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节能海运的速度模型：分类和调查
摘 要
国际航运占全球二氧化碳排放量的2.7％，因此寻求遏制未来排放增长的措施具有高度的紧迫感。随着对更加环保的航运的追求的增加，降低船舶的速度已经成为达到此目的应用措施中愈发重要的角色。由于经济原因，速度已经是很重要的一个因素了，因为它是燃料成本的关键决定因素，燃料成本是船舶运营成本的重要组成部分。此外，速度是航运公司和整个供应链的整体后勤操作的重要参数，并且可能直接或间接影响船队规模、船舶规模、货物库存成本和货主资产负债表。因为它们更快，船速变化也可能使货物去选择其他模式。然而，由于排放量与消耗的燃料成正比，速度也与航运的环境维度有很大关系。因此，当航运市场处于萧条状态，而“慢行”是出于经济原因的普遍做法时，减少排放是一个重要的附带效益。实际上，有许多迹象表明，这种做法在当今有非常广泛的应用，且将是未来的规范。本文提出了一个海上运输速度模型的调查，即速度是决策变量之一的模型。还根据一组参数呈现这样的模型的分类法。
1 介绍
1.1背景
速度是海运的一个关键变量。 船只行驶的比其他模式慢，但一个基本的前提是船速是有价值的。 由于长途旅行通常可能持续1-2个月，更高速度的好处可能是重要的：它们主要带来更快的货物交付，降低库存成本和增加每单位时间的贸易吞吐量的经济增加值。 船运需要更高的速度主要是由于世界贸易和发展的强劲增长，而海运在海洋运输方面的重大技术进步，包括船体设计、船舶的水动力性能、发动机和推进效率，仅举几例。 作为扩展，货物装卸系统和供应链管理和操作的发展也为快速门到门运输做出了重大贡献
然而，增加燃料价格，市场条件低下和船舶空气排放的环境问题为船速带来了新的视角。 如果这个观点在过去没有得到重视，今天就不是这样了，今后它会得到更多的关注。简单地说，出于各种原因——经济和环境，快速航行可能不一定是最佳选择，并且优化船速越来越受到重视，并且在未来几年可能这样做。
也许最近几年最重要的因素是环境问题：船舶在空气排放方面必须是环保的。 这个总目标对所有船舶都是如此。但是对于高速船来说更是如此，因为速度和燃料消耗之间是非线性关系。 很明显，一艘船的速度越慢，其消耗就会比同一艘速度更快的船小得多。
船舶排放的气体可分为几类。温室气体（GHG）包括二氧化碳（CO2），甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）。非温室气体主要包括硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）。 还排放各种其它污染物，例如颗粒物质（PM），挥发性有机化合物（VOC），黑碳等。 所有上述气体对全球气候的影响是多样的，如果不加以控制，大多数气体被认为是负面的。 除其他影响外，温室气体导致全球变暖，SOx导致酸雨和森林破坏，Nox对健康有不良的影响。
早在1997年，在京都，联合国气候变化框架会议（UNFCCC）已经指定了国际海事组织（IMO）这个负责航运安全和防止海洋污染的联合国专门机构作为负责调节海洋空气排放的机构。然而，在这方面的进展通常很缓慢。 2008年，海事组织海洋环境保护委员会（MEPC）通过了关于处理SOx和NOx排放的MARPOL附则VI规则的修正案。但是在温室气体方面，尽管进行了大量讨论，航运仍未被纳入“联合国气候变化框架公约”对二氧化碳和其他温室气体的全球减排目标之中，事实上直到最近，航运仍是唯一不受监管的运输方式。运输温室气体的非管制时代于2011年7月正式结束，经过发展中国家的激烈辩论和激烈反对，海保会采用了新船的能效设计指数（EEDI）。即使如此，寻求进一步的措施来遏制航运中未来的温室气体增长具有高度的紧迫感。
2008年，海事组织已经将波罗的海，北海和英吉利海峡指定为“硫磺排放控制区”（SECAs），目的是限制SOx排放。2010年，IMO指定了整个美国 - 加拿大沿海地区作为“排放控制区”（ECA）。2012年是以减少SOx，NOx和PM排放为目标的最开始的一年（至少在这个阶段）。在欧洲，2011年的交通运输白皮书（欧盟，2011年）设定了非常雄心勃勃的“脱碳”目标：到2050年将运输温室气体排放量减少60％。
1.2 速度的重要性
根据IMO的2009年温室气体研究（IMO，2009），国际航运贡献了全球CO2排放量的2.7％。图1显示了全球二氧化碳排放的分布，从中可以看出，最高的二氧化碳生产者是电力和热力生产（35％），最高的二氧化碳运输模式是公路（21.3％）。
