低碳經(jīng)濟(jì)背景下中日韓郵輪航線設(shè)計(jì)

閔德權(quán) 劉圣坤

【摘 要】 為促進(jìn)我國(guó)郵輪旅游產(chǎn)業(yè)綠色健康發(fā)展，選擇上海郵輪母港作為出發(fā)港，將日本10個(gè)城市的港口作為備選掛靠港，使用TOPSIS-熵權(quán)法對(duì)航線的競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)行評(píng)估;對(duì)郵輪的航行速度設(shè)定一個(gè)變化區(qū)間，以郵輪航線所掛靠港口的競(jìng)爭(zhēng)力最大和單航次碳排放量最少為目標(biāo)，建立雙目標(biāo)規(guī)劃模型并使用LINGO軟件進(jìn)行求解，最終求得滿足約束條件的最優(yōu)航線及郵輪航速。

【關(guān)鍵詞】 郵輪航線;TOPSIS-熵權(quán)法;航速優(yōu)化

0 引 言

隨著我國(guó)人民生活質(zhì)量的不斷提高，旅游已經(jīng)成為人們休閑的主要方式，郵輪旅游業(yè)也越來(lái)越受到國(guó)家的重視。2018年，《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)全域旅游發(fā)展的指導(dǎo)意見》提到：“推動(dòng)旅游與交通、環(huán)保、國(guó)土、海洋、氣象融合發(fā)展。加快建設(shè)自駕車房車旅游營(yíng)地，推廣精品自駕游線路，打造旅游風(fēng)景道和鐵路遺產(chǎn)、大型交通工程等特色交通旅游產(chǎn)品，積極發(fā)展郵輪游艇旅游、低空旅游。”2021年，《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》明確要求：打造綠色物流，推廣綠色低碳運(yùn)輸工具，加大推廣綠色船舶示范應(yīng)用力度等;深化綠色“一帶一路”合作，拓寬節(jié)能環(huán)保、清潔能源等領(lǐng)域技術(shù)裝備和服務(wù)合作。

近年來(lái)，碳排放引起的全球變暖問(wèn)題受到高度重視，是國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，無(wú)論是地區(qū)還是行業(yè)都應(yīng)以低碳經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，使降低碳排放量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展同步進(jìn)行。有關(guān)學(xué)者也對(duì)碳排放問(wèn)題作出研究：許歡等[1]將船舶航速作為決策變量引入傳統(tǒng)的航線配船模型中，并且將船隊(duì)的CO2排放量作為優(yōu)化目標(biāo)之一，建立船隊(duì)利潤(rùn)最大與碳排放量最小兩個(gè)目標(biāo)最優(yōu)的雙目標(biāo)航線配船模型;李碧英[2]在分析國(guó)內(nèi)外航運(yùn)業(yè)能耗及碳排放現(xiàn)狀后，從管理、技術(shù)、政策、營(yíng)運(yùn)等方面提出了航運(yùn)業(yè)低碳發(fā)展的途徑;張雪[3]歸納了船舶碳排放評(píng)價(jià)方法，提出了3種溫室氣體排放計(jì)量方法、手冊(cè)和船舶載質(zhì)量計(jì)算法，建立了評(píng)價(jià)船舶溫室氣體排放的模型;呂靖等[4]選擇了3條代表性班輪航線，將船型選擇、船舶數(shù)量及航速作為決策變量，建立集裝箱班輪船隊(duì)總營(yíng)運(yùn)成本與碳排放成本之和最小的非線性規(guī)劃模型，并證實(shí)了該模型的有效性;鎮(zhèn)璐等[5]提出了一個(gè)有到港時(shí)間限制的郵輪航線和速度優(yōu)化模型，優(yōu)化船舶在ECA內(nèi)外的航線及速度，以最小化總?cè)加统杀?，并引用西北大西洋沿岸一條代表性的郵輪航線，通過(guò)計(jì)算決策出合理的航行方案，并評(píng)估ECA對(duì)航運(yùn)的影響，證明了模型的有效性和實(shí)用性。

本文在不考慮ECA的前提下，以在郵輪單航次中碳排放量最少和航線競(jìng)爭(zhēng)力最大為目標(biāo)，對(duì)中日韓郵輪航線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用熵權(quán)法及TOPSIS法對(duì)掛靠港口的競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)行計(jì)算，并使用LINGO軟件對(duì)該模型進(jìn)行求解。

