巴云雨, 陳俁秀

(中國(guó)民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300300)

溫室氣體排放引起的全球變暖已成為21世紀(jì)的重大挑戰(zhàn),二氧化碳(CO2)排放是主要原因,控制CO2排放已成為減緩全球變暖的重點(diǎn)[1]。改革開放以來,中國(guó)民航業(yè)蓬勃發(fā)展。根據(jù)中國(guó)民航局統(tǒng)計(jì),1980—2019年,航空運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量從4.3億RTKs(收入噸公里)增長(zhǎng)到1 294億RTKs,年均增長(zhǎng)15.8%,是世界平均水平的3倍。中國(guó)民航的快速發(fā)展帶來的環(huán)境問題日益突出,中國(guó)民航CO2排放量從1980年的107萬t增長(zhǎng)到2019年的1.2億t,盡管占全國(guó)CO2排放量的比例相對(duì)較小(約1.5%),但目前提高航空燃油效率還很困難,航空運(yùn)輸?shù)男枨笥植粩嘣黾?帶來的環(huán)境影響不容小覷[2]。2022年民航局在《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中要求統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)、國(guó)際碳市場(chǎng)建設(shè),推動(dòng)建立運(yùn)輸航空飛行活動(dòng)基于市場(chǎng)的碳減排機(jī)制。

1 文獻(xiàn)綜述

在碳市場(chǎng)的建設(shè)中碳排放配額分配是核心也是難點(diǎn)問題[3]。配額分配直接關(guān)系到減排效率,也影響各排放單位參與減碳工作的主動(dòng)性和市場(chǎng)交易活躍程度[4]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的分配原則對(duì)碳排放權(quán)的合理分配進(jìn)行了大量研究,其中公平原則被認(rèn)為是最重要的原則。

公平原則指的是政府的碳權(quán)管理部門依據(jù)平等合理無偏向的標(biāo)準(zhǔn),將碳排放權(quán)分配給各主體[5]。從發(fā)展的角度來講,碳排放配額是一種稀缺的資源,配額的分配其實(shí)就是對(duì)發(fā)展資源的分配,也是對(duì)發(fā)展權(quán)利的分配[6]。各個(gè)企業(yè)的發(fā)展程度和發(fā)展基礎(chǔ)不同,不公平的分配結(jié)果會(huì)導(dǎo)致市場(chǎng)的不公平競(jìng)爭(zhēng),甚至影響企業(yè)的正常發(fā)展。因此在分配方案制定中應(yīng)綜合考慮航空公司的先期減排行動(dòng)和減排能力等因素。

根據(jù)研究者側(cè)重點(diǎn)的不同,常見的幾種分配原則包括平等主義原則、污染者自負(fù)原則、祖父原則、支付能力原則、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)原則。這些原則從不同角度解讀了公平原則,但只考慮某一個(gè)原則,很難綜合考慮航空公司的先期減排行動(dòng)和減排能力等因素。為此,在實(shí)際的碳配額分配方案中,通常需要綜合考慮多個(gè)公平原則。為了彌補(bǔ)單一方法在分配過程中存在的問題,張博和何明洋[7]提出一種綜合考慮包含環(huán)境承載力在內(nèi)的多因素的初始碳排放權(quán)分配方案,并針對(duì)政策制定者的選擇偏好進(jìn)行了多情境分析。Han等[8]構(gòu)建了綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),應(yīng)用綜合加權(quán)法模擬北京、天津、河北 3地之間的碳配額分配。Tang和Hu[9]比較了基于祖父原則分配、基于基準(zhǔn)法分配、基于綜合指標(biāo)法分配、基于多目標(biāo)規(guī)劃分配4種方法,對(duì)比發(fā)現(xiàn),基于多目標(biāo)分配的方法減排效果更優(yōu)而且減排成本更小。