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根据同一研究，国际航运的二氧化碳排放总量为8.7亿吨，所有航运（2007年的船队数据）为1.05亿吨。
船速对温室气体排放的重要性见图2，它通过船型尺寸组合分解了世界商业船队的二氧化碳排放（Psaraftis和Kontovas，2009a）。 数据来自IHS Fairplay数据库，基准年为2007年（45,620艘商业船舶）。
根据这一分析，集装箱船是世界船队中最大的二氧化碳排放者。这可能是意料之中的的，因为这些船只（20-26节）相对于那些运载散装货物（13-15节）的速度相对较高，并且给定速度和燃料消耗之间以及因此的排放的非线性关系。可能不那么明显的是，只有最高层的集装箱船（712艘船，4400 TEU1及以上）能够产生1036万吨二氧化碳排放量，高于整个产量的1.06亿吨原油油轮船队（2028艘）。这意味着，如果要减小船速，甚至一致地减少船速，或者对于某些类别的船只，选择性地减少排放，总排放也许会大大减少。降低速度也可能有其它重要的作用：降低成本是一个，并帮助运输能力过剩下低迷的市场是另外一个。在这个意义上，降低船速可能是一个“双赢”的建议。
同时，降低速度可能具有并非有益的其他分支。 例如，从长远来看，将需要更多的船舶来生产相同的运输吞吐量，这将需要一些成本:财务上的和环境上的（由造船，回收等造成的排放）。此外，由于货物的运输时间增加，货物在途库存成本通常会增加。这些库存成本与货物的价值成正比，因此，如果船舶拖运高价值货物，以较低速度航行可能给托运人带来巨大的成本。
减速的另一个副作用是，在短期内一旦整体运输供应由于速度减慢而收缩，运价将上涨。 降低速度可能对低迷的市场有帮助，但是是托运人将受苦，事实上他们会这样做有两种方式：他们将支付更多，并且更晚收到货物。
另一个可能的副作用涉及减速可能对其他能作为海运的替代品的运输方式产生影响。这是许多短海贸易的情况，不仅欧洲，也在北美。如果船舶运行较慢，可能会导致托运人更喜欢陆上交通运输作为替代品，主要是公路运输，这可能会增加整体温室气体排放，因为道路在温室气体排放量每吨公里方面肯定比海运更恶劣。
所有上述问题，近年来变得更加重要，无论是否考虑了“排放”维度，需要在研究或其他研究中考虑将船舶速度作为决策变量的模型。尽管这种参考文献的数量相对较少，但是其数量最近已经增长，并且有许多值得注意的相关论文。据我们所知，还没有对这些论文进行重点调查。本文试图进行这样的调查，并有机会报告相关的最新发展，提出一些基本理论，澄清可能的错误观念，并开发相关模型的分类。
1.3 航速的两个级别
如果目标是通过降低速度来减少排放，则这可以在两个级别完成。第一级是技术（战略），即建造具有减少了安装马力建造的未来船舶，使得它们不能以预定速度航行得那么快。
尽管这不是本文的主要内容，但是在这个层面上的几个词是有序的：设计明显降低运行速度的船似乎是未来的规范趋势，特别是对于集装箱船。20世纪60年代末，燃料价格便宜的第一个海上集装箱船速达到了33节。根据Lloyds Register（Lloyds Register 2008）2006年的一项研究，目前的趋势是,24-26节的最高速度将减少到21-22节，一些行业甚至可能低至15-18节。马士基订购的新的18,000 TEU“三重E”包厢的设计速度将低于当前（19节，而“Emma Maersk”为25.5），并声称他们的燃料消耗量比行业平均水平少50%并高于现有最好的20%。欧盟资助的研究项目“尤利西斯”，方便理解的是，其标志一只蜗牛，旨在设计可以航行速度为5节的油轮和散货船（Ulysses，2012）。
第二层是基于物流的（战术/操作），也就是说，现有的船舶比它的设计速度慢。 在运输用语中，这被称为“慢蒸”，并且可以涉及仅减慢或甚至“降级”的船的发动机，即重新配置发动机，使得实现较低的功率输出，发动机技术允许下达到更慢的速度，发动机制造商提供“慢速蒸汽套件”，以使船舶能够在任何期望的水平上平稳地降低速度。如果速度大大降低，这种做法被称为“超慢蒸”。
在实践中，马士基航运公司在2007年开始试运行110艘船舶后率先采用超慢蒸。马士基航运公司北亚地区CEO Tim Smith表示，试验表明将发动机负荷降低至10％是安全的， 与传统政策相比，减少负荷不低于40-60（TradeWinds，2009）。 给定速度和功率之间的非线性关系，对于集装箱船，10％的发动机负载意味着以大约以设计速度的一半航行。此外，中海油（集团）及其在CKYH联盟（K Line，Yang Ming Marine和Hanjin Shipping）的合作伙伴也被报告在某些路线上引入超慢蒸（Lloyds List，2009）。
