基于班輪運(yùn)輸特點(diǎn)的中歐間北極航線集裝箱運(yùn)輸?shù)目尚行匝芯?/h1>
2021-03-10 13:26:50劉成成楊忠振
中國航海 2021年3期
劉成成, 連 峰, 楊忠振
(寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院， 浙江 寧波 315211)
1 背景介紹
隨著北極海冰覆蓋范圍與厚度的銳減，北極北海航道(NSR)的通航條件不斷改善，商業(yè)航行潛力漸漸顯露。與蘇伊士航線(SCR)相比，經(jīng)NSR從上海港到鹿特丹港的航程可縮短40%，很顯然利用NSR可縮短亞歐之間船舶航程與貨物的運(yùn)輸時(shí)間，減少海運(yùn)成本。Li等[1]發(fā)現(xiàn)通過NSR的船舶年總載重噸(DWT)從2013年的395萬噸增加到2018年的2 461萬噸，2016年經(jīng)由NSR航行的船舶共297艘，同比增長35%。盡管NSR的船舶交通量日漸增加，但其中的集裝箱船到目前為止僅有兩艘。因此，有理由認(rèn)為利用NSR實(shí)施亞歐之間的集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)臅r(shí)機(jī)尚不成熟，NSR航運(yùn)難以滿足班輪運(yùn)輸?shù)男枨?。與公交類似班輪運(yùn)輸有固定的航線網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定的船隊(duì)和班期，各艘船舶的起終點(diǎn)首尾相接，重去重回。這使得集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)耐度?產(chǎn)出分析不同于不定期的散貨船運(yùn)輸，不能以單條船一票貨或一個(gè)航次作為決算單元。另外，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，洲際班輪運(yùn)輸多采用超大集裝箱船，班輪航線網(wǎng)絡(luò)越來越呈軸輻式，干線上使用的20000-TEU的超大型集裝箱船無法利用NSR北極航道，用離散選擇模型基于靜態(tài)運(yùn)輸成本計(jì)算亞歐之間的NSR和SCR的分擔(dān)率在理論上存在缺陷。
在上述背景下，本文考慮集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)與2020-2040年間NSR通航能力的變化，基于NSR與SCR設(shè)計(jì)亞歐之間班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化運(yùn)輸組織，通過比較不同的網(wǎng)絡(luò)方案的成本，揭示NSR在亞歐集裝箱班輪運(yùn)輸過程中的作用。
2 文獻(xiàn)綜述
目前，在氣候科學(xué)和海上運(yùn)輸領(lǐng)域，有越來越多的文獻(xiàn)預(yù)測(cè)21世紀(jì)北極航線的可用性，其中一部分學(xué)者預(yù)測(cè)和分析了冰層厚度的變化以及隨冰層厚度的變化NSR可能的通航情況。馬龍等[2]利用2006—2015年北極地區(qū)逐日海冰密集度數(shù)據(jù)，以2013年“永盛輪”首航NSR時(shí)所經(jīng)航線為例，基于航線冰情要素明確了7-10月份航線所經(jīng)水域的海冰密集度。Chai等[3]研究了NSR沿線年冰厚度和強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)海冰厚度、海冰強(qiáng)度等物理參數(shù)進(jìn)行了估算，為北極船舶及船舶的設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供信息。
另有部分學(xué)者從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度分析NSR的可行性，這部分研究多根據(jù)船舶成本、航行成本以及規(guī)模經(jīng)濟(jì)等確定兩條航線的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，然后針對(duì)各種貨物運(yùn)輸根據(jù)經(jīng)濟(jì)或經(jīng)濟(jì)+環(huán)境利益的多寡來分析NSR的可行性。Lee & Song[4]等發(fā)現(xiàn)從距離和時(shí)間上看NSR具有經(jīng)濟(jì)性，但俄羅斯征收昂貴的通行費(fèi)也是不容忽視的。張愛峰等[5]以AFRAMAX型油輪為母型船，比較利用NSR和SCR在亞歐之間運(yùn)輸原油的經(jīng)濟(jì)性，證明海冰會(huì)降低船舶的裝載量，增加營運(yùn)成本。夏一平等[6]發(fā)現(xiàn)在需要破冰服務(wù)時(shí)，NSR比SCR節(jié)省15%的燃油費(fèi)，但船舶租金和通行費(fèi)分別增加36.5%和12.4%。Wang等[7]以航運(yùn)公司利益最大化為目標(biāo)，基于廣義納什均衡模型分別計(jì)算NRS和SCR的集裝箱流量，發(fā)現(xiàn)隨NSR通航天數(shù)增加通過NSR運(yùn)輸?shù)臅?huì)獲得更多的利潤。錢作琴等[8]分析了NSR的地理環(huán)境特點(diǎn)，確定了一條多季節(jié)航行的NSR航線與適航船舶選型，比較各季節(jié)上海港-歐洲各港單航次使用NSR和SCR的經(jīng)濟(jì)性。Liu等[9]基于設(shè)定通航時(shí)間、通行收費(fèi)與燃料價(jià)格組合腳本，比較使用4 300TEU的集裝箱船通過NSR與SCR運(yùn)輸時(shí)的年?duì)I業(yè)利潤，明確了NSR與SCR的競(jìng)爭(zhēng)條件。Verny & Grigentin[10]研究了上海-漢堡的集裝箱運(yùn)輸問題，發(fā)現(xiàn)通過SCR仍然是最經(jīng)濟(jì)的，但NSR和西伯利亞鐵路不失為替代方案。
