考慮低碳成本的內河散貨運輸航線網絡優化模型

苗紅云 楊家其

(武漢理工大學交通學院 武漢 430000)

考慮低碳成本的內河散貨運輸航線網絡優化模型

苗紅云 楊家其

(武漢理工大學交通學院 武漢 430000)

水路運輸節能減排逐漸引起重視.將碳、硫排放量通過函數轉換為低碳成本，以包含船舶營運成本和低碳成本的綜合運輸成本最低為目標，建立了內河散貨運輸航線網絡優化模型.同時該模型考慮了減載運輸，并以航道和港口設計通過能力為主要限制條件.通過從起運港A1，A2，A3運輸鐵礦石到目的港B1，B2，B3的散貨水運航線網絡優化進行算例分析，運用LINGO軟件求解，證明了模型在內河散貨運輸問題中的可行性和通用性.結果表明，運用該模型進行內河散貨運輸航線網絡優化合理有效，并有效降低水運碳和硫排放.

低碳成本；散貨運輸；航線網絡；航線配船

0 引 言

目前航運業每年約燃燒20億桶原油，排放CO2多于12億噸，約占全球CO2排放總量的7%[1-2].此外，相關資料顯示，在我國，船舶硫氧化物年排放量約占全國硫氧化物總排放量的8%[3]，水路運輸如何有效降低碳、硫排放正引起廣泛關注.

國內外較多學者對水運網絡優化設計進行了深入研究，部分學者對水運環境問題進行了相關研究.Brouer等[4]為解決網絡設計問題，研究了一種啟發式整數規劃算法，使航運網絡達到最小總成本，以便貨物運輸收益最大.Kjeldsen等[5]在研究中根據集裝箱班輪運輸業的現狀及未來的發展趨勢為其提供了相應的分類方案，并將集裝箱班輪運輸路徑問題相關文獻根據其特征進行了分類.King等[6]研究了路徑選擇問題中添加避免船舶停泊時間沖突的約束，但是該模型中只考慮了一船一貨，并未考慮轉運.段雪妍等[7]建立了低碳內河班輪航線配船優化模型，提出一種基于效用加性方法的多目標線性優化求解方法，有效優化經營成本、發船頻率,以及碳排放目標.焦新龍等[8]研究了國際班輪運輸航線配船問題，模型以最小經營成本作為目標函數，約束條件為船舶數量與運量，實例驗證表明蟻群算法針對國際班輪運輸航線配船模型較優.楊珩姝[9]考慮了水路運輸低碳成本，建立了大宗干散貨物運輸網絡混合整數線性規劃模型，并以武鋼進口澳大利亞鐵礦石為例進行實例驗證，但該模型并未考慮減載運輸.

現有研究以海運班輪運輸和集裝箱運輸為主，優化目標函數主要為運營成本最小，關于低碳環境下內河散貨運輸的相關文獻較少.內河散貨運輸與海運班輪運輸及集裝箱運輸在成本構成、組織過程、航速，以及船型等有很多不同之處，內河散貨運輸問題不能直接運用現有的海運班輪運輸和集裝箱運輸的研究方法和模型.針對現有研究在內河散貨運輸方面的不足，結合內河散貨運輸的特點，構建了考慮低碳成本的內河散貨運輸航線網絡優化模型，在考慮了低碳成本和減載運輸，使得綜合運輸成本最低.

1 考慮低碳成本的內河散貨運輸航線網絡優化模型

本文建立的考慮低碳成本的內河散貨運輸航線網絡優化模型為散貨經水運從一個或多個起運港到一個或多個目的港，配備不同船型可供選擇，途中最多含有兩級轉運中心供船舶停靠減載或更換船型，在此基礎上，考慮綜合運輸成本包括船舶運營成本和低碳成本，對運輸路徑和航線配船進行優化，以使綜合運輸成本最低，并同時降低運輸對環境造成的污染.

船舶運營成本包括港口使用費(如港口拖駁費、船舶港務費、港口停泊費等)、裝卸費等港口成本和船舶固定費用(如船舶折舊費、船員工資等)、船舶航行可變費用(燃油費、潤料費、維修費等)等船舶成本[10-11]；低碳成本主要考慮碳排放成本和硫排放成本.

1.1 模型假設

本文結合散貨內河運輸網絡實際運營情況，做如下假設：

1) 一般內河運輸網絡最多含有兩級轉運中心，假設最多含有兩級轉運中心.

