基于班轮运输特点的中欧间北极航线集装箱运输的可行性研究

刘成成, 连 峰, 杨忠振

(宁波大学 海运学院， 浙江 宁波 315211)

1 背景介绍

随着北极海冰覆盖范围与厚度的锐减，北极北海航道(NSR)的通航条件不断改善，商业航行潜力渐渐显露。与苏伊士航线(SCR)相比，经NSR从上海港到鹿特丹港的航程可缩短40%，很显然利用NSR可缩短亚欧之间船舶航程与货物的运输时间，减少海运成本。Li等[1]发现通过NSR的船舶年总载重吨(DWT)从2013年的395万吨增加到2018年的2 461万吨，2016年经由NSR航行的船舶共297艘，同比增长35%。尽管NSR的船舶交通量日渐增加，但其中的集装箱船到目前为止仅有两艘。因此，有理由认为利用NSR实施亚欧之间的集装箱班轮运输的时机尚不成熟，NSR航运难以满足班轮运输的需求。与公交类似班轮运输有固定的航线网络、稳定的船队和班期，各艘船舶的起终点首尾相接，重去重回。这使得集装箱班轮运输的投入-产出分析不同于不定期的散货船运输，不能以单条船一票货或一个航次作为决算单元。另外，为实现规模经济，洲际班轮运输多采用超大集装箱船，班轮航线网络越来越呈轴辐式，干线上使用的20000-TEU的超大型集装箱船无法利用NSR北极航道，用离散选择模型基于静态运输成本计算亚欧之间的NSR和SCR的分担率在理论上存在缺陷。

在上述背景下，本文考虑集装箱班轮运输的特点与2020-2040年间NSR通航能力的变化，基于NSR与SCR设计亚欧之间班轮运输网络，优化运输组织，通过比较不同的网络方案的成本，揭示NSR在亚欧集装箱班轮运输过程中的作用。

2 文献综述

目前，在气候科学和海上运输领域，有越来越多的文献预测21世纪北极航线的可用性，其中一部分学者预测和分析了冰层厚度的变化以及随冰层厚度的变化NSR可能的通航情况。马龙等[2]利用2006—2015年北极地区逐日海冰密集度数据，以2013年“永盛轮”首航NSR时所经航线为例，基于航线冰情要素明确了7-10月份航线所经水域的海冰密集度。Chai等[3]研究了NSR沿线年冰厚度和强度的统计数据，对海冰厚度、海冰强度等物理参数进行了估算，为北极船舶及船舶的设计和运营提供信息。

另有部分学者从经济和环境的角度分析NSR的可行性，这部分研究多根据船舶成本、航行成本以及规模经济等确定两条航线的经济性指标，然后针对各种货物运输根据经济或经济+环境利益的多寡来分析NSR的可行性。Lee & Song[4]等发现从距离和时间上看NSR具有经济性，但俄罗斯征收昂贵的通行费也是不容忽视的。张爱峰等[5]以AFRAMAX型油轮为母型船，比较利用NSR和SCR在亚欧之间运输原油的经济性，证明海冰会降低船舶的装载量，增加营运成本。夏一平等[6]发现在需要破冰服务时，NSR比SCR节省15%的燃油费，但船舶租金和通行费分别增加36.5%和12.4%。Wang等[7]以航运公司利益最大化为目标，基于广义纳什均衡模型分别计算NRS和SCR的集装箱流量，发现随NSR通航天数增加通过NSR运输的会获得更多的利润。钱作琴等[8]分析了NSR的地理环境特点，确定了一条多季节航行的NSR航线与适航船舶选型，比较各季节上海港-欧洲各港单航次使用NSR和SCR的经济性。Liu等[9]基于设定通航时间、通行收费与燃料价格组合脚本，比较使用4 300TEU的集装箱船通过NSR与SCR运输时的年营业利润，明确了NSR与SCR的竞争条件。Verny & Grigentin[10]研究了上海-汉堡的集装箱运输问题，发现通过SCR仍然是最经济的，但NSR和西伯利亚铁路不失为替代方案。

上述研究针对单一通道只考虑单航线的单航次成本与利润，得到的结果对散货运输有意义，对于需要长期拥有船队定点定线定期运营的班轮运输是不准确和全面的，针对班轮的研究场景设定不符合现实，因此结论具有片面性。另外，他们都假设班轮公司使用一种船型，如：分别基于4 000TEU、8 000TEU或16 000TEU的船舶实施通过NSR和SCR的运输的费用和收益分析，忽略了NSR通行不了4 000TEU以上船舶的事实，结果也是不准确的。

目前有关班轮航线优化的研究已相当成熟，但有关NSR的研究很少基于班轮运输的特点和亚欧多港口之间的集装箱OD流量优化航线网络。Xu等[11]考虑NSR海冰的动态变化对通航能力和通行费用的影响，提出NSR/SCR组合的集装箱运输航线，但并没有考虑班轮公司的经营行为。Verny & Grigentiny[10]是目前看到的唯一的基于航线设计和NSR未来通航能力的研究，但他们也假设班轮公司只采用一种运输方式(即大船走SCR、小船走NSR)，没有考虑海冰限制使得NSR只能季节性通航的问题。

