低碳經(jīng)濟(jì)下長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

段雪妍， 范 琛

(1. 上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 上海 201306； 2. 同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 上海 200092)

低碳經(jīng)濟(jì)下長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

段雪妍1， 范 琛2

(1. 上海海事大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 上海 201306； 2. 同濟(jì)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 上海 200092)

針對(duì)低碳經(jīng)濟(jì)下的內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，建立最低周轉(zhuǎn)量和航道優(yōu)化改造模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造進(jìn)行仿真研究，分別針對(duì)2015年、2020年和2030年的運(yùn)輸需求及不同預(yù)算情況給出航道優(yōu)化改造方案。這些方案對(duì)有效降低無(wú)效集裝箱周轉(zhuǎn)量和碳排放量具有重要意義，可為相關(guān)研究提供理論支持。

交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)學(xué)； 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化； 集裝箱； 低碳； 長(zhǎng)三角小內(nèi)河

Abstract: To deal with the problem of inland container transport network optimization, a minimum turnover model and a network construction optimization model considering limited budget are established. According to the forecast of transportation demand and diffent budgets in 2015, 2020 and 2030, several construction solutions are proposed based on simulation study. These solutions optimize the transportation distance, so that the low-carbon purpose can be achieved.

Keywords: traffic transport economics; network optimization； container； low-carbon； Yangtze River delta

在低碳經(jīng)濟(jì)下，內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸因具有成本低、運(yùn)量大和污染小等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛關(guān)注。[1-2]上海、杭州、嘉興、湖州、蘇州、無(wú)錫和常州等7個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、內(nèi)河水網(wǎng)密布，是我國(guó)發(fā)展內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸條件最為成熟的地區(qū)之一(稱為“長(zhǎng)三角小內(nèi)河”)。目前該地區(qū)集裝箱運(yùn)輸尚處于起步階段，高等級(jí)航道網(wǎng)絡(luò)尚未形成，加上老舊橋梁、船閘及彎道等因素限制，其內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸航線并不是最優(yōu)路徑，無(wú)效貨物周轉(zhuǎn)量和碳排放量較大，航道網(wǎng)絡(luò)有待優(yōu)化改造。[3]

已有學(xué)者對(duì)內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化進(jìn)行研究。陳飛兒等[4]采用Dijkstra算法分析上海內(nèi)河航道最短路徑，并提出改造方案；劉帥[5]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究中三角區(qū)域至上海集裝箱運(yùn)輸路徑的優(yōu)化問題；羅月蕾[6]將碳排放量轉(zhuǎn)化為碳排放成本，構(gòu)建以總成本最低為目標(biāo)的集裝箱內(nèi)陸集疏運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型；胡鑫博[7]研究嘉興市內(nèi)河集裝箱水路網(wǎng)絡(luò)線路優(yōu)化問題。然而，上述研究較少考慮碳排放和航道改造預(yù)算。這里針對(duì)長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，基于低碳視角構(gòu)建降低內(nèi)河集裝箱周轉(zhuǎn)量和航道改造優(yōu)化的仿真模型，并進(jìn)行仿真分析，得到多種預(yù)算下的航道優(yōu)化改造方案。

1 長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)

1.1長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸情況

長(zhǎng)三角小內(nèi)河轄區(qū)內(nèi)的內(nèi)河航道總里程為12 942 km，其中4級(jí)及以上等級(jí)航道的里程約占總里程的14%，具體航道等級(jí)和分布情況見圖1。

目前營(yíng)運(yùn)的內(nèi)河集裝箱航線主要有4條，分別為：嘉興內(nèi)河港—杭申線—黃浦江—外高橋港區(qū)；湖州安吉港—梅湖線—長(zhǎng)湖申線—黃浦江—共青碼頭—外高橋港區(qū)；無(wú)錫內(nèi)河港—京杭大運(yùn)河—蘇申外港線—黃浦江—外高橋港區(qū)；杭州東洲港區(qū)-杭申線-黃浦江-外高橋港區(qū)。根據(jù)規(guī)劃，上海將于十三五期間建成外高橋內(nèi)河集裝箱港區(qū)和蘆潮港內(nèi)河集裝箱港區(qū)，預(yù)測(cè)兩個(gè)港口集裝箱年吞吐量將分別達(dá)到100萬(wàn)TEU和200萬(wàn)TEU。但是，由于目前長(zhǎng)三角小內(nèi)河尚未完全形成高等級(jí)航道網(wǎng)，部分航道等級(jí)較低，這勢(shì)必會(huì)影響長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱的發(fā)展，導(dǎo)致船舶繞道航行，增加無(wú)效內(nèi)河運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量和無(wú)效碳排放量。

