資源池組合運(yùn)輸模式下的LNG海上運(yùn)輸航線配船研究

謝新連，牛東翔,2，趙瑞嘉，黃 帥

(1. 大連海事大學(xué) 綜合運(yùn)輸研究所，遼寧 大連 116026； 2. 廣東大鵬液化天然氣有限公司，廣東 深圳 518048)

0 引 言

天然氣作為一次能源的新生力量，因其高效、清潔的特性得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。隨著我國進(jìn)口LNG貿(mào)易量的日益增大，LNG進(jìn)口企業(yè)意識(shí)到運(yùn)輸環(huán)節(jié)具有重要的戰(zhàn)略意義，開始與賣方簽訂FOB交付模式(即由買方負(fù)責(zé)組織運(yùn)輸?shù)慕桓赌Ｊ?的長期購銷協(xié)議[2]。

“照付不議”和“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸”是LNG海上運(yùn)輸貿(mào)易的兩大特點(diǎn)?！罢崭恫蛔h”是將LNG的生產(chǎn)、海上運(yùn)輸、銷售與用戶捆綁在一起，買賣雙方共同承擔(dān)LNG供應(yīng)鏈中的風(fēng)險(xiǎn)。為化解“照付不議”的風(fēng)險(xiǎn)，提高貿(mào)易與運(yùn)輸?shù)撵`活性，市場上出現(xiàn)了賣方采取LNG資源池銷售策略的貿(mào)易方式[3]。在傳統(tǒng)的LNG長協(xié)議中，賣方通常依賴于單一固定的LNG來源供貨；而資源池供貨則可不依賴于單一的天然氣田和液化設(shè)施，賣家能從多個(gè)貨源地進(jìn)行供貨，買家也不對(duì)貨源地進(jìn)行限制。以此為基礎(chǔ)，該策略可進(jìn)一步拓展為買賣雙方資源池策略，即賣方可以從多個(gè)資源供應(yīng)地組織貨源供應(yīng)給買方，甚至可以通過LNG現(xiàn)貨市場采購進(jìn)行供貨；買方可以從多個(gè)接收地接收貨物，賣方也不對(duì)接收地進(jìn)行限制，由此形成了全部裝貨港組成的上游資源池與全部卸貨港組成的下游接收池之間的多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的資源池組合運(yùn)輸模式。

航線配船問題是一項(xiàng)復(fù)雜的優(yōu)化決策研究。其目的是用于解決航運(yùn)企業(yè)將各類型船舶合理地配置到不同航線上，以期獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的方案[4]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)航線配船做了大量的研究，E.E.HALVORSEN-WEARE等[5]通過建立期租方式下的航線配船模型，解決了海洋供應(yīng)船裝備計(jì)劃優(yōu)化的問題；WANG Xin等[6]通過租入/出船舶達(dá)到改變船隊(duì)規(guī)模的情況下，建立了不定期船的航線配船模型，解決了船隊(duì)的租船方案與運(yùn)輸計(jì)劃優(yōu)化問題；吳暖等[7]以貨物時(shí)間價(jià)值損失最小和營運(yùn)成本最低為目標(biāo)，建立了集裝箱班輪航線配船的多目標(biāo)優(yōu)化模型；包甜甜等[8]綜合考慮船隊(duì)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，建立了經(jīng)濟(jì)、環(huán)保雙目標(biāo)的班輪航線配船優(yōu)化模型；李佳等[9]以船舶公司航線運(yùn)營利潤最大化、運(yùn)力浪費(fèi)最小化為目標(biāo)，建立了雙目標(biāo)航線配船模型，并通過遺傳算法進(jìn)行了求解?，F(xiàn)有研究多是針對(duì)不定期船舶、集裝箱班輪等的航線配船問題，對(duì)LNG海上運(yùn)輸?shù)暮骄€配船分析還比較少。