上述研究針對(duì)單一通道只考慮單航線的單航次成本與利潤，得到的結(jié)果對(duì)散貨運(yùn)輸有意義，對(duì)于需要長期擁有船隊(duì)定點(diǎn)定線定期運(yùn)營的班輪運(yùn)輸是不準(zhǔn)確和全面的，針對(duì)班輪的研究場(chǎng)景設(shè)定不符合現(xiàn)實(shí)，因此結(jié)論具有片面性。另外，他們都假設(shè)班輪公司使用一種船型，如：分別基于4 000TEU、8 000TEU或16 000TEU的船舶實(shí)施通過NSR和SCR的運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用和收益分析，忽略了NSR通行不了4 000TEU以上船舶的事實(shí)，結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。
目前有關(guān)班輪航線優(yōu)化的研究已相當(dāng)成熟，但有關(guān)NSR的研究很少基于班輪運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和亞歐多港口之間的集裝箱OD流量優(yōu)化航線網(wǎng)絡(luò)。Xu等[11]考慮NSR海冰的動(dòng)態(tài)變化對(duì)通航能力和通行費(fèi)用的影響，提出NSR/SCR組合的集裝箱運(yùn)輸航線，但并沒有考慮班輪公司的經(jīng)營行為。Verny & Grigentiny[10]是目前看到的唯一的基于航線設(shè)計(jì)和NSR未來通航能力的研究，但他們也假設(shè)班輪公司只采用一種運(yùn)輸方式(即大船走SCR、小船走NSR)，沒有考慮海冰限制使得NSR只能季節(jié)性通航的問題。
為實(shí)施長期的全年不間斷運(yùn)輸，班輪公司需權(quán)衡是用1個(gè)船隊(duì)(適合NSR)還是2個(gè)船隊(duì)(分別適合NSR和SCR)實(shí)施亞歐之間的集裝箱運(yùn)輸，因此需要設(shè)定與之對(duì)應(yīng)的研究場(chǎng)景，以保證有關(guān)NSR班輪運(yùn)輸研究的有效性。本研究從班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的角度，基于班輪公司的經(jīng)營行為以20年為時(shí)間單元分析中歐之間集裝箱運(yùn)輸使用NSR的可能性，比較中歐之間的集裝箱利用NSR和SCR的成本，避免基于單時(shí)間節(jié)點(diǎn)分析通道運(yùn)輸成本無法反應(yīng)船舶前后航次之間關(guān)系以及船舶資產(chǎn)成本連續(xù)發(fā)生的問題。
3 模型構(gòu)建
根據(jù)班輪運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和班輪公司的理性運(yùn)營行為(即：考慮班輪運(yùn)輸具有固定的航線網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定的船隊(duì)、1艘船舶各航次起終點(diǎn)首尾相接、重去重回的特性，以10-15年期間的總運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)進(jìn)行航線網(wǎng)絡(luò)和船舶配備決策)，以及利用NSR時(shí)最佳的船舶容量為4 000TEU，利用SCR時(shí)最佳的船舶容量為20 000TEU[4,8,10,11]的實(shí)際情況，我們認(rèn)為班輪公司在同時(shí)利用NSR和SCR運(yùn)輸中歐之間的貿(mào)易集裝箱時(shí)，最有可能的運(yùn)營方案是：1)保有1個(gè)4 000TEU的船隊(duì)(隨著冰蓋融化范圍的增加，后期可以考慮用5 000TEU的船替代4 000TEU船)，7-9月運(yùn)營NSR，10-6月運(yùn)營SCR；2)保有2個(gè)船隊(duì)(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，前者7-9月份運(yùn)營NSR，其他季節(jié)閑置封存，后者全年運(yùn)營SCR；3)保有2個(gè)船隊(duì)(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，前者7-9月份運(yùn)營NSR，其他季節(jié)船隊(duì)閑置封存，后者10-6月份運(yùn)營SCR，其他季節(jié)船隊(duì)閑置封存。4)保有2個(gè)船隊(duì)(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，基于二分法計(jì)算集裝箱OD流量在兩條航線的分擔(dān)率，2個(gè)船隊(duì)同時(shí)運(yùn)營：前者7-9月份運(yùn)營NSR，10-6月份運(yùn)營SCR，后者全年運(yùn)營SCR。4種方案的優(yōu)劣主要取決于其是否比目前的方案(BAU)更具經(jīng)濟(jì)性。為此，針對(duì)4種方案(1-3與BAU)計(jì)量運(yùn)輸成本。為計(jì)算集裝箱班輪的運(yùn)輸成本(船舶資產(chǎn)成本、船舶燃油成本、船舶人工成本、船舶港口使用費(fèi)和集裝箱裝卸費(fèi)等，需要在港口間集裝箱OD流量和運(yùn)輸船舶大小已知的情況下，建立軸輻式空重箱班輪運(yùn)輸航線優(yōu)化模型，以運(yùn)輸總成本最小為目標(biāo)確定航線方案、集裝箱裝卸方案及相應(yīng)的運(yùn)輸總成本。
