资源池组合运输模式下的LNG海上运输航线配船研究

谢新连，牛东翔,2，赵瑞嘉，黄 帅

(1. 大连海事大学 综合运输研究所，辽宁 大连 116026； 2. 广东大鹏液化天然气有限公司，广东 深圳 518048)

0 引 言

天然气作为一次能源的新生力量，因其高效、清洁的特性得到了越来越广泛的应用[1]。随着我国进口LNG贸易量的日益增大，LNG进口企业意识到运输环节具有重要的战略意义，开始与卖方签订FOB交付模式(即由买方负责组织运输的交付模式)的长期购销协议[2]。

“照付不议”和“点对点运输”是LNG海上运输贸易的两大特点。“照付不议”是将LNG的生产、海上运输、销售与用户捆绑在一起，买卖双方共同承担LNG供应链中的风险。为化解“照付不议”的风险，提高贸易与运输的灵活性，市场上出现了卖方采取LNG资源池销售策略的贸易方式[3]。在传统的LNG长协议中，卖方通常依赖于单一固定的LNG来源供货；而资源池供货则可不依赖于单一的天然气田和液化设施，卖家能从多个货源地进行供货，买家也不对货源地进行限制。以此为基础，该策略可进一步拓展为买卖双方资源池策略，即卖方可以从多个资源供应地组织货源供应给买方，甚至可以通过LNG现货市场采购进行供货；买方可以从多个接收地接收货物，卖方也不对接收地进行限制，由此形成了全部装货港组成的上游资源池与全部卸货港组成的下游接收池之间的多点对多点的资源池组合运输模式。

航线配船问题是一项复杂的优化决策研究。其目的是用于解决航运企业将各类型船舶合理地配置到不同航线上，以期获得最佳经济效益的方案[4]。国内外学者对航线配船做了大量的研究，E.E.HALVORSEN-WEARE等[5]通过建立期租方式下的航线配船模型，解决了海洋供应船装备计划优化的问题；WANG Xin等[6]通过租入/出船舶达到改变船队规模的情况下，建立了不定期船的航线配船模型，解决了船队的租船方案与运输计划优化问题；吴暖等[7]以货物时间价值损失最小和营运成本最低为目标，建立了集装箱班轮航线配船的多目标优化模型；包甜甜等[8]综合考虑船队的经济效益和环保效益，建立了经济、环保双目标的班轮航线配船优化模型；李佳等[9]以船舶公司航线运营利润最大化、运力浪费最小化为目标，建立了双目标航线配船模型，并通过遗传算法进行了求解。现有研究多是针对不定期船舶、集装箱班轮等的航线配船问题，对LNG海上运输的航线配船分析还比较少。

在LNG海上运输研究方面，T.BIOBAKU等[10]采用风险分析法评估了LNG航线选择的问题；H.ANDERSSON等[11-13]分别从LNG供应商和运输企业角度分析了LNG运输计划与库存管理的问题，并建立了供应商角度下的LNG库存和运输调度模型，解决了LNG交付计划的优化问题；黄涛[14]建立了基于风险评估的LNG航线选择及配船模型，并通过遗传算法进行求解，但其航线配船只考虑了满足运量约束情况，未考虑实际运营中航次数与配船数的关系。这些学者仅从卖方角度分析了LNG运输选线或调度问题，较少从买方角度展开研究。

笔者从买方角度出发，通过建立传统贸易模式和资源池组合运输模式的LNG海上运输航线配船模型，优化了进口LNG航线配船运输计划问题，降低了企业进口LNG的运输成本，并在一定程度上提高了贸易和运输的灵活性。

1 LNG航线配船模型

1.1 问题描述

在进口LNG贸易的年度货物交付计划中，装货港的供给量与卸货港的需求量及LNG价格都是比较稳定的，LNG船舶严格按照运输计划组织运输，该计划一旦制定，若没有特殊情况不会有较大变动。在满足年度货运供需要求前提下，需要制定LNG进口企业运输成本最小的最佳航线配船方案。传统贸易模式与资源池组合运输模式下的LNG航线配船方式见图1。

图1 LNG海上运输航线配船模式Fig. 1 Ship allocation mode for LNG maritime transport

在建立数学模型前，笔者进行如下假设：

1)LNG进口企业采取期租的方式从市场上租入船舶进行运输；

2)以简单航次形式运输LNG，即船舶去程空载，回程满载，仅留少量底角用于燃料及货舱保冷，各船均以经济航速航行；

3)同一船型的船舶在相同航线上的在港时间、载货能力和航次成本均相同。

1.2 传统贸易模式下的LNG航线配船模型

传统贸易模式下，LNG进口通常由若干条固定航线进行点对点运输。针对这一特点，笔者结合大宗工业物资运输[15]和班轮运输航线配船的建模方法，建立了传统贸易模式下的LNG海上运输航线配船模型，记为A1。

(1)

(5)

∀k=1,2,…,K, ∀h=1,2,…,H

(6)

yk≤Nk,∀k=1,2,…,K

(7)

xhk,yk≥0且为整数

(8)

式(1)为目标函数，表示该公司的运输成本最小，运输成本由航次总成本和租船总成本构成；式(2)、式(3)分别表示各航线上实际完成的运输量，需要满足供给量与需求量的约束；式(4)表示各航线上完成的航次数，航次数应不低于LNG终端用户使用计划要求的最小运输次数；式(5)为各型船营运时间的约束；式(6)为航次时间的计算；式(7)为市场上可租入的各型船的数量约束；式(8)为变量约束。

