考慮低碳成本的內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

苗紅云 楊家其

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430000)

考慮低碳成本的內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

苗紅云 楊家其

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430000)

水路運(yùn)輸節(jié)能減排逐漸引起重視.將碳、硫排放量通過函數(shù)轉(zhuǎn)換為低碳成本，以包含船舶營運(yùn)成本和低碳成本的綜合運(yùn)輸成本最低為目標(biāo)，建立了內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型.同時(shí)該模型考慮了減載運(yùn)輸，并以航道和港口設(shè)計(jì)通過能力為主要限制條件.通過從起運(yùn)港A1，A2，A3運(yùn)輸鐵礦石到目的港B1，B2，B3的散貨水運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化進(jìn)行算例分析，運(yùn)用LINGO軟件求解，證明了模型在內(nèi)河散貨運(yùn)輸問題中的可行性和通用性.結(jié)果表明，運(yùn)用該模型進(jìn)行內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化合理有效，并有效降低水運(yùn)碳和硫排放.

低碳成本；散貨運(yùn)輸；航線網(wǎng)絡(luò)；航線配船

0 引 言

目前航運(yùn)業(yè)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(guān)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(yùn)輸如何有效降低碳、硫排放正引起廣泛關(guān)注.

國內(nèi)外較多學(xué)者對(duì)水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，部分學(xué)者對(duì)水運(yùn)環(huán)境問題進(jìn)行了相關(guān)研究.Brouer等[4]為解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題，研究了一種啟發(fā)式整數(shù)規(guī)劃算法，使航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最小總成本，以便貨物運(yùn)輸收益最大.Kjeldsen等[5]在研究中根據(jù)集裝箱班輪運(yùn)輸業(yè)的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢(shì)為其提供了相應(yīng)的分類方案，并將集裝箱班輪運(yùn)輸路徑問題相關(guān)文獻(xiàn)根據(jù)其特征進(jìn)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(shí)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(zhuǎn)運(yùn).段雪妍等[7]建立了低碳內(nèi)河班輪航線配船優(yōu)化模型，提出一種基于效用加性方法的多目標(biāo)線性優(yōu)化求解方法，有效優(yōu)化經(jīng)營成本、發(fā)船頻率,以及碳排放目標(biāo).焦新龍等[8]研究了國際班輪運(yùn)輸航線配船問題，模型以最小經(jīng)營成本作為目標(biāo)函數(shù)，約束條件為船舶數(shù)量與運(yùn)量，實(shí)例驗(yàn)證表明蟻群算法針對(duì)國際班輪運(yùn)輸航線配船模型較優(yōu).楊珩姝[9]考慮了水路運(yùn)輸?shù)吞汲杀?，建立了大宗干散貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，并以武鋼進(jìn)口澳大利亞鐵礦石為例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，但該模型并未考慮減載運(yùn)輸.

現(xiàn)有研究以海運(yùn)班輪運(yùn)輸和集裝箱運(yùn)輸為主，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)主要為運(yùn)營成本最小，關(guān)于低碳環(huán)境下內(nèi)河散貨運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)文獻(xiàn)較少.內(nèi)河散貨運(yùn)輸與海運(yùn)班輪運(yùn)輸及集裝箱運(yùn)輸在成本構(gòu)成、組織過程、航速，以及船型等有很多不同之處，內(nèi)河散貨運(yùn)輸問題不能直接運(yùn)用現(xiàn)有的海運(yùn)班輪運(yùn)輸和集裝箱運(yùn)輸?shù)难芯糠椒ê湍Ｐ?針對(duì)現(xiàn)有研究在內(nèi)河散貨運(yùn)輸方面的不足，結(jié)合內(nèi)河散貨運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，構(gòu)建了考慮低碳成本的內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，在考慮了低碳成本和減載運(yùn)輸，使得綜合運(yùn)輸成本最低.