3.1 模型的假設(shè)條件
①港口間的集裝箱運(yùn)輸需求均獲得服務(wù)；②空箱調(diào)運(yùn)滿足重箱運(yùn)輸需求；③船舶數(shù)量滿足航線運(yùn)營需求；④集裝箱航運(yùn)市場(chǎng)內(nèi)各港口的空重箱進(jìn)出總量守恒；⑤各港口間的航行距離和貨運(yùn)需求(空重箱運(yùn)量)已知；⑥各港口間的集裝箱運(yùn)價(jià)已知，且不變；⑦由于不考慮船舶的配積載等微觀作業(yè)問題，假設(shè)運(yùn)輸?shù)募b箱都是20英尺標(biāo)準(zhǔn)箱，不考慮集裝箱大小的差異；⑧由于國際班輪公司的自有船舶比例很高(馬士基、地中海、達(dá)飛等的自有船比例在65%左右，中遠(yuǎn)海集運(yùn)的自有船比例在50%左右，另外他們還都長租一部分船舶)，因此假設(shè)班輪公司在干線運(yùn)輸中使用自有(購買或長期租賃)的船舶；⑨支線運(yùn)輸由支線班輪公司負(fù)責(zé)，干線班輪公司按市場(chǎng)運(yùn)價(jià)向支線班輪公司支付費(fèi)用。
3.2 航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)表示
3.3 重箱OD流量表示
3.4 船舶相關(guān)參數(shù)與約束
(1)
(2)
(3)
(4)
3.5 運(yùn)營成本與決策目標(biāo)
班輪公司以周為單位優(yōu)化航線網(wǎng)絡(luò)的目的是要以最低的成本完成運(yùn)輸任務(wù)，決策的是掛靠港、掛靠順序、在各掛靠港裝卸的空重箱量以及干線航線所需配置的船舶數(shù)量。此時(shí)，決策的目標(biāo)函數(shù)如式(5)所示。
(5)
(6)
(7)
(8)
3.6 班輪航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型
在港口間OD集裝箱流量已知時(shí)，為最小化運(yùn)輸成本，班輪公司需確定合適的船舶數(shù)量、干線航線的掛靠港口和掛靠順序，該決策問題的優(yōu)化模型如下：
(9)
S.T.: 式(1)-(5)、(6)-(8)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
3.7 模型求解算法設(shè)計(jì)
上述模型是一個(gè)混合0-1規(guī)劃問題，本研究借鑒Shintani[12]等的思路，基于進(jìn)化算法框架，求解子模型，求解算法的框架流程如下所示。
求解流程
Step 0 給定一個(gè)船型
Step 1 初始化：
生成初始種群，每個(gè)個(gè)體代表一個(gè)航線方案Gs；
Step 2計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度值：
根據(jù)給定的船型，用CVX求解模型，優(yōu)化航線方案，發(fā)班頻率，并將此時(shí)的運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)營總成本作為評(píng)價(jià)Gs的適應(yīng)度函數(shù)。
Step 3判斷算法是否終止：
檢查個(gè)體適應(yīng)度最大值與平均值的差，是否小于預(yù)設(shè)參數(shù)μ，滿足則終止，否則執(zhí)行Step 4；
Step 4 執(zhí)行交叉，變異，選擇，并返回Step 2。
為縮小解空間，本文僅以航線網(wǎng)絡(luò)方案為優(yōu)化對(duì)象。此外，在設(shè)計(jì)算法時(shí)，采用Chen[13]等提出的航線網(wǎng)絡(luò)編碼方法、選擇算子、交叉算子以及變異算子等。
4 案例分析
4.1 所需數(shù)據(jù)
計(jì)算時(shí)把青島港、天津港、大連港、上海港、寧波港、深圳港、廣州港作為中國側(cè)的港口，把鹿特丹港、弗利克斯托港、勒阿弗爾港、安特衛(wèi)普港、漢堡港作為歐洲側(cè)的港口。港口間的集裝箱OD流量數(shù)據(jù)源自于中國海關(guān)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告、海事咨詢機(jī)構(gòu)及各港口的統(tǒng)計(jì)報(bào)告。蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)和北極航道破冰引航費(fèi)分別設(shè)為82萬美元和16美元/噸。計(jì)算所需的其他數(shù)據(jù)及船舶參數(shù)如表1、表2。
表1 計(jì)算所需數(shù)據(jù)
表2 船舶相關(guān)參數(shù)
4.2 結(jié)果分析
基于模型的求解結(jié)果，可計(jì)算得到2020—2040年期間各種情形下的各運(yùn)輸方案的指標(biāo)值(表3)，可以看出用兩個(gè)船隊(duì)分別運(yùn)營SNR和SCR時(shí)，20年內(nèi)方案1-方案4的運(yùn)輸成本在4 283-4 559億美元之間，只用一個(gè)船隊(duì)(4 000TEU/5 000TEU)運(yùn)營NSR時(shí)，運(yùn)輸成本為4 803億美元。不難看出，兩個(gè)船隊(duì)組合運(yùn)輸比單個(gè)船隊(duì)更具經(jīng)濟(jì)性。但是，在NSR被利用的情況下，一個(gè)船隊(duì)方案和兩個(gè)船隊(duì)方案的運(yùn)輸成本都比BAU的高。這說明由于NSR航線難以滿足班輪的運(yùn)輸要求，目前乃至未來較長的時(shí)期內(nèi)，通過NSR實(shí)施中歐間的集裝箱運(yùn)輸?shù)臅r(shí)機(jī)尚不成熟。
