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随着全球化制造业进程的不断加速和各国贸易的迅猛增长,海上运输已经在国际经济贸易中发挥着越来越重要的作用。据2015年国际海运年会的报告显示,世界贸易几乎有90%的贸易往来是采用海上运输的方式,全球的集装箱海运贸易量每年呈现递增的趋势,集装箱班轮运输在国际贸易业和航运业中都扮演着至关重要的角色。随着对“绿色航运”关注度的持续提升,航运业带来的污染问题也备受瞩目。近年来,航运业发展所带来的SOx、NOx、颗粒物等污染问题不容小觑,其中船舶尾气中的硫排放对自然环境的影响非常恶劣,其已被证明会对健康和环境造成严重威胁。国际海事组织(International Maritime Organization,简称IMO)为限制船舶排放污染,专门制定了排放控制区域(Emission Control Area,简称ECA)以限制船舶排放问题,包括集装箱在内的所有船舶在ECA内均需使用昂贵的低硫油。而燃油成本在船舶总成本中占比超过了50%,所以低硫油的使用必将增加船舶的燃油成本负担,这就使得所有船舶运营商不得不对船舶航行方案进行重新规划,同时随着国际海运贸易的兴起,班轮运输公司急需寻求合理运行方案,争取在排放控制政策下仍能保持其核心竞争力,以期在达到排放控制区域限制要求。影响燃油成本的主要因素有航行速度和航行距离,同时对到港时间也有严格的限制。所以首先,本文提出了一个有时间窗限制的同时优化班轮航线和航速的双目标混合整数线性规划模型,在考虑最小化燃油总成本和二氧化硫总排放量时,优化船舶在ECA内外的航线及航速,对航线的优化是指对两两港口间航行方案选择的优化,即两两港口之间航线的选择。然后引用中谷海运集团有限公司在中国的一条船舶航线作为实例展开分析,设计了一种新算法,通过基于∈-约束的两阶段迭代启发式算法和模糊逻辑法相结合来求解模型。其次采用上述模型和算法分别决策出在燃油价格、决策者和ECA边界不同的三种情况下合理的航行方案,决策出各种情况下的合理航行方案,并评估ECA对航运以及环境的影响。最后本文对模型进行扩展,进一步分析了同时考虑海上运输和陆地运输的集装箱班轮的航运优化结果,结合一种海运陆运相互转换的转移函数提出了一个使总排放量最低的集装箱班轮的航线和航速优化的模型。研究结果表明,首先本文提出的优化模型能够为运营商节约成本,同时还说明了ECA规定可能会给船舶航行带来集装箱班轮的燃油成本会大幅上升等一系列的影响。优化后显示集装箱班轮会选择总航程较长但ECA内航程较短的航线,以减少在ECA内的燃油消耗,可以在ECA政策下有效节省燃料成本并最大化减少二氧化硫总排放量,集装箱班轮在ECA内会以尽可能低的航速而在ECA外提速以满足各港口的到港时间要求;然后本模型和算法考虑到决策者的主观性对两个目标函数的影响,当决策者在这两个目标有决策偏好时,可以根据决策者偏好的不同提供不同的Pareto最优解,验证了模型和算法的有效性和实用性;其次本文通过更改了ECA的边界,验证了ECA边界划分的有效性和实用性,为国家制定ECA政策提供了依据参考;最后,根据模型拓展结果显示,转移函数的定义具有兼容性,可以设置不同的参数从而得到不同情境下的结论,对于既可以海运又可以陆运的货物采用这种方式能大量降低排放量,此外,通过对排放的分析表明,限硫措施确实能够降低ECA内集装箱班轮的硫排放。本文建立的在排放控制区域下航线与速度优化模型合理有效,设计的算法也能够高效求解模型。可以为集装箱班轮公司在ECA限制下对航行方案重新规划提供相关借鉴,为ECA限制下的航运优化的深入研究提供可行性依据,同时为ECA边界划分提供理论支持,为国家制定ECA政策提供了依据参考。本文研究结果不仅可以为企业、国家提供最优的航速、航线以及ECA边界参考,同时也可能适用于世界上其他将要划分的ECA地区,如果未来想要执行更加严格的限硫标准,需要对ECA边界进行重新设计时,同样也可参考本文建立的优化模型和算法。