葛穎恩，溫馨

(上海海事大學，a.交通運輸學院；b.經(jīng)濟管理學院，上海201306)

0 引言

海運承擔著國際貿(mào)易超過80%的貨運量[1]，其中集裝箱班輪運輸占全球海運業(yè)務的24%；2018年全球集裝箱貨運量達到15200 余萬TEU，以8%的年均增長速度領先于其他海運方式。近數(shù)十年，航運業(yè)污染問題越發(fā)引起重視。根據(jù)國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)的船舶排放報告[2]，海運業(yè)CO2排放量在2019年達93800萬t，約占全球CO2排放總量的2.6%。以當前經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢，預估到2050年，漲幅將達到50%~250%；而船舶NOx和SOx的排放量分別達20900萬t和11300 萬t，已占排放總量的15%和13%。因此，讓航運業(yè)進入環(huán)境可持續(xù)發(fā)展模式顯得尤為重要。

發(fā)展綠色航運業(yè)，嚴格控制船舶排放已勢在必行。國際上由IMO、歐盟和美國已在全球設立6個污染排放控制區(qū)(Emission Control Area,ECA)，限制硫、氮氧化物的排放。我國交通運輸部在原來3 個水域控制排放的基礎上已擴大到全國沿海岸12 n mile，并在海南水域全面設立排放控制區(qū)。自2015年1月1日起，船舶在ECA內(nèi)使用的燃油硫含量不得超過0.1%；2020年1月1日起，ECA 外船用油的硫含量必須在0.5%以內(nèi)。船公司一般通過使用低硫油或清潔能源降低排放，如液化天燃氣(Liquefied Natural Gas,LNG)，或在船上安裝脫硫塔或到港后使用岸電等節(jié)能設施來降低硫排放。于2020年1月1日起開始實施的“限硫新規(guī)”無疑會造成運價上行，船舶為避開ECA 航行也使航程周期延長。這直接影響集裝箱班輪市場。此外，IMO提出了首項溫室氣體減排戰(zhàn)略，即至本世紀中葉，全球航運業(yè)溫室氣體排放量與2008年相比至少降低50%，并逐步朝零碳排放目標邁進[3]。這些行動敦促航運業(yè)從設備技術改進、現(xiàn)代運營管理和建立市場機制3 種途徑來控制船舶碳排放。我國目前擁有36個億噸大港，全球前十大集裝箱港口中穩(wěn)占7席。如此密集的航線和頻繁往返于各港口的船舶是制造港區(qū)和沿?？諝馕廴镜闹匾獊碓?。

在集裝箱班輪運輸方面，可持續(xù)發(fā)展主要指班輪公司及港口運營商，在IMO 政策驅動下所采取的自主決策和應對策略。可持續(xù)性包括環(huán)境、經(jīng)濟和社會3個層面的指標，本文的分析僅限于集裝箱班輪運輸環(huán)境可持續(xù)性。如圖1所示，針對集裝箱班輪運輸環(huán)境可持續(xù)性問題，梳理文獻中在戰(zhàn)略、戰(zhàn)術和運營等3個層面圍繞措施、技術和規(guī)章制度等所做的研究，并給出研究建議。

圖1 研究范圍關系圖Fig.1 Research scoping

1 戰(zhàn)略層面的研究

IMO 及歐盟相繼出臺了減排政策控制船舶污染。國際防止船舶造成污染公約(MARPOL73/78)第6項附則(Annex VI)規(guī)定了對船舶溫室氣體排放控制的若干政策建議。目前已有60余個國家和地區(qū)加入該協(xié)議框架，超過全球總運力的50%。從2013年1月1日開始施行的船舶能效設計指數(shù)(EEDI)是從技術層面對所有新造船排放標準的強制規(guī)定；同時實施的適用于所有400 t 及其以上船舶的能效管理計劃則是從經(jīng)濟運作層面為船公司提供了船舶節(jié)能減排的政策機制和建議措施，包括低油耗作業(yè)的改進策略、裝卸流程的優(yōu)化作業(yè)、船體維護、廢熱循環(huán)等。此外，船舶能耗運營指數(shù)(EEOI)是對船舶運營過程中排放標準的補充，管理者可自主選擇。2015年歐盟理事會通過了針對船舶的監(jiān)控、報告并核實CO2排放量的條例；根據(jù)該條例的要求，從2017年8月1日起，所有掛靠歐盟港口的超過5000 總噸的船舶必須攜有碳監(jiān)控計劃，隨后將逐步啟動核實和報告程序。這些政策的制定無疑對航運業(yè)，尤其是班輪運營造成影響。戰(zhàn)略層主要涉及企業(yè)間決策、環(huán)保技術或設備的投資決策和市場機制的規(guī)劃。

1.1 市場減排機制和政策的制定

征收碳稅、燃油稅或政府補貼等政策：通過定量分析航運業(yè)征收碳稅對全球貿(mào)易中集裝箱班輪運輸帶來的影響，LEE 等[4]證明一般的碳稅征收水平并不會對班輪運輸?shù)慕?jīng)濟性帶來沖擊，但會造成中國GDP下滑并阻礙遠洋運輸?shù)陌l(fā)展。通過建立兩種排放交易機制，以集裝箱運輸和干散貨運輸為算例分析比較兩種機制的優(yōu)劣，WANG等[5]證明兩種機制均可降低航速、承運商成本和燃油消耗量。DAI等[6]研究了征收排放稅下班輪公司運輸網(wǎng)絡配置問題，及其對運營成本和碳排放量的影響。ZHUGE 等[7]討論了政府應如何制定激勵機制以鼓勵船舶在進港時減少排放，以實現(xiàn)降低港口區(qū)域排放的目的。在Stackelberg 博弈模型基礎上構建兩個雙層補貼制定模型，以提高船公司利潤并降低政府成本。HAN 等[8]將港口和船公司加入到政府補貼機制中，從航運服務供應鏈構建了收益共享模型以滿足ECA的減排政策。

