集裝箱船舶航速優(yōu)化對班輪營運的重要性分析

文/陳曉梅 許 偉

集裝箱船舶航速優(yōu)化對班輪營運的重要性分析

文/陳曉梅 許 偉

摘 要：船舶航速是集裝箱班輪船期表編制和優(yōu)化的重要決策變量，影響著班輪營運中很多相關(guān)決策的制定。一方面，集裝箱船舶航速對班輪總營運成本有重要影響，首先表現(xiàn)在，航速與船舶燃油成本變化直接相關(guān)，其次，航線船隊規(guī)模和船舶航速之間存在一種權(quán)衡關(guān)系，而船舶數(shù)量又會直接影響船舶營運成本，此外，航速的選擇還會影響到班輪的船期延誤成本。另一方面，船舶二氧化碳排放量與船舶航速成比例關(guān)系，船舶航速的選擇對環(huán)境也有重要意義。總之，航速決策的選擇，無論是對班輪總營運成本還是對環(huán)境都有重要意義。

關(guān)鍵詞：航速；營運成本；環(huán)境

國際金融危機爆發(fā)以來，集裝箱班輪運輸業(yè)承受了史無前例的沖擊，集裝箱班輪公司面臨著成本、風(fēng)險和競爭的多方面壓力，普遍出現(xiàn)巨額虧損。

此外，國際原油價格不斷飆升，集裝箱船舶排放二氧化碳對環(huán)境的影響日益引起人們的關(guān)注，各船公司面臨著被迫使用清潔船用燃料的處境?？梢哉f集裝箱運輸市場艱難運行，各種矛盾交織盤錯，集裝箱班輪運輸業(yè)處于深度低迷中，船舶航速優(yōu)化作為影響集裝箱船舶經(jīng)營質(zhì)量的重要因素，能夠提升班輪公司的競爭力，幫助班輪公司度過航運低谷，其研究對班輪營運有重要意義。

1. 集裝箱船舶航速對班輪營運成本的影響

1.1 航速對船舶燃油成本的影響

集裝箱船的燃油消耗對航速非常敏感，航速只增加幾節(jié)就會導(dǎo)致燃油消耗的大幅增加。以8000+TEU的超大型船舶為例，航速下降1節(jié)，每天油耗可降低約30噸，按目前燃油價格接近700美元/噸計算，每天可節(jié)省2.1萬美元。不同船型的油耗—航速曲線如下圖所示：

圖1 不同規(guī)模集裝箱船的燃油消耗量曲線

從上圖可以看出，燃油消耗隨速度的增加呈上升趨勢，且和速度成冪指數(shù)關(guān)系。關(guān)于船舶燃油消耗和航速之間的確切關(guān)系，(Ronen， 1982)指出假定船舶在給定的航速航行，則發(fā)動機原理和經(jīng)驗數(shù)據(jù)均表明船舶每天的燃油消耗量跟航速大致成三次方的關(guān)系。也就是說每天的燃油消耗量與速度的三次方成正比，例如，若在航速為20節(jié)的情況下，船舶每天的燃油消耗量為200噸，那么每天的燃油消耗量可以表示為0.025(vi)3?；谌畏疥P(guān)系，一些研究者（Perakis and Jaramillo (1991)，Corbett et al，2010；Meng and Wang，2010，2011c；Ronen，2011)已經(jīng)研究了單一班輪航線的最優(yōu)航速問題。盡管許多研究著作使用了三次方的關(guān)系，但是不難發(fā)現(xiàn)沒有研究提供實證數(shù)據(jù)證明三次方的近似是否準確。雖然（Notteboom and Vernimmen，2009） 基于真實的數(shù)據(jù)繪制了燃料消耗與航行速度的曲線，但是他們只得出航行速度只增加幾節(jié)，將會導(dǎo)致燃料消耗顯著增加的結(jié)論，并沒有論及燃油消耗和速度之間的準確函數(shù)關(guān)系。鑒于燃油消耗和速度的函數(shù)關(guān)系研究上存在缺口，而且本文重點研究船舶航速在班輪營運中的重要性，本文將利用班輪公司提供的關(guān)于燃油消耗和速度的數(shù)據(jù)，用EXCEL進行曲線擬合，求出燃油消耗關(guān)于速度的函數(shù)表達式。我們假設(shè)每天的燃油消耗為Q噸/天，航速為v節(jié)，則燃油消耗關(guān)于速度函數(shù)的一般形式可以表示為：Q=a ×vb。這里a 和b是需要求的參數(shù)，v是獨立的速度變量，每天的燃油消耗Q是反應(yīng)變量，本文使用常規(guī)的線性回歸方法來求參數(shù) a 和 b。為了保證研究結(jié)果的可靠性和普適性，在數(shù)據(jù)采集方面，考慮到了數(shù)據(jù)的廣泛性和代表性，我們選取了全球班輪公司提供的三組數(shù)據(jù)。它涵蓋了3000TEU、5000TEU、8000TEU的三種類型的船舶和三條航線，每條航線上采集了20個燃油消耗和平均航速的歷史數(shù)據(jù)。對于每一組數(shù)據(jù)我們用線性回歸方法求解參數(shù)a和b。用EXCEL對五組數(shù)據(jù)進行曲線擬合，擬合結(jié)果分別如下圖所示：