表3 各情形下中歐間集裝箱運(yùn)輸?shù)某杀?/p>
4.3 敏感度分析
班輪公司是否應(yīng)利用NSR而非SCR運(yùn)輸亞歐之間的集裝箱，理論上是由亞歐之間的集裝箱流量和NSR的通行能力決定的。在NSR能力無法改變時(shí)，運(yùn)輸需求成為決策的決定性要素。為明確什么樣的運(yùn)輸需求下，班輪公司應(yīng)選擇NSR，需針對(duì)運(yùn)輸需求實(shí)施敏感性分析。本文引入需求變動(dòng)系數(shù)λ，比較λ=0.6、0.9、1.2、1.5等4種情況各種運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本。針對(duì)4種情況，計(jì)算2020—2040年期間各運(yùn)輸方案的指標(biāo)值如表4所示，可以看出：
表4 四種運(yùn)營方案下的運(yùn)輸成本與BAU下的差值
1) 隨需求系數(shù)的增大，四種運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本與BAU的差值越來越大，說明隨運(yùn)輸需求的增加，大型船舶的規(guī)模經(jīng)濟(jì)越來越明顯，班輪公司更傾向選擇SCR，選擇NSR概率越來越小。
2) 當(dāng)需求系數(shù)≤0.6時(shí)，第一種運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本比其他三種及BAU的都小，表明如果中歐之間的集裝箱運(yùn)輸需求小于等于當(dāng)前的60%，班輪公司應(yīng)該選擇NSR。盡管λ≤0.6的概率很小，但也不是不可能發(fā)生的事情，如果美國進(jìn)一步強(qiáng)化單邊主義行徑而導(dǎo)致嚴(yán)重的逆全球化，未來中歐之間的貿(mào)易就可能萎縮，中歐之間的集裝箱運(yùn)輸需求就有可能下降到這個(gè)水平。
3) 當(dāng)需求系數(shù)>0.6時(shí)，BAU下的運(yùn)輸成本比另外四種的小，表明只要中歐間的集裝箱運(yùn)輸需求保持在當(dāng)前的60%以上，班輪公司就會(huì)繼續(xù)使用大型集裝箱船選擇SCR實(shí)施運(yùn)輸組織。
5 結(jié) 論
基于班輪運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和班輪公司的理性運(yùn)營行為，針對(duì)班輪公司嘗試?yán)肗SR實(shí)施中歐之間的集裝箱運(yùn)輸問題，提出班輪公司最可能采用的運(yùn)輸方案，即：(1)用一個(gè)船隊(duì)(4 000-5 000TEU)利用NSR運(yùn)輸；(2)同時(shí)用兩個(gè)船隊(duì)運(yùn)輸，其中小型船(4 000-5 000TEU)走NSR，大型船(20 000TEU)走SCR。為分析不同運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本，收集了船舶運(yùn)營成本數(shù)據(jù)，基于中國海關(guān)的公布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出了中歐關(guān)鍵港口之間的集裝箱OD流量數(shù)據(jù)。然后，構(gòu)建軸輻式班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型，基于OD流量為不同的運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)航線網(wǎng)絡(luò)，確定具體的運(yùn)輸過程，根據(jù)模型輸出結(jié)果計(jì)算各運(yùn)輸方案下的運(yùn)輸成本。在假設(shè)班輪公司以運(yùn)輸成本最小為決策依據(jù)的情況，通過比較不同運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本驗(yàn)證了目前北極航道對(duì)于中歐之間的集裝箱運(yùn)輸是不經(jīng)濟(jì)的，集裝箱班輪公司不應(yīng)該主動(dòng)利用NSR實(shí)施中歐之間的集裝箱班輪運(yùn)輸。
本研究的結(jié)論清楚地向班輪公司表明，盡管近年來中歐之間的散貨運(yùn)輸在積極地嘗試?yán)帽睒O航線，并確認(rèn)了在合適的時(shí)間段、使用合適的船型通過北極航線運(yùn)輸恰當(dāng)?shù)纳⒇浘哂泻芎玫慕?jīng)濟(jì)性，但北極航線對(duì)于集裝箱班輪運(yùn)輸沒有經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)利用北極航線和蘇伊士航線組織中歐之間的集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)臅r(shí)機(jī)還不成熟。當(dāng)然，在特殊需求情況下，如新型冠狀病毒施虐期間洲際班輪運(yùn)輸運(yùn)力緊張、運(yùn)價(jià)高漲的時(shí)間段內(nèi)，臨時(shí)抽調(diào)原本用于內(nèi)貿(mào)運(yùn)輸?shù)男⌒图b箱船通過北極航道在中歐之間開展集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性是有保證的。
