船舶航速优化：概念、模型和综合航速-航线规划方案外文翻译资料

 2022-09-24 11:09:05

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船舶航速优化：概念、模型和综合航速-航线规划方案

摘要：本文的主要目的在于在操作层面上阐明一些在考虑航速优化时涉及的重要问题，并且在单船设置中添加一系列优化船舶航线的规划方案模型。本文的主要贡献是将船东或租船人在决定航速和订制航线时要考虑的基本参数和其他重要的因素结合到了一起。给出了各种例子以便举例说明最优解的特性和涉及到的各种权衡。

关键词：绿色海运物流、船舶航速优化、船舶航线规划

1.引言

近年来，上涨的燃油价格、萧条的市场条件和关于船舶废气排放的环境问题，带来了关于船舶航速优化的新观点。如果这一观点在过去没有受到过多的重视，那么当下就应该改变，并且将来它会受到更多的关注。除了在经济角度上做到高效，船舶也必须考虑到废气排放，做到对环境友好。为了这一目的，国际海事组织（IMO）和其他团体已经采取了值得关注的控制手段/活动。这些手段的目标在于覆盖从技术性到操作性再到以市场为基础的措施的全部范畴，以及一系列的尾气，从温室气体如二氧化碳到非温室气体如硫氧化物、氮氧化物、微粒物质和其他物质。

由于航速和燃油消耗之间的非线性关系，虽然低速航行的船舶会比其在高速航行下排放更少的气体。在这层意义上，船速改变对船舶营运成本和排放的影响是十分重要的，这可以从两个层面来证明——设计层面和操作层面。

在设计层面，马士基航运公司的新船，18，000标箱（TEU）的Triple-E集装箱船拥有17.8节的设计航速，少于之前22-25节范围的行业基准，同时，每运送一个集装箱，于Emma Maersk相比，它会减少20%的二氧化碳排放，后者曾是世界上最大的集装箱船；同时比亚欧贸易航线上的行业平均排放量减少50%。

在操作层面上，为应对萧条的市场状况和（或）高昂的燃油费用，而在实践中降低船速，这是众所周知的“减速航行”方案，并且如今已经在几乎每一个商船类型中施行，包括油船、散货船和集装箱船。在这种方案的最简形式中“减速航行”可能仅仅包括减少“面对面”船舶设计航速。但是，航速不能减到低于某一特定门限，因为船舶的主机可能会停转。比起旧的机械（凸轮轴）控制的发动机，现代的电控发动机能更大的减少船速。为了获得更低的船速，可能必须去降低马力开动发动机，也就是重新配置发动机以便得到更低的输出功率。这种重新配置可能包括从发动机上减少一个或多个气缸或者其他措施。有赖于发动机的技术，发动机制造商们提供了“减速航行编组”，使得船舶能够在任何需求水平上流畅地降低航速。为防止船速剧烈地降低，这种做法通常被称作“超级减速航行”。

在实践中，马士基航运公司率先采用了超级减速航行方案。从2007年起，共有110艘集装箱船参与到初步的试验中。这些试验表明将发动机负荷减少到低至10%是安全的，比起传统的策略将其减少至不少于40～60％（出自TradeWinds2009）。给出航速和功率之间的非线性关系后，可以看到当集装箱船以10%的发动机负荷运作时，意味着它正以设计航速的约一半速度在航行。减速航行也正被其他航运市场中应用。

除了从经济的角度看，降低航速也有重要的环境效益，因为船舶排放量与燃料的燃烧是成正比的。在这层意义上，减慢航速对于减少船舶排放是一项重要的操作和具有理论基础的措施。

本文的目的是阐明一些重要的问题:从操作层面上考虑船舶航速优化的问题；和建立模型，该模型是为一系列航线规划方案优化船舶航速，并且对一些关于目标函数的变量进行优化。与最近的研究相比较，其主要贡献在于将基本因素和其他考量因素相结合，这些因素在操作层面上，对船东或租船人的船舶定速和航线制定影响极大，同时还有相关因素。这些因素包括：（a）燃油价格，（b）市场状态（运费），（c）货物的库存成本，以及（d）燃料消耗与有效载荷的的相关性。为此，本文通过各种实例说明了最优解的性质和所涉及的各种问题。

本文的其余部分组织如下。第2节讨论这类问题的建模方法，包括假设、简化和可能的误解。在第3节中，我们列出具体情况和文中检验的问题变量。在第4节中，我们讨论了最优解的一些性质，其中包括一些与预期相反的性质。最后，在第5节中，我们提出了本文的结论。附录A描述了本文一个例子中用到的算法。