制定市場減排機制，需考慮價格彈性、市場競爭、綠色技術投資和排放控制水平等因素。班輪運輸市場長期發(fā)展的綠色戰(zhàn)略決策需要政府政策引導、建立科學市場機制。在海運貿(mào)易迅速增長的趨勢下，SHI[9]指出僅采取技術和運營層面的措施來降低船舶排放是不夠的；進而分析當前7種市場減排機制的可行性，并提出依據(jù)國情選擇最合適的減排機制。因缺乏評估航運企業(yè)船舶環(huán)境效益的行業(yè)標準，RAHIM 等[10]對10 大班輪公司節(jié)能減排的實踐情況和制度進行調研，呼吁航運業(yè)共同努力，準確而及時地制定市場機制。XING等[11]梳理了降低航運業(yè)碳排放的一系列方式，除了被廣泛研究的技術和操作層面措施，同時探討了市場層面措施和自主減排行為。

1.2 綠色政策、技術及措施評估

多種環(huán)保政策、措施及技術的比較分析是當下的一個討論熱點。通過對清潔能源、環(huán)保技術、運營方式和減排政策進行分析，BALCOMBE 等[12]指出LNG是短期內(nèi)經(jīng)濟環(huán)保且普遍適用的可替代燃料，長期發(fā)展應從可再生能源、技術推進、政策和財政支持等方面多管齊下，通過多種途徑尋求協(xié)同發(fā)展降低碳排放；BOUMAN 等[13]也認為只有多種方式相結合才能實現(xiàn)有效的低碳減排目標。通過全面梳理技術、運營和市場層面的碳減排措施并對脫碳進程面臨的挑戰(zhàn)進行分析，WAN 等[14]認為技術手段多處于研發(fā)階段且成本高昂；降速雖然有效，但進一步的減排空間有限，需結合其他減排措施。

環(huán)保技術的潛力是否沒有挖掘出來，這是值得討論的問題。傳統(tǒng)化石燃料對環(huán)境影響惡劣，將其轉化為可再生能源是降低排放的一種途徑；SVANBERG 等[15]對可再生能源生物——甲醇，作為海運的替代燃料，從原料、供應系統(tǒng)、甲醇生產(chǎn)、分配至海運業(yè)終端的整個供應鏈的發(fā)展?jié)摿M行了分析。

環(huán)保技術無疑已經(jīng)引起越來越多的重視，推廣需要對它的經(jīng)濟性有一個合理的評估。在ECA和限硫政策下，未來會有更多航線通過ECA，在硫、氮排放約束下對新造船進行投資決策，ABADIE等[16]建立隨機模型依據(jù)市場行情估計LNG 和其他4 種燃料的價格，以投資成本和油耗成本最小為目標，對選擇安裝柴油，還是雙燃料發(fā)動機，抑或安裝洗滌器進行技術決策。面對首個明確的碳減排目標，SCHINAS 等[17]認為傳統(tǒng)的融資機制和能力不足以滿足船舶減排技術改造，提出“共享節(jié)約”融資，為船公司和技術供應商提供了新的融資模式，以推進船舶技術改造的步伐。以一條經(jīng)過中國ECA區(qū)域的航線為例，F(xiàn)AN等[18]對換油和安裝混合洗滌器兩種減排方式進行成本和收益評估。

1.3 企業(yè)間競爭與合作

集裝箱供應鏈的可持續(xù)發(fā)展，YANG[19]對臺灣地區(qū)129家班輪公司和機構進行問卷調查，采用結構方程從行業(yè)壓力、企業(yè)內(nèi)部減排措施、企業(yè)間合作3 個方面評估了綠色發(fā)展集裝箱運輸?shù)钠髽I(yè)效益，指出業(yè)內(nèi)壓力不利于企業(yè)間合作的達成。YUEN等[20]通過利益相關者、計劃行為和資源依賴理論，對航運可持續(xù)發(fā)展的驅動和表現(xiàn)進行分析。收集109家干散貨船公司和77家班輪公司的數(shù)據(jù)，揭示了從業(yè)者壓力、態(tài)度以及行為控制會直接影響執(zhí)行決策，并間接影響經(jīng)營效益。

供應鏈節(jié)點間的競爭與合作，MALLIDIS 等[21]研究了IMO 限硫政策如何影響承運人對運輸供應鏈的決策，構建了混合整數(shù)規(guī)劃模型，以一條亞歐貿(mào)易線為例，從裝貨港出發(fā)運輸集裝箱，經(jīng)過進口港、陸路運輸(包括重卡、火車和駁船)到分撥中心，最終送到零售商店。當前油價并不會影響到運輸網(wǎng)絡結構。SHENG等[22]分析了單邊排放規(guī)則與統(tǒng)一排放規(guī)則的經(jīng)濟與環(huán)境效益。通過兩階段博弈模型，假設區(qū)域港口與航運公司的競爭關系，得到兩種排放規(guī)則下的市場均衡。每種規(guī)則都存在非對稱效應，船公司與港口要在降低排放和公平競爭中進行抉擇。

