張思婧， 王麗錚， 徐懷亞

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

基于隨機(jī)決策理論的高能效江海直達(dá)船型論證

張思婧， 王麗錚， 徐懷亞

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)航運(yùn)市場(chǎng)上營(yíng)運(yùn)的江海直達(dá)船型大多按照海船規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，普遍存在尺度比不適合內(nèi)河淺水航道條件、航行能效指標(biāo)低下而難以滿足國(guó)家大力發(fā)展低碳綠色航運(yùn)等問(wèn)題，分析江海直達(dá)船型能效指標(biāo)主要影響因子，建立綜合評(píng)價(jià)模型，并考慮到航運(yùn)市場(chǎng)的不確定性，基于隨機(jī)決策理論提出2萬(wàn)噸級(jí)江海直達(dá)船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證方法，得到綜合最優(yōu)的高能效江海直達(dá)船型，為未來(lái)江海直達(dá)船型的發(fā)展提供參考。

江海直達(dá)；船型論證；隨機(jī)決策；EEDI

0 引 言

江海直達(dá)運(yùn)輸在航運(yùn)業(yè)中至關(guān)重要，約90%的全球貿(mào)易通過(guò)海上運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)，而船舶每年的排放量也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成較大的破壞，隨著國(guó)際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)各類公約的出臺(tái)[1-2]，高能效船型的發(fā)展勢(shì)在必行。江海直達(dá)運(yùn)輸是一種船舶由江段直接駛?cè)牒６危瑢⒇浳镏苯佑墒及l(fā)港運(yùn)至終點(diǎn)港的運(yùn)輸方式，這種運(yùn)輸方式可節(jié)約中轉(zhuǎn)費(fèi)用及裝卸貨時(shí)間。在我國(guó)，江海直達(dá)運(yùn)輸日趨受到各大航運(yùn)企業(yè)的青睞，同時(shí)受到國(guó)家的大力扶持，但其目前仍存在很多問(wèn)題，主要表現(xiàn)為船舶技術(shù)水平落后、能效水平低下等。目前市場(chǎng)上營(yíng)運(yùn)的江海直達(dá)船型大多按照海船規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，尺度比不適合內(nèi)河淺水航道條件，與市場(chǎng)環(huán)境及航道條件不匹配，航行時(shí)能效指標(biāo)低下，難以滿足低碳航運(yùn)的需求。

對(duì)于綠色船舶已有不少學(xué)者進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的研究[3-5]，然而將其應(yīng)用到江海直達(dá)船型的研究較少，且在論證過(guò)程中沒(méi)有考慮到航運(yùn)市場(chǎng)的不確定性[6]。事實(shí)上這類不確定因素的影響十分重要，需要借鑒模糊信息下的決策方法[7]，以及復(fù)雜問(wèn)題決策的綜合評(píng)價(jià)方式[8]，針對(duì)最主要影響因素采用隨機(jī)決策理論進(jìn)行論證。

隨著國(guó)家政策的進(jìn)一步實(shí)施，內(nèi)河航道等級(jí)逐漸提升，船舶大型化發(fā)展空間越來(lái)越大，江海直達(dá)船型的發(fā)展空間日益增大。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)長(zhǎng)江航道的治理，江蘇省瀏河口處的長(zhǎng)江深水航道將會(huì)延伸至南京，未來(lái)5萬(wàn)噸級(jí)的大型海船可以直接到達(dá)南京。考慮到江海直達(dá)船舶在2個(gè)航道不相同的海洋和內(nèi)河之間根據(jù)貨物的運(yùn)輸需求進(jìn)行運(yùn)輸，最終希望達(dá)到運(yùn)輸效率高、運(yùn)輸成本低、運(yùn)輸環(huán)節(jié)少、運(yùn)輸貨物量大的目的，且隨著江海直達(dá)貨船的逐漸大型化，應(yīng)針對(duì)不同噸級(jí)的船舶考慮內(nèi)在差異性來(lái)確定其在市場(chǎng)中的定位。當(dāng)前的航運(yùn)市場(chǎng)存在著較多不確定性，包括燃油價(jià)格、船價(jià)、船舶負(fù)載率等，因此有必要在船型研究時(shí)引入對(duì)環(huán)境不確定性的考慮。采用傳統(tǒng)船舶技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證與環(huán)境不確定性研究相結(jié)合的方法，進(jìn)行高能效江海直達(dá)船型的綜合效益分析，從而確定各個(gè)噸級(jí)下的最優(yōu)船型，為未來(lái)江海直達(dá)船型的發(fā)展提供參考。