1 郵輪港口掛靠綜合評(píng)價(jià)

1.1 港口評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文將港口城市的自然條件、碼頭環(huán)境與運(yùn)營(yíng)情況和港口城市旅游業(yè)發(fā)展水平作為3個(gè)一級(jí)指標(biāo)，下設(shè)12個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為港口評(píng)價(jià)的依據(jù)。選取日本的12個(gè)城市作為備選掛靠港，以上海郵輪母港作為出發(fā)港，10個(gè)港口的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

1.1.1 熵權(quán)法

根據(jù)信息熵的定義，可以用熵值來(lái)判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度，其熵值越小，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響（即權(quán)重）就越大;如果某項(xiàng)指標(biāo)的值全部相等，則該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中不起作用。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化處理

首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即根據(jù)指標(biāo)體系的要求對(duì)冗余數(shù)據(jù)及異常數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理，得到初始數(shù)據(jù)矩陣。

假設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象、n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)成評(píng)價(jià)系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)矩陣，其中Aij? （i=1，2，…，m;? j=1，2，…，n）表示第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，若歸一化后為 ，有如下兩個(gè)公式：

式中：max （Aj）是第j個(gè)指標(biāo)的最大值;min（Aj）是第j個(gè)指標(biāo)的最小值。若指標(biāo)為正向指標(biāo)，則選用式（1）;若指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)，則選用式（2）。

本文有10個(gè)待評(píng)價(jià)港口、12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中C12為負(fù)向指標(biāo)，其余為正向指標(biāo)。用式（1）、式（2）對(duì)初始矩陣作標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣。

（2）計(jì)算指標(biāo)的熵和權(quán)值

計(jì)算第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)指標(biāo)的比重 ：

計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的信息熵：

其中0≤≤1。

計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重wj：

根據(jù)式（3）、式（4）、式（5）求得12個(gè)指標(biāo)的權(quán)重（見表2）。

1.1.2 TOPSIS法

TOPSIS法是通過(guò)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)解、最劣解的距離來(lái)進(jìn)行排序，若評(píng)價(jià)對(duì)象靠近最優(yōu)解同時(shí)又遠(yuǎn)離最劣解，則為最好，否則為最差。TOPSIS法的具體算法如下：

（1）原始矩陣正向化

在TOPSIS法中常見的4種指標(biāo)見表3。

TOPSIS法就是要將所有指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一正向化，即統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)。那么，需要將極小型、中間型及區(qū)間型等指標(biāo)轉(zhuǎn)化為極大型指標(biāo)。本文評(píng)價(jià)指標(biāo)只有極大型指標(biāo)和極小型指標(biāo)，因此只需要對(duì)極小型指標(biāo)進(jìn)行處理。

極小型指標(biāo)的處理有兩種方法：常見的方法是用足夠大的數(shù)值減去極小型指標(biāo)的數(shù)值，即max-a;另一種方法是，若指標(biāo)數(shù)值均為正數(shù)，那么也可使用，經(jīng)過(guò)處理后的指標(biāo)即為正向化指標(biāo)。

（2）正向矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

通過(guò)bij=對(duì)正向矩陣作標(biāo)準(zhǔn)化處理求得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B=（bij）m譶。

（3）確定正理想解和負(fù)理想解

定義正理想解= bij，xj為效益型屬性;

定義負(fù)理想解= bij，xj為成本型屬性。

（4）計(jì)算各港口的評(píng)價(jià)指標(biāo)值

計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象到正理想解的距離與到負(fù)理想解的距離。需要注意的是，在TOPSIS軟件中默認(rèn)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重相同，但在實(shí)際的評(píng)價(jià)中指標(biāo)都是有各自的權(quán)重，因此應(yīng)用權(quán)重對(duì)公式進(jìn)行修正后得到、：

計(jì)算各港口的評(píng)價(jià)指標(biāo)值 。

由以上公式得到各港口的評(píng)價(jià)指標(biāo)值，即競(jìng)爭(zhēng)力。由于上海港為出發(fā)港、釜山港為必靠港，為排除這兩港口城市的影響，港口競(jìng)爭(zhēng)力設(shè)為0。12個(gè)掛靠港的競(jìng)爭(zhēng)力見表4。

