基于随机决策理论的高能效江海直达船型论证

张思婧， 王丽铮， 徐怀亚

(武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063)

基于随机决策理论的高能效江海直达船型论证

张思婧， 王丽铮， 徐怀亚

(武汉理工大学 交通学院， 湖北 武汉 430063)

针对目前国内航运市场上营运的江海直达船型大多按照海船规范进行设计，普遍存在尺度比不适合内河浅水航道条件、航行能效指标低下而难以满足国家大力发展低碳绿色航运等问题，分析江海直达船型能效指标主要影响因子，建立综合评价模型，并考虑到航运市场的不确定性，基于随机决策理论提出2万吨级江海直达船型技术经济论证方法，得到综合最优的高能效江海直达船型，为未来江海直达船型的发展提供参考。

江海直达；船型论证；随机决策；EEDI

0 引 言

江海直达运输在航运业中至关重要，约90%的全球贸易通过海上运输实现，而船舶每年的排放量也对生态环境造成较大的破坏，随着国际海事组织海上环境保护委员会各类公约的出台[1-2]，高能效船型的发展势在必行。江海直达运输是一种船舶由江段直接驶入海段，将货物直接由始发港运至终点港的运输方式，这种运输方式可节约中转费用及装卸货时间。在我国，江海直达运输日趋受到各大航运企业的青睐，同时受到国家的大力扶持，但其目前仍存在很多问题，主要表现为船舶技术水平落后、能效水平低下等。目前市场上营运的江海直达船型大多按照海船规范进行设计，尺度比不适合内河浅水航道条件，与市场环境及航道条件不匹配，航行时能效指标低下，难以满足低碳航运的需求。

对于绿色船舶已有不少学者进行过相应的研究[3-5]，然而将其应用到江海直达船型的研究较少，且在论证过程中没有考虑到航运市场的不确定性[6]。事实上这类不确定因素的影响十分重要，需要借鉴模糊信息下的决策方法[7]，以及复杂问题决策的综合评价方式[8]，针对最主要影响因素采用随机决策理论进行论证。

随着国家政策的进一步实施，内河航道等级逐渐提升，船舶大型化发展空间越来越大，江海直达船型的发展空间日益增大。通过进一步对长江航道的治理，江苏省浏河口处的长江深水航道将会延伸至南京，未来5万吨级的大型海船可以直接到达南京。考虑到江海直达船舶在2个航道不相同的海洋和内河之间根据货物的运输需求进行运输，最终希望达到运输效率高、运输成本低、运输环节少、运输货物量大的目的，且随着江海直达货船的逐渐大型化，应针对不同吨级的船舶考虑内在差异性来确定其在市场中的定位。当前的航运市场存在着较多不确定性，包括燃油价格、船价、船舶负载率等，因此有必要在船型研究时引入对环境不确定性的考虑。采用传统船舶技术经济论证与环境不确定性研究相结合的方法，进行高能效江海直达船型的综合效益分析，从而确定各个吨级下的最优船型，为未来江海直达船型的发展提供参考。

1 问题描述与建模

1.1 高能效江海直达船型研究问题描述

根据船舶航道条件以及货物流向的限制，2万吨级以下的江海直达船舶主要航线为舟山至城陵矶或舟山至武汉，2万吨级的船舶主要航线为舟山至芜湖或马鞍山至芜湖，2.5万～3万吨级的船舶由于吃水较深，一般是为宝钢集团服务的，航线为舟山至南京以下，如太仓。实地调研的结果也与此结论较为符合。

在此基础上对目前营运的江海直达船型进行能效现状评估，参考《绿色船舶规范(2015)》国内航行海船中散货船相关要求对现有江海直达货船进行能效设计指数计算(Energy Efficiency Design Index, EEDI)，计算结果统计如图1所示。

图1 江海直达船型能效现状

分析图1可知，统计船舶的EEDI计算值，发现其在基准值上下均有分布，并且随着船舶吨级的增大，EEDI计算值逐渐减小，与基准值也更为接近。就该图来看，目前江海直达货船中能效水平较低，不能满足规范要求的船型较多，而随着低碳经济的进一步发展，这些船舶势必会逐渐被淘汰，相应的市场空间会由高能效的船舶来填充，因此有必要发展高能效江海直达船型。

1.2 江海直达船型能效主要影响因素分析

对于江海直达船，参考《绿色船舶规范(2015)》中能效设计指数计算公式[9]，取冰区加强系数fc、失速系数fw、冰区功率修正系数fi与创新能效技术适用系数feff为1.0，不考虑轴带马达、发电机和能效创新技术减小的主机功率，公式可简化为