1 問(wèn)題描述與建模

1.1 高能效江海直達(dá)船型研究問(wèn)題描述

根據(jù)船舶航道條件以及貨物流向的限制，2萬(wàn)噸級(jí)以下的江海直達(dá)船舶主要航線為舟山至城陵磯或舟山至武漢，2萬(wàn)噸級(jí)的船舶主要航線為舟山至蕪湖或馬鞍山至蕪湖，2.5萬(wàn)～3萬(wàn)噸級(jí)的船舶由于吃水較深，一般是為寶鋼集團(tuán)服務(wù)的，航線為舟山至南京以下，如太倉(cāng)。實(shí)地調(diào)研的結(jié)果也與此結(jié)論較為符合。

在此基礎(chǔ)上對(duì)目前營(yíng)運(yùn)的江海直達(dá)船型進(jìn)行能效現(xiàn)狀評(píng)估，參考《綠色船舶規(guī)范(2015)》國(guó)內(nèi)航行海船中散貨船相關(guān)要求對(duì)現(xiàn)有江海直達(dá)貨船進(jìn)行能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算(Energy Efficiency Design Index, EEDI)，計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 江海直達(dá)船型能效現(xiàn)狀

分析圖1可知，統(tǒng)計(jì)船舶的EEDI計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)其在基準(zhǔn)值上下均有分布，并且隨著船舶噸級(jí)的增大，EEDI計(jì)算值逐漸減小，與基準(zhǔn)值也更為接近。就該圖來(lái)看，目前江海直達(dá)貨船中能效水平較低，不能滿足規(guī)范要求的船型較多，而隨著低碳經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，這些船舶勢(shì)必會(huì)逐漸被淘汰，相應(yīng)的市場(chǎng)空間會(huì)由高能效的船舶來(lái)填充，因此有必要發(fā)展高能效江海直達(dá)船型。

1.2 江海直達(dá)船型能效主要影響因素分析

對(duì)于江海直達(dá)船，參考《綠色船舶規(guī)范(2015)》中能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算公式[9]，取冰區(qū)加強(qiáng)系數(shù)fc、失速系數(shù)fw、冰區(qū)功率修正系數(shù)fi與創(chuàng)新能效技術(shù)適用系數(shù)feff為1.0，不考慮軸帶馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和能效創(chuàng)新技術(shù)減小的主機(jī)功率，公式可簡(jiǎn)化為

式(1)中各參數(shù)物理意義詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]，由式(1)可得到EEDI與主要影響因素的關(guān)系如下，即當(dāng)船舶的主機(jī)機(jī)型一定時(shí)，影響EEDI計(jì)算值的主要因素為主機(jī)功率、船舶載重量和航速。

式中：P為船舶主機(jī)功率；DW為船舶載重量；V為船舶航速。

1.3 高能效江海直達(dá)船型主尺度比范圍

根據(jù)40條不同船型船舶的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中主尺度和EEDI差值同在0.5%內(nèi)的數(shù)據(jù)認(rèn)為取相同值。EEDI差值為EEDI基準(zhǔn)線值與EEDI實(shí)際值差值，作為衡量EEDI的表現(xiàn)，得到船舶主尺度比與EEDI差值的關(guān)系，如圖2～圖4所示。

圖2 L/B與EEDI差值關(guān)系

圖3 B/T與EEDI差值關(guān)系

圖4 L/T與EEDI差值關(guān)系

計(jì)算船型樣本空間為現(xiàn)役的江海直達(dá)貨船以及附近航區(qū)航行的貨船共40艘，其中包括向江海直達(dá)航運(yùn)企業(yè)調(diào)研得出的典型船型。分析結(jié)果具有代表性且數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果較為合理。根據(jù)圖2～圖4進(jìn)行分析可以得出對(duì)EEDI有利影響的主尺度比取值范圍如下：L/B為5.66～6.90，B/T為2.2～3.7，L/T為15～21。

1.4 高能效江海直達(dá)船型綜合評(píng)價(jià)模型

根據(jù)問(wèn)題描述，在綜合評(píng)價(jià)高能效江海直達(dá)船型時(shí)遵循以下基本原則：

(1) 在滿足運(yùn)輸需求和保證船舶安全性的前提下，以提高船舶能效為主要目標(biāo)，針對(duì)江海直達(dá)貨船展開(kāi)研究；

(2) 綜合考慮航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性、社會(huì)效益、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能等多個(gè)因素；

(3) 在高能效的基礎(chǔ)上最大限度地提高運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益。

綜合評(píng)價(jià)船舶各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)劣程度，需要采用層次分析法綜合航運(yùn)參與各方的觀點(diǎn)，借助群體判斷，最終從眾多船型中篩選出推薦船型。即將選取優(yōu)秀推薦船型的過(guò)程分為3個(gè)層次，分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，如圖5所示，從而將定性分析與定量分析相結(jié)合進(jìn)行決策。