2 模型構(gòu)建與數(shù)據(jù)來源

根據(jù)不同公平原則的分類,其中平等主義原則、污染者自負(fù)原則、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)原則會(huì)嚴(yán)重影響航空市場(chǎng)平衡競(jìng)爭(zhēng)。祖父原則單純依據(jù)航空公司的歷史排放量進(jìn)行分配,對(duì)于采取過減排措施的航空公司并不公平,不利于促進(jìn)航空公司積極采取減排措施,但其優(yōu)勢(shì)是可以較公平地進(jìn)行分配,使得航空公司更容易接受?；谥Ц对瓌t的分配簡(jiǎn)單依據(jù)航空公司經(jīng)濟(jì)能力承擔(dān)相應(yīng)的減排義務(wù),對(duì)于以盈利為目的的航空公司來說是不公平的,但其可以避免航空公司因減排成本太高而不能正常運(yùn)行。這兩種分配方式各有利弊,為此本文選擇采用多目標(biāo)規(guī)劃模型,以祖父原則為基礎(chǔ),同時(shí)考慮航空公司的支付能力,爭(zhēng)取在碳排放與航空公司收益之間找到一個(gè)平衡點(diǎn),能夠盡可能地使碳排放最小,又能使航空公司獲得更大的收益。基于以上兩個(gè)原則,選擇采用多目標(biāo)規(guī)劃模型進(jìn)行基于公平原則的配額分配。

對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建,根據(jù)民航的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃,政府希望航空公司最大限度地降低排放量;而航空公司則試圖使收益最大化,航空公司想要達(dá)到更多的收益,需要增加周轉(zhuǎn)量,但周轉(zhuǎn)量增加會(huì)導(dǎo)致排放量增加,故兩個(gè)決策變量可以在相互制約的情況下找到一個(gè)平衡時(shí)的最優(yōu)解。以上可以表示為

(1)

式中:Ei為航空公司i的排放量;Ti為航空公司i的運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量,t·km;Qi為航空公司i的單位噸公里二氧化碳排放量;pi為航空公司i的單位噸公里收益;ci為航空公司i的單位營(yíng)業(yè)成本;pc為交易碳價(jià);p′c為拍賣碳價(jià);EFi為航空公司i得到的免費(fèi)分配的配額量;wi為航空公司i購(gòu)買的政府預(yù)留拍賣量。

對(duì)于約束條件的構(gòu)建。首先對(duì)免費(fèi)配額總量、免費(fèi)配額分配量、拍賣配額量之間的數(shù)量關(guān)系進(jìn)行描述。其次描述配額總量的計(jì)算方式。配額總量的約束式為

(2)

式中:Ec為配額總量;G為《“十四五”民航綠色發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》中噸公里CO2排放量目標(biāo);w為政府預(yù)留拍賣量;T為2025年10家航空公司總周轉(zhuǎn)量。其中配額總量Ec等于政府預(yù)留拍賣量和免費(fèi)分配配額量的總和,計(jì)算方法為《“十四五”民航綠色發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》中噸公里CO2排放量與總周轉(zhuǎn)量的乘積。

模型中,基于祖父原則,航空公司歷史排放量越大將獲得相對(duì)多的配額量,同時(shí)考慮航空公司的發(fā)展,留有一定的發(fā)展空間。其約束式為

(3)

式中:Eimin為航空公司i的最小排放量;a為范圍限制系數(shù)。以上公式表明,免費(fèi)配額不能超過實(shí)際的排放量的a倍,同時(shí)為了保證航空公司的發(fā)展,免費(fèi)配額不能低于航空公司i的歷史最小排放量。

模型中,航空公司可以決策周轉(zhuǎn)量的大小達(dá)到收益最大的目的,但航空公司周轉(zhuǎn)量不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅度的增長(zhǎng)和減少,為使結(jié)果符合事實(shí)依據(jù),需要對(duì)航空公司的周轉(zhuǎn)量進(jìn)行上下限約束,其中考慮到中國(guó)民航業(yè)處于發(fā)展階段,為此需要預(yù)留一定的發(fā)展空間。對(duì)周轉(zhuǎn)量的約束公為

(4)

最后,一些非負(fù)約束式為

Ti≥0,EFi≥0,i=1,2,…,10

(5)

模型中共有兩個(gè)決策變量。第一個(gè)是航空公司的免費(fèi)配額量,由政府決定,其目標(biāo)是盡量減少排放,還有一個(gè)是周轉(zhuǎn)量,由航空公司決定,航空公司希望通過升級(jí)技術(shù)來確保提高周轉(zhuǎn)量同時(shí)降低排放成本,以實(shí)現(xiàn)效益最大化。

整體模型如式(6)所示,參數(shù)和變量見表1。

(6)