2) 由于航道水深和港口限制，船舶在運輸過程減載較多出現在一級轉運中心，因而假設如需減載運輸，減載只發生在一級轉運中心.

3) 備選船舶數量充足.

4) 始發港貨物全部運往終點港，即轉運中心只負責中轉，即轉運中心運進貨量等于運出貨量.

5) 只考慮單程運輸，船舶回程時貨運量為0.

水運航線網絡圖見圖1.

注：經過虛擬港為直達運輸圖1 散貨水運航線網絡示意圖

1.2 低碳成本測算

本文的低碳成本主要包括碳排放成本和硫排放成本.

這里借助稅率來衡量低碳成本，低碳成本=排放量QX×稅率Rx.計算碳排放成本時，QX為碳排放量，Rx為碳稅稅率；計算硫排放成本時，QX為硫排放量，Rx為硫稅稅率.

依據文獻[12]可知CO2排放量計算公式如下：Qc=F×δc.式中：F為貨物運輸能源消耗量；δc為消耗1單位能源SO2二氧化碳排放量，即碳排放因子.同理，計算硫排放量時，δs為消耗1單位能源SO2排放量，即硫排放因子.

1.3 模型建立

本文考慮一個最多含有兩級轉運中心的水運網絡，數學模型如下.

目標函數：

minZ=

(1)

式(1)為綜合運輸成本最低，等式中各項成本分別為船舶固定費用(船員工資、船舶折舊費等)、港口裝卸費用、港口使費、船舶航行可變費用(燃油費、潤料費、維修費等)和船舶低碳成本.

研究主要圍繞企業特定范圍內影響協調合作的共同要素展開，沒有結合具體企業的協調合作特征，而實踐活動中合作關系受多維因素綜合影響，在影響因素的提取方面可能存在一定的局限性。同時沒有考慮到不同行業不同規模企業之間在不同合作階段都會受到不同因素的影響，研究結果也可能會存在差異。因此，未來研究應進一步擴大樣本調查范圍，結合企業合作特定階段特征，深入探討與分析更多潛在因素及其對協調聯動的作用路徑與影響程度。

約束條件：

i∈H1,j∈H2,?b∈B

(2)

式(2)為運量滿足需求，不等式左邊表示運往目的港的運量，包括直達、中轉、減載等三種方式的運量，右邊表示目的港貨物需求量.

i∈H1,h∈H2+B

(3)

j∈H2

(4)

式(3)～(4)為進出港船舶滿足港口接卸能力，不等式左邊表示進出港船舶總運量，右邊表示港口年設計通過能力.

(5)

(6)

式(5)～(6)為進出轉運港貨量相等，等式左邊表示運進i，j港的貨量，右邊表示運出i、j港的貨量.

(7)

(8)

式(7)～(8)為轉運中心d港未被選中，則d港貨物通過量為0.

(9)

式(9)為在i港減載，等式右邊為運進i港的貨量，左邊為二程船貨量和減載船舶貨量之和，兩者貨量相等.

(10)

式(10)等式左邊為二程船貨量，右邊為i港減載貨量，兩者相等.

Yd=0,1

(11)

?x∈A+Ir-1且y∈Ir

(12)

年往返航次計算方式如下.

2 實例分析

2.1 實例背景及相關數據

本文以長江下游鐵礦石散貨運輸為例，設起運港為A1，A2，A3，目的港為B1，B2，B3，所需運往終點港鐵礦石貨量為：始發港A1運往目的港B1，B2和B3鐵礦石年運輸量分別為800萬，500萬和500萬t，始發港A2運往目的港B1，B2和B3鐵礦石年運輸量分別為700萬，600萬和300萬t，始發港A3運往目的港B1，B2和B3鐵礦石年運輸量分別為300萬，300萬和800萬t，年營運天數為340 d.建立一個二級水運網絡，起運港為A1，A2，A3，目的港為B1，B2，B3，一級中轉港為H1，H2，H3，H4的四個港口.港口相關數據見表1.

表1 各港口相關數據

各港口之間運距見表2.

備選船型分為兩類，機動船和機動船船組.考慮到實際運營效果，機動船船組選取4 000 t機動船拖帶兩個3 000 t駁船.備選船型有五種M1，M2，M3，M4，M5即4 000，5 000，7 000，20 000和4 000 t+2×3 000 t.備選船型相關數據見表3.