为实施长期的全年不间断运输，班轮公司需权衡是用1个船队(适合NSR)还是2个船队(分别适合NSR和SCR)实施亚欧之间的集装箱运输，因此需要设定与之对应的研究场景，以保证有关NSR班轮运输研究的有效性。本研究从班轮运输网络优化的角度，基于班轮公司的经营行为以20年为时间单元分析中欧之间集装箱运输使用NSR的可能性，比较中欧之间的集装箱利用NSR和SCR的成本，避免基于单时间节点分析通道运输成本无法反应船舶前后航次之间关系以及船舶资产成本连续发生的问题。

3 模型构建

根据班轮运输的特点和班轮公司的理性运营行为(即：考虑班轮运输具有固定的航线网络、稳定的船队、1艘船舶各航次起终点首尾相接、重去重回的特性，以10-15年期间的总运输成本最小为目标进行航线网络和船舶配备决策)，以及利用NSR时最佳的船舶容量为4 000TEU，利用SCR时最佳的船舶容量为20 000TEU[4,8,10,11]的实际情况，我们认为班轮公司在同时利用NSR和SCR运输中欧之间的贸易集装箱时，最有可能的运营方案是：1)保有1个4 000TEU的船队(随着冰盖融化范围的增加，后期可以考虑用5 000TEU的船替代4 000TEU船)，7-9月运营NSR，10-6月运营SCR；2)保有2个船队(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，前者7-9月份运营NSR，其他季节闲置封存，后者全年运营SCR；3)保有2个船队(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，前者7-9月份运营NSR，其他季节船队闲置封存，后者10-6月份运营SCR，其他季节船队闲置封存。4)保有2个船队(4 000-5 000TEU的和20 000TEU-的)，基于二分法计算集装箱OD流量在两条航线的分担率，2个船队同时运营：前者7-9月份运营NSR，10-6月份运营SCR，后者全年运营SCR。4种方案的优劣主要取决于其是否比目前的方案(BAU)更具经济性。为此，针对4种方案(1-3与BAU)计量运输成本。为计算集装箱班轮的运输成本(船舶资产成本、船舶燃油成本、船舶人工成本、船舶港口使用费和集装箱装卸费等，需要在港口间集装箱OD流量和运输船舶大小已知的情况下，建立轴辐式空重箱班轮运输航线优化模型，以运输总成本最小为目标确定航线方案、集装箱装卸方案及相应的运输总成本。

3.1 模型的假设条件

①港口间的集装箱运输需求均获得服务；②空箱调运满足重箱运输需求；③船舶数量满足航线运营需求；④集装箱航运市场内各港口的空重箱进出总量守恒；⑤各港口间的航行距离和货运需求(空重箱运量)已知；⑥各港口间的集装箱运价已知，且不变；⑦由于不考虑船舶的配积载等微观作业问题，假设运输的集装箱都是20英尺标准箱，不考虑集装箱大小的差异；⑧由于国际班轮公司的自有船舶比例很高(马士基、地中海、达飞等的自有船比例在65%左右，中远海集运的自有船比例在50%左右，另外他们还都长租一部分船舶)，因此假设班轮公司在干线运输中使用自有(购买或长期租赁)的船舶；⑨支线运输由支线班轮公司负责，干线班轮公司按市场运价向支线班轮公司支付费用。

3.2 航运网络表示

3.3 重箱OD流量表示

3.4 船舶相关参数与约束

(1)

(2)

(3)

(4)

3.5 运营成本与决策目标

班轮公司以周为单位优化航线网络的目的是要以最低的成本完成运输任务，决策的是挂靠港、挂靠顺序、在各挂靠港装卸的空重箱量以及干线航线所需配置的船舶数量。此时，决策的目标函数如式(5)所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

3.6 班轮航线网络优化模型

在港口间OD集装箱流量已知时，为最小化运输成本，班轮公司需确定合适的船舶数量、干线航线的挂靠港口和挂靠顺序，该决策问题的优化模型如下：

(9)