2.建模方法：假设、简化和可能的误解

2.1文献中对速度的处理

在我们解决船舶航速问题之前，我们先和道路交通领域的研究进行横向比较，在这些研究中车辆速度是决策变量，影响各个方面包括成本和排放。详见例子：Figliozzi (2010), Bektas and Laporte (2011), Erdog˘an and Miller-Hooks (2011), Ouml;zceylan et al. (2011) and Kopfer and Kopfer (2013)。在这些论文中，对各种目标函数，经济和环境成本都被考察到，无论车辆速度是常量或变量。对于海事领域，最主要的差异是燃油消耗方程的形式，这一方程在路上交通领域，是一个关于道路设施、驾驶员行为、和其他因素的方程，而这些与航运都不相关。然而从优化的角度可以明确的是，一些使用到的技术可以是相通的（例如邻域搜索）。

当考虑海运时，首先观察到的是许多文献中建立的OR/MS模型都假设船舶速度是固定和已知的。详见Rana and Vickson (1991), Agarwal and Ergun (2008), Hwang et al. (2008), Groslash;nhaug et al. (2010) and Song and Xu (2012) 等的论文。在这些模型中，船舶速度通常不是作为决策变量被考虑，而是作为问题的一个输入量。大多数情况下这种输入是隐含的，在这个意义上它是用于计算各种依赖与船速的其他显性输入值，比如在航时间，货物装卸交货时间， 和船舶营运成本，其中燃油成本是其重要组成部分。

然而，不将速度包括进决策变量可能产生非最优解。这是因为一般有重要的经济权衡在下列变量之间：一是较低的租船和货物库存成本与较高的速度之间；二是更高的燃料成本和与之相关联的更高的速度之间。假设一个固定的船速就将这种权衡的平衡排除在外了。假定固定的速度，也可能在某些情况下，剔除了整个决策过程中的灵活性。对于受限于以下条件的问题，包括港口能力限制，泊位利用率的限制，时间窗约束和其他使同时服务超过一定数量的船只约束，满足这样的限制是更容易令人信服的，如果没有假设恒定船速的话

假定固定船速在计算全球船舶排放量的模型中也是非常通行的做法，即使这些领域并不属于OR/MS学术方向。例子可见于IMO (2009) and Psaraftis and Kontovas (2009)等。在他们的计算中，通常需要将设计船速输入，而数据来源于商用船舶数据库，其中常用的有IHS Fairplay维护的数据库。

然而，在海上交通学术方面，研究船速并不是新的领域，并且这一方面的知识正在飞速增长。在Psaraftis and Kontovas (2013)的文章中，他们分析了40多篇相关文献，并根据不同的标准对这些文献进行了分类。

在其他领域，大多数解决船速问题的OR/MS文献都由两个基本步骤组成：先是优化模型的建立，紧接着是解决这一模型优化问题的算法设计和测试，不论算法程序是精确的或者抽象的。上述两个步骤都是重要的。建立一种比当前更差的算法和方法是没有意义的，同时建立一个模型而与现实情况不相匹配或者不反映任何实际生活都是没有意义的。而后者可能在步骤二开展某些毫无意义的改进。综上所述，人们期望有方法对步骤一和步骤二进行平衡。

但是，在我们的文献检索中，我们发现对于这类问题，更多的注意力放在了步骤二而非步骤一。也许这是自然的，特别是许多相关期刊的的重点都在给出方法论。然而，应该公平地对待步骤一，在本节的其余部分我们将试图举出一些在文献中已经或正在建立的典型建模方法，其中一部分在我们看来可能会造成一些错误的概念，并可能导致非最优（次优）解的产生。这些涉及到模型的假设、简化，或以其他方式处理的内容包括：（I）燃料消费方程形式，（ii）燃料价格，（iii）市场的状态，（iv）在途库存成本，及（v）混合租赁方案。

2.2燃油消耗函数的形式

这里涉及到各种各样的问题。

2.2.1三次函数

许多文章在他们的方程中嵌入了船速，并假定每日燃油消耗是关于船速的三次函数。这种三次函数近似方程对于某些船舶类型是合理的，例如油船、散货船或者小尺寸船舶；但对于低速或者零速船舶以及其他类型船舶例如高速大型集装箱船可能并不切实际。即使是零速船舶也还会消耗燃料，因为辅机通常要继续发电（一个特例是电力通过岸基电缆提供的，不过这种情况十分少见）。港内燃油消耗与综合总计港口停留时间成比例关系。

2.2.2有效载荷的从属物

一个更重要的假设是，许多文章中没有考虑到燃油消耗和船舶有效载荷的关联性。这可能导致严重的高估或低估燃油成本，因为船舶停留和因此产生的在某一给定船速的燃油消耗可能完全不同，当船舶处于满载、空载或任一中间载荷时。对于油船和散货船，我们有“二元”情况，即船舶通常是空载或满载，在这两种极端情况之间的船舶燃油消耗不同是十分明显的。对于集装箱船，其通常处于某一中间负载值，但对于某些定线货船(如远东到欧洲)大多数会处于满载而在返程几乎空载。这与两极情况十分接近，并且在燃油消耗方面也不会有非平凡的不同之处。类似的考量适用于所有船舶。一般来说，如果船舶的负载情况在航程中不断变化（通常是在接送零担货物业务中，在这种情况下，船舶一直不是满载的），因此，在航程中船舶载荷和燃油消耗之间的关联的现实建模是十分重要的。如果燃油消耗方程被错误地表述了10%、20%或30%，那么获得在一定适宜范围内的解乃至“最优解”，比如1%、2%或者5%范围内也是毫无意义的。

