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)

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)

針對目前國內(nèi)航運市場上營運的江海直達(dá)船型大多按照海船規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，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)低下而難以滿足國家大力發(fā)展低碳綠色航運等問題，分析江海直達(dá)船型能效指標(biāo)主要影響因子，建立綜合評價模型，并考慮到航運市場的不確定性，基于隨機(jī)決策理論提出2萬噸級江海直達(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)運輸在航運業(yè)中至關(guān)重要，約90%的全球貿(mào)易通過海上運輸實現(xiàn)，而船舶每年的排放量也對生態(tài)環(huán)境造成較大的破壞，隨著國際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會各類公約的出臺[1-2]，高能效船型的發(fā)展勢在必行。江海直達(dá)運輸是一種船舶由江段直接駛?cè)牒６?，將貨物直接由始發(fā)港運至終點港的運輸方式，這種運輸方式可節(jié)約中轉(zhuǎn)費用及裝卸貨時間。在我國，江海直達(dá)運輸日趨受到各大航運企業(yè)的青睞，同時受到國家的大力扶持，但其目前仍存在很多問題，主要表現(xiàn)為船舶技術(shù)水平落后、能效水平低下等。目前市場上營運的江海直達(dá)船型大多按照海船規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，尺度比不適合內(nèi)河淺水航道條件，與市場環(huán)境及航道條件不匹配，航行時能效指標(biāo)低下，難以滿足低碳航運的需求。

對于綠色船舶已有不少學(xué)者進(jìn)行過相應(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，且在論證過程中沒有考慮到航運市場的不確定性[6]。事實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)雜問題決策的綜合評價方式[8]，針對最主要影響因素采用隨機(jī)決策理論進(jìn)行論證。

隨著國家政策的進(jìn)一步實施，內(nèi)河航道等級逐漸提升，船舶大型化發(fā)展空間越來越大，江海直達(dá)船型的發(fā)展空間日益增大。通過進(jìn)一步對長江航道的治理，江蘇省瀏河口處的長江深水航道將會延伸至南京，未來5萬噸級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個航道不相同的海洋和內(nèi)河之間根據(jù)貨物的運輸需求進(jìn)行運輸，最終希望達(dá)到運輸效率高、運輸成本低、運輸環(huán)節(jié)少、運輸貨物量大的目的，且隨著江海直達(dá)貨船的逐漸大型化，應(yīng)針對不同噸級的船舶考慮內(nèi)在差異性來確定其在市場中的定位。當(dāng)前的航運市場存在著較多不確定性，包括燃油價格、船價、船舶負(fù)載率等，因此有必要在船型研究時引入對環(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，從而確定各個噸級下的最優(yōu)船型，為未來江海直達(dá)船型的發(fā)展提供參考。

1 問題描述與建模

1.1 高能效江海直達(dá)船型研究問題描述

根據(jù)船舶航道條件以及貨物流向的限制，2萬噸級以下的江海直達(dá)船舶主要航線為舟山至城陵磯或舟山至武漢，2萬噸級的船舶主要航線為舟山至蕪湖或馬鞍山至蕪湖，2.5萬～3萬噸級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。實地調(diào)研的結(jié)果也與此結(jié)論較為符合。

在此基礎(chǔ)上對目前營運的江海直達(dá)船型進(jìn)行能效現(xiàn)狀評估，參考《綠色船舶規(guī)范(2015)》國內(nèi)航行海船中散貨船相關(guān)要求對現(xiàn)有江海直達(dá)貨船進(jìn)行能效設(shè)計指數(shù)計算(Energy Efficiency Design Index, EEDI)，計算結(jié)果統(tǒng)計如圖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)計船舶的EEDI計算值，發(fā)現(xiàn)其在基準(zhǔn)值上下均有分布，并且隨著船舶噸級的增大，EEDI計算值逐漸減小，與基準(zhǔn)值也更為接近。就該圖來看，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，這些船舶勢必會逐漸被淘汰，相應(yīng)的市場空間會由高能效的船舶來填充，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

對于江海直達(dá)船，參考《綠色船舶規(guī)范(2015)》中能效設(shè)計指數(shù)計算公式[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，公式可簡化為