表2 各港口之間運距 n mile

表3 備選船型相關數據

始發港到中轉港航段水深條件較好，各備選船型滿足滿載條件，由于航道水深限制，中轉港至目的港B1，B2，B3航段，5 000 t船最大載重為4 600，7 000 t船最大載重為6 000，20 000 t船最大載重為10 000 t.中轉港至目的港B3航段，5 000 t船最大載重為4 600，7 000 t船最大載重為6 100，20 000 t船最大載重為11 000 t，其他船型滿足滿載條件.

查閱相關資料，確定燃油價格為重油4 900元/t，輕油7 457元/t；主機消耗耗的輕油和重油比例分別取為15%和85%；碳稅取265.65元/t；并根據《IMO GHG Study of 2009》對船舶航行燃料消耗碳轉換因子的確定，輕油和重油碳分別為3.082和3.012(二氧化碳t/燃油t)；備選船舶所使用燃油一般為含硫量分別為0.1%和3%的輕油和重油.硫稅取362.75元/t，輕油的硫排放因子為0.002，重油的硫排放因子為0.06(二氧化硫噸/燃油t)[13].

2.2 模型求解

將有關數據代入考慮低碳成本的內河散貨運輸航線網絡布局優化模型，運用LINGO軟件編程求解，具體求解結果見表4.

從上述求解結果可知，綜合運輸成本最低為58 6216.9萬元，低碳成本為14 745.3萬元.最優運輸方式為直達與減載、中轉運輸相結合.考慮到各中轉港的裝卸效率、港口相關費用、港口設計通過能力以及距始發港和目的港的距離等因素，最終求解結果表明該航線網絡中轉港為H2和H4.依據各港口供需貨量，綜合考慮船舶的經濟航速、最大裝載率、油耗、碳排放成本和船舶固定成本等因素，不同航線需配備不同船型不同數量的船舶，如始發港A1到目的港B1直達運輸需配備M1型船舶七艘，M5型船舶兩艘.最優航線網絡圖見圖2.

表4 LINGO具體求解結果

注：()內數字為船舶數/艘圖2 最優航線網絡

3 結 束 語

隨著航運業的高速發展，水運碳、硫排放污染問題已經遠超出人們的預估，因此在內河散貨運輸航線網絡優化過程中，除航線設計和配船，降低運輸污染排放也是需考慮的主要問題，本文提出的考慮低碳成本的內河散貨運輸航線網絡優化模型同時解決這三方面問題.結合起運港A1，A2，A3到目的港B1，B2，B3鐵礦石水路運輸算例，運用該模型通過LINGO軟件進行求解，從而對該航段鐵礦石水運航線網絡布局進行優化，同時實現綠色運輸，降低碳、硫排放，最優運輸方式為減載中轉與直達相結合，證明了該模型在內河散貨運輸航線網絡優化中的有效性和可行性.隨著碳稅、硫稅的加大，碳成本在運輸中所占比重也將增大，因此，如何合理優化網絡布局至關重要.本文提出的考慮低碳成本的內河散貨運輸航線網絡優化模型對于水運航線網絡布局優化以及降低水運環境污染具有重要的理論價值，可為散貨水運運輸路徑選擇和航線配船提供參考.

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Network Optimization Model of Inland Bulk Transportation Routes Considering Low Carbon Cost

MIAOHongyunYANGJiaqi

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430000,China)

The energy conservation and emission reduction of water transportation are attracted attention gradually. Carbon and sulfur emissions were converted into low carbon cost by function, then aiming at the lowest integrated transportation cost which including the operating cost of ships and low-carbon cost, the model of bulk inland shipping route network optimization was established. The model considered deloading transport and took design capacity of waterways and ports as the main constraints. Finally, an example analysis of optimizing the bulk transportation route network was given by Lingo software. In the example, the iron ore was transported from departure portsA1,A2,A3to destination portsB1,B2,B3. Finally, the feasibility and versatility of the model used in inland river bulk transportation were verified. Results show that the proposed model of optimizing the inland bulk transportation route network was reasonable and effective, and the carbon and sulfur emissions were reduced effectively.

low carbon cost; bulk transportation; route network; ship assignment by route

U695.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.025

2017-08-01

苗紅云(1993—)：女，碩士生，主要研究領域為現代物流與航運