在船舶从港口A驶向港口B的途中，无论谁支付燃油（船东或者租船人）都可以选择航行速度。在选择时，决策者往往受限于航程船舶合同规定和船舶的水动力和功率特性。在这些约束下，对于选择合适的航速有一定的范围，这取决于优化的目标。

众所周知的是，在船舶工程中，燃油消耗是关于船舶航速和船舶载荷的非线性关系。为了确定这种关系，将船舶从A港到B港途中每天的“海上”燃油消耗假设为f(v,w)函数是非常有用的，其中v为船舶的平均速度，w为有效载荷。F函数由船舶决定，最重要的就是几何学-引擎-推进器连接形式。甚至可以定义w=0(船舶空载)并且方程要不被假设为闭型函数，而是能够以逐点连续函数的形式给出，或者甚至是某一相关子程序的输出结果。图一展示了这类函数，反映了一艘超大型原油船（VLCC）满载和空载情况，资料是从某一油船运输公司请求和获得的；也可见文章Gkonis and Psaraftis (2012)。可以看出，在同一速度下，满载和空载条件之间的燃油消耗，其不同点方面是有25—30%的相似之处。

一个同时将v和w考虑在内的符合现实的闭型函数是f(v, w) = k(p vq)(w A)2/3，其中常数kgt;0,pgt;=0,qgt;=3；A表示“空船重量”船舶空载包括燃油和其他可消耗品的重量，可见Barrass (2005)。就像前面说过的，学术上大多数的文章都假设了三次函数，也就是p=0,q=3且和有效载荷无关。

图1 典型VLCC船的燃油消耗函数，来源：Gkonis and Psaraftis (2012).

2.2.3其他可能影响燃油消耗的因素

燃油消耗方程还取决于其他一些重要的因素，比如普遍的天气条件。在文献中，气象条件的处理方式从零处理（意味着航行中船舶期望的平均气象条件，在函数f中是纳入到隐性的“海上边际效应”）到更加复杂的方法，其中函数f取决于船舶航程中特定的气象条件，包括浪高，流向，风速，风向，洋流和其他相关因素。这些因素会明细影响风流阻力，从而影响燃油消耗和成本。气象航线模型一般采取后一种方法，而其他的OR/MS模型包括船舶路径规划和排期，船队规划和其他模型则采取前一种方式。

船壳状况也是影响船舶摩擦阻力的一个重要因素，最终影响燃油消耗。附着了水草和其他水生物的船壳，比起干净的船壳或者做了防附着工作的船壳，会产生更高的阻力（从而提高燃油消耗）。我们目前所知，没有OR/MS模型考虑到这类因素，都假设了一个平均船壳状况。

2.3燃油费用

很明显，燃料价格是燃料成本非常关键的决定因素，并且，因此，由也是船舶选择速度时的决定因素。事实上，燃油价格是在船速决策中起关键作用的两个主要因素之一（市场状况是另一因素，参见2.4节）。在60年代末，集装箱船到33节的速度，这在当下是看不到的了，主要原因是燃油价格的显著上升。

在我们阅读过的所有OR/ MS模型中，都把燃油价格作为其输入的一部分。然而，在许多这样的模型中列入只是隐式的，而有些是显式的。隐式化公式（例如燃料成本关于速度v的函数c（V）），意味着燃料价格是问题隐形输入的一部分。隐式公式具有不允许某人直接分析燃料价格和船舶速度的关联性的缺点，这是非常重要的。

2.4市场情况

一些OR/ MS模型中反映的另一种模型的假设是，这些处理船舶航速的模型不将市场的状况包括进去（即期汇率或其他运价）作为其公式的一部分。在航运业，对于船舶所有人一个重要权衡就是在追求更高的利润时，是选择以较高的船速完成更多的航程从而获得更高的利润，还时因为燃油费用太高而选择更少的航程。短期租船就是这样，在这种情况下，燃料是由船东支付的。而在短期租船中，船东想尽量利用高运价，通过在给定的时间期限内运载尽可能多的货物而获利。相反，如果市场较为低迷，船东一般趋向于降低速度，因为从运载更多货物中的获利远远小于燃料的额外费用。当下，船舶普遍采用“降低航速”方案的主要原因是市场处于低迷状态。

如果船舶是按船期租船合同或者空船租船合同，一般不会意识到这些行为还和租船人有关。租船人的目标是最小化成本，包括燃油成本，而根据这类合同是由租船人支付的。如果市场价格较高，租船人可能想要

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