1.4 小結

表1 梳理了在戰(zhàn)略層研究發(fā)展綠色集裝箱班輪運輸?shù)牟糠治墨I。

表1 戰(zhàn)略層研究問題分類Table 1 Classification of research issues at strategic level

綜合本節(jié)討論，未來可從以下幾點推動該領域戰(zhàn)略層面的研究：(ⅰ)對環(huán)保技術的發(fā)展?jié)摿Χ糠治?，對技術實施的投融資決策建模分析等。已有文獻多為定性分析，定量分析、典型案例分析相對明顯不足。(ⅱ)最新環(huán)保技術、船舶改造或新造船的投融資決策分析，如岸電、節(jié)能發(fā)動機、環(huán)保材料、減排裝置等的選擇和成本-收益分析。(ⅲ)結合當前或即將施行的環(huán)保政策、制度和機制等展開研究，如我國排放控制區(qū)擴大范圍對班輪運輸?shù)挠绊憽?ⅳ)應加強集裝箱運輸供應鏈上各節(jié)點企業(yè)的聯(lián)系和合作/競爭模式的探討，增強鏈條上節(jié)點信息的透明化，如環(huán)保征稅，包括排放稅和燃油稅等，或補貼政策都會涉及承運人、貨主和港方在成本、收益或社會責任的分攤決策。(ⅴ)當前可持續(xù)發(fā)展不再局限于企業(yè)內(nèi)部，應從供應鏈角度出發(fā)，分析集裝箱運輸供應鏈之間的競爭關系；另外，越來越多的航運公司加入航運聯(lián)盟，企業(yè)間應如何共同承擔和分配環(huán)保責任？(ⅵ)戰(zhàn)略層研究還比較碎片化、不夠系統(tǒng)，對“綠色”或“可持續(xù)”的相關概念界定不清晰。(ⅶ)無論是綠色政策、環(huán)保技術還是市場機制的可行性、合理性探討，專門針對集裝箱班輪運輸?shù)难芯枯^少；應結合集裝箱運輸特點、班輪運輸行業(yè)特征展開研究。

2 戰(zhàn)術層面優(yōu)化

班輪運輸在戰(zhàn)術層的決策一般涉及：服務頻率、船隊配置、航行速度以及船期安排等問題。伴隨各項環(huán)保政策和減排規(guī)定，油價上漲、運力波動等問題接踵而至，班輪公司在運營管理中做出相應調整。

2.1 控制油耗或碳排放的班輪運營優(yōu)化

對班輪運輸?shù)挠秃幕蛱寂欧趴刂疲紫纫鉀Q船舶航速與燃油消耗及廢氣排放的關系問題。2000年以后，將航速作為決策變量的研究逐漸增多。PSARAFTIS 等[23]將航速模型相關的文章按是否考慮了碳排放分類，進行文獻梳理。首先介紹建立航速與油耗量關系的文章，多以船舶運營成本最小或總利潤最大為目標。對航速與油耗量的冪函數(shù)關系進行探討。WANG 等[24]構建了考慮集裝箱轉運和運輸路徑的航速優(yōu)化模型。利用一家班輪公司的歷史數(shù)據(jù)，首次對速度與油耗之間的冪函數(shù)關系進行調整。

第二個關鍵問題是作為常見約束的港口時間窗問題。在轉運時間約束下，KARSTEN 等[25]建立模型優(yōu)化運輸路徑、航速和船隊配置，并采用Benders分解和列生成技術進行求解?？紤]樞紐港轉運的集裝箱航線網(wǎng)絡設計，ZHEN 等[26]構建總成本最小模型來決策船舶配置，港口掛靠次數(shù)和航速以及集裝箱運量分配。

第三，考慮時間成本或服務水平。衡量轉運時間的感知成本，WANG等[27]優(yōu)化兩個掛靠港之間的航速和轉運時間；WANG等[28]分別以船公司和供應鏈為主體構建兩個速度優(yōu)化模型，并加入服務水平約束，前者以運營成本和油耗成本最小為目標、后者還同時考慮存儲成本，進而設計多項式時間算法進行求解，分析配船數(shù)量、油耗量和服務水平之間的均衡關系。吳暖等[29]設置了最小貨物時間價值損失和最低運營成本的雙目標，在貨主為“理性經(jīng)濟人”的假設下建立航線配船模型并通過改進的NSGA-Ⅱ算法進行求解。

第四，結合燃油策略優(yōu)化航速。YAO等[30]提出了單船的燃油管理策略，通過選擇加油港口、確定加油量和選取速度來降低總燃油成本。探討燃油稅或油價波動對碳排放的影響，CORBETT[31]評估了征收燃油稅的經(jīng)濟效益，表明燃油稅為150 US$?t-1時可降低碳排放量20%~30%。CARIOU 等[32]對比分析降速與歐盟征收燃油稅這兩種減排措施，指出后一種措施可能會適得其反。PSARAFTIS 等[33]認為船舶的油耗成本取決于有效載荷、貨物運載量、油價、運費率和其他相關參數(shù)。碳排量的多少還與碳排放系數(shù)相關。

第五，優(yōu)化航速，降低船舶碳排放。將船舶油耗與排放量的計算與解決海運問題的運籌學方法相結合，KONTOVAS[34]提出綠色船舶路徑優(yōu)化和調度的概念并概括出3種可行方法，即以排放量最小為目標，以成本最小為目標(含排放成本)和限制排放的約束。DULEBENETS[35]建立雙成本目標的航速優(yōu)化模型，即與轉運時間正相關的成本構成，包括船舶運營成本、儲存成本和延誤成本；另外是與轉運時間負相關的成本構成，包括油耗成本、在港作業(yè)成本和碳排放成本。WEN 等[36]在PSARAFTIS 等[33]提出的基于負載的油耗模型基礎上，考慮油價、運費率和在途庫存成本，構建了總航程時間、總成本和排放量最小的多目標路徑和航速優(yōu)化模型。設置船舶碳排放量約束的文獻中：WANG等[37]構建模型來優(yōu)化加油策略、航速和船隊配置，從而分析航速與油耗量和碳排放之間的關系；DE等[38]在服務時間窗和泊位數(shù)量約束下，構建船舶運輸路徑與加油策略聯(lián)合優(yōu)化模型，以滿足各港口貨運需求。