1 考慮低碳成本的內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

本文建立的考慮低碳成本的內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型為散貨經(jīng)水運(yùn)從一個(gè)或多個(gè)起運(yùn)港到一個(gè)或多個(gè)目的港，配備不同船型可供選擇，途中最多含有兩級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)中心供船舶停靠減載或更換船型，在此基礎(chǔ)上，考慮綜合運(yùn)輸成本包括船舶運(yùn)營成本和低碳成本，對(duì)運(yùn)輸路徑和航線配船進(jìn)行優(yōu)化，以使綜合運(yùn)輸成本最低，并同時(shí)降低運(yùn)輸對(duì)環(huán)境造成的污染.

船舶運(yùn)營成本包括港口使用費(fèi)(如港口拖駁費(fèi)、船舶港務(wù)費(fèi)、港口停泊費(fèi)等)、裝卸費(fèi)等港口成本和船舶固定費(fèi)用(如船舶折舊費(fèi)、船員工資等)、船舶航行可變費(fèi)用(燃油費(fèi)、潤料費(fèi)、維修費(fèi)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(shè)

本文結(jié)合散貨內(nèi)河運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)營情況，做如下假設(shè)：

1) 一般內(nèi)河運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)最多含有兩級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)中心，假設(shè)最多含有兩級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)中心.

2) 由于航道水深和港口限制，船舶在運(yùn)輸過程減載較多出現(xiàn)在一級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)中心，因而假設(shè)如需減載運(yùn)輸，減載只發(fā)生在一級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)中心.

3) 備選船舶數(shù)量充足.

4) 始發(fā)港貨物全部運(yùn)往終點(diǎn)港，即轉(zhuǎn)運(yùn)中心只負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)運(yùn)中心運(yùn)進(jìn)貨量等于運(yùn)出貨量.

5) 只考慮單程運(yùn)輸，船舶回程時(shí)貨運(yùn)量為0.

水運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)圖見圖1.

注：經(jīng)過虛擬港為直達(dá)運(yùn)輸圖1 散貨水運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)示意圖

1.2 低碳成本測(cè)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(jì)算碳排放成本時(shí)，QX為碳排放量，Rx為碳稅稅率；計(jì)算硫排放成本時(shí)，QX為硫排放量，Rx為硫稅稅率.

依據(jù)文獻(xiàn)[12]可知CO2排放量計(jì)算公式如下：Qc=F×δc.式中：F為貨物運(yùn)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(jì)算硫排放量時(shí)，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(gè)最多含有兩級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)中心的水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)學(xué)模型如下.

目標(biāo)函數(shù)：

minZ=

(1)

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

研究主要圍繞企業(yè)特定范圍內(nèi)影響協(xié)調(diào)合作的共同要素展開，沒有結(jié)合具體企業(yè)的協(xié)調(diào)合作特征，而實(shí)踐活動(dòng)中合作關(guān)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(shí)沒有考慮到不同行業(yè)不同規(guī)模企業(yè)之間在不同合作階段都會(huì)受到不同因素的影響，研究結(jié)果也可能會(huì)存在差異。因此，未來研究應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大樣本調(diào)查范圍，結(jié)合企業(yè)合作特定階段特征，深入探討與分析更多潛在因素及其對(duì)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)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(yùn)量滿足需求，不等式左邊表示運(yùn)往目的港的運(yùn)量，包括直達(dá)、中轉(zhuǎn)、減載等三種方式的運(yùn)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(jìn)出港船舶滿足港口接卸能力，不等式左邊表示進(jìn)出港船舶總運(yùn)量，右邊表示港口年設(shè)計(jì)通過能力.

(5)

(6)

式(5)～(6)為進(jìn)出轉(zhuǎn)運(yùn)港貨量相等，等式左邊表示運(yùn)進(jìn)i，j港的貨量，右邊表示運(yùn)出i、j港的貨量.

(7)

(8)

式(7)～(8)為轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)進(jìn)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(jì)算方式如下.