式(1)中各参数物理意义详见参考文献[9]，由式(1)可得到EEDI与主要影响因素的关系如下，即当船舶的主机机型一定时，影响EEDI计算值的主要因素为主机功率、船舶载重量和航速。

式中：P为船舶主机功率；DW为船舶载重量；V为船舶航速。

1.3 高能效江海直达船型主尺度比范围

根据40条不同船型船舶的统计数据，其中主尺度和EEDI差值同在0.5%内的数据认为取相同值。EEDI差值为EEDI基准线值与EEDI实际值差值，作为衡量EEDI的表现，得到船舶主尺度比与EEDI差值的关系，如图2～图4所示。

图2 L/B与EEDI差值关系

图3 B/T与EEDI差值关系

图4 L/T与EEDI差值关系

计算船型样本空间为现役的江海直达货船以及附近航区航行的货船共40艘，其中包括向江海直达航运企业调研得出的典型船型。分析结果具有代表性且数据统计结果较为合理。根据图2～图4进行分析可以得出对EEDI有利影响的主尺度比取值范围如下：L/B为5.66～6.90，B/T为2.2～3.7，L/T为15～21。

1.4 高能效江海直达船型综合评价模型

根据问题描述，在综合评价高能效江海直达船型时遵循以下基本原则：

(1) 在满足运输需求和保证船舶安全性的前提下，以提高船舶能效为主要目标，针对江海直达货船展开研究；

(2) 综合考虑航运基础设施的适应性、社会效益、技术性能、经济性能等多个因素；

(3) 在高能效的基础上最大限度地提高运输经济效益。

综合评价船舶各项指标的优劣程度，需要采用层次分析法综合航运参与各方的观点，借助群体判断，最终从众多船型中筛选出推荐船型。即将选取优秀推荐船型的过程分为3个层次，分别为目标层、准则层和方案层，如图5所示，从而将定性分析与定量分析相结合进行决策。

图5 高能效江海直达船型综合评价指标体系

通过层次总排序可以得到各指标权重，如表1所示。

表1 各评价指标权重

2 综合评价模型求解算法

2.1 评价指标计算方法

各项指标的计算方法如下。

必要运费率为

式中：R为必要运费率；P为船价；A/P,I,N为资金回收因数，其中A为年收益、I为贷款利率、N为船舶营运年限；Q为年运输总量；Y为年营运费用；DA为运距。

载货量系数为

式中：η为载货量系数；DW为船舶载货量；Δ为船舶满载排水量。

运输效率为

式中：μ为运输效率；Wc为载货量；V为航速；PA为主机总功率。

船舶能效比为

式中：REEDI为船舶能效比；EEDIA为船舶EEDI实际值；EEDIR为EEDI基准线。

单位油耗为

式中：Cf为单位油耗；Cy为年总燃料消耗量；Q为年运输总量；DA为运距。

此外，实船海军系数C的高低与设计水平、侧重点及船舶尺度比等有关，实际计算中采用根据船东提供的实际运行型船数据，以船舶尺度比为参数回归的海军系数公式，经过整理后具体计算式为

式中：Lpp为船舶垂线间长；B为船舶型宽；d为船舶设计吃水。

2.2 基于随机决策理论的经济性计算方法

在众多影响因素中，对经济性能影响较大的油价、船价和负载率一直是研究的重点，而对于航线固定的江海直达船型，通过回归分析取得船价与空船重量相关的动态关系式，由于负载率变化幅度不大，故主要考虑油价的影响。对2015年的油价数据统计分析，油价分布直方图如图6所示。

图6 油价分布直方图

由图可知，油价具有符合正态分布规律的趋势，采用Pearson 检验法进行假设检验，确定油价服从正态分布，其概率密度函数为

在此基础上进行高能效江海直达船型综合评价。与传统船型技术经济不同的是，在基于随机决策理论的论证过程中，考虑油价波动的随机性影响，根据前述概率密度函数，由油价分布概率产生随机数，计算船舶的经济性指标必要运费率，从而保证在船型研究过程中将不确定环境因素考虑进去。

3 计算与结果分析

通过对40条不同船型船舶的统计数据分析可知，表现优良的高能效江海直达货船船长L变化范围为114～180 m,船宽B变化范围为20.0～27.8 m,考虑到航道要求的吃水变化范围为7.5～8.0 m，主尺度比取值见1.3节。根据综合评价模型和相应的计算方法，在MATLAB软件中编程进行计算，以船舶垂线间长Lpp为横坐标、型宽B为纵坐标，绘制船舶吃水T为7.5～8.0 m的载货量等值线，以吃水8 m时为例，等值线图如图7所示。