第六，碳稅或碳交易政策對班輪運輸優(yōu)化決策的影響。這涉及設置船舶的碳排放額度和交易機制，以及配船、航速與繳納碳稅、購買碳額等問題。俞姍姍等[39]分析了3 種碳排放調控政策：定額或定量征收碳稅，以及碳排放權交易對航速決策的影響。邢玉偉等[40]考慮碳稅政策的影響，構建航線配船與航速模型。

此外，降速策略對碳減排或降成本的有效性也值得研究。假定燃油價格為350~400 US$?t-1，CARIOU[41]研究在主要貿(mào)易航線上采取降速策略的成本效益。KONTOVAS等[42]和LINDSTAD等[43]都認為降低航速可有效減少船舶油耗和碳排放，前者分析比較不同泊位作業(yè)規(guī)則并提出船舶到港2 h內(nèi)開始裝卸作業(yè)可縮短航程時間，后者探討帕累托最優(yōu)政策并建議采取限制航速的實施。

2.2 預調度式的綠色班輪運營優(yōu)化

班輪運輸在遠距離、航程長且動態(tài)不間斷的運營作業(yè)中，存在諸多不確定因素會干擾船期計劃。再加上周期性作業(yè)，一個節(jié)點的延誤會對整個運輸鏈條造成連鎖反應。因此，在干擾發(fā)生前，決策者應預先分配冗余時間，設計魯棒預調度方案，從而降低潛在不確定因素的負面作用。這對船舶油耗和廢氣排放會產(chǎn)生哪些影響，將通過梳理下列文獻進行分析。

在船期表設計階段，采取預調度的緩沖措施來降低干擾風險，是針對反復出現(xiàn)、規(guī)律的不確定事件，包括海上和在港不確定因素。降低油耗成本方面，WANG 等[44-45]考慮海上不確定性和轉運時間限制來優(yōu)化船期計劃，文獻[44]未考慮船舶延誤的情況，文獻[45]進行了擴展。AYDIN等[46]在港口服務時間窗約束下，對航速和加油策略進行動態(tài)決策。

在港時間的不確定性挑戰(zhàn)船舶碳排放的控制。為此，QI 等[47]針對不同服務水平優(yōu)化班輪船期，SONG 等[48]建立成本和碳排放最小以及服務可靠度最大的多目標模型?？紤]海上環(huán)境，尤其是季節(jié)因素對航行時間和海上作業(yè)的影響，NORLUND等[49]優(yōu)化了供應船提供補給的船期安排。在不確定交貨時間的假設下，LEE等[50]分析降速策略對油耗成本和交付可靠度的影響。

采取節(jié)能減排措施會影響船隊配置或船隊更新。考慮在港時間不確定并滿足各掛靠港供需要求，構建的多船型配置、船期計劃與集裝箱路徑優(yōu)化模型往往是只能利用智慧算法求解。在船隊規(guī)模、泊位和堆場資源限制下，ZHEN等[51]建立一個以利潤最大為目標的裝箱量隨機變化的船隊配置模型；考慮市場需求的不確定性并滿足各港口貨運需求和船舶碳排放量約束，以總成本最小為目標，DE等[52]構建模型來優(yōu)化船舶船期安排、行駛速度和貨物路徑分配，并用粒子群算法求解所建立模型。考慮季節(jié)性需求和運費變化，WANG等[53]通過減少或增加訪問港來優(yōu)化班輪運輸航線。碼頭運營及海側作業(yè)的不確定性同樣會造成班輪船期延誤，船舶進出港和?？孔鳂I(yè)過程也會產(chǎn)生廢氣排放。在解決泊位分配問題中，DU 等[54]考慮船舶動態(tài)到港過程中的潮汐變化和減排因素；以降低碳排放為目標優(yōu)化泊位和岸橋聯(lián)合調度，ZHEN 等[55]考慮船舶到港時間的不確定性和裝卸作業(yè)量。

2.3 ECA的設立對班輪運營優(yōu)化的影響

伴隨全球范圍逐漸設立排放控制區(qū)，加強對船舶氮硫化物排放的管控，學術界開始對設立ECA給班輪運輸服務帶來的影響展開討論。

首先，分析應對ECA 的減排措施，如換油策略、安裝脫硫塔以及使用LNG。DOUDNIKOFF等[56]和FAGERHOLT 等[57]研究采用低硫油措施，對航行模式、航速和路徑選擇進行優(yōu)化。FAGERHOLT 等[58]指出在ECA 內(nèi)外使用硫含量不同的燃油，根據(jù)其不同單價，建立分段速度模型進行優(yōu)化；還研究了ECA的折射效應，選取船舶通過ECA 邊界的最優(yōu)點。LINDSTAD 等[59]利用成本函數(shù)評估ECA 政策下的減排策略，表明沒有絕對的最優(yōu)選項，需要結合船舶的發(fā)動機大小，其在ECA內(nèi)的年油耗量以及未來油價走勢進行決策。接下來，GU等[60]通過計算全生命周期成本，同時對換油策略和安裝洗滌器進行評估，指出安裝洗滌器需要高昂的前期投資，因此船舶在運行過程中仍需要優(yōu)化航行模式，否則將無法收回成本。HUA等[61]對兩艘船舶的全生命周期溫室氣體排放量進行估算，分別以重油(HFO)和LNG 為燃料。使用LNG 作為船舶燃料，可以有效降低溫室氣體排放量，但會產(chǎn)生大量甲烷。