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(寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院， 浙江 寧波 315211)
1 背景介紹
隨著北極海冰覆蓋范圍與厚度的銳減，北極北海航道(NSR)的通航條件不斷改善，商業(yè)航行潛力漸漸顯露。與蘇伊士航線(SCR)相比，經(jīng)NSR從上海港到鹿特丹港的航程可縮短40%，很顯然利用NSR可縮短亞歐之間船舶航程與貨物的運(yùn)輸時(shí)間，減少海運(yùn)成本。Li等[1]發(fā)現(xiàn)通過NSR的船舶年總載重噸(DWT)從2013年的395萬噸增加到2018年的2 461萬噸，2016年經(jīng)由NSR航行的船舶共297艘，同比增長35%。盡管NSR的船舶交通量日漸增加，但其中的集裝箱船到目前為止僅有兩艘。因此，有理由認(rèn)為利用NSR實(shí)施亞歐之間的集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)臅r(shí)機(jī)尚不成熟，NSR航運(yùn)難以滿足班輪運(yùn)輸?shù)男枨?。與公交類似班輪運(yùn)輸有固定的航線網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定的船隊(duì)和班期，各艘船舶的起終點(diǎn)首尾相接，重去重回。這使得集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)耐度?產(chǎn)出分析不同于不定期的散貨船運(yùn)輸，不能以單條船一票貨或一個(gè)航次作為決算單元。另外，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，洲際班輪運(yùn)輸多采用超大集裝箱船，班輪航線網(wǎng)絡(luò)越來越呈軸輻式，干線上使用的20000-TEU的超大型集裝箱船無法利用NSR北極航道，用離散選擇模型基于靜態(tài)運(yùn)輸成本計(jì)算亞歐之間的NSR和SCR的分擔(dān)率在理論上存在缺陷。
在上述背景下，本文考慮集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)與2020-2040年間NSR通航能力的變化，基于NSR與SCR設(shè)計(jì)亞歐之間班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化運(yùn)輸組織，通過比較不同的網(wǎng)絡(luò)方案的成本，揭示NSR在亞歐集裝箱班輪運(yùn)輸過程中的作用。
2 文獻(xiàn)綜述
目前，在氣候科學(xué)和海上運(yùn)輸領(lǐng)域，有越來越多的文獻(xiàn)預(yù)測(cè)21世紀(jì)北極航線的可用性，其中一部分學(xué)者預(yù)測(cè)和分析了冰層厚度的變化以及隨冰層厚度的變化NSR可能的通航情況。馬龍等[2]利用2006—2015年北極地區(qū)逐日海冰密集度數(shù)據(jù)，以2013年“永盛輪”首航NSR時(shí)所經(jīng)航線為例，基于航線冰情要素明確了7-10月份航線所經(jīng)水域的海冰密集度。Chai等[3]研究了NSR沿線年冰厚度和強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)海冰厚度、海冰強(qiáng)度等物理參數(shù)進(jìn)行了估算，為北極船舶及船舶的設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供信息。
另有部分學(xué)者從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度分析NSR的可行性，這部分研究多根據(jù)船舶成本、航行成本以及規(guī)模經(jīng)濟(jì)等確定兩條航線的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，然后針對(duì)各種貨物運(yùn)輸根據(jù)經(jīng)濟(jì)或經(jīng)濟(jì)+環(huán)境利益的多寡來分析NSR的可行性。Lee & Song[4]等發(fā)現(xiàn)從距離和時(shí)間上看NSR具有經(jīng)濟(jì)性，但俄羅斯征收昂貴的通行費(fèi)也是不容忽視的。張愛峰等[5]以AFRAMAX型油輪為母型船，比較利用NSR和SCR在亞歐之間運(yùn)輸原油的經(jīng)濟(jì)性，證明海冰會(huì)降低船舶的裝載量，增加營運(yùn)成本。夏一平等[6]發(fā)現(xiàn)在需要破冰服務(wù)時(shí)，NSR比SCR節(jié)省15%的燃油費(fèi)，但船舶租金和通行費(fèi)分別增加36.5%和12.4%。Wang等[7]以航運(yùn)公司利益最大化為目標(biāo)，基于廣義納什均衡模型分別計(jì)算NRS和SCR的集裝箱流量，發(fā)現(xiàn)隨NSR通航天數(shù)增加通過NSR運(yùn)輸?shù)臅?huì)獲得更多的利潤。錢作琴等[8]分析了NSR的地理環(huán)境特點(diǎn)，確定了一條多季節(jié)航行的NSR航線與適航船舶選型，比較各季節(jié)上海港-歐洲各港單航次使用NSR和SCR的經(jīng)濟(jì)性。Liu等[9]基于設(shè)定通航時(shí)間、通行收費(fèi)與燃料價(jià)格組合腳本，比較使用4 300TEU的集裝箱船通過NSR與SCR運(yùn)輸時(shí)的年?duì)I業(yè)利潤，明確了NSR與SCR的競(jìng)爭(zhēng)條件。Verny & Grigentin[10]研究了上海-漢堡的集裝箱運(yùn)輸問題，發(fā)現(xiàn)通過SCR仍然是最經(jīng)濟(jì)的，但NSR和西伯利亞鐵路不失為替代方案。