2 郵輪航線優(yōu)化模型

2.1 假設(shè)條件

（1）將郵輪從上海郵輪母港出發(fā)到再次抵達(dá)上海港這一行程作為一個(gè)航次，且在上海港的?？繒r(shí)間為0。

（2）各掛靠港只能掛靠一次。

（3）郵輪的航行速度范圍為15～21 kn。

（4）掛靠港口的停留時(shí)間與港口競(jìng)爭(zhēng)力數(shù)值有關(guān)。

（5）郵輪每航次的碳排放量只考慮在海上航行過(guò)程中因使用燃油所產(chǎn)生的碳排放。

（6）郵輪在航次過(guò)程中必須?？扛礁邸?/p>

（7）因?yàn)樯虾｀]輪母港和釜山港必須?？?，所以將兩個(gè)港口的競(jìng)爭(zhēng)力設(shè)為0，且郵輪在釜山港的停留時(shí)間設(shè)為10 h。

（8）由于日本各港口之間存在距離過(guò)短的情況，為保證乘客在郵輪上有足夠的休息和娛樂(lè)時(shí)間，不允許郵輪在港口之間距離低于400 n mile的航段航行。

（9）本文不考慮現(xiàn)存中日韓郵輪航線的影響。

2.2 航速與燃油消耗量及碳排放量的關(guān)系

2.2.1 郵輪每航次的燃油消耗量

在船舶的燃油消耗中，主機(jī)燃油消耗約占87%，副機(jī)燃油消耗約占11%，剩下的則為鍋爐燃油消耗，因此可以將船舶主機(jī)和副機(jī)的燃油消耗近似地作為船舶的全部燃油消耗。[6]主機(jī)燃油消耗與航速相關(guān)，副機(jī)和鍋爐等燃油消耗則與航速無(wú)關(guān)。

主機(jī)油耗為

式中：G1為主機(jī)每小時(shí)燃油消耗量，kg/h;u為船舶機(jī)能系數(shù)，是一個(gè)常數(shù);k為主機(jī)的燃油消耗率，g/（kW穐）; v為船舶航行速度，kn。

因?yàn)楦睓C(jī)燃油消耗G2與航速無(wú)關(guān)，所以將副機(jī)燃油消耗量看作主機(jī)燃油消耗的1/8，因此每航次燃油消耗G為

式中：t為航行時(shí)間，t= （S為該航次的航行距離），因此式（10）可表示為

燃油消耗率k取值170 g/（kW穐）。

2.2.2 單航次排放量

航運(yùn)的排放量受一定時(shí)間內(nèi)船舶燃油消耗量和碳排放因子的影響，本文采用的碳排放因子為3.17，即1 t船用燃油排放3.17 t的CO2，因此船舶碳排放量為

2.3 模型相關(guān)參數(shù)說(shuō)明

Z為所有港口的集合，Z={1，2，…，n};V為郵輪航行速度的集合，vij為從港口i至港口j的航行速度，vij∈V，V={15，16，…，21};Sij為港口i到港口j之間的航行距離;tij為從港口i航行至港口j所用的時(shí)間，且tij=;wi為港口的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，競(jìng)爭(zhēng)力越大所停留的時(shí)間越長(zhǎng);ti為郵輪在港口i的停留時(shí)間，該時(shí)間與港口的綜合競(jìng)爭(zhēng)力有關(guān);xij為郵輪是否從i港航行至j港，若是則為1，否則為0。

2.4 構(gòu)建模型

構(gòu)建雙目標(biāo)航線優(yōu)化模型，該模型的目標(biāo)函數(shù)分別為郵輪單航次航線競(jìng)爭(zhēng)力最大和航次碳排放量最少。

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

式中：i， j∈Z; i≠j; yi，yj≥0; xij∈{0，1}; vij∈V。

式（13）表示郵輪航線的競(jìng)爭(zhēng)力最大;式（14）表示每航次的碳排放量最少;式（15）表示該航線為單向環(huán)形航線;式（16）表示該航線之間不含子巡回航線，即不存在脫離主航線的其余航線;式（17）表示必定掛靠釜山港以形成中日韓航線;式（18）規(guī)定了每航次要在限定時(shí)間內(nèi)完成。