其次，分析ECA 可能帶來的負面效應。通過分析3年內(nèi)途經(jīng)ECA邊界的7000條船的AIS數(shù)據(jù)，ADLAND 等[62]發(fā)現(xiàn)，自2015年北美設立ECA 以來，宏觀來看并未對船舶航速有顯著影響，這與很多文獻的觀點相悖。CHANG等[63]采用兩階段法對ECA 限制下的歐洲和北美港口進行分析，表明ECA 的減排政策在一定程度上會損害這些港口的運營效益(15%~18%)。CHEN 等[64]研究了ECA 的設立對全球航運的影響，通過收集亞歐航線上經(jīng)過地中海海域、并可能經(jīng)過ECA的船舶數(shù)據(jù)，分析了這些船舶的軌跡特征，結果顯示，絕大部分船舶會選擇繞行ECA，這會造成某些地區(qū)的局部污染排放量過高。從船舶運營者的角度，Li等[65]探討了船舶經(jīng)過ECA 時的應對策略，進而構建模型來優(yōu)化航行模式和降低成本的策略；分析了計劃穿過北美減排區(qū)域的航線，發(fā)現(xiàn)有39.05%的船舶會選擇規(guī)避ECA(即在ECA外航行)，從而造成船舶的總排放量不減反增。

第三，在ECA排放限制下，船公司需采取節(jié)能減排措施，對航速、掛靠港和加油選擇、船隊配置、航行模式和軌跡或路徑等中期決策產(chǎn)生影響、需要協(xié)同規(guī)劃或優(yōu)化。CARIOU[66]在ECA 排放限制和船舶運載能力約束下，構建利潤最大的多貨物多掛靠港裝卸作業(yè)的網(wǎng)絡流模型，對掛靠港的選擇、掛靠順序、貨物流、配船數(shù)量和航速聯(lián)合優(yōu)化。MA等[67]在天氣變化和排放控制政策下，進行航線與速度的多目標優(yōu)化。在考慮ECA 政策下，ZHEN[68]等以總成本最小為目標優(yōu)化包含中轉港轉運的航線網(wǎng)絡，以此確定船隊配置、綠色減排措施、航速和船期表、每組起訖點(OD)對的貨運量、岸電安裝策略等。在船舶進港時，ZHUGE 等[69]提出班輪自主降速激勵機制來制定船期計劃，以降低油耗并滿足港區(qū)的排放要求。船公司之間通過航線網(wǎng)絡彼此進行貨運業(yè)務，REINHARDT 等[70]構建了考慮商業(yè)需求和排放約束的班輪航速魯棒模型，優(yōu)化轉運時間、碼頭作業(yè)時間、運河通過時間以及公司間的合作協(xié)議等。以總油耗成本最小和硫排放最少為目標，ZHEN等[71]構建了班輪在ECA內(nèi)外航行的雙目標優(yōu)化模型，以決策航行路徑和航速。以班輪運輸海上航行和在港作業(yè)停留的整個航程為目標，DONG 等[72]構建模型優(yōu)化ECA 內(nèi)減速區(qū)的最佳航速。WANG 等[73]對經(jīng)過ECA 的班輪運輸服務問題進行整體優(yōu)化，決策變量包括船舶配置、船期計劃、航行路徑和速度等，結果表明，ECA 的設立使船公司至少節(jié)約2%的運營成本。通過研究硫排放約束、碳稅和降速激勵機制等3 種減排措施，ZHUGE[74]同時優(yōu)化航行路徑、航速和船隊配置，并采用動態(tài)規(guī)劃方法求解問題。在這些研究中，ZHUGE等[69]、REINHARDT等[70]和DONG等[72]分析了船公司采取減排策略對航速的影響，其他文獻將航速優(yōu)化與其他中期決策同時建模。

此外，諸多文獻分析了ECA 政策下減排技術的發(fā)展?jié)摿?。AMMAR[75]對網(wǎng)格式集裝箱船舶使用甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機進行經(jīng)濟和環(huán)境效益評估。在使用雙燃料發(fā)動機基礎上，船舶還需降速28%，并采用選擇性催化還原法處理柴油的廢氣排放，才能滿足IMO最新的環(huán)保標準。

2.4 應對國際運輸網(wǎng)絡演變戰(zhàn)術層面的選擇

國際運輸網(wǎng)絡在各國經(jīng)濟發(fā)展競爭全球性資源的大背景下持續(xù)演變，包括時下討論比較多的“一帶一路”倡議和中美貿(mào)易戰(zhàn)。學者普遍是站在推動“一帶一路”倡議落實的角度研究班輪運輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展。圍繞新貿(mào)易線(鐵路班列或班輪航線)加入運輸網(wǎng)絡的經(jīng)濟性和可行性問題，重新構建海上運輸網(wǎng)絡。在“一帶一路”框架下，考慮加入兩條新鐵路運輸線，YANG等[76]建立雙層規(guī)劃模型優(yōu)化亞歐之間的航運服務網(wǎng)絡；與海運相比，鐵路運輸依然受限于運費高、運量低和單位貨運量的能耗高、污染大。相比于水運，鐵路運輸更加高效、且可直達絲綢之路經(jīng)濟帶的沿線國家；同時，帶動我國中西部地區(qū)發(fā)展的作用是水運無法完成的。為此，政府補貼鐵路貨運從而鼓勵貨主選擇中歐班列、新亞歐大陸橋班列；這毋庸置疑提高了貨運效率，當然代替運價低、運量大的班輪運輸也從來不是聯(lián)通絲綢之路經(jīng)濟帶各國鐵路班列設置的初衷或目標。在分析兩條遠東-歐洲的新班輪航線經(jīng)濟性的基礎上，YANG等[77]通過績效評價系統(tǒng)對新的班輪航線與已有航線進行比較，并調查價格變動、限硫令和“一帶一路”政策對新增航線的影響。

