閔德權(quán),董 潔,田玉玲
(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,大連 116026)
近年來(lái),隨著郵輪旅游的日益發(fā)展和成熟,其在經(jīng)濟(jì)獲利的同時(shí)也伴隨著環(huán)境方面的各種問(wèn)題.排放控制區(qū)(emission control area,ECA)是推動(dòng)綠色航運(yùn)發(fā)展下的產(chǎn)物,為遵守ECA的相關(guān)法規(guī),可在ECA內(nèi)改用低硫燃油來(lái)達(dá)到排放要求,然而低硫燃油價(jià)格較高,且燃油成本約占總運(yùn)營(yíng)成本的2/3,因此使用低硫燃油給郵輪公司造成一定的經(jīng)濟(jì)壓力.文獻(xiàn)[1]研究表明,與始終以恒定速度航行相比,區(qū)分ECA內(nèi)外速度的航行方式可節(jié)省燃油成本,這種節(jié)約成本的方式在低硫燃油價(jià)格較高時(shí)更為明顯.文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)ECA內(nèi)外的航速進(jìn)行優(yōu)化,使航行成本和時(shí)間得到有效折中.文獻(xiàn)[3]在航程時(shí)間和船期不變的前提下,研究船速變化對(duì)SO2總排放量和燃油成本的影響,得出在ECA內(nèi)外進(jìn)行航速優(yōu)化可以節(jié)約較多成本.
CO2排放過(guò)多導(dǎo)致全球平均氣溫上升,危及人類(lèi)的生命和生活,由此CO2成為溫室氣體中削減與控制的重點(diǎn).2020年的9月,在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上我國(guó)作為全球CO2排放第一大國(guó)承諾,力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年實(shí)現(xiàn)碳中和.在減少CO2排放量的手段中,碳稅政策在各個(gè)國(guó)家普遍被采用.由于船舶碳排放量與航速成比例關(guān)系以及采取“多排多征”的原則,降低船舶航速是減少碳排放最直接有效的方法.文獻(xiàn)[4]指出航海業(yè)的碳稅制度可以促進(jìn)企業(yè)發(fā)展、維系企業(yè)經(jīng)濟(jì)外環(huán)境、規(guī)避不良風(fēng)險(xiǎn),對(duì)于航運(yùn)業(yè)的綠色發(fā)展具有重要作用.文獻(xiàn)[5]構(gòu)建考慮碳稅成本的航線配船和航速優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,得出隨著碳稅稅率的提高,船舶航速逐漸降低,航線配船數(shù)量逐漸增加,船舶總運(yùn)營(yíng)成本增加明顯.文獻(xiàn)[6]考慮燃油價(jià)格的變動(dòng)和CO2的排放,對(duì)船舶燃油補(bǔ)給策略與航速進(jìn)行優(yōu)化求解,建議班輪企業(yè)合理設(shè)置燃油價(jià)格模糊程度和碳稅稅率.
關(guān)于航線研究的主體都是郵輪[7-8],考慮了排放控制區(qū),但其忽略了碳稅成本對(duì)于航速的影響,尤其是在當(dāng)下大力減排溫室氣體的時(shí)代背景下,碳稅成本的考慮必不可少.文獻(xiàn)[9]綜合考慮了排放控制區(qū)和碳排放的限制,選擇3條具有代表性的班輪航線進(jìn)行優(yōu)化求解,但其對(duì)于航速的優(yōu)化研究忽略了風(fēng)浪干擾力的影響.在考慮風(fēng)浪的氣象條件下,對(duì)船舶航速進(jìn)行研究的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[10-11],航速優(yōu)化研究主要集中在班輪運(yùn)輸上,較少以郵輪為研究主題,且考慮影響航速的因素較少.在綜合考慮ECA、碳稅成本、燃油成本以及各港口的到港時(shí)間限制,對(duì)郵輪航速的研究少之又少.鑒于此,文中提出一個(gè)有到港時(shí)間限制,同時(shí)考慮ECA的通航限制和風(fēng)浪的干擾,以航速為決策變量,以燃油消耗成本和碳稅成本總和最小為目標(biāo)函數(shù)的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型,通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行優(yōu)化求解,以豐富和完善郵輪航速優(yōu)化理論.