在LNG海上運(yùn)輸研究方面，T.BIOBAKU等[10]采用風(fēng)險(xiǎn)分析法評(píng)估了LNG航線選擇的問題；H.ANDERSSON等[11-13]分別從LNG供應(yīng)商和運(yùn)輸企業(yè)角度分析了LNG運(yùn)輸計(jì)劃與庫存管理的問題，并建立了供應(yīng)商角度下的LNG庫存和運(yùn)輸調(diào)度模型，解決了LNG交付計(jì)劃的優(yōu)化問題；黃濤[14]建立了基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的LNG航線選擇及配船模型，并通過遺傳算法進(jìn)行求解，但其航線配船只考慮了滿足運(yùn)量約束情況，未考慮實(shí)際運(yùn)營中航次數(shù)與配船數(shù)的關(guān)系。這些學(xué)者僅從賣方角度分析了LNG運(yùn)輸選線或調(diào)度問題，較少從買方角度展開研究。

筆者從買方角度出發(fā)，通過建立傳統(tǒng)貿(mào)易模式和資源池組合運(yùn)輸模式的LNG海上運(yùn)輸航線配船模型，優(yōu)化了進(jìn)口LNG航線配船運(yùn)輸計(jì)劃問題，降低了企業(yè)進(jìn)口LNG的運(yùn)輸成本，并在一定程度上提高了貿(mào)易和運(yùn)輸?shù)撵`活性。

1 LNG航線配船模型

1.1 問題描述

在進(jìn)口LNG貿(mào)易的年度貨物交付計(jì)劃中，裝貨港的供給量與卸貨港的需求量及LNG價(jià)格都是比較穩(wěn)定的，LNG船舶嚴(yán)格按照運(yùn)輸計(jì)劃組織運(yùn)輸，該計(jì)劃一旦制定，若沒有特殊情況不會(huì)有較大變動(dòng)。在滿足年度貨運(yùn)供需要求前提下，需要制定LNG進(jìn)口企業(yè)運(yùn)輸成本最小的最佳航線配船方案。傳統(tǒng)貿(mào)易模式與資源池組合運(yùn)輸模式下的LNG航線配船方式見圖1。

圖1 LNG海上運(yùn)輸航線配船模式Fig. 1 Ship allocation mode for LNG maritime transport

在建立數(shù)學(xué)模型前，筆者進(jìn)行如下假設(shè)：

1)LNG進(jìn)口企業(yè)采取期租的方式從市場上租入船舶進(jìn)行運(yùn)輸；

2)以簡單航次形式運(yùn)輸LNG，即船舶去程空載，回程滿載，僅留少量底角用于燃料及貨艙保冷，各船均以經(jīng)濟(jì)航速航行；

3)同一船型的船舶在相同航線上的在港時(shí)間、載貨能力和航次成本均相同。

1.2 傳統(tǒng)貿(mào)易模式下的LNG航線配船模型

傳統(tǒng)貿(mào)易模式下，LNG進(jìn)口通常由若干條固定航線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸。針對(duì)這一特點(diǎn)，筆者結(jié)合大宗工業(yè)物資運(yùn)輸[15]和班輪運(yùn)輸航線配船的建模方法，建立了傳統(tǒng)貿(mào)易模式下的LNG海上運(yùn)輸航線配船模型，記為A1。

(1)

(5)

?k=1,2,…,K, ?h=1,2,…,H

(6)

yk≤Nk,?k=1,2,…,K

(7)

xhk,yk≥0且為整數(shù)

(8)

式(1)為目標(biāo)函數(shù)，表示該公司的運(yùn)輸成本最小，運(yùn)輸成本由航次總成本和租船總成本構(gòu)成；式(2)、式(3)分別表示各航線上實(shí)際完成的運(yùn)輸量，需要滿足供給量與需求量的約束；式(4)表示各航線上完成的航次數(shù)，航次數(shù)應(yīng)不低于LNG終端用戶使用計(jì)劃要求的最小運(yùn)輸次數(shù)；式(5)為各型船營運(yùn)時(shí)間的約束；式(6)為航次時(shí)間的計(jì)算；式(7)為市場上可租入的各型船的數(shù)量約束；式(8)為變量約束。