從成本、環(huán)境影響、可靠性和安全性等方面對“一帶一路”經(jīng)濟走廊的發(fā)展?jié)摿M行分析，并與傳統(tǒng)運輸航線相比，WEN 等[78]論證了“一帶一路”倡議的優(yōu)勢所在。對“一帶一路”航運網(wǎng)絡進行分析，PAN 等[79]找出連通性較差的節(jié)點港口并指出其連通性有待提高。ZHANG等[80]對“一帶一路”協(xié)議框架內(nèi)的56個國家的能源性能進行逐一計算并比較分析。隨著“一帶一路”政策的推動，中國政府提高了在西非國家對交通基礎設施的投資額，XIN等[81]以廣義交通成本最小為目標，構建了航運網(wǎng)絡設計與基礎設施投資聯(lián)合優(yōu)化模型。

中美貿(mào)易戰(zhàn)已沖擊到航運市場，航運企業(yè)應在戰(zhàn)術層面做好準備，以應對由此衍生的與貿(mào)易息息相關的市場風險。從業(yè)內(nèi)專家分析來看，貿(mào)易摩擦會全面影響航運各細分市場，對油運、集運和散運市場均帶來了不同程度的負面影響。GONG 等[82]研究中美貿(mào)易影響下，干散貨運價指數(shù)與股票市場的動態(tài)相關性，結果顯示，中美貿(mào)易量的降低會增強運價與股價的傳染風險?；谥忻篮竭\貿(mào)易數(shù)據(jù)，王列輝等[83]分別設置隨機與蓄意兩種網(wǎng)絡攻擊方式，對中美集裝箱航運網(wǎng)絡進行脆弱性評估并找出相對重要的中介港口。

2.5 小結

表2 梳理了戰(zhàn)術層的研究問題。結合本節(jié)的討論，建議從以下幾個方向推進該領域在戰(zhàn)術層面的研究：(ⅰ)確定性條件下通過優(yōu)化航速控制船舶油耗和排放的研究已非常充分，但仍有很多不確定性因素應予以考慮，包括運輸市場需求波動、國際原油價格波動、政策因素、季節(jié)和天氣因素、船舶運力變化，以及影響全球或較大區(qū)域的疫情(如2020年初開始影響全球的新冠肺炎疫情)等。(ⅱ)利用當下或歷史實際數(shù)據(jù)(如AIS數(shù)據(jù))分析不確定事件的發(fā)生規(guī)律，提高不確定因素相關參數(shù)設定或隨機事件概率分布的準確性與合理性。(ⅲ)全球集運市場已然呈現(xiàn)各大航運聯(lián)盟主導態(tài)勢，面對迫在眉睫的減排任務，各聯(lián)盟紛紛出臺燃油稅，進而將部分成本轉向托運人承擔；聯(lián)盟內(nèi)各企業(yè)間是否存在某種競爭或合作關系，是否可以通過協(xié)作(合作機制或協(xié)議定價)承擔經(jīng)濟風險和社會責任，進而向客戶提供更加優(yōu)質的服務，值得進一步探究。(ⅳ)考慮船舶在港時間不確定的文獻中，多數(shù)直接假設船方會根據(jù)碼頭繁忙情況降速，以縮短在港等待時間，但很少有文獻對船方和港方這種合作關系的合理性進行論證；對于港口與船公司的協(xié)議或博弈關系需進一步討論，如制定不同的時間窗或作業(yè)效率等。(ⅴ)與上、下游運輸節(jié)點的聯(lián)系逐漸增多，如考慮碼頭作業(yè)資源的限制；內(nèi)陸轉運中需考慮轉運時間或貨運需求的限制；環(huán)保技術投資建設會涉及到航運公司與碼頭的關系，如岸電裝置的安裝涉及到航運企業(yè)、政府與港口三方?jīng)Q策。

表2 戰(zhàn)術層研究問題分類Table 2 Classification of research issues at tactical level

3 執(zhí)行層面決策

梳理海運環(huán)境政策和限排要求下，班輪公司在執(zhí)行層面所作的決策調整，主要包括綠色可持續(xù)的集裝箱調運以及干擾恢復管理。

3.1 控制排放的集裝箱調運

集裝箱調運離不開班輪公司的中期決策，并且包含了空箱調運問題。降低油耗的空箱調運策略，SONG 等[84]引入拓撲結構和船舶負載因子，以成本最小為目標構建遠洋運輸航線設計模型，決策航線結構、船舶配置和空箱調運問題。AKYüZ 等[85]在轉運時間約束下，研究了多類型貨物運輸路徑優(yōu)化以及空箱調運問題。胡堅堃等[86]建立了多港掛靠與軸輻式混合網(wǎng)絡模型，對航線選擇與船型配置、重箱與空箱調運、航速選擇進行決策優(yōu)化。控制排放的空箱調運研究，SONG 等[87]采用基于活動的方法計算兩條亞歐航線上班輪運輸?shù)奶寂欧帕?，以此選擇更環(huán)保的航線行駛，并分析了空箱調運策略和在港裝卸作業(yè)量對碳排放因子的影響。沈二樂等[88]在保證重箱正常運輸和碳排放約束下，建立了考慮碳交易的雙目標空箱調運模型，分析碳交易價格對總成本和運輸時間的影響。GOH[89]提出了影子定價法，預估可折疊集裝箱對太平洋西向貿(mào)易中回程空箱運費的影響，并采用基于活動的方法估計了碳排放量?？烧郫B集裝箱縮小了去程和回程的運費差值，回程不再需要內(nèi)陸轉運，且有利于降低碳排放量。