1.2航道網(wǎng)的抽象和簡(jiǎn)化

根據(jù)圖1所示的長(zhǎng)三角小內(nèi)河主要航道情況，抽取主要航道和節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)化成圖2所示的集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中：線上數(shù)字表示航道距離和航道等級(jí)；節(jié)點(diǎn)1為無(wú)錫港；節(jié)點(diǎn)2為蘇州港(含常州箱量)；節(jié)點(diǎn)3為湖州港；節(jié)點(diǎn)4為嘉興港；節(jié)點(diǎn)5為杭州港；節(jié)點(diǎn)6為上海外高橋內(nèi)河集裝箱碼頭；節(jié)點(diǎn)7為上海蘆潮港內(nèi)河集裝箱碼頭；節(jié)點(diǎn)8為上海共青碼頭；節(jié)點(diǎn)9為上海外高橋港區(qū)；節(jié)點(diǎn)10為黃浦江，趙家溝節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)11為黃浦江，川楊河節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)12為大浦線，川楊河節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)13為黃浦江，蘇申外港線，大蘆線節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)14為大浦線，大蘆線節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)15為蘇申內(nèi)港線，油墩港節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)16為杭申線，長(zhǎng)湖申，蘇申外港線，油墩港節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)17為杭申線，湖嘉申線節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)18為梅湖線，長(zhǎng)湖申線，湖嘉申線節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)19為長(zhǎng)湖申浙江段和江蘇段節(jié)點(diǎn)。

圖2 長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型

2 內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)仿真模型

2.1最低集裝箱周轉(zhuǎn)量模型

假設(shè)內(nèi)河網(wǎng)絡(luò)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括m1個(gè)始發(fā)節(jié)點(diǎn)和m2個(gè)終點(diǎn)，從m1個(gè)始發(fā)節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸貨物到m2個(gè)終點(diǎn)。m1個(gè)始發(fā)點(diǎn)的集合為Ω1，m2個(gè)終點(diǎn)的集合為Ω2，dij為網(wǎng)絡(luò)中從第i點(diǎn)到第j點(diǎn)的距離。

假設(shè)需要將wstTEU的集裝箱從網(wǎng)絡(luò)中的s點(diǎn)運(yùn)到t點(diǎn)，則從s點(diǎn)發(fā)出的貨物和到達(dá)t點(diǎn)的貨物均應(yīng)為wstTEU，即

(1)

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中到達(dá)i點(diǎn)的從s點(diǎn)運(yùn)到t點(diǎn)的貨物量應(yīng)等于由i點(diǎn)發(fā)出的從s點(diǎn)運(yùn)到t點(diǎn)的貨物量，即

(2)

為降低無(wú)效集裝箱的周轉(zhuǎn)量，求解一個(gè)航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的滿足航運(yùn)需求的最小周轉(zhuǎn)量，令全局集裝箱周轉(zhuǎn)量最小化，即

(3)

則可得到以下全局最低集裝箱周轉(zhuǎn)量模型。

(4)

2.2航道優(yōu)化改造模型

假設(shè)第i點(diǎn)與第j點(diǎn)之間的航道有Hij種改造方案，其中第h種改造方案對(duì)應(yīng)的改造費(fèi)用為chij。為方便描述，假設(shè)chij

(5)

改造后的航道行船路徑選擇模型為

(6)

通過設(shè)置不同的改造投資預(yù)算，可給出一系列周轉(zhuǎn)量下的最優(yōu)改造方案。

2.3航道優(yōu)化改造的低碳節(jié)能效果

假設(shè)一定集裝箱周轉(zhuǎn)量對(duì)應(yīng)的碳排放量為C，船舶CO2排放指數(shù)為ICO2。[8]根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]，內(nèi)河船用柴油的CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)為3.206，則航道優(yōu)化改造后節(jié)約的無(wú)效集裝箱周轉(zhuǎn)量所對(duì)應(yīng)的的碳排放量計(jì)算式為