1.3 資源池組合運(yùn)輸模式下的LNG航線配船模型

LNG進(jìn)口企業(yè)采用資源池策略簽訂購銷協(xié)議，由全部裝貨港組成上游資源池，全部卸貨港組成下游接收池，由此形成了多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的資源池組合運(yùn)輸模式。筆者在A1基礎(chǔ)上引入該運(yùn)輸模式，建立資源池組合運(yùn)輸模式下的LNG海上運(yùn)輸航線配船模型，記為A2。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

?k=1,2,…,K,?i∈I,?j∈J

(14)

yk≤Nk, ?k=1,2,…,K

(15)

(16)

式(9)為目標(biāo)函數(shù)，表示資源池組合運(yùn)輸模式下該公司的運(yùn)輸成本最小，運(yùn)輸成本由航次總成本和租船總成本構(gòu)成；式(10)表示各型船在上游資源池中裝貨港i的裝貨量不能超過該港的供給量；式(11)表示各型船在下游接收池中卸貨港j的卸貨量不能低于該港的需求量；式(12)表示各型船在下游接收池中卸貨港j的卸貨次數(shù)不低于LNG終端用戶計(jì)劃要求的最小卸貨次數(shù)；式(13)為各型船營運(yùn)時(shí)間的約束；式(14)為航次時(shí)間的計(jì)算；式(15)為市場上可租入的各型船的數(shù)量約束；式(16)為變量約束。

A1和A2均為混合整數(shù)線性模型，可通過線性優(yōu)化軟件編程求解。

2 算例分析

某LNG進(jìn)口企業(yè)與賣方簽訂了FOB交付模式的長期LNG購銷協(xié)議，分別在3條航線上(3條航線分別記為LⅠ、LⅡ、LⅢ)組織LNG的進(jìn)口運(yùn)輸。各航線供給充足，需完成的運(yùn)輸量分別為380×104、260×104、300×104t；LNG終端用戶計(jì)劃要求各卸貨港最小卸貨次數(shù)分別為48、36、42次。該公司采用期租方式從市場上租船進(jìn)行運(yùn)輸，市場上可租用的船型信息見表1。若該公司與賣方約定采用資源池組合運(yùn)輸模式進(jìn)口LNG，將3個(gè)裝貨港作為上游資源池，3個(gè)卸貨港作為下游接收池，則資源池組合運(yùn)輸模式下存在可行航線的航次時(shí)間及航次成本信息見表2。

表1 市場上可租用的船型信息Table 1 Type of ship available for charter on the market

表2 各航線的航次時(shí)間及航次成本Table 2 Voyage time and cost of each route

模型A1和A2的運(yùn)輸成本分別為2.38、2.19億美元，A2的運(yùn)輸成本較A1降低8.2%。相應(yīng)的兩種進(jìn)口LNG航線配船運(yùn)輸計(jì)劃如表3。

表3 A1和A2的租船方案及各航線運(yùn)輸航次數(shù)Table 3 Chartering plan of A1 and A2 and the number of transportation voyages of each route

從表3可看出：A1確定的租船方案為期租3艘a型船與2艘b型船；A2為期租3艘a型船與1艘c型船。A2租船數(shù)量比A1減少1艘，A1期租的5艘船并未充分利用，故應(yīng)考慮采用各船型實(shí)際運(yùn)營時(shí)間與年可運(yùn)營時(shí)間的比值作為衡量各租入船型的使用效率，記為船舶平均使用率。

當(dāng)航速為18 kn時(shí)，A2下3艘a型船和1艘c型船的船舶平均使用率分別為99%、99%；A1下3艘a型船和2艘b型船的船舶平均使用率分別為80%、98%，a型船存在一定程度的運(yùn)力富余。故可以采取減速航行的策略以保證期租船舶運(yùn)輸能力的同時(shí)降低成本。圖2分析了不同航速下的運(yùn)輸成本變化情況；圖3分析了航速調(diào)整下租船方案變化情況及各船型的船舶平均使用率。