針對集裝箱運輸減排問題，QIU 等[90]在“一帶一路”背景下構建了允許船舶共享的集裝箱運輸分配模型，其中以中國-中南經(jīng)濟走廊為算例，分析顯示，船舶共享有利于節(jié)能減排并提高收益?；诎噍喒竞献鳎琁RANNEZHAD 等[91]構建時間窗約束下的動態(tài)車輛分配和調度模型，優(yōu)化內(nèi)陸空箱調運和集卡調度；分析指出，公司之間的合作可減少不必要的運輸和箱量存儲，降低40%的油耗和排放；若利用共享集卡或大型集卡，更具有環(huán)保效益。

3.2 反應式的綠色班輪運營優(yōu)化

影響班輪運輸?shù)牟淮_定因素按照發(fā)生頻率可分為，規(guī)律性事件和一次性突發(fā)事件。對于前者，班輪公司預先分配冗余時間，在執(zhí)行層面采取預調度的方式應對規(guī)律性干擾事件。但當意外事件發(fā)生，如碼頭工人罷工、船舶碰撞、颶風等，造成船舶運輸直接中斷，班輪運營者在綠色背景下，應從操作層面采取措施恢復受擾的船期和船舶的正常運營。一般的應對策略包括改變航速、跳過港口掛靠、改變港口訪問順序、縮短在港時間等，而這些也會引起船舶油耗量的產(chǎn)生及排放量的變化。

其次，優(yōu)化降低燃油成本的干擾恢復策略。LI等[92]建立了非線性模型解決船期延誤問題，并用動態(tài)規(guī)劃方法進行求解。加快航速是應對短時延誤最有效的措施，而突發(fā)事件則需要減少掛靠港口數(shù)量或改變港口訪問順序才能得到恢復。LI 等[93]針對規(guī)律性和偶然性不確定事件造成的延誤，為班輪公司提出了實時調度的恢復策略，以最大限度恢復延誤船期。設立最小化油耗成本和延遲損失為目標建立了多階段隨機控制模型。CHERAGHCHI等[94]構建了采取加速策略恢復船期的多目標模型，應用幾種多目標智能算法求解，得出帕累托解以權衡最小時間延誤和最小經(jīng)濟損失兩個目標。邢江波[95]采用波優(yōu)化處理班輪運輸中的不確定性問題，構建了軸輻式網(wǎng)絡下的集裝箱流恢復模型，從而提供可靠的班輪船期表設計?？紤]ECA政策的排放約束，DE 等[96]在滿足港口泊位數(shù)量限制和貨運需求下，構建船期計劃與燃油管理決策模型，考慮了重油和輕質油的加油策略以及碳稅成本，并在惡劣天氣導致港口關閉等干擾事件發(fā)生時，采取跳港策略建模；LI等[92]僅假設在某種已知情況下采取恢復措施，而其余文獻均考慮了未來出現(xiàn)突發(fā)事件的可能性。

第三，優(yōu)化降低船舶排放的干擾恢復策略。通過增加航速、減少掛靠港、改變港口訪問順序等措施來應對4 類突發(fā)事件，以權衡油耗增加、對余下航程影響和服務水平之間的關系，BROUER[97]建立恢復策略決策以應對突發(fā)情況的混合整數(shù)模型，結果使成本節(jié)約達58%以上。利用馬爾可夫過程，MULDER 等[98]構建班輪船期延誤恢復模型，通過中期層面的緩沖時間分配和短期層面的恢復措施相結合，以達到船期設計的經(jīng)濟性和魯棒性。

3.3 國際原油價格變化和新冠肺炎疫情的影響

在戰(zhàn)略和戰(zhàn)術層面需要考慮這些因素，實際執(zhí)行中需要選擇何時啟動應對策略。因此，本文在這部分討論國際原油價格變化和新冠肺炎疫情等突發(fā)事件的影響以及班輪運輸業(yè)在運營層面的應對策略。

原油價格的波動主要涉及航運企業(yè)的燃油成本，影響班輪公司的燃油補給策略及征收燃油附加稅。隨著限硫令和綠色航運的推進，油價波動也對綠色環(huán)保技術的選擇產(chǎn)生了影響。LINDSTAD等[99]比較分析了安裝脫硫塔、使用低硫油或LNG的能耗量及成本。在原油價格變化下，不同船型會有不同的選擇。原油價格直接關系高硫油價的變動，HALFF等[100]指出“限硫令”會對精煉廠和原油廠商帶來不利影響，可能反而會減緩傳統(tǒng)燃料向現(xiàn)代燃料轉變的過程。MAITR等[101]研究了原油價格與班輪市場股市收益的波動溢出性和關聯(lián)性。

新冠疫情阻礙了世界供應鏈的暢通運轉，使需求市場疲軟，對世界經(jīng)濟環(huán)境造成巨大的負面影響，也間接影響了航運業(yè)各細分市場。NOTTEBOOM 等[102]對新冠疫情影響下的集裝箱港口和班輪運輸業(yè)進行時空序列分析，并與2008—2009年的金融危機影響相比較。XU 等[103]對中國14 個主要港口的面板數(shù)據(jù)進行建模，分析了宏觀經(jīng)濟、疫情蔓延程度以及政府防控措施對港口運營作業(yè)的影響。NARASIMHA 等[104]定量分析了新冠疫情對印度港口運輸和海上供應鏈系統(tǒng)的沖擊，并提出了后疫情時代的恢復建議。面對充滿疫情風險的郵輪，CHOQUET等[105]探討了海港國家是否應接收其?？康姆煞ㄒ?guī)和救助規(guī)則。

若船舶不安裝脫硫裝置，在ECA 內(nèi)外行駛時會使用硫含量不同的燃油或使用清潔能源，航行速度也會發(fā)生變化。這在FAGERHOLT等[58]和ZHEN等[68]兩篇文獻中有深入研究。