上述研究針對(duì)單一通道只考慮單航線的單航次成本與利潤，得到的結(jié)果對(duì)散貨運(yùn)輸有意義，對(duì)于需要長期擁有船隊(duì)定點(diǎn)定線定期運(yùn)營的班輪運(yùn)輸是不準(zhǔn)確和全面的，針對(duì)班輪的研究場(chǎng)景設(shè)定不符合現(xiàn)實(shí)，因此結(jié)論具有片面性。另外，他們都假設(shè)班輪公司使用一種船型，如：分別基于4 000TEU、8 000TEU或16 000TEU的船舶實(shí)施通過NSR和SCR的運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用和收益分析，忽略了NSR通行不了4 000TEU以上船舶的事實(shí)，結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。
目前有關(guān)班輪航線優(yōu)化的研究已相當(dāng)成熟，但有關(guān)NSR的研究很少基于班輪運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和亞歐多港口之間的集裝箱OD流量優(yōu)化航線網(wǎng)絡(luò)。Xu等[11]考慮NSR海冰的動(dòng)態(tài)變化對(duì)通航能力和通行費(fèi)用的影響，提出NSR/SCR組合的集裝箱運(yùn)輸航線，但并沒有考慮班輪公司的經(jīng)營行為。Verny & Grigentiny[10]是目前看到的唯一的基于航線設(shè)計(jì)和NSR未來通航能力的研究，但他們也假設(shè)班輪公司只采用一種運(yùn)輸方式(即大船走SCR、小船走NSR)，沒有考慮海冰限制使得NSR只能季節(jié)性通航的問題。
為實(shí)施長期的全年不間斷運(yùn)輸，班輪公司需權(quán)衡是用1個(gè)船隊(duì)(適合NSR)還是2個(gè)船隊(duì)(分別適合NSR和SCR)實(shí)施亞歐之間的集裝箱運(yùn)輸，因此需要設(shè)定與之對(duì)應(yīng)的研究場(chǎng)景，以保證有關(guān)NSR班輪運(yùn)輸研究的有效性。本研究從班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的角度，基于班輪公司的經(jīng)營行為以20年為時(shí)間單元分析中歐之間集裝箱運(yùn)輸使用NSR的可能性，比較中歐之間的集裝箱利用NSR和SCR的成本，避免基于單時(shí)間節(jié)點(diǎn)分析通道運(yùn)輸成本無法反應(yīng)船舶前后航次之間關(guān)系以及船舶資產(chǎn)成本連續(xù)發(fā)生的問題。
3 模型構(gòu)建
根據(jù)班輪運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和班輪公司的理性運(yùn)營行為(即：考慮班輪運(yùn)輸具有固定的航線網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定的船隊(duì)、1艘船舶各航次起終點(diǎn)首尾相接、重去重回的特性，以10-15年期間的總運(yùn)輸成本最小為目標(biāo)進(jìn)行航線網(wǎng)絡(luò)和船舶配備決策)，以及利用NSR時(shí)最佳的船舶容量為4 000TEU，利用SCR時(shí)最佳的船舶容量為20 000TEU[4,8,10,11]的實(shí)際情況，我們認(rèn)為班輪公司在同時(shí)利用NSR和SCR運(yùn)輸中歐之間的貿(mào)易集裝箱時(shí)，最有可能的運(yùn)營方案是：1)保有1個(gè)4 000TEU的船隊(duì)(隨著冰蓋融化范圍的增加，后期可以考慮用5 000TEU的船替代4 000TEU船)，7-9月運(yùn)營NSR，10-6月運(yùn)營SCR；2)保有2個(gè)船隊(duì)(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，前者7-9月份運(yùn)營NSR，其他季節(jié)閑置封存，后者全年運(yùn)營SCR；3)保有2個(gè)船隊(duì)(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，前者7-9月份運(yùn)營NSR，其他季節(jié)船隊(duì)閑置封存，后者10-6月份運(yùn)營SCR，其他季節(jié)船隊(duì)閑置封存。4)保有2個(gè)船隊(duì)(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，基于二分法計(jì)算集裝箱OD流量在兩條航線的分擔(dān)率，2個(gè)船隊(duì)同時(shí)運(yùn)營：前者7-9月份運(yùn)營NSR，10-6月份運(yùn)營SCR，后者全年運(yùn)營SCR。4種方案的優(yōu)劣主要取決于其是否比目前的方案(BAU)更具經(jīng)濟(jì)性。為此，針對(duì)4種方案(1-3與BAU)計(jì)量運(yùn)輸成本。為計(jì)算集裝箱班輪的運(yùn)輸成本(船舶資產(chǎn)成本、船舶燃油成本、船舶人工成本、船舶港口使用費(fèi)和集裝箱裝卸費(fèi)等，需要在港口間集裝箱OD流量和運(yùn)輸船舶大小已知的情況下，建立軸輻式空重箱班輪運(yùn)輸航線優(yōu)化模型，以運(yùn)輸總成本最小為目標(biāo)確定航線方案、集裝箱裝卸方案及相應(yīng)的運(yùn)輸總成本。