S.T.: 式(1)-(5)、(6)-(8)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

3.7 模型求解算法设计

上述模型是一个混合0-1规划问题，本研究借鉴Shintani[12]等的思路，基于进化算法框架，求解子模型，求解算法的框架流程如下所示。

求解流程

Step 0 给定一个船型

Step 1 初始化：

生成初始种群，每个个体代表一个航线方案Gs；

Step 2计算个体适应度值：

根据给定的船型，用CVX求解模型，优化航线方案，发班频率，并将此时的运输系统运营总成本作为评价Gs的适应度函数。

Step 3判断算法是否终止：

检查个体适应度最大值与平均值的差，是否小于预设参数μ，满足则终止，否则执行Step 4；

Step 4 执行交叉，变异，选择，并返回Step 2。

为缩小解空间，本文仅以航线网络方案为优化对象。此外，在设计算法时，采用Chen[13]等提出的航线网络编码方法、选择算子、交叉算子以及变异算子等。

4 案例分析

4.1 所需数据

计算时把青岛港、天津港、大连港、上海港、宁波港、深圳港、广州港作为中国侧的港口，把鹿特丹港、弗利克斯托港、勒阿弗尔港、安特卫普港、汉堡港作为欧洲侧的港口。港口间的集装箱OD流量数据源自于中国海关的统计报告、海事咨询机构及各港口的统计报告。苏伊士运河通行费和北极航道破冰引航费分别设为82万美元和16美元/吨。计算所需的其他数据及船舶参数如表1、表2。

表1 计算所需数据

表2 船舶相关参数

4.2 结果分析

基于模型的求解结果，可计算得到2020—2040年期间各种情形下的各运输方案的指标值(表3)，可以看出用两个船队分别运营SNR和SCR时，20年内方案1-方案4的运输成本在4 283-4 559亿美元之间，只用一个船队(4 000TEU/5 000TEU)运营NSR时，运输成本为4 803亿美元。不难看出，两个船队组合运输比单个船队更具经济性。但是，在NSR被利用的情况下，一个船队方案和两个船队方案的运输成本都比BAU的高。这说明由于NSR航线难以满足班轮的运输要求，目前乃至未来较长的时期内，通过NSR实施中欧间的集装箱运输的时机尚不成熟。

表3 各情形下中欧间集装箱运输的成本

4.3 敏感度分析

班轮公司是否应利用NSR而非SCR运输亚欧之间的集装箱，理论上是由亚欧之间的集装箱流量和NSR的通行能力决定的。在NSR能力无法改变时，运输需求成为决策的决定性要素。为明确什么样的运输需求下，班轮公司应选择NSR，需针对运输需求实施敏感性分析。本文引入需求变动系数λ，比较λ=0.6、0.9、1.2、1.5等4种情况各种运输方案的运输成本。针对4种情况，计算2020—2040年期间各运输方案的指标值如表4所示，可以看出：

表4 四种运营方案下的运输成本与BAU下的差值

1) 随需求系数的增大，四种运输方案的运输成本与BAU的差值越来越大，说明随运输需求的增加，大型船舶的规模经济越来越明显，班轮公司更倾向选择SCR，选择NSR概率越来越小。

2) 当需求系数≤0.6时，第一种运输方案的运输成本比其他三种及BAU的都小，表明如果中欧之间的集装箱运输需求小于等于当前的60%，班轮公司应该选择NSR。尽管λ≤0.6的概率很小，但也不是不可能发生的事情，如果美国进一步强化单边主义行径而导致严重的逆全球化，未来中欧之间的贸易就可能萎缩，中欧之间的集装箱运输需求就有可能下降到这个水平。

3) 当需求系数>0.6时，BAU下的运输成本比另外四种的小，表明只要中欧间的集装箱运输需求保持在当前的60%以上，班轮公司就会继续使用大型集装箱船选择SCR实施运输组织。

5 结 论

基于班轮运输的特点和班轮公司的理性运营行为，针对班轮公司尝试利用NSR实施中欧之间的集装箱运输问题，提出班轮公司最可能采用的运输方案，即：(1)用一个船队(4 000-5 000TEU)利用NSR运输；(2)同时用两个船队运输，其中小型船(4 000-5 000TEU)走NSR，大型船(20 000TEU)走SCR。为分析不同运输方案的运输成本，收集了船舶运营成本数据，基于中国海关的公布数据统计出了中欧关键港口之间的集装箱OD流量数据。然后，构建轴辐式班轮运输网络模型，基于OD流量为不同的运输方案设计航线网络，确定具体的运输过程，根据模型输出结果计算各运输方案下的运输成本。在假设班轮公司以运输成本最小为决策依据的情况，通过比较不同运输方案的运输成本验证了目前北极航道对于中欧之间的集装箱运输是不经济的，集装箱班轮公司不应该主动利用NSR实施中欧之间的集装箱班轮运输。

本研究的结论清楚地向班轮公司表明，尽管近年来中欧之间的散货运输在积极地尝试利用北极航线，并确认了在合适的时间段、使用合适的船型通过北极航线运输恰当的散货具有很好的经济性，但北极航线对于集装箱班轮运输没有经济性，同时利用北极航线和苏伊士航线组织中欧之间的集装箱班轮运输的时机还不成熟。当然，在特殊需求情况下，如新型冠状病毒施虐期间洲际班轮运输运力紧张、运价高涨的时间段内，临时抽调原本用于内贸运输的小型集装箱船通过北极航道在中欧之间开展集装箱班轮运输的经济性是有保证的。