C=3.206ICO2Dst

(7)

內(nèi)河集裝箱船舶的船型大小、設(shè)計(jì)參數(shù)及ICO2指數(shù)均不相同，這里通過調(diào)研得到6種不同船型的ICO2(見表1)。

3 仿真數(shù)據(jù)

3.1內(nèi)河集裝箱貨運(yùn)量

長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸目前還處于起步階段，歷史數(shù)據(jù)較少；同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸量在行業(yè)成熟后將出現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)。因此，通過實(shí)地調(diào)研和專家訪談開展預(yù)測(cè)。

表1 6種船型的內(nèi)河集裝箱船舶ICO2

目前進(jìn)入上海的長(zhǎng)三角內(nèi)河集裝箱船舶中只有安吉港的船舶?？抗睬啻a頭，其他船舶均直接掛靠外高橋港區(qū)。內(nèi)河集裝箱船舶進(jìn)入外港掛靠會(huì)給船舶航行帶來不安全因素。此外，由于外港作業(yè)泊位緊張，海船優(yōu)先掛靠，內(nèi)河集裝箱船舶在港等待時(shí)間大大增加，進(jìn)而導(dǎo)致航次時(shí)間增加、經(jīng)濟(jì)效益下降。上海目前正規(guī)劃專門用于內(nèi)河集裝箱掛靠的外高橋和蘆潮港內(nèi)河集裝箱港區(qū)，未來內(nèi)河集裝箱箱量將逐步集中到這兩個(gè)港口。據(jù)此可預(yù)測(cè)得到2015年、2020年和2030年長(zhǎng)三角小內(nèi)河網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間的集裝箱運(yùn)量(見表2)。

表2 各節(jié)點(diǎn)間的集裝箱運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果萬(wàn)TEU

3.2航道通過能力

根據(jù)不同航道等級(jí)和航道利用率，可計(jì)算得到各節(jié)點(diǎn)之間航道的集裝箱通過能力(見表3)。[10-11]

3.3航道改造費(fèi)用

航道改造費(fèi)用包括航道改造工程費(fèi)用、橋梁改造費(fèi)用、土地使用費(fèi)、拆遷費(fèi)和資金費(fèi)用等。這里通過實(shí)際調(diào)研多條航道的改造費(fèi)用，取長(zhǎng)三角小內(nèi)河7個(gè)城市的航道改造費(fèi)用的平均值計(jì)算不同等級(jí)航道的改造成本(見表4)。

表3 不同等級(jí)航道的集裝箱通過能力萬(wàn)TEU

表4 不同等級(jí)航道的改造成本 萬(wàn)元/km

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)“2.1”節(jié)和“2.2”節(jié)中的模型，運(yùn)用混合整數(shù)規(guī)劃進(jìn)行求解。[12]

4.12015年運(yùn)輸需求情況分析

對(duì)2015年運(yùn)輸需求情況進(jìn)行仿真分析，得到2015年航道預(yù)測(cè)流量和最大通過能力見圖3，其中線上數(shù)字分別表示實(shí)際運(yùn)輸箱量(萬(wàn)TEU)和航道最大通航箱量(萬(wàn)TEU)，下同。結(jié)果表明，2015年航道基本可以滿足運(yùn)輸需求，年總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量為7 996.6萬(wàn)TEU·km。

圖3 2015年航道預(yù)測(cè)流量和最大通過能力

4.22020年運(yùn)輸需求情況分析

對(duì)2020年運(yùn)輸需求情況進(jìn)行分析，得到2020年航道預(yù)測(cè)流量和最大通過能力見圖4。由于運(yùn)輸需求增加，總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量為18 020萬(wàn)TEU·km，4～17，16～15，15～8及17～16等航段的實(shí)際運(yùn)輸量和最大運(yùn)輸能力較為接近，容易出現(xiàn)航道擁堵，需對(duì)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化改造。