3 計(jì)算結(jié)果

各港口的?？繒r(shí)間由各自的綜合競(jìng)爭(zhēng)力決定，因?yàn)樯虾８鄄挥?jì)入掛靠港，所以掛靠時(shí)間為0，并設(shè)定釜山港掛靠時(shí)間為10 h，各港口停留時(shí)間見表5。

郵輪運(yùn)營(yíng)最主要的目標(biāo)還是盈利，因此航線競(jìng)爭(zhēng)力應(yīng)盡可能地大，以便吸引更多游客。對(duì)上述兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)賦予權(quán)重，航線競(jìng)爭(zhēng)力與碳排放量?jī)蓚€(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重比為2∶1，另設(shè)船舶機(jī)能系數(shù)u=1。運(yùn)用LINGO軟件對(duì)該模型進(jìn)行求解，計(jì)算結(jié)果見表6。

由表6可以看出：

（1） 7～8 d的最大航線競(jìng)爭(zhēng)力為4.8，選用的航速為21 kn，但其碳排放較高，為769 t;最小碳排放量為460 t，選用的航速為15 kn，但其航線競(jìng)爭(zhēng)力較低，僅為4.62?？梢姡x用固定航速雖然在某一方面可以達(dá)到令人滿意的結(jié)果，但在其他方面卻遠(yuǎn)低于預(yù)期。因此，在設(shè)定航速范圍后，運(yùn)用LINGO軟件計(jì)算得到航速為17.2 kn時(shí)其航線競(jìng)爭(zhēng)力和單航次碳排放量分別為4.66和473 t，均能達(dá)到較為滿意的結(jié)果，其航線為：上海―釜山―東京―福岡―那霸―上海。

（2） 9～10 d的最大航線競(jìng)爭(zhēng)力為4.57，選用的航速為18 kn，但其碳排放量較高，為636 t;最小碳排放量為382 t，選用的航速為15 kn，但其航線競(jìng)爭(zhēng)力過(guò)低，僅為3.79。運(yùn)用LINGO軟件計(jì)算得到航速為15.9 kn時(shí)其航線競(jìng)爭(zhēng)力和單航次碳排放量分別為4.3和475 t，均能達(dá)到令人滿意的結(jié)果，其航線為：上海―長(zhǎng)崎―那霸―福岡―東京―釜山―上海。

4 結(jié) 語(yǔ)

在環(huán)境問(wèn)題日益受到關(guān)注的今天，郵輪公司不僅要考慮自身的利益，還要注意保護(hù)環(huán)境，減少碳排放。本文以郵輪航線競(jìng)爭(zhēng)力最大和航次碳排放量最少為目標(biāo)建立非線性模型，對(duì)“到達(dá)時(shí)間”和“掛靠港選擇”進(jìn)行約束，并運(yùn)用LINGO軟件對(duì)實(shí)例進(jìn)行論證，最終得到航線競(jìng)爭(zhēng)力足夠大及單航次碳排放量足夠低的航線。此外，因?yàn)猷]輪的碳排放量與燃油量是正向關(guān)系，因此碳排放量的減少還可以減少燃油的消耗，降低成本，達(dá)到雙贏的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許歡，劉偉，張爽.低碳經(jīng)濟(jì)下船舶航行速度選擇[J].中國(guó)航海，2012（2）：98-101.

[2] 李碧英.航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排現(xiàn)狀及其低碳發(fā)展的途徑[J].工程研究，2012（3）：260-269.

[3] 張雪. 船舶大氣污染物評(píng)價(jià)方法研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[4] 呂靖，毛鶴達(dá).硫排放控制區(qū)和碳排放限制下的班輪航線配船模型[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（1）：101-105.

[5] 鎮(zhèn)璐，孫曉凡，王帥安. 排放控制區(qū)限制下郵輪航線及速度優(yōu)化[J]. 運(yùn)籌與管理，2019（3）：31-38.

[6] 薛穎霞，邵俊崗.低碳經(jīng)濟(jì)背景下班輪航線配船[J].中國(guó)航海，2014（4）：115-119.