郵輪在海上航行時(shí)會(huì)受到風(fēng)的影響,對(duì)其上層建筑產(chǎn)生一定的干擾力,從而影響郵輪的航行速度.由于郵輪在航行過(guò)程中,其前進(jìn)的速度遠(yuǎn)大于橫向速度,故在分析風(fēng)干擾力時(shí),僅考慮艏艉方向上的平均風(fēng)壓力為[12]:
(1)
式中:ρa(bǔ)為空氣密度;A1為郵輪水線以上的正投影面積;vow為相對(duì)風(fēng)速;?1為相對(duì)風(fēng)速與船首的夾角;Cx(?1)為艏艉方向上的風(fēng)壓力系數(shù).
Cx(?1)=CF·cos ?2·(A2·sin2?1+A1·cos2?1)/A1
(2)
式中:CF為風(fēng)壓合力系數(shù);?2為風(fēng)壓合力角;A2為水線以上的側(cè)投影面積.
?2=(1-0.15×(1-?1/90)-0.80×
(1-?1/90)3)×90
(3)
CF=1.325-0.05×cos(2×?1)-0.35×
cos(4×?1)-0.175×cos(6×?1)
(4)
波浪通常分為不規(guī)則波和規(guī)則波,由于不規(guī)則波的計(jì)算方法比較困難,故文中波浪干擾力模型主要考慮規(guī)則波,利用文獻(xiàn)[13]提出的波浪干擾力模型:
(5)
式中:X為x方向上的波浪干擾力;ρw為海水密度;g為重力加速度;L為船長(zhǎng);H為波浪的振幅;λ為波長(zhǎng);χ為波向角;Cx(λ)為試驗(yàn)系數(shù).
Cx(λ)=0.05-0.2×(λ/L)+0.75×
(λ/L)2-0.51×(λ/L)3
(6)
振幅H通過(guò)回歸公式計(jì)算:
(7)
式中,vw為絕對(duì)風(fēng)速.
假設(shè)郵輪在風(fēng)浪氣象條件下的推進(jìn)功率與靜水中的推進(jìn)功率相同,則有效推進(jìn)功率Pe對(duì)靜水中郵輪航速vsw和靜水阻力Fsw(v)與風(fēng)浪影響下的實(shí)際航速vr和總阻力FT(v)存在關(guān)系,即:
Pe=FT(vr)vr=Fsw(vsw)vsw
(8)
郵輪在風(fēng)浪影響下航行產(chǎn)生的有效推進(jìn)功率與克服風(fēng)浪干擾力產(chǎn)生的功率之和為總的推進(jìn)功率[11].
FT(vsw)·vsw=(Fsw(vsw)+FAdd(vsw))·vsw=
FT(vr)vr+FAdd(vsw)·vsw
(9)
CR+FAdd(vsw)×vsw
(10)
(11)
(12)
式中:FAdd(vsw)為艏艉方向上所受的干擾力;S為浸水面積;CR為船舶阻力因數(shù).
郵輪公司面對(duì)當(dāng)下船舶廢氣排放限制的通航要求、燃油價(jià)格不斷攀升帶來(lái)的成本壓力以及新冠疫情對(duì)航運(yùn)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的沉重打擊,通過(guò)調(diào)整航速來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本,是高能耗郵輪公司的當(dāng)務(wù)之急.文中針對(duì)有到港時(shí)間限制的固定航線提出一個(gè)航速優(yōu)化模型,以燃油消耗成本和碳稅成本總和最小化為目標(biāo),考慮風(fēng)浪氣象條件的影響,決策郵輪每條航段上ECA區(qū)域內(nèi)、外的航速.
(1)氣象條件中風(fēng)為恒風(fēng),波浪為規(guī)則波.
(2)忽略郵輪自身在航行過(guò)程中重量的變化,以出發(fā)時(shí)的重量為準(zhǔn).