圖4 2020年航道預(yù)測(cè)流量和最大通過能力

得到的2020年航道網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造方案仿真結(jié)果見圖5，圖中的3個(gè)節(jié)點(diǎn)中，第1個(gè)節(jié)點(diǎn)13.6億元投資使總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量下降到17 560萬(wàn)TEU·km；繼續(xù)增加預(yù)算并不能使其進(jìn)一步下降，只有當(dāng)投資預(yù)算達(dá)到30.6億元時(shí)才會(huì)有所變化，可下降到17 400萬(wàn)TEU·km；若繼續(xù)增大投資，則只有到48.6億元時(shí)總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量才會(huì)有變化，可下降到17 360萬(wàn)TEU·km。這里給出的改造方案是幾個(gè)可行的最優(yōu)方案，具體選擇哪種方案需決策者在作出進(jìn)一步分析研究之后決定。

圖5 2020年航道網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造方案仿真結(jié)果

改造方案1：若改造總投資達(dá)到13.6億元，則將16與17節(jié)點(diǎn)間的杭申線航道改造為三級(jí)航道，改造后的結(jié)果見圖6?？煽闯?，改造后16與17節(jié)點(diǎn)間的航道擁堵狀況大大緩解，且每年總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量下降到17 560萬(wàn)TEU·km，減少無(wú)效運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量460萬(wàn)TEU·km。根據(jù)式(3)和表1，按照最低ICO2估算，相應(yīng)可減少的碳排放量為1 578 t；按照最高ICO2估算，相應(yīng)可減少的碳排放量為3 258 t。

改造方案2：若預(yù)算達(dá)到30.6億元，則將16與17節(jié)點(diǎn)間的杭申線航道改造為三級(jí)航道，15與8節(jié)點(diǎn)間的蘇申內(nèi)港線航道改造為四級(jí)航道，改造后的結(jié)果見圖7?？煽闯?，改造后年總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量下降到17 400萬(wàn)TEU·km，減少無(wú)效運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量620萬(wàn)TEU·km，最低估算可減少的碳排放量為2 127 t，最高估算可減少的碳排放量為4 392 t。

圖6 2020年第1種改造方案和航道流量

圖7 2020年第2種改造方案和航道流量

改造方案3：若預(yù)算達(dá)到48.6億，則將16與17節(jié)點(diǎn)間的河道升級(jí)為三級(jí)河道，15與16節(jié)點(diǎn)間的河道及8與15節(jié)點(diǎn)間的河道升級(jí)為四級(jí)河道，改造后的結(jié)果見圖8?？煽闯?，改造后年總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量下降到17 360萬(wàn)TEU·km，減少無(wú)效運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量660萬(wàn)TEU·km，最低估算可減少的碳排放量為2 264 t，最高估算可減少的碳排放量為4 675 t。

圖8 2020年第3種改造方案和航道流量

4.32030年運(yùn)輸需求情況分析

對(duì)2030年運(yùn)輸需求情況進(jìn)行分析，由于運(yùn)輸需求激增，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)不能滿足需求，無(wú)解，需對(duì)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化改造。最優(yōu)改造方案和改造結(jié)果圖9。改造總投資為161.4億元，總運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量為33 790萬(wàn)TEU·km。

圖9 2030年的最優(yōu)改造方案和改造結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

在低碳經(jīng)濟(jì)下，內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸越來越引起各方的關(guān)注，優(yōu)化改造內(nèi)河航道網(wǎng)絡(luò)既是促進(jìn)內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸發(fā)展的有效途徑，也是降低無(wú)效集裝箱周轉(zhuǎn)量、減少無(wú)效碳排放量的有效措施。由于航道改造工期長(zhǎng)、投資巨大，因此需要慎重決策。這里從航道規(guī)劃者的角度構(gòu)建基于低碳視角的內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改造模型，以長(zhǎng)三角小內(nèi)河集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行仿真分析，得到一系列預(yù)算下的改造方案，對(duì)內(nèi)河航道優(yōu)化改造決策和同類研究而言具有一定的參考意義。

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InlandContainerTransportNetworkOptimizationinYangtzeRiverDeltaUnderLow-CarbonEconomy

DUANXueyan1,FANChen2

(1. School of Economics and Management, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China；2. School of Economics and Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)

2015-11-07

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20113121110003)

段雪妍 (1979—)，女，安徽淮北人，副教授，博士生，從事交通運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)與管理研究。 E-mail: 328236505@qq.com

1000-4653(2016)01-0110-05

U695.5

A