低速蒸汽不仅在集装箱市场上实施，尽管由于集装箱船速度较高，它似乎更有意义。据报道，每个市场都有减速蒸汽。2010年12月，据报道，马士基油轮的超大型运输船（VLCC）以一半的速度航行。 16节的设计速度降低到几乎三分之一的压载支柱上小于10节，在三分之一的操作日内降低到11节和13节之间。例如，从波斯湾到亚洲的典型航程通常需要42天（载重15节，压载16节）。 马士基油轮将压载支柱的速度降低至8.5节，从而将往返时间延长至55天，并节省了近40万美元的航程的燃油费（TradeWinds，2010）。
如前所述，本文主要调查模型，其中船速是战术/操作水平的决策变量。这些模型主要来自运营研究和海洋经济学文献，因此，范围和方法不一定是同质的。他们的共同点是结合速度以及研究速度变化对操作的各种属性（包括排放）的影响。
本文的其余部分结构如下。 第2节介绍一些基础知识。 第3节讨论相关文献并提出模型分类。 第4节提出了结论，并讨论了未来的前景。
2 基础知识
2.1 将船速作为输入或决策变量
在海上运输文献中发现的大多数模型（参见Christiansen等人（2007）的综合调查）假定船舶具有固定和已知的速度。例如Rana和Vickson（1991），Agarwal和Ergun（2008），Hwang等人（2008），Groslash;nhauget al（2010）和Song and Xu（2012a，b）等。在这些模型中，船速通常被认为是问题的隐含输入量，它的隐含作用表现在它用于计算取决于速度的各种其他显示输入量的意义上。港口航行时间、货物装卸的到期日和船舶运营成本是燃料成本的重要组成部分，是这些明确投入中最重要的。关于燃料成本，从基本的海军架构中知道，在船速和燃料消耗之间存在非线性关系，因此船速变化对船舶运行成本的影响可以是相当戏剧性的，在下文有更多介绍。
由于速度在这种模型中不是显式输入的事实，如果速度输入可以考虑各种解决方案（作为结果，所有取决于速度的模型输入）取不同的值，其对这些模型的输出的潜在影响只能被间接地考虑，关于灵敏度或其他参数分析同样如此。 更重要的是，如果速度不是决策变量，则通过这样的模型选择的最佳速度只能与之类似的倾斜方式进行，这可能是相当麻烦的，因为可能存在多于一个的速度要优化（每艘船，每条腿 路线等）。
不包括速度作为决策变量在某些情况下可能会消除整个决策过程中的灵活性，并提供固定速度的解决方案。例如，以规定速度航行到某个港口的船只，由于港口拥挤，只能在那里等待，可能是比允许以较低速度航行的船舶成本更高的解决方案，以便到达时端口不再拥塞。且在这种情况下，总排放量将更高。在文献中有几个模型，包括港口能力约束，泊位占用约束，时间窗口约束或其他约束，其阻止超过给定数量的船舶的同时服务（参见，例如，Cordeau（2005）和Halvorsen Weare和Fagerholt（2010）等）。如果不是假定的船速度恒定，这样的约束在理想条件下更容易满足，后者通常被认为是隐含或明确地影响诸如船舶到达时间的一些问题的变量的外生参数。
假设固定船速通常也是国际上计算船运排放的模型的情况。例如，见Psaraftis和Kontovas（2009a）和IMO（2009）等。在它们的计算中，这些模型通常将从商业可用的船数据库（诸如由IHS Fairplay维护的那些数据库）提取的输入设计速度作为输入。这种数据库中的船速信息对应于100％最大连续额定值（MCR）（船舶的最大功率）的速度，然而这种信息的质量是可疑的，因为这些数据通常由船东提供，没有严格的认证机制处理。这些模型大多数没有涉及优化，但是由于它们对决策目的的影响很重要，因此任何对速度的误解以及由此而导致的总体燃料消耗和排放，都可能产生影响为减少船舶排放而采取的政策。
2.2 油耗功能
如前所述，燃料消耗（以及带来的燃料成本和排放）非线性地取决于船舶航行速度。最简单的模型是假定在船上消耗的一种类型的燃料，以已知的价格p（以美元/吨计）可用。然后，从港口i航行到港口j的船舶的每日海上燃料成本等于pf（vij，wij）tij，其中f（vij，wij）是船舶的海上日常燃料消耗量（以吨/天）、船舶速度vij和有效载荷wij从i到j的已知函数，tij是从i到j的船舶航行时间，由比率（dij / vij），航行距离除以速度给出。函数f取决于许多船参数，例如发电厂的类型和尺寸，主发动机和辅助发动机，船体的几何形状，螺旋桨设计和其他参数（例如天气条件）。它甚至可以定义为wij = 0（船在压载物上）。在港口燃料成本与总港口停留时间成比例，并且这些取决于船舶辅助发动机在港内的每天燃料消耗
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