表1 模型中的符號(hào)含義以及計(jì)算方法

通常采用遺傳算法解決多目標(biāo)問題。遺傳算法是基于遺傳迭代的方式來尋找最優(yōu)解[10-11]。此外,遺傳算法也應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化領(lǐng)域,并經(jīng)歷了較為系統(tǒng)的發(fā)展,由于多目標(biāo)優(yōu)化問題的復(fù)雜性,該方法也不斷得到改進(jìn)[12-13]。本文采用改進(jìn)的非支配排序算法進(jìn)行求解。該算法被Majumdar和Bhunia[14]用于求解廣義分配問題。多目標(biāo)遺傳算法的求解過程包括初始化群體、計(jì)算目標(biāo)值、排序、比較同級(jí)別的擁擠距離,然后選擇非劣解進(jìn)入交叉、變異、迭代,最后求出最優(yōu)解。使用MATLAB軟件進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃模型求解,其中部分參數(shù)設(shè)置:迭代次數(shù)為500;個(gè)體維度為20;染色體大小為30;目標(biāo)為2 個(gè);變量為20;交叉概率為0.6;突變概率為0.02。經(jīng)過 300 次迭代后,得到 58 個(gè)非支配解,根據(jù)支付能力原則選擇最優(yōu)解,即在相同條件下,選擇Ti(pi-ci)越小、EFi越大的解作為最優(yōu)解。

由于2020—2022年新冠肺炎疫情爆發(fā),故在預(yù)測(cè)時(shí),不參考2020—2022年的數(shù)據(jù),將2019年的數(shù)據(jù)順延至2023年,預(yù)測(cè)未來兩年的結(jié)果作為2025年的數(shù)據(jù)。

在考慮運(yùn)輸量和收益的基礎(chǔ)上,選擇10家航空公司進(jìn)行實(shí)證分析,其中7家是國(guó)有航空公司,3家是發(fā)展最好的民營(yíng)航空公司。這10家航空公司占據(jù)了航空業(yè)70%的總運(yùn)輸量。

航空公司周轉(zhuǎn)量、燃油消耗量數(shù)據(jù)來源于《從統(tǒng)計(jì)看民航》《民航統(tǒng)計(jì)年鑒》,碳排放量計(jì)算方法按照《中國(guó)民航總公司溫室氣體排放核算方法》和《報(bào)告指南》,航空公司的運(yùn)營(yíng)成本來自航空公司年報(bào)(2005—2019年),運(yùn)輸收益單價(jià)來自《民航業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2005—2019年),航空減排目標(biāo)來自《“十四五”民航綠色發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》。

3 實(shí)證結(jié)果分析與討論

3.1 配額總量的計(jì)算

根據(jù)灰色預(yù)測(cè)模型,預(yù)計(jì)2025年航空公司周轉(zhuǎn)量分別為303.36、233.10、180.10、119.17、75.05、77.68、66.81、54.61、63.18、42.48億t·km。如圖1所示,由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng),民航業(yè)還處于高速發(fā)展階段,未來幾年10家航空公司的周轉(zhuǎn)量呈現(xiàn)較快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖1 周轉(zhuǎn)量預(yù)測(cè)(以ZGNF為例)

為了驗(yàn)證周轉(zhuǎn)量預(yù)測(cè)是否可靠,采用后驗(yàn)差檢驗(yàn)對(duì)模型(包括PER后驗(yàn)差和SEP小誤差概率)的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見表2,可以發(fā)現(xiàn)PER遠(yuǎn)小于0.45,SEP均等于1,大于0.7。因此,可以認(rèn)為GM(1, 1)模型對(duì)2025年周轉(zhuǎn)量的預(yù)測(cè)較為可靠。

表2 后驗(yàn)差檢驗(yàn)結(jié)果

《“十四五”民用航空發(fā)展規(guī)劃》中對(duì)2025年運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量預(yù)期為1 750億t·km,根據(jù)《2019年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》可知,2019年運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量1 293.25億t·km,計(jì)算10家航空公司在2019年與2025年周轉(zhuǎn)量在全國(guó)占比確定預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。

2019年10家航空公司周轉(zhuǎn)率的全國(guó)占比分別是18.10%、14.21%、11.48%、6.41%、4.27%、4.25%、3.93%、2.81%、2.65%、1.94%,預(yù)測(cè)值占比為17.33%、13.32%、10.29%、6.81%、4.29%、4.44%、3.82%、3.12%、3.61%、2.43%。由此可得,10家航空公司在2019年和2025年周轉(zhuǎn)量占比差異不大,符合客觀事實(shí),由此可確定基于灰色預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果是可信的。