圖5 高能效江海直達(dá)船型綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

通過(guò)層次總排序可以得到各指標(biāo)權(quán)重，如表1所示。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2 綜合評(píng)價(jià)模型求解算法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算方法如下。

必要運(yùn)費(fèi)率為

式中：R為必要運(yùn)費(fèi)率；P為船價(jià)；A/P,I,N為資金回收因數(shù)，其中A為年收益、I為貸款利率、N為船舶營(yíng)運(yùn)年限；Q為年運(yùn)輸總量；Y為年?duì)I運(yùn)費(fèi)用；DA為運(yùn)距。

載貨量系數(shù)為

式中：η為載貨量系數(shù)；DW為船舶載貨量；Δ為船舶滿載排水量。

運(yùn)輸效率為

式中：μ為運(yùn)輸效率；Wc為載貨量；V為航速；PA為主機(jī)總功率。

船舶能效比為

式中：REEDI為船舶能效比；EEDIA為船舶EEDI實(shí)際值；EEDIR為EEDI基準(zhǔn)線。

單位油耗為

式中：Cf為單位油耗；Cy為年總?cè)剂舷牧?；Q為年運(yùn)輸總量；DA為運(yùn)距。

此外，實(shí)船海軍系數(shù)C的高低與設(shè)計(jì)水平、側(cè)重點(diǎn)及船舶尺度比等有關(guān)，實(shí)際計(jì)算中采用根據(jù)船東提供的實(shí)際運(yùn)行型船數(shù)據(jù)，以船舶尺度比為參數(shù)回歸的海軍系數(shù)公式，經(jīng)過(guò)整理后具體計(jì)算式為

式中：Lpp為船舶垂線間長(zhǎng)；B為船舶型寬；d為船舶設(shè)計(jì)吃水。

2.2 基于隨機(jī)決策理論的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法

在眾多影響因素中，對(duì)經(jīng)濟(jì)性能影響較大的油價(jià)、船價(jià)和負(fù)載率一直是研究的重點(diǎn)，而對(duì)于航線固定的江海直達(dá)船型，通過(guò)回歸分析取得船價(jià)與空船重量相關(guān)的動(dòng)態(tài)關(guān)系式，由于負(fù)載率變化幅度不大，故主要考慮油價(jià)的影響。對(duì)2015年的油價(jià)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，油價(jià)分布直方圖如圖6所示。

圖6 油價(jià)分布直方圖

由圖可知，油價(jià)具有符合正態(tài)分布規(guī)律的趨勢(shì)，采用Pearson 檢驗(yàn)法進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，確定油價(jià)服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高能效江海直達(dá)船型綜合評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)不同的是，在基于隨機(jī)決策理論的論證過(guò)程中，考慮油價(jià)波動(dòng)的隨機(jī)性影響，根據(jù)前述概率密度函數(shù)，由油價(jià)分布概率產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，計(jì)算船舶的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)必要運(yùn)費(fèi)率，從而保證在船型研究過(guò)程中將不確定環(huán)境因素考慮進(jìn)去。

3 計(jì)算與結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)40條不同船型船舶的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，表現(xiàn)優(yōu)良的高能效江海直達(dá)貨船船長(zhǎng)L變化范圍為114～180 m,船寬B變化范圍為20.0～27.8 m,考慮到航道要求的吃水變化范圍為7.5～8.0 m，主尺度比取值見(jiàn)1.3節(jié)。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)模型和相應(yīng)的計(jì)算方法，在MATLAB軟件中編程進(jìn)行計(jì)算，以船舶垂線間長(zhǎng)Lpp為橫坐標(biāo)、型寬B為縱坐標(biāo)，繪制船舶吃水T為7.5～8.0 m的載貨量等值線，以吃水8 m時(shí)為例，等值線圖如圖7所示。

圖7 吃水為8 m時(shí)載貨量等值線圖

如圖7所示，讀取等值線圖可以得出在該吃水下不同載貨量的2萬(wàn)噸級(jí)江海直達(dá)船舶主尺度范圍?；谇笆鲇?jì)算平臺(tái)及評(píng)價(jià)模型，以載貨量為2.0萬(wàn)～2.1萬(wàn) t的江海直達(dá)貨船為例進(jìn)行綜合選優(yōu)。采用網(wǎng)格法對(duì)其相應(yīng)主尺度范圍進(jìn)行劃分，船長(zhǎng)步長(zhǎng)取為1 m，型寬步長(zhǎng)取為0.2 m， 在該尺度范圍內(nèi)同時(shí)滿足載貨量和尺度比約束的船舶共有71條。