圖2 3000teu新加坡-雅加達擬合曲線

圖3 5000teu香港-新加坡擬合曲線

圖4 8000teu鹽田-洛杉磯擬合曲線

上面擬合圖形中均包括擬合得到的燃料消耗-航行速度函數(shù)、歷史經(jīng)營數(shù)據(jù)（藍色的點）和擬合的函數(shù)（曲線）。從圖中我們可以觀察到?jīng)Q定系數(shù)R平方至少是0.96，均大于0.95，足夠接近于1。因此，可以使用圖中所標注的冪函數(shù)來近似燃油消耗關(guān)于速度的函數(shù)。

由歷史經(jīng)營數(shù)據(jù)的分布可以明顯看出，每天的燃油消耗不是航速的線性函數(shù)。在五組數(shù)據(jù)中，系數(shù)b的最大值是3.3，最小值是2.7，均分布在3的附近。因此，我們得出結(jié)論，在缺乏足夠的數(shù)據(jù)進行回歸分析的情況下，三次方的關(guān)系實際上是一個很好的近似，我們可以認為每天的燃油消耗與速度呈三次方的關(guān)系。

從上述得到的船舶每天燃油消耗和速度之間的函數(shù)關(guān)系可以看出，船舶燃油消耗量跟航速直接相關(guān)。此外，在過去幾年內(nèi)，國際燃油價格一路飆升，從2006年55美元/桶的年平均價格漲至2007年90美元/桶的年平均價格，2008年更是曾一度飄升至147美元/桶。隨燃油價格的不斷上漲，燃油成本在船舶營運成本中所占的比例不斷增大，對于短途航程，燃油成本占總航次成本的20%左右，對于一個長途航行，燃油成本可能超過總航次成本的75%，平均而言，燃油成本基本占總航程成本的50%以上，另外，擬使用清潔（污染少）船用燃料使情形進一步惡化。在燃油價格高漲和難以預(yù)測的情況下，燃油成本對班輪公司和班輪經(jīng)營人的利潤會產(chǎn)生重大影響。而很多與航速相關(guān)的營運策略會對船舶燃油成本產(chǎn)生巨大影響。

從這個角度說，船舶航速在班輪營運中的重要性不言而喻。實際操作中，班輪公司面對高漲的油價，紛紛在技術(shù)、管理和營運等方面積極采取各種措施，最大限度地降低燃油成本，其中加船減速是典型的控制燃油成本的措施。

1.2 航速對航線船舶營運成本的影響

班輪營運的戰(zhàn)略決策包括船隊規(guī)模和船舶航速之間的權(quán)衡，較少的船舶意味著船舶必須以較高的航速航行。班輪公司提供定期的班輪運輸服務(wù)，必須保證一定的發(fā)船頻率。航速會影響航線往返航次時間，較高的航速意味著往返航次時間較短，較少數(shù)量的船舶就可以維持周班服務(wù)頻率。

比如，當集裝箱船航速為24節(jié)時，航線的往返時間是56天，那么當集裝箱船以較低的航速行駛時，往返時間可能多于56天，比如63天，那么對于周班服務(wù)頻率，配置在航線上的集裝箱船，將會從8條增加到9條，船舶數(shù)量的增加或者減少必定會影響航線船舶的營運費用，從這個角度講航速優(yōu)化對班輪公司航線船舶的營運成本有重要影響。

