考虑碳排放的班轮运输网络优化
郭咏春+胡坚堃
摘要：
为通过降低船舶航行速度，减少营运成本，实现船舶节能减排的“双赢”，将船型、船舶数量及航速作为决策变量，对集装箱船每周总成本最小、碳排放量最小以及碳排放约束下总成本最小等3个方案建立非线性模型.利用Lingo软件，通过实例计算进行对比分析，从中选取既符合经济效益又符合环保效益的最优方案.另外，探讨碳约束配额、燃油价格、码头装卸效率等对成本及碳排放量的影响，为船公司运营和政府决策提供参考.
关键词：
减速慢行； 碳排放； 节能减排； 燃油价格
中图分类号： U692.3； F552.6
文献标志码： A
Liner shipping network optimization considering carbon emission
GUO Yongchun， HU Jiankun
（
Academy of Science & Technology， Shanghai Maritime Univ.， Shanghai 201306， China）
Abstract：
With the purpose of achieving the “winwin” strategy for a shipping company to reduce operating cost and carbon emission by slow steaming， three nonlinear models are proposed to represent the minimum total cost per week， the minimum carbon emissions and the minimum total cost under the restraint of carbon emission， in which the type， the number and the speed of ships are considered as decision variables.Through analyzing an example by Lingo software， the optimal plan is selected with economic and environment benefits from the three plans.Besides， the impacts of carbon constraint quotas， fuel price and handing efficiency on the cost and carbon emission are explored to provide reference for shipping company operation and government decision.
Key words：
slow steaming； carbon emission； energy conservation and emission reduction； fuel price
收稿日期： 20140909
修回日期： 20141210
基金项目：
高等学校博士学科点专项科研基金（20123121110004）
作者简介：
郭咏春（1992—），女，安徽宿州人，硕士研究生，研究方向为绿色航运物流，（Email）gyc7253@126.com；
胡坚堃（1983—），男，浙江绍兴人，工程师，研究方向为航运物流，（Email）jkhu@shmtu.edu.cn
0引言
随着国际贸易的迅速发展，航运已经成为主要的国际运输方式，承担着90%的世界贸易运输量，是推动经济全球化的主要驱动因素. 虽然到目前为止，航运是能源效率最高的远距离货物运输方式，相比于航空和公路运输，其碳排放量要少得多，但是欧洲环保总署在2013年发布的《国际航运对欧洲空气质量和气候变化的影响》中指出航运是“当前最不受管制的大气污染物来源之一”.同时还指出，在过去的二十年里，由国际航运业造成的空气污染和温室气体排放正在大幅度增加，从而导致气候变暖和空气污染问题严重. 此外，依据美国国家海洋和大气管理局2013年提供的信息，地球大气的CO2日均质量分数已突破400×10-6，很明显高于《京都议定书》的规定.为此，国际海事组织、欧盟等国际组织和各国家相继采取从技术到营运再到市场机制的全覆盖监管措施，以此来减少包括CO2在内的温室气体以及硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）等非温室气体的排放.
由于船舶的燃料消耗与航速是非线性关系，所以在燃油价格不断攀升、航运市场持续低迷、人们环保意识逐渐提高的今天，降低船舶的航行速度是船公司在短期内减少营运成本，实现船舶节能减排的“双赢”策略.CARIOU发现当燃油价格上升至350～400美元/t时，远距离运输船舶可以减少航速以降低燃油成本.FAGERHOLT等基于不断上涨的燃油价格，在有时间窗限制的前提下建立船舶总成本最小模型，并将其转化为有向非循环最短路径问题进行求解.PSARAFTIS等对目前航速优化研究中存在的问题进行探讨，并综合考虑多种因素建立新的航线优化模型.许欢等通过建立船舶所有人利润与航速间的关系函数，找到使船舶所有人赢利最大的航速，并揭示它与CO2排放量最小的航速之间的差异.李碧英在分析国内外航运业能耗及碳排放现状后，从管理、技术、政策、营运等方面提出航运业低碳发展的途径.邵俊岗等对集装箱班轮在多条航线上的班轮数量和航次设计构建整数规划模型，并通过遗传算法对其进行优化，使航运企业实现收益最大化.