1.3 资源池组合运输模式下的LNG航线配船模型

LNG进口企业采用资源池策略签订购销协议，由全部装货港组成上游资源池，全部卸货港组成下游接收池，由此形成了多点对多点的资源池组合运输模式。笔者在A1基础上引入该运输模式，建立资源池组合运输模式下的LNG海上运输航线配船模型，记为A2。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

∀k=1,2,…,K,∀i∈I,∀j∈J

(14)

yk≤Nk, ∀k=1,2,…,K

(15)

(16)

式(9)为目标函数，表示资源池组合运输模式下该公司的运输成本最小，运输成本由航次总成本和租船总成本构成；式(10)表示各型船在上游资源池中装货港i的装货量不能超过该港的供给量；式(11)表示各型船在下游接收池中卸货港j的卸货量不能低于该港的需求量；式(12)表示各型船在下游接收池中卸货港j的卸货次数不低于LNG终端用户计划要求的最小卸货次数；式(13)为各型船营运时间的约束；式(14)为航次时间的计算；式(15)为市场上可租入的各型船的数量约束；式(16)为变量约束。

A1和A2均为混合整数线性模型，可通过线性优化软件编程求解。

2 算例分析

某LNG进口企业与卖方签订了FOB交付模式的长期LNG购销协议，分别在3条航线上(3条航线分别记为LⅠ、LⅡ、LⅢ)组织LNG的进口运输。各航线供给充足，需完成的运输量分别为380×104、260×104、300×104t；LNG终端用户计划要求各卸货港最小卸货次数分别为48、36、42次。该公司采用期租方式从市场上租船进行运输，市场上可租用的船型信息见表1。若该公司与卖方约定采用资源池组合运输模式进口LNG，将3个装货港作为上游资源池，3个卸货港作为下游接收池，则资源池组合运输模式下存在可行航线的航次时间及航次成本信息见表2。

表1 市场上可租用的船型信息Table 1 Type of ship available for charter on the market

表2 各航线的航次时间及航次成本Table 2 Voyage time and cost of each route

模型A1和A2的运输成本分别为2.38、2.19亿美元，A2的运输成本较A1降低8.2%。相应的两种进口LNG航线配船运输计划如表3。

表3 A1和A2的租船方案及各航线运输航次数Table 3 Chartering plan of A1 and A2 and the number of transportation voyages of each route

从表3可看出：A1确定的租船方案为期租3艘a型船与2艘b型船；A2为期租3艘a型船与1艘c型船。A2租船数量比A1减少1艘，A1期租的5艘船并未充分利用，故应考虑采用各船型实际运营时间与年可运营时间的比值作为衡量各租入船型的使用效率，记为船舶平均使用率。

当航速为18 kn时，A2下3艘a型船和1艘c型船的船舶平均使用率分别为99%、99%；A1下3艘a型船和2艘b型船的船舶平均使用率分别为80%、98%，a型船存在一定程度的运力富余。故可以采取减速航行的策略以保证期租船舶运输能力的同时降低成本。图2分析了不同航速下的运输成本变化情况；图3分析了航速调整下租船方案变化情况及各船型的船舶平均使用率。

图2 航速调整下的运输成本变化情况Fig. 2 Change of transportation cost under speed adjustment

图3 航速调整下的租船方案及各船型的船舶平均使用率Fig. 3 Chartering plan and average utilization rate of each vessel type under speed adjustment

在A1模型下，由图2可看出：当航速由18 kn降低至16 kn时，运输成本小幅度降低。由图3(a)可知：若租船方案未发生变化，期租的3艘a型船的平均使用率由80%上升至99%，期租的2艘b型船出现小幅度波动；当航速由18 kn提升至19 kn时，运输成本较大幅度降低，这主要是与租船方案由期租3艘a型船和2艘b型船调整为期租3艘a型船与1艘c型船有关，在运输成本降低部分中，91.6%是由于租船方案调整导致的；当航速由19 kn提升至20 kn时，运输成本出现一定幅度上升，租船方案的调整使得租船总成本产生一定幅度降低，但运输成本中航次总成本增长了15.6%，这主要是由于航速提升导致船舶燃油消耗率增加，从而增大了航次的燃油消耗量，最终导致航次成本增大。

在A2模型下，随着航速由16 kn提升至20 kn，运输成本呈总体下降的趋势；当航速由17 kn降低至16 kn时，运输成本几乎无变化，租船方案未发生变化，期租船舶中3艘a型船的平均使用率由82%上升至90%，这与在A1下航速由18 kn降低至16 kn时的规律相同；当航速由17 kn提升至18 kn时，总成本大幅下降，租船方案发生调整，在运输成本的降低部分中，86.2%是由于租船方案调整导致的，此时各型船舶的平均使用率均接近100%；继续提升航速，同样能通过调整租船方案实现运输成本的降低，但航次总成本会不断增加。

在同一航速下，A2模型的总成本始终低于A1。从图3可看出：A1下航速为20 kn时与A2下航速为19 kn时的租船方案相同，且各型船舶平均使用率均为99%左右，但A2下的总成本较A1低7.3%。由此可说明：相对于传统运输模式，资源池组合运输模式下的进口LNG航线配船运输计划优化方案能有利于降低运输成本。

3 结 语

笔者从LNG买方角度出发，分别建立了传统贸易模式和资源池组合运输模式下的LNG海上运输航线配船模型，解决了LNG进口企业通过期租船进口LNG的航线配船运输计划优化问题。并以我国某LNG进口企业签订的LNG购销协议为例，验证了这两种模式下的LNG海上运输航线配船模型的合理性，相对于传统贸易模式，资源池组合运输模式下进口LNG航线配船运输计划优化方案能较大程度降低运输成本。此外，通过航速调整策略分析了在不同航速下两种模式的进口LNG航线配船运输计划优化方案。