1.3 航速對班輪船期延誤成本的影響

航速高低會對船舶的準班率產(chǎn)生影響。航段航速高時，船期恢復(fù)能力差，我們知道當船舶高速行駛時，如果船舶在一個港口發(fā)生延誤，那么隨后掛靠港的船期很容易變得不可靠，因為船舶的航速已經(jīng)很高，海上航行時間不能大幅縮短，船期恢復(fù)能力有限，換句話說前面掛靠港發(fā)生的延誤，很難通過大幅提速得以彌補。所以，船舶航速高時，船舶延誤概率高，當然班輪船期延誤成本也會相應(yīng)增加。從這個角度講航速優(yōu)化對班輪船期的延誤成本有重要影響。

這三個集裝箱班輪營運成本并不是彼此獨立的，相互之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。航速低時，燃油成本低，為維持航線運力和發(fā)船頻率，則投入航線船舶數(shù)量多，船舶營運成本高，另外，航速低，船期可靠性相對較高，船舶延誤成本低。航速的優(yōu)化決策能在上述三個營運成本間做出很好的權(quán)衡，使航線上集裝箱班輪總營運成本最低。

2. 集裝箱船舶航速對環(huán)境的影響

集裝箱船舶航速不僅影響船舶的營運成本，而且影響二氧化碳等污染物的排放。船舶航速作為船期表編制的重要決策變量，對二氧化碳的排放量有重要影響。二氧化碳的排放量與燃油消耗量成正比，而燃油消耗量與集裝箱船舶航速的三次方成正比，所以船舶航速對二氧化碳排放量有重要影響作用。學(xué)者Qia and Dong～Ping Song(2012)，研究了船期表優(yōu)化設(shè)計和二氧化碳排放量之間的關(guān)系，得出了類似的結(jié)論：船舶航速與二氧化碳排放量直接相關(guān)。集裝箱運輸已經(jīng)成為航運業(yè)增長最快的行業(yè)之一，并且在未來很可能繼續(xù)其快速增長的勢頭。據(jù)報道，集裝箱船，無論是絕對量還是噸海里排放量都是航運業(yè)迄今為止CO2排放量最大的船型。集裝箱船CO2的排放量分別是散貨船、油輪、雜貨船的2.3、3.2、3.5倍，因此，集裝箱運輸業(yè)要實現(xiàn)其環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展，減少二氧化碳排放量是其必須要解決的問題。在過去的10年中，海上運輸業(yè)的CO2排放量已經(jīng)越來越多的引起了關(guān)注，國際海事組織（IMO）在2000年和2009年發(fā)表了兩項關(guān)于船舶排放溫室氣體的研究， 第二項研究提供了一個關(guān)于全球船舶溫室氣體排放水平的全面和權(quán)威的評估，2007年航運排放10.46億噸二氧化碳，約占全球排放量的3.3%。隨著航運業(yè)的不斷發(fā)展，這一比例將會呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。溫室氣體排放和全球氣候變暖問題已經(jīng)引起國際社會的高度關(guān)注，船舶航速作為影響船舶二氧化碳排放量的重要因素，其優(yōu)化決策對環(huán)境的重要作用必將引起決策者的重視。

3. 總結(jié)

集裝箱船舶航速優(yōu)化對于班輪公司降低降低營運成本、提升服務(wù)水平和減少船舶二氧化碳排放都具有重要意義。營運成本的降低可以增強班輪公司的航線競爭力，服務(wù)水平的提高可以增加攬貨量，提高集裝箱船舶的載箱量利用率，減少二氧化碳的排放對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展意義重大。

目前全球經(jīng)濟復(fù)蘇道路依舊曲折，中短期難以擺脫“弱增長”格局。據(jù)IMF數(shù)據(jù)顯示，2012年全球經(jīng)濟增長率僅為3.3%，較2011年增速明顯放緩，其中發(fā)達經(jīng)濟體增長率為1.4%，新興及發(fā)展中經(jīng)濟體的增長率為5.3%，在這樣經(jīng)濟低迷的大背景下，提高船舶經(jīng)營質(zhì)量對班輪公司尤其重要，集裝箱船舶航速優(yōu)化直接影響班輪公司航線經(jīng)營質(zhì)量，對班輪公司對社會環(huán)境都具有重要的意義。

參考文獻

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作者單位：（上海海事大學(xué)交通運輸學(xué)院）