此外，RANA等， AGARWAL等， GRNHAUG等和SONG等都先后运用运筹学方法建立数学模型研究航速问题.但在这些模型中，航速都是已知量而不是决策变量，也没有考虑碳排放约束对船舶部署及航速的影响.航速减小必会带来航行时间增加，为保证周班的挂靠频率，船公司也必须改变航线上的配船数目.本文将船型选择、船舶航速及数量作为决策变量，对集装箱船每周总成本最小、碳排放量最小以及碳排放约束下总成本最小等3个方案建立非线性模型，从中选取既符合经济效益又符合环保效益的最优方案，并采用Lingo优化软件对实例进行求解，验证模型的有效性.最后从碳排放配额、燃油价格、码头装卸效率等方面探讨其对成本及航速的影响，为政府决策提供参考.
3总结
在环境问题日益严重的今天，船公司不能仅考虑自身的利益，更要注重环境保护，采取既经济又环保的运营策略.本文对集装箱船每周总成本最小、碳排放量最小以及碳排放约束下总成本最小等3个方
案建立非线性模型，并通过实例计算进行对比.分析发现，若要减少碳排放量必须减速慢行降低燃油消耗量.但是减速慢行又会带来航次时间的增加，此时需要增加船舶数量以维持周班的发船频率.由于油价的日益攀升，燃油成本在总成本中占据越来越大的比例，所以当船舶减速时，燃油成本减小的部分要大于因船舶数量增加而增大的船舶固定运营成本部分，这样相对来说总成本还是减小的.本文在方案3中既考虑船公司利益，又考虑政府的碳排放配额约束，为船公司的船舶部署提供参考.同时，对不同碳排放配额下的成本及航速进行分析，也可为政府设置碳排放配额提供参考.此外，还探讨燃油价格以及装卸效率对成本及船队部署的影响.结果表明，提高燃油价格迫使船公司减速慢行，可有效减少碳排放量.码头装卸效率的提升对减少总成本效果显著，在船舶数量不变的情况下，也可减少碳排放量.但是，船舶实际载质量会改变船舶航行的阻力，该模型没有考虑其对燃油消耗的影响.此外，若减速慢行使航次时间增加，则会同时增加货物的在途库存成本，这两个因素对成本及航速的影响将会是进一步研究的方向.
参考文献：
[1]
YAO Zhishuang， SZU Hui Ng， LEE Loo Hay.A study on bunker fuel management for the shipping liner services[J].Computers & Operations Res， 2012， 39（5）： 11601172.
[2]European Environment Agency.The impact of international shipping on European air quality and climate forcing[R].Copenhagen： European Environment Agency， 2013： 1718.
[3]CARIOU P. Is slow steaming a sustainable means of reducing CO2 emissions from container shipping？[J].Transportation Res Part D： Transport and Environ， 2011， 16（3）： 260264.
[4]FAGERHOLT K， LAPORTE G， NORSTAD I.Reducing fuel emissions by optimizing speed on shipping routes[J].J Operational Res Soc， 2010， 61（3）： 523529.
[5]PSARAFTIS H N， KONTOVAS C A.Ship speed optimization： concepts， models and combined speedrouting scenarios[J].Transportation Res Part C： Emerging Technologies， 2014， 44： 5269.
[6]许欢， 刘伟， 张爽.低碳经济下船舶航行速度选择[J].中国航海， 2012， 35（2）： 98101.
[7]李碧英.航运业节能减排现状及其低碳发展的途径[J].工程研究： 跨学科视野中的工程， 2012， 4（3）： 260269.
[8]邵俊岗， 薛颖霞.航运下行期的航线配船和航次设计优化[J].上海海事大学学报， 2014， 35（2）： 3842.
[9]RANA K， VICKSON R G.Routing container ships using Lagrangian relaxation and decomposition[J].Transportation Sci， 1991， 25（3）： 201214.
[10]AGARWAL R， ERGUN .Ship scheduling and network design for cargo routing in liner shipping[J].Transportation Sci， 2008， 42（2）： 175196.
[11]GRNHAUG R， CHRISTIANSEN M， DESAULNIERS G， et al.A branchandprice method for a liquefied natural gas inventory routing problem[J].Transportation Sci， 2010， 44（3）： 400415.
[12]SONG D P， XU J.CO2 emission comparison between direct and feeder liner services： a case study of AsiaEurope services interfacing with the UK[J].Int J Sustainable Transportation， 2012， 6（4）： 214237.
[13]STOPFORD M. Maritime economics[M].3rd ed.London： Routledge， 2009： 372373.
[14]CORBETT J J， WANG H， WINEBRAKE J J.The effectiveness and costs of speed reductions on emissions from international shipping[J].Transportation Res Part D： Transport and Environ， 2009， 14（8）： 593598.