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)例背景及相關(guān)數(shù)據(jù)

本文以長江下游鐵礦石散貨運(yùn)輸為例，設(shè)起運(yùn)港為A1，A2，A3，目的港為B1，B2，B3，所需運(yùn)往終點(diǎn)港鐵礦石貨量為：始發(fā)港A1運(yùn)往目的港B1，B2和B3鐵礦石年運(yùn)輸量分別為800萬，500萬和500萬t，始發(fā)港A2運(yùn)往目的港B1，B2和B3鐵礦石年運(yùn)輸量分別為700萬，600萬和300萬t，始發(fā)港A3運(yùn)往目的港B1，B2和B3鐵礦石年運(yùn)輸量分別為300萬，300萬和800萬t，年?duì)I運(yùn)天數(shù)為340 d.建立一個(gè)二級(jí)水運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，起運(yùn)港為A1，A2，A3，目的港為B1，B2，B3，一級(jí)中轉(zhuǎn)港為H1，H2，H3，H4的四個(gè)港口.港口相關(guān)數(shù)據(jù)見表1.

表1 各港口相關(guān)數(shù)據(jù)

各港口之間運(yùn)距見表2.

備選船型分為兩類，機(jī)動(dòng)船和機(jī)動(dòng)船船組.考慮到實(shí)際運(yùn)營效果，機(jī)動(dòng)船船組選取4 000 t機(jī)動(dòng)船拖帶兩個(gè)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(guān)數(shù)據(jù)見表3.

表2 各港口之間運(yùn)距 n mile

表3 備選船型相關(guān)數(shù)據(jù)

始發(fā)港到中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)資料，確定燃油價(jià)格為重油4 900元/t，輕油7 457元/t；主機(jī)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(jù)《IMO GHG Study of 2009》對(duì)船舶航行燃料消耗碳轉(zhuǎn)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(guān)數(shù)據(jù)代入考慮低碳成本的內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型，運(yùn)用LINGO軟件編程求解，具體求解結(jié)果見表4.

從上述求解結(jié)果可知，綜合運(yùn)輸成本最低為58 6216.9萬元，低碳成本為14 745.3萬元.最優(yōu)運(yùn)輸方式為直達(dá)與減載、中轉(zhuǎn)運(yùn)輸相結(jié)合.考慮到各中轉(zhuǎn)港的裝卸效率、港口相關(guān)費(fèi)用、港口設(shè)計(jì)通過能力以及距始發(fā)港和目的港的距離等因素，最終求解結(jié)果表明該航線網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)港為H2和H4.依據(jù)各港口供需貨量，綜合考慮船舶的經(jīng)濟(jì)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(shù)量的船舶，如始發(fā)港A1到目的港B1直達(dá)運(yùn)輸需配備M1型船舶七艘，M5型船舶兩艘.最優(yōu)航線網(wǎng)絡(luò)圖見圖2.

表4 LINGO具體求解結(jié)果

注：()內(nèi)數(shù)字為船舶數(shù)/艘圖2 最優(yōu)航線網(wǎng)絡(luò)

3 結(jié) 束 語

隨著航運(yùn)業(yè)的高速發(fā)展，水運(yùn)碳、硫排放污染問題已經(jīng)遠(yuǎn)超出人們的預(yù)估，因此在內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，除航線設(shè)計(jì)和配船，降低運(yùn)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(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型同時(shí)解決這三方面問題.結(jié)合起運(yùn)港A1，A2，A3到目的港B1，B2，B3鐵礦石水路運(yùn)輸算例，運(yùn)用該模型通過LINGO軟件進(jìn)行求解，從而對(duì)該航段鐵礦石水運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)布局進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色運(yùn)輸，降低碳、硫排放，最優(yōu)運(yùn)輸方式為減載中轉(zhuǎn)與直達(dá)相結(jié)合，證明了該模型在內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的有效性和可行性.隨著碳稅、硫稅的加大，碳成本在運(yùn)輸中所占比重也將增大，因此，如何合理優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局至關(guān)重要.本文提出的考慮低碳成本的內(nèi)河散貨運(yùn)輸航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型對(duì)于水運(yùn)航線網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化以及降低水運(yùn)環(huán)境污染具有重要的理論價(jià)值，可為散貨水運(yùn)運(yùn)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(lǐng)域?yàn)楝F(xiàn)代物流與航運(yùn)