3.1 模型的假設(shè)條件
①港口間的集裝箱運(yùn)輸需求均獲得服務(wù)；②空箱調(diào)運(yùn)滿足重箱運(yùn)輸需求；③船舶數(shù)量滿足航線運(yùn)營需求；④集裝箱航運(yùn)市場(chǎng)內(nèi)各港口的空重箱進(jìn)出總量守恒；⑤各港口間的航行距離和貨運(yùn)需求(空重箱運(yùn)量)已知；⑥各港口間的集裝箱運(yùn)價(jià)已知，且不變；⑦由于不考慮船舶的配積載等微觀作業(yè)問題，假設(shè)運(yùn)輸?shù)募b箱都是20英尺標(biāo)準(zhǔn)箱，不考慮集裝箱大小的差異；⑧由于國際班輪公司的自有船舶比例很高(馬士基、地中海、達(dá)飛等的自有船比例在65%左右，中遠(yuǎn)海集運(yùn)的自有船比例在50%左右，另外他們還都長租一部分船舶)，因此假設(shè)班輪公司在干線運(yùn)輸中使用自有(購買或長期租賃)的船舶；⑨支線運(yùn)輸由支線班輪公司負(fù)責(zé)，干線班輪公司按市場(chǎng)運(yùn)價(jià)向支線班輪公司支付費(fèi)用。
3.2 航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)表示
3.3 重箱OD流量表示
3.4 船舶相關(guān)參數(shù)與約束
(1)
(2)
(3)
(4)
3.5 運(yùn)營成本與決策目標(biāo)
班輪公司以周為單位優(yōu)化航線網(wǎng)絡(luò)的目的是要以最低的成本完成運(yùn)輸任務(wù)，決策的是掛靠港、掛靠順序、在各掛靠港裝卸的空重箱量以及干線航線所需配置的船舶數(shù)量。此時(shí)，決策的目標(biāo)函數(shù)如式(5)所示。
(5)
(6)
(7)
(8)
3.6 班輪航線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型
在港口間OD集裝箱流量已知時(shí)，為最小化運(yùn)輸成本，班輪公司需確定合適的船舶數(shù)量、干線航線的掛靠港口和掛靠順序，該決策問題的優(yōu)化模型如下：
(9)
S.T.: 式(1)-(5)、(6)-(8)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
3.7 模型求解算法設(shè)計(jì)
上述模型是一個(gè)混合0-1規(guī)劃問題，本研究借鑒Shintani[12]等的思路，基于進(jìn)化算法框架，求解子模型，求解算法的框架流程如下所示。
求解流程
Step 0 給定一個(gè)船型
Step 1 初始化：
生成初始種群，每個(gè)個(gè)體代表一個(gè)航線方案Gs；
Step 2計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度值：
根據(jù)給定的船型，用CVX求解模型，優(yōu)化航線方案，發(fā)班頻率，并將此時(shí)的運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)營總成本作為評(píng)價(jià)Gs的適應(yīng)度函數(shù)。
Step 3判斷算法是否終止：
檢查個(gè)體適應(yīng)度最大值與平均值的差，是否小于預(yù)設(shè)參數(shù)μ，滿足則終止，否則執(zhí)行Step 4；
Step 4 執(zhí)行交叉，變異，選擇，并返回Step 2。
為縮小解空間，本文僅以航線網(wǎng)絡(luò)方案為優(yōu)化對(duì)象。此外，在設(shè)計(jì)算法時(shí)，采用Chen[13]等提出的航線網(wǎng)絡(luò)編碼方法、選擇算子、交叉算子以及變異算子等。
4 案例分析
4.1 所需數(shù)據(jù)
計(jì)算時(shí)把青島港、天津港、大連港、上海港、寧波港、深圳港、廣州港作為中國側(cè)的港口，把鹿特丹港、弗利克斯托港、勒阿弗爾港、安特衛(wèi)普港、漢堡港作為歐洲側(cè)的港口。港口間的集裝箱OD流量數(shù)據(jù)源自于中國海關(guān)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告、海事咨詢機(jī)構(gòu)及各港口的統(tǒng)計(jì)報(bào)告。蘇伊士運(yùn)河通行費(fèi)和北極航道破冰引航費(fèi)分別設(shè)為82萬美元和16美元/噸。計(jì)算所需的其他數(shù)據(jù)及船舶參數(shù)如表1、表2。
表1 計(jì)算所需數(shù)據(jù)
表2 船舶相關(guān)參數(shù)
4.2 結(jié)果分析
基于模型的求解結(jié)果，可計(jì)算得到2020—2040年期間各種情形下的各運(yùn)輸方案的指標(biāo)值(表3)，可以看出用兩個(gè)船隊(duì)分別運(yùn)營SNR和SCR時(shí)，20年內(nèi)方案1-方案4的運(yùn)輸成本在4 283-4 559億美元之間，只用一個(gè)船隊(duì)(4 000TEU/5 000TEU)運(yùn)營NSR時(shí)，運(yùn)輸成本為4 803億美元。不難看出，兩個(gè)船隊(duì)組合運(yùn)輸比單個(gè)船隊(duì)更具經(jīng)濟(jì)性。但是，在NSR被利用的情況下，一個(gè)船隊(duì)方案和兩個(gè)船隊(duì)方案的運(yùn)輸成本都比BAU的高。這說明由于NSR航線難以滿足班輪的運(yùn)輸要求，目前乃至未來較長的時(shí)期內(nèi)，通過NSR實(shí)施中歐間的集裝箱運(yùn)輸?shù)臅r(shí)機(jī)尚不成熟。