图7 吃水为8 m时载货量等值线图

如图7所示，读取等值线图可以得出在该吃水下不同载货量的2万吨级江海直达船舶主尺度范围。基于前述计算平台及评价模型，以载货量为2.0万～2.1万 t的江海直达货船为例进行综合选优。采用网格法对其相应主尺度范围进行划分，船长步长取为1 m，型宽步长取为0.2 m， 在该尺度范围内同时满足载货量和尺度比约束的船舶共有71条。

综合评分最高的3条船相关参数如表2和表3所示。分析可知，方案3 的必要运费率属于中间值，但是快速性和能效指标均较高，综合评分最优，为最佳船型。采用同样的方式对其他吃水条件进行计算，并对2万吨级下的所有船型进行选优。

表2 综合较优的船舶基础参数

表3 综合较优的船舶评价指标

表4给出了2万吨级每个载货量范围内的最优船型主尺度。由该表可知，若不考虑宽度的固定限制，随着载货范围的增大，最优船型船舶宽度的增长较长度上更快一些。这是由于在同等情况下，船舶长度的增大对船舶造价的影响更大，而对载货容量的影响又不如宽度明显。

表4 各载货范围内的最优船型

4 结 论

通过对影响江海直达船型能效指标的主要因素进行分析，构建涉及船舶经济性、技术性、节能环保性的综合评价模型；应用多学科优化技术，将传统船型技术经济论证与随机决策理论相结合，加入对航运市场环境不确定因素的考虑，论证高能效江海直达货船的航线、较佳的船型方案及船型技术参数，并形成该类船的船型主尺度方案，对接国家“一带一路”倡仪和长江经济带发展战略，为未来江海直达船型发展提供参考。

[1] IMO. Guidelines for calculation of baselines for use with the Energy Efficiency Design Index: MEPC60/4/7[S].2010.

[2] IMO. Interim Guidelines on the Method of Calculation of the Energy Efficiency Design Index for New Ships: MEPC.1/Circ.681[S].2009.

[3] 张云浩. 基于EEDI的集装箱船技术要素研究[D].武汉：武汉理工大学,2013.

[4] 王美飞,杨启,吴漪. 浅析船舶能效设计指数[J]. 造船技术,2012(4):50-56.

[5] 赵金楼,戈钢,李根,等. 基于全生命周期的绿色船舶评价研究[J]. 生态经济,2013(6):80-84.

[6] 吴小萍,张小勇,孟祥定,等. 复杂系统决策的综合评价方法研究[J]. 系统工程与电子技术,2004(12):1807-1811.

[7] 任剑. 模糊环境下信息不完全的随机多准则决策方法研究[D].长沙：中南大学,2010.

[8] 吴小萍,张小勇,孟祥定,等. 复杂系统决策的综合评价方法研究[J]. 系统工程与电子技术,2004(12):1807-1811.

[9] 中国船级社.绿色船舶规范[S].2015.

TheDemonstrationoftheHighEfficiencyRiver-to-seaTransportationShipBasedonStochasticDecision

ZHANG Sijing, WANG Lizheng， XU Huaiya

(Department of Transportation Management, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, Hubei, China)

At present, the operation of the river-to-sea transportation ship in the domestic shipping market is mostly designed according to the specifications of the seagoing ships. There are generally many problems such that the scale ratio are not suitable for inland waterway condition of shallow water channel and the energy efficiency is low, which are difficult to meet the requirements of developing the low-carbon green shipping in the country. In order to solve these problems, the main factors that influence the river-to-sea transportation ship's energy efficiency are analyzed, and a comprehensive evaluation model is established, which takes the uncertainty of shipping market development environment into consideration. A technical and economic demonstration method of 20,000-tons scale river-to-sea transportation ship based on the theory of stochastic decision, and the integrated optimal energy-efficient river-to-sea transportation ship type is obtained, which provides a reference for the future development of river-to-sea transportation ship.

river-to-sea transportation； ship type evaluation； stochastic decision； EEDI

长江中游多目标协同大型人工水道关键技术(编号：2016YFC0402005)

张思婧(1993-)，女，硕士研究生，研究方向为船舶数字化设计理论与方法

1000-3878(2017)06-0001-05

U661

A