基于灰色預(yù)測(cè)模型的結(jié)果,根據(jù)式(3)可計(jì)算出配額總量為10 769.66萬t,其中政府預(yù)留拍賣量為323.1萬t。

3.2 基于公平原則的初始碳配額分配結(jié)果

基于多目標(biāo)規(guī)劃模型[式(6)]對(duì)10家主要航空公司進(jìn)行碳排放配額分配,結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于多目標(biāo)規(guī)劃的10家航空公司配額分配量

將最佳周轉(zhuǎn)量和碳配額分配量變化趨勢(shì)繪制在同一張圖中,如圖3所示,其變動(dòng)趨勢(shì)幾乎一致,可知基于公平原則的分配方式下航空公司的周轉(zhuǎn)量越多,獲得的碳排放配額就越多。相比之下,ZGNF將獲得最高的碳配額,而SHJX將獲得最低的碳配額。

圖3 10家航空公司最佳周轉(zhuǎn)量和碳配額量變化趨勢(shì)對(duì)比

根據(jù)分配結(jié)果,可以計(jì)算出基于公平原則下航空公司減排量(圖4)。不難發(fā)現(xiàn),若要達(dá)到《“十四五”民航綠色發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》減排目標(biāo),10家航空公司都需要做出相應(yīng)的減排措施。其中,ZGDF航空公司需要的減排量最大,其次是ZGNF,而ZGGJ和SHJX所需的減排量較少。

圖4 基于公平原則的10家航空公司減排量

根據(jù)航空公司的歷史排放量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),ZGDF的歷史噸公里排放量最高,這也是導(dǎo)致ZGDF減排量最高的主要原因。相對(duì)來說SHJX、CQHK等需要的減排量更少,主要是這些小而新的公司在機(jī)隊(duì)規(guī)模上一般采用了新一代的飛機(jī),新飛機(jī)有著排放量更少、排放效率更高的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于航空公司來說,采用新型飛機(jī)、優(yōu)化燃油效率等手段降低排放強(qiáng)度是最有效的減排方式。

綜上所述,基于多目標(biāo)規(guī)劃模型的分配結(jié)果,能夠綜合考慮航空公司的先期減排行動(dòng)和減排能力等因素,較公平地處理航空公司之間的配額分配問題。

4 結(jié)論與建議

基于多目標(biāo)規(guī)劃的分配方法可以平衡減排與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系,保障航空公司和政府雙方的利益,較為公平地分配碳配額。基于公平原則的分配結(jié)果可知,若要達(dá)到《“十四五”民航綠色發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》減排目標(biāo),中國(guó)大部分航空公司還需要作出相應(yīng)的減排措施。對(duì)于航空公司來說,降低排放強(qiáng)度是最有效的減排方式,在目前可持續(xù)航空燃料開發(fā)還不成熟的階段,可以通過以下幾種方式降低航空公司的碳排放強(qiáng)度。

(1)優(yōu)化機(jī)隊(duì)。采用像A320NEO、A321NEO等新一代高效機(jī)型,淘汰 B733、B77A等老舊機(jī)型,可以有效提升機(jī)隊(duì)整體航油使用效率。對(duì)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)油升級(jí)改造、飛機(jī)加裝翼尖小翼等也可以降低飛機(jī)油耗。

(2)提高飛機(jī)載客率。盡量確保每次飛行都以更高的載客率運(yùn)營(yíng),從而分?jǐn)偺寂欧?。?yōu)化航班計(jì)劃、增加座位利用率,都是有效的方法。

(3)改進(jìn)飛行路徑和技術(shù)。采用更智能的航線規(guī)劃、更先進(jìn)的航空交通管理系統(tǒng),以及采用節(jié)油技術(shù),都可以降低碳排放。

(4)使用地面電源。在飛機(jī)停靠時(shí)使用地面電源,而不是使用發(fā)動(dòng)機(jī)提供的電力,可以減少待機(jī)過程中的碳排放。

(5)推動(dòng)碳抵消和碳中和計(jì)劃。航空公司可以投資于碳抵消項(xiàng)目,如植樹計(jì)劃或其他可再生能源項(xiàng)目,以抵消其自身難以避免的碳排放。

(6)優(yōu)化貨運(yùn)運(yùn)輸方式。對(duì)于貨運(yùn)航空公司,優(yōu)化貨物運(yùn)輸方式,采用更高效的貨運(yùn)計(jì)劃和裝載方法,有助于減少碳排放。