[15]王海峰， 白佳玉.国际海运温室气体排放的量化分析及中国对策研究[J].海洋环境科学， 2010， 29（6）： 923926.
（编辑赵勉）
摘要：
为通过降低船舶航行速度，减少营运成本，实现船舶节能减排的“双赢”，将船型、船舶数量及航速作为决策变量，对集装箱船每周总成本最小、碳排放量最小以及碳排放约束下总成本最小等3个方案建立非线性模型.利用Lingo软件，通过实例计算进行对比分析，从中选取既符合经济效益又符合环保效益的最优方案.另外，探讨碳约束配额、燃油价格、码头装卸效率等对成本及碳排放量的影响，为船公司运营和政府决策提供参考.
关键词：
减速慢行； 碳排放； 节能减排； 燃油价格
中图分类号： U692.3； F552.6
文献标志码： A
Liner shipping network optimization considering carbon emission
GUO Yongchun， HU Jiankun
（
Academy of Science & Technology， Shanghai Maritime Univ.， Shanghai 201306， China）
Abstract：
With the purpose of achieving the “winwin” strategy for a shipping company to reduce operating cost and carbon emission by slow steaming， three nonlinear models are proposed to represent the minimum total cost per week， the minimum carbon emissions and the minimum total cost under the restraint of carbon emission， in which the type， the number and the speed of ships are considered as decision variables.Through analyzing an example by Lingo software， the optimal plan is selected with economic and environment benefits from the three plans.Besides， the impacts of carbon constraint quotas， fuel price and handing efficiency on the cost and carbon emission are explored to provide reference for shipping company operation and government decision.
Key words：
slow steaming； carbon emission； energy conservation and emission reduction； fuel price
收稿日期： 20140909
修回日期： 20141210
基金项目：
高等学校博士学科点专项科研基金（20123121110004）
作者简介：
郭咏春（1992—），女，安徽宿州人，硕士研究生，研究方向为绿色航运物流，（Email）gyc7253@126.com；
胡坚堃（1983—），男，浙江绍兴人，工程师，研究方向为航运物流，（Email）jkhu@shmtu.edu.cn
0引言
随着国际贸易的迅速发展，航运已经成为主要的国际运输方式，承担着90%的世界贸易运输量，是推动经济全球化的主要驱动因素. 虽然到目前为止，航运是能源效率最高的远距离货物运输方式，相比于航空和公路运输，其碳排放量要少得多，但是欧洲环保总署在2013年发布的《国际航运对欧洲空气质量和气候变化的影响》中指出航运是“当前最不受管制的大气污染物来源之一”.同时还指出，在过去的二十年里，由国际航运业造成的空气污染和温室气体排放正在大幅度增加，从而导致气候变暖和空气污染问题严重. 此外，依据美国国家海洋和大气管理局2013年提供的信息，地球大气的CO2日均质量分数已突破400×10-6，很明显高于《京都议定书》的规定.为此，国际海事组织、欧盟等国际组织和各国家相继采取从技术到营运再到市场机制的全覆盖监管措施，以此来减少包括CO2在内的温室气体以及硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）等非温室气体的排放.
由于船舶的燃料消耗与航速是非线性关系，所以在燃油价格不断攀升、航运市场持续低迷、人们环保意识逐渐提高的今天，降低船舶的航行速度是船公司在短期内减少营运成本，实现船舶节能减排的“双赢”策略.CARIOU发现当燃油价格上升至350～400美元/t时，远距离运输船舶可以减少航速以降低燃油成本.FAGERHOLT等基于不断上涨的燃油价格，在有时间窗限制的前提下建立船舶总成本最小模型，并将其转化为有向非循环最短路径问题进行求解.PSARAFTIS等对目前航速优化研究中存在的问题进行探讨，并综合考虑多种因素建立新的航线优化模型.许欢等通过建立船舶所有人利润与航速间的关系函数，找到使船舶所有人赢利最大的航速，并揭示它与CO2排放量最小的航速之间的差异.李碧英在分析国内外航运业能耗及碳排放现状后，从管理、技术、政策、营运等方面提出航运业低碳发展的途径.邵俊岗等对集装箱班轮在多条航线上的班轮数量和航次设计构建整数规划模型，并通过遗传算法对其进行优化，使航运企业实现收益最大化.