綜合評(píng)分最高的3條船相關(guān)參數(shù)如表2和表3所示。分析可知，方案3 的必要運(yùn)費(fèi)率屬于中間值，但是快速性和能效指標(biāo)均較高，綜合評(píng)分最優(yōu)，為最佳船型。采用同樣的方式對(duì)其他吃水條件進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)2萬(wàn)噸級(jí)下的所有船型進(jìn)行選優(yōu)。

表2 綜合較優(yōu)的船舶基礎(chǔ)參數(shù)

表3 綜合較優(yōu)的船舶評(píng)價(jià)指標(biāo)

表4給出了2萬(wàn)噸級(jí)每個(gè)載貨量范圍內(nèi)的最優(yōu)船型主尺度。由該表可知，若不考慮寬度的固定限制，隨著載貨范圍的增大，最優(yōu)船型船舶寬度的增長(zhǎng)較長(zhǎng)度上更快一些。這是由于在同等情況下，船舶長(zhǎng)度的增大對(duì)船舶造價(jià)的影響更大，而對(duì)載貨容量的影響又不如寬度明顯。

表4 各載貨范圍內(nèi)的最優(yōu)船型

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)影響江海直達(dá)船型能效指標(biāo)的主要因素進(jìn)行分析，構(gòu)建涉及船舶經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、節(jié)能環(huán)保性的綜合評(píng)價(jià)模型；應(yīng)用多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)，將傳統(tǒng)船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證與隨機(jī)決策理論相結(jié)合，加入對(duì)航運(yùn)市場(chǎng)環(huán)境不確定因素的考慮，論證高能效江海直達(dá)貨船的航線、較佳的船型方案及船型技術(shù)參數(shù)，并形成該類船的船型主尺度方案，對(duì)接國(guó)家“一帶一路”倡儀和長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略，為未來(lái)江海直達(dá)船型發(fā)展提供參考。

[1] IMO. Guidelines for calculation of baselines for use with the Energy Efficiency Design Index: MEPC60/4/7[S].2010.

[2] IMO. Interim Guidelines on the Method of Calculation of the Energy Efficiency Design Index for New Ships: MEPC.1/Circ.681[S].2009.

[3] 張?jiān)坪? 基于EEDI的集裝箱船技術(shù)要素研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[4] 王美飛,楊啟,吳漪. 淺析船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)[J]. 造船技術(shù),2012(4):50-56.

[5] 趙金樓,戈鋼,李根,等. 基于全生命周期的綠色船舶評(píng)價(jià)研究[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(jì),2013(6):80-84.

[6] 吳小萍,張小勇,孟祥定,等. 復(fù)雜系統(tǒng)決策的綜合評(píng)價(jià)方法研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2004(12):1807-1811.

[7] 任劍. 模糊環(huán)境下信息不完全的隨機(jī)多準(zhǔn)則決策方法研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2010.

[8] 吳小萍,張小勇,孟祥定,等. 復(fù)雜系統(tǒng)決策的綜合評(píng)價(jià)方法研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2004(12):1807-1811.

[9] 中國(guó)船級(jí)社.綠色船舶規(guī)范[S].2015.

TheDemonstrationoftheHighEfficiencyRiver-to-seaTransportationShipBasedonStochasticDecision

ZHANG Sijing, WANG Lizheng， XU Huaiya

(Department of Transportation Management, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, Hubei, China)

At present, the operation of the river-to-sea transportation ship in the domestic shipping market is mostly designed according to the specifications of the seagoing ships. There are generally many problems such that the scale ratio are not suitable for inland waterway condition of shallow water channel and the energy efficiency is low, which are difficult to meet the requirements of developing the low-carbon green shipping in the country. In order to solve these problems, the main factors that influence the river-to-sea transportation ship's energy efficiency are analyzed, and a comprehensive evaluation model is established, which takes the uncertainty of shipping market development environment into consideration. A technical and economic demonstration method of 20,000-tons scale river-to-sea transportation ship based on the theory of stochastic decision, and the integrated optimal energy-efficient river-to-sea transportation ship type is obtained, which provides a reference for the future development of river-to-sea transportation ship.

river-to-sea transportation； ship type evaluation； stochastic decision； EEDI

長(zhǎng)江中游多目標(biāo)協(xié)同大型人工水道關(guān)鍵技術(shù)(編號(hào)：2016YFC0402005)

張思婧(1993-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榇皵?shù)字化設(shè)計(jì)理論與方法

1000-3878(2017)06-0001-05

U661

A