式(1)中各參數(shù)物理意義詳見參考文獻(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，影響EEDI計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)計結(jié)果較為合理。根據(jù)圖2～圖4進(jìn)行分析可以得出對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)船型綜合評價模型

根據(jù)問題描述，在綜合評價高能效江海直達(dá)船型時遵循以下基本原則：

(1) 在滿足運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)，針對江海直達(dá)貨船展開研究；

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

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

綜合評價船舶各項指標(biāo)的優(yōu)劣程度，需要采用層次分析法綜合航運參與各方的觀點，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)秀推薦船型的過程分為3個層次，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)船型綜合評價指標(biāo)體系

通過層次總排序可以得到各指標(biāo)權(quán)重，如表1所示。

表1 各評價指標(biāo)權(quán)重

2 綜合評價模型求解算法

2.1 評價指標(biāo)計算方法

各項指標(biāo)的計算方法如下。

必要運費率為

式中：R為必要運費率；P為船價；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為船舶營運年限；Q為年運輸總量；Y為年營運費用；DA為運距。

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。

運輸效率為

式中：μ為運輸效率；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為年運輸總量；DA為運距。

此外，實船海軍系數(shù)C的高低與設(shè)計水平、側(cè)重點及船舶尺度比等有關(guān)，實際計算中采用根據(jù)船東提供的實際運行型船數(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)過整理后具體計算式為

式中：Lpp為船舶垂線間長；B為船舶型寬；d為船舶設(shè)計吃水。

2.2 基于隨機(jī)決策理論的經(jīng)濟(jì)性計算方法

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

圖6 油價分布直方圖

由圖可知，油價具有符合正態(tài)分布規(guī)律的趨勢，采用Pearson 檢驗法進(jìn)行假設(shè)檢驗，確定油價服從正態(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)船型綜合評價。與傳統(tǒng)船型技術(shù)經(jīng)濟(jì)不同的是，在基于隨機(jī)決策理論的論證過程中，考慮油價波動的隨機(jī)性影響，根據(jù)前述概率密度函數(shù)，由油價分布概率產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，計算船舶的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)必要運費率，從而保證在船型研究過程中將不確定環(huán)境因素考慮進(jìn)去。

3 計算與結(jié)果分析

通過對40條不同船型船舶的統(tǒng)計數(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1.3節(jié)。根據(jù)綜合評價模型和相應(yīng)的計算方法，在MATLAB軟件中編程進(jìn)行計算，以船舶垂線間長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時為例，等值線圖如圖7所示。

圖7 吃水為8 m時載貨量等值線圖

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2萬噸級江海直達(dá)船舶主尺度范圍?；谇笆鲇嬎闫脚_及評價模型，以載貨量為2.0萬～2.1萬 t的江海直達(dá)貨船為例進(jìn)行綜合選優(yōu)。采用網(wǎng)格法對其相應(yīng)主尺度范圍進(jìn)行劃分，船長步長取為1 m，型寬步長取為0.2 m， 在該尺度范圍內(nèi)同時滿足載貨量和尺度比約束的船舶共有71條。

綜合評分最高的3條船相關(guān)參數(shù)如表2和表3所示。分析可知，方案3 的必要運費率屬于中間值，但是快速性和能效指標(biāo)均較高，綜合評分最優(yōu)，為最佳船型。采用同樣的方式對其他吃水條件進(jìn)行計算，并對2萬噸級下的所有船型進(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)的船舶評價指標(biāo)

表4給出了2萬噸級每個載貨量范圍內(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較長度上更快一些。這是由于在同等情況下，船舶長度的增大對船舶造價的影響更大，而對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

通過對影響江海直達(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)保性的綜合評價模型；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，加入對航運市場環(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，對接國家“一帶一路”倡儀和長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略，為未來江海直達(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] 張云浩. 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)計指數(shù)[J]. 造船技術(shù),2012(4):50-56.

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

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

[9] 中國船級社.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

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

張思婧(1993-)，女，碩士研究生，研究方向為船舶數(shù)字化設(shè)計理論與方法

1000-3878(2017)06-0001-05

U661

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