表3 各情形下中歐間集裝箱運(yùn)輸?shù)某杀?/p>
4.3 敏感度分析
班輪公司是否應(yīng)利用NSR而非SCR運(yùn)輸亞歐之間的集裝箱，理論上是由亞歐之間的集裝箱流量和NSR的通行能力決定的。在NSR能力無法改變時(shí)，運(yùn)輸需求成為決策的決定性要素。為明確什么樣的運(yùn)輸需求下，班輪公司應(yīng)選擇NSR，需針對(duì)運(yùn)輸需求實(shí)施敏感性分析。本文引入需求變動(dòng)系數(shù)λ，比較λ=0.6、0.9、1.2、1.5等4種情況各種運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本。針對(duì)4種情況，計(jì)算2020—2040年期間各運(yùn)輸方案的指標(biāo)值如表4所示，可以看出：
表4 四種運(yùn)營方案下的運(yùn)輸成本與BAU下的差值
1) 隨需求系數(shù)的增大，四種運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本與BAU的差值越來越大，說明隨運(yùn)輸需求的增加，大型船舶的規(guī)模經(jīng)濟(jì)越來越明顯，班輪公司更傾向選擇SCR，選擇NSR概率越來越小。
2) 當(dāng)需求系數(shù)≤0.6時(shí)，第一種運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本比其他三種及BAU的都小，表明如果中歐之間的集裝箱運(yùn)輸需求小于等于當(dāng)前的60%，班輪公司應(yīng)該選擇NSR。盡管λ≤0.6的概率很小，但也不是不可能發(fā)生的事情，如果美國進(jìn)一步強(qiáng)化單邊主義行徑而導(dǎo)致嚴(yán)重的逆全球化，未來中歐之間的貿(mào)易就可能萎縮，中歐之間的集裝箱運(yùn)輸需求就有可能下降到這個(gè)水平。
3) 當(dāng)需求系數(shù)>0.6時(shí)，BAU下的運(yùn)輸成本比另外四種的小，表明只要中歐間的集裝箱運(yùn)輸需求保持在當(dāng)前的60%以上，班輪公司就會(huì)繼續(xù)使用大型集裝箱船選擇SCR實(shí)施運(yùn)輸組織。
5 結(jié) 論
基于班輪運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和班輪公司的理性運(yùn)營行為，針對(duì)班輪公司嘗試?yán)肗SR實(shí)施中歐之間的集裝箱運(yùn)輸問題，提出班輪公司最可能采用的運(yùn)輸方案，即：(1)用一個(gè)船隊(duì)(4 000-5 000TEU)利用NSR運(yùn)輸；(2)同時(shí)用兩個(gè)船隊(duì)運(yùn)輸，其中小型船(4 000-5 000TEU)走NSR，大型船(20 000TEU)走SCR。為分析不同運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本，收集了船舶運(yùn)營成本數(shù)據(jù)，基于中國海關(guān)的公布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出了中歐關(guān)鍵港口之間的集裝箱OD流量數(shù)據(jù)。然后，構(gòu)建軸輻式班輪運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型，基于OD流量為不同的運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)航線網(wǎng)絡(luò)，確定具體的運(yùn)輸過程，根據(jù)模型輸出結(jié)果計(jì)算各運(yùn)輸方案下的運(yùn)輸成本。在假設(shè)班輪公司以運(yùn)輸成本最小為決策依據(jù)的情況，通過比較不同運(yùn)輸方案的運(yùn)輸成本驗(yàn)證了目前北極航道對(duì)于中歐之間的集裝箱運(yùn)輸是不經(jīng)濟(jì)的，集裝箱班輪公司不應(yīng)該主動(dòng)利用NSR實(shí)施中歐之間的集裝箱班輪運(yùn)輸。
本研究的結(jié)論清楚地向班輪公司表明，盡管近年來中歐之間的散貨運(yùn)輸在積極地嘗試?yán)帽睒O航線，并確認(rèn)了在合適的時(shí)間段、使用合適的船型通過北極航線運(yùn)輸恰當(dāng)?shù)纳⒇浘哂泻芎玫慕?jīng)濟(jì)性，但北極航線對(duì)于集裝箱班輪運(yùn)輸沒有經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)利用北極航線和蘇伊士航線組織中歐之間的集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)臅r(shí)機(jī)還不成熟。當(dāng)然，在特殊需求情況下，如新型冠狀病毒施虐期間洲際班輪運(yùn)輸運(yùn)力緊張、運(yùn)價(jià)高漲的時(shí)間段內(nèi)，臨時(shí)抽調(diào)原本用于內(nèi)貿(mào)運(yùn)輸?shù)男⌒图b箱船通過北極航道在中歐之間開展集裝箱班輪運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性是有保證的。
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