圖2 航速調(diào)整下的運(yùn)輸成本變化情況Fig. 2 Change of transportation cost under speed adjustment

圖3 航速調(diào)整下的租船方案及各船型的船舶平均使用率Fig. 3 Chartering plan and average utilization rate of each vessel type under speed adjustment

在A1模型下，由圖2可看出：當(dāng)航速由18 kn降低至16 kn時(shí)，運(yùn)輸成本小幅度降低。由圖3(a)可知：若租船方案未發(fā)生變化，期租的3艘a型船的平均使用率由80%上升至99%，期租的2艘b型船出現(xiàn)小幅度波動(dòng)；當(dāng)航速由18 kn提升至19 kn時(shí)，運(yùn)輸成本較大幅度降低，這主要是與租船方案由期租3艘a型船和2艘b型船調(diào)整為期租3艘a型船與1艘c型船有關(guān)，在運(yùn)輸成本降低部分中，91.6%是由于租船方案調(diào)整導(dǎo)致的；當(dāng)航速由19 kn提升至20 kn時(shí)，運(yùn)輸成本出現(xiàn)一定幅度上升，租船方案的調(diào)整使得租船總成本產(chǎn)生一定幅度降低，但運(yùn)輸成本中航次總成本增長了15.6%，這主要是由于航速提升導(dǎo)致船舶燃油消耗率增加，從而增大了航次的燃油消耗量，最終導(dǎo)致航次成本增大。

在A2模型下，隨著航速由16 kn提升至20 kn，運(yùn)輸成本呈總體下降的趨勢；當(dāng)航速由17 kn降低至16 kn時(shí)，運(yùn)輸成本幾乎無變化，租船方案未發(fā)生變化，期租船舶中3艘a型船的平均使用率由82%上升至90%，這與在A1下航速由18 kn降低至16 kn時(shí)的規(guī)律相同；當(dāng)航速由17 kn提升至18 kn時(shí)，總成本大幅下降，租船方案發(fā)生調(diào)整，在運(yùn)輸成本的降低部分中，86.2%是由于租船方案調(diào)整導(dǎo)致的，此時(shí)各型船舶的平均使用率均接近100%；繼續(xù)提升航速，同樣能通過調(diào)整租船方案實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸成本的降低，但航次總成本會(huì)不斷增加。

在同一航速下，A2模型的總成本始終低于A1。從圖3可看出：A1下航速為20 kn時(shí)與A2下航速為19 kn時(shí)的租船方案相同，且各型船舶平均使用率均為99%左右，但A2下的總成本較A1低7.3%。由此可說明：相對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)輸模式，資源池組合運(yùn)輸模式下的進(jìn)口LNG航線配船運(yùn)輸計(jì)劃優(yōu)化方案能有利于降低運(yùn)輸成本。

3 結(jié) 語

筆者從LNG買方角度出發(fā)，分別建立了傳統(tǒng)貿(mào)易模式和資源池組合運(yùn)輸模式下的LNG海上運(yùn)輸航線配船模型，解決了LNG進(jìn)口企業(yè)通過期租船進(jìn)口LNG的航線配船運(yùn)輸計(jì)劃優(yōu)化問題。并以我國某LNG進(jìn)口企業(yè)簽訂的LNG購銷協(xié)議為例，驗(yàn)證了這兩種模式下的LNG海上運(yùn)輸航線配船模型的合理性，相對(duì)于傳統(tǒng)貿(mào)易模式，資源池組合運(yùn)輸模式下進(jìn)口LNG航線配船運(yùn)輸計(jì)劃優(yōu)化方案能較大程度降低運(yùn)輸成本。此外，通過航速調(diào)整策略分析了在不同航速下兩種模式的進(jìn)口LNG航線配船運(yùn)輸計(jì)劃優(yōu)化方案。