3.4 小結

相較于在戰(zhàn)術層節(jié)能減排方面豐富的研究，針對該領域執(zhí)行層決策方面的研究總結在表3 中。無論從集裝箱調運問題，還是干擾事件后針對恢復問題的決策，都應繼續(xù)推動環(huán)境可持續(xù)發(fā)展方向的研究。值得進一步研究的問題包括：(ⅰ)減排技術的應用或環(huán)保政策對集裝箱運輸路徑、運輸網(wǎng)絡構建的影響。(ⅱ)對于ECA設立下船舶的航行模式，遇到突發(fā)事件干擾后，是否需采取不同恢復策略以及降低排放的集裝箱流恢復策略。(ⅲ)排放限制下集裝箱調運，班輪公司與內(nèi)陸運輸方式的協(xié)作或競爭。(ⅳ)考慮集裝箱轉運過程中的不確定性因素，包括港口需求不確定性、內(nèi)陸轉運方式效率與容量的不一致等。(ⅴ)借鑒綠色公共交通的“共享”“智能”思想，探討“共享集裝箱”“共享集卡”等在集裝箱運輸中的可行性，以及“智能船舶”“自動駕駛船舶”的減排效益和可行性分析。

表3 執(zhí)行層研究問題分類Table 3 Classification of research issues at operational level

4 結論

本文旨在就當前集裝箱班輪運輸環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究現(xiàn)狀提供一個綜述；按照決策水平、時間脈絡和研究主題，從3 個層次7 個類別進行綜述。這里的三點觀察值得重視：

首先，研究趨勢變化與環(huán)境政策緊密關聯(lián)。圖2把2009年1月—2021年3月發(fā)表的相關文獻按戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術層和執(zhí)行層分4 個時間段進行統(tǒng)計。2009年，海上環(huán)境委員會(MEPC)在第59 屆會議上，提出了一系列控制船舶溫室氣體排放的自主選擇措施；2011年，MEPC62 通過了船舶能效規(guī)則(MARPOL73/78,Annex VI)，并在2013年進入實施，這是首個針對航運溫室氣體排放的國際法律文件，此后發(fā)表的碳排放相關文獻占了95%；2018年出臺首項碳減排50%的戰(zhàn)略目標，2018—2021年的文獻[15,19-20]即基于這一政策展開。此外，自2006年至今，全球范圍內(nèi)已有多處ECA 劃定，限制船舶硫、氮氧化物的排放。2008年10月，MEPC58 首次提出強制限硫要求及實施時間，關于ECA 政策影響的文獻均在2008年之后。伴隨2020年“限硫令”的到來，2018—2021年應對ECA 政策的文獻占了81%。因此，該領域的研究一直緊扣當前及未來一段時間內(nèi)航運業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求和政策走向。

圖2 2009年1月—2021年3月發(fā)表的相關文獻的分時段分析Fig.2 Analysis of relevant publications from January 2009 to March 2021

其次，從決策水平和問題類別來看，針對戰(zhàn)術層決策的研究遠多于針對戰(zhàn)略和執(zhí)行兩層。大部分研究通過優(yōu)化或改進航速相關的運營作業(yè)(基于船舶能效管理計劃)來實現(xiàn)節(jié)能減排或改善降低硫排放的運營措施，而長期和短期決策仍需繼續(xù)深入研究。另外，考慮不確定因素的研究相對較少。

第三，從決策主體來看，大部分研究以航運公司作為單獨的決策主體。這需要有所改變，畢竟集裝箱班輪運輸離不開上下游節(jié)點企業(yè)、碼頭運營商和內(nèi)陸轉運；此外，與班輪運輸相關的環(huán)境政策和機制的制定也離不開政府。

綜上，針對3 個決策層面的班輪運輸文獻研究，表4 列出了對應的典型問題、目標、輸入變量、約束、決策變量和典型性代表性文獻。

表4 續(xù)表

表4 典型性班輪運輸決策問題梳理Table 4 Analysis of decision-making issues in typical liner shipping

因此，建議：(ⅰ)繼續(xù)在優(yōu)化班輪運輸中考慮多目標。梳理的文獻中同時考慮環(huán)境和不確定性因素的僅有10%。不確定性因素的考慮使研究更貼近實際問題，而將多目標優(yōu)化作為決策手段可兼顧經(jīng)濟、環(huán)境和社會責任，有利于航運業(yè)可持續(xù)發(fā)展。(ⅱ)要結合行業(yè)實際提煉科學問題。國際航運業(yè)、尤其班輪運輸極易受到政策導向、世界經(jīng)濟環(huán)境的影響。如“一帶一路”倡議的落實對集裝箱運輸網(wǎng)絡重構的影響[90-91]；中美貿(mào)易戰(zhàn)使關稅增加，這都給世界貿(mào)易提供服務的集裝箱運輸帶來很大沖擊[92]；“2020 限硫令”“2050 碳減排目標”、中國排放控制區(qū)擴大等更加嚴格的排放限制，全球碳達峰、碳中和目標的實施路線圖等都將影響全球班輪運輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展選擇。(ⅲ)從供應鏈的角度，研究集裝箱班輪運輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展。航運聯(lián)盟、港口集群形式的出現(xiàn)，說明當前的競爭不再局限于企業(yè)內(nèi)部；航運公司應如何處理與橫向企業(yè)或上下游節(jié)點的關系都值得研究。(ⅳ)為配合在運營層面的努力，還要研究通過技術途徑或手段推動班輪運輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展。運營層面的減排效果已經(jīng)有限，依賴技術手段才能實現(xiàn)既定航運減排目標，包括燃料電池、岸電技術、廢熱利用、碳捕獲和存儲、洗滌器，以及太陽能、風能、氫和生物燃料等可再生能源的發(fā)展。(ⅴ)借鑒其他運輸行業(yè)較為成熟的綠色環(huán)保發(fā)展思路，如“共享”概念、“智慧交通”等促進航運環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。