/t左右，CO2有減少20%-45%的可能性.

通過上述模型結(jié)果分析得出，考慮航速影響的船隊(duì)規(guī)劃模型，不僅可根據(jù)現(xiàn)有的成本影響因素計(jì)算航線最佳航速與船舶投入數(shù)，同時(shí)符合當(dāng)前航運(yùn)企業(yè)思考成本戰(zhàn)略的減速減排、船隊(duì)規(guī)模調(diào)整的新要求，具有一定的參考價(jià)值.針對各成本之間的影響因素變化，對油價(jià)和貨值進(jìn)行敏感性分析.

4 敏感性分析

4.1 燃料價(jià)格的波動(dòng)

油價(jià)變化趨勢難以預(yù)測，且對航速的選擇有很大影響，燃油成本同時(shí)受油價(jià)和油耗量影響，在低油價(jià)提速會(huì)增加油耗量，進(jìn)而會(huì)抵消燃油成本效益.本文通過分析3種油價(jià)下的航速選擇，更好應(yīng)對油價(jià)影響.

當(dāng)前重油市場價(jià)格在450美元/t左右，參考往年油價(jià)水平，圖3分別取400美元/t、700美元/t和1000美元/t油價(jià)，分析集裝箱船總成本的變化趨勢.

圖3 不同油價(jià)下船舶航次成本隨航速變化圖Fig.3 Voyage costs at different vessel speeds and fuel prices

結(jié)果表明，在一定航速范圍內(nèi)，油價(jià)越高船舶總成本隨航速下降的比例越明顯.油價(jià)水平在700美元時(shí)，最佳航速為14節(jié)左右，而隨著半年來油價(jià)降至400美元后，在航速16.4節(jié)左右成本效益最大.

油價(jià)下降會(huì)誘使航速有所提升，但在考慮碳排放成本及閑置成本后，航速改變相對較小.目前市場上大部分船公司采用航速變化來控制成本，在油價(jià)下降或運(yùn)價(jià)高時(shí)選擇提高航速，增加年航次數(shù)[11].但企業(yè)對燃油采購價(jià)存在合同性質(zhì)，對油價(jià)的反應(yīng)具有時(shí)間性，在當(dāng)前全球加大控制碳排放趨勢下，船公司成本不僅僅受油價(jià)影響，與航速有關(guān)的油耗量的變化、船舶閑置或租用成本都需全面考慮.

4.2 減速的貨物價(jià)值范圍

從貨主角度來看，慢速航行會(huì)提高貨物在途庫存成本，因此貨值越高減速承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)越大[12].在供應(yīng)鏈中，船東額外費(fèi)用的變動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)移到上下游，貨主往往會(huì)在運(yùn)費(fèi)和庫存成本間進(jìn)行低成本選擇.這種成本關(guān)系是由貨物的資金成本占運(yùn)輸成本的比值決定，而燃油成本是影響運(yùn)輸成本的主要因素.因此，最佳航速表示為減速增加的庫存成本小于燃油成本變動(dòng)收益.

本例采用美元倫敦銀行近年平均利率3%，市場重油價(jià)格450美元/t，在貨值為50 000美元/TEU以下，其最佳航速變化不大，燃油收益值遠(yuǎn)大于所增加的貨物存貨成本.當(dāng)貨物價(jià)值約100 000美元時(shí)，利潤最大化航速從16.4節(jié)上升到18節(jié).因此，采取減速策略前首先要對貨物價(jià)值進(jìn)行分類，高價(jià)值貨物往往選擇更快更具規(guī)模效益的船舶進(jìn)行運(yùn)輸，若因高航速支付的額外費(fèi)用大于增加的庫存成本，則貨主更愿意接受慢速航行.對貨主來說，延遲交貨將帶來兩方面成本的提升，一是存貨成本，一個(gè)是市場成本，但當(dāng)前運(yùn)價(jià)對于貨主來說是滿意的，貨主一般可接受晚幾天交貨[13].

5 總結(jié)及展望

模型結(jié)果表明，集裝箱船有實(shí)質(zhì)性的CO2減排潛力，當(dāng)船舶追求利潤最大化時(shí)，選擇盈利航速16.4節(jié)效益較明顯，但在高度競爭的航運(yùn)市場中，實(shí)際航速的確定還要考慮當(dāng)前供需水平、燃油價(jià)和貨值.

在企業(yè)響應(yīng)市場減排政策的情況下，追求碳排放經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)在邊際利潤較高的范圍內(nèi)選擇航速.燃油價(jià)格的變動(dòng)對航速的影響較大，油價(jià)越高企業(yè)選擇減速帶來的利潤越大.針對在途庫存成本的上升，需要對貨物進(jìn)行分類，減速不適合高價(jià)值貨物和對時(shí)間要求較高的貨主.班輪公司應(yīng)將減速帶來的利潤公平公開化，對不同貨物價(jià)值的貨主采取一定額度的補(bǔ)償.

通過合理的航速控制，可以避免港口擁堵情況的發(fā)生，提高船舶準(zhǔn)點(diǎn)率，還可以緩解市場運(yùn)力過剩[14].總結(jié)減速利弊可得出以下結(jié)論：1)盈利航速的選擇要根據(jù)當(dāng)前油價(jià)和運(yùn)力水平進(jìn)行修正，平衡邊際利潤和延誤造成的機(jī)會(huì)成本.2)減排程度要根據(jù)公司的目標(biāo)和環(huán)境政策來選擇，隨著碳排放權(quán)重的增大，即市場越重視減排，企業(yè)減速幅度越大.3)減速不適用于在途庫存成本占總成本60%以上的貨物，成本的增加會(huì)抵消油耗下降帶來的效益.下一步研究方向主要考慮以下幾方面：研究船公司之間艙位聯(lián)盟，平衡減速和船舶投入問題；考慮航行甩港問題，符合船舶大型化趨勢所要求的配載規(guī)模效益；從供應(yīng)鏈角度考慮船速帶來的影響，包括船東和貨主利潤效益分配，結(jié)合市場行情和貨主對價(jià)格的敏感度制定標(biāo)箱運(yùn)價(jià).

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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.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71171129); 上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(12510501600，14DZ2280200);交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329810120); 上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃; 上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目.

1000-1190(2015)05-0701-06

F552.5；U692.3

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: hitwzh@gmail.com.