此外，RANA等， AGARWAL等， GRNHAUG等和SONG等都先后运用运筹学方法建立数学模型研究航速问题.但在这些模型中，航速都是已知量而不是决策变量，也没有考虑碳排放约束对船舶部署及航速的影响.航速减小必会带来航行时间增加，为保证周班的挂靠频率，船公司也必须改变航线上的配船数目.本文将船型选择、船舶航速及数量作为决策变量，对集装箱船每周总成本最小、碳排放量最小以及碳排放约束下总成本最小等3个方案建立非线性模型，从中选取既符合经济效益又符合环保效益的最优方案，并采用Lingo优化软件对实例进行求解，验证模型的有效性.最后从碳排放配额、燃油价格、码头装卸效率等方面探讨其对成本及航速的影响，为政府决策提供参考.
3总结
在环境问题日益严重的今天，船公司不能仅考虑自身的利益，更要注重环境保护，采取既经济又环保的运营策略.本文对集装箱船每周总成本最小、碳排放量最小以及碳排放约束下总成本最小等3个方
案建立非线性模型，并通过实例计算进行对比.分析发现，若要减少碳排放量必须减速慢行降低燃油消耗量.但是减速慢行又会带来航次时间的增加，此时需要增加船舶数量以维持周班的发船频率.由于油价的日益攀升，燃油成本在总成本中占据越来越大的比例，所以当船舶减速时，燃油成本减小的部分要大于因船舶数量增加而增大的船舶固定运营成本部分，这样相对来说总成本还是减小的.本文在方案3中既考虑船公司利益，又考虑政府的碳排放配额约束，为船公司的船舶部署提供参考.同时，对不同碳排放配额下的成本及航速进行分析，也可为政府设置碳排放配额提供参考.此外，还探讨燃油价格以及装卸效率对成本及船队部署的影响.结果表明，提高燃油价格迫使船公司减速慢行，可有效减少碳排放量.码头装卸效率的提升对减少总成本效果显著，在船舶数量不变的情况下，也可减少碳排放量.但是，船舶实际载质量会改变船舶航行的阻力，该模型没有考虑其对燃油消耗的影响.此外，若减速慢行使航次时间增加，则会同时增加货物的在途库存成本，这两个因素对成本及航速的影响将会是进一步研究的方向.
参考文献：
[1]
YAO Zhishuang， SZU Hui Ng， LEE Loo Hay.A study on bunker fuel management for the shipping liner services[J].Computers & Operations Res， 2012， 39（5）： 11601172.
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[3]CARIOU P. Is slow steaming a sustainable means of reducing CO2 emissions from container shipping？[J].Transportation Res Part D： Transport and Environ， 2011， 16（3）： 260264.
[4]FAGERHOLT K， LAPORTE G， NORSTAD I.Reducing fuel emissions by optimizing speed on shipping routes[J].J Operational Res Soc， 2010， 61（3）： 523529.
[5]PSARAFTIS H N， KONTOVAS C A.Ship speed optimization： concepts， models and combined speedrouting scenarios[J].Transportation Res Part C： Emerging Technologies， 2014， 44： 5269.
[6]许欢， 刘伟， 张爽.低碳经济下船舶航行速度选择[J].中国航海， 2012， 35（2）： 98101.
[7]李碧英.航运业节能减排现状及其低碳发展的途径[J].工程研究： 跨学科视野中的工程， 2012， 4（3）： 260269.
[8]邵俊岗， 薛颖霞.航运下行期的航线配船和航次设计优化[J].上海海事大学学报， 2014， 35（2）： 3842.
[9]RANA K， VICKSON R G.Routing container ships using Lagrangian relaxation and decomposition[J].Transportation Sci， 1991， 25（3）： 201214.
[10]AGARWAL R， ERGUN .Ship scheduling and network design for cargo routing in liner shipping[J].Transportation Sci， 2008， 42（2）： 175196.
[11]GRNHAUG R， CHRISTIANSEN M， DESAULNIERS G， et al.A branchandprice method for a liquefied natural gas inventory routing problem[J].Transportation Sci， 2010， 44（3）： 400415.
[12]SONG D P， XU J.CO2 emission comparison between direct and feeder liner services： a case study of AsiaEurope services interfacing with the UK[J].Int J Sustainable Transportation， 2012， 6（4）： 214237.
[13]STOPFORD M. Maritime economics[M].3rd ed.London： Routledge， 2009： 372373.
[14]CORBETT J J， WANG H， WINEBRAKE J J.The effectiveness and costs of speed reductions on emissions from international shipping[J].Transportation Res Part D： Transport and Environ， 2009， 14（8）： 593598.
[15]王海峰， 白佳玉.国际海运温室气体排放的量化分析及中国对策研究[J].海洋环境科学， 2010， 29（6）： 923926.
（编辑赵勉）