(3)港口掛靠順序已確定.
A:港口集合{1,2,...,n,n+1},1和n+1都為始發(fā)港口;
Fi:在港口i停靠時(shí)郵輪消耗的MGO燃油量,t;
cG:MGO價(jià)格,美元/t;
cF:HFO價(jià)格,美元/t;
Ti,i+1:從港口i到港口i+1,郵輪航行時(shí)間,h;
Ti:郵輪在港口i的??繒r(shí)間,h;
vmin:航線上速度的最小值,kn;
vmax:航線上速度的最大值,kn;
λG:MGO的碳轉(zhuǎn)化系數(shù);
λF:HFO的碳轉(zhuǎn)化系數(shù);
e:碳稅稅率,美元/t;
EMCO2:郵輪的CO2排放總量,t;
di:郵輪到達(dá)港口i的時(shí)間,h;
Sik:郵輪第k個(gè)掛靠港口是否為港口i,是等于1,否等于0;
2.4.1 郵輪航行時(shí)間,h
就圖書(shū)館資源來(lái)說(shuō),高等學(xué)??梢砸罁?jù)共享的資源數(shù)量和質(zhì)量來(lái)要求共享者提供相應(yīng)的建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本;又比如實(shí)驗(yàn)室以及設(shè)備,也可以根據(jù)共享的理念,擁有豐富資源的高??梢越o資源少的高校提供資源,只需要提供相應(yīng)的成本補(bǔ)償即可以確保利益不受損。最后,就個(gè)人而言,教師如果有資歷可以參與外聘工作,同時(shí)可以得到受聘用高校給付的勞動(dòng)報(bào)酬。應(yīng)建立和完善有償機(jī)制,從而對(duì)有償支付使用進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)定,防止亂收費(fèi)現(xiàn)象的發(fā)生。收費(fèi)主要是依據(jù)用于資源自身的維護(hù)、維修的需要,資源管理者的勞務(wù)費(fèi)或者是購(gòu)置新的資源等方面制定的,并且應(yīng)避免以盈利為目的,在此之后還應(yīng)該將收費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)上報(bào)學(xué)校和相關(guān)部門(mén)備案,同時(shí)應(yīng)接受公開(kāi)監(jiān)督和檢查。
1)郵輪在ECA內(nèi)航行時(shí)間,h
(13)
2)郵輪在ECA外航行時(shí)間,h
(14)
3)郵輪總航行時(shí)間,h
(15)
2.4.2 航行過(guò)程中主機(jī)燃油消耗,t
1)ECA內(nèi)燃油消耗,t
(16)
式中:SFCMG為主機(jī)燃燒MGO的油耗率,g/(kW·h);PM為郵輪主機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率,kW.
SFCMG=SFCMGbe·(0.455×EL2-0.71×EL+1.28)
(17)
(18)
式中:δw為速度-功率校正系數(shù),具有新穎推進(jìn)布局的郵輪的δw為0.7,其余郵輪的δw為1;ηw為天氣校正系數(shù);ηf為污垢校正系數(shù);PMref為主機(jī)的參考功率,kW;t/tref為吃水系數(shù),定義為郵輪登記的最小吃水與最大吃水之比;Vref為速度的參考值,即運(yùn)營(yíng)航速,kn;m為吃水比指數(shù);n為速度比指數(shù).
2)ECA外燃油消耗,t
(19)
式中:SFCMF為主機(jī)燃燒HFO的油耗率,g/(kW·h);SFCMFbe為主機(jī)燃燒HFO的基準(zhǔn)油耗率,g/(kW·h).
SFCMF=SFCMFbe·(0.455×EL2-0.71×EL+1.28)
(20)
(21)
2.4.3 航行過(guò)程中輔機(jī)燃油消耗,t
(22)
(23)
式中:SFCAbe為輔機(jī)燃燒MGO的基準(zhǔn)油耗率,g/(kW·h);PAref為輔機(jī)的參考功率,kW.
2.4.4 停泊過(guò)程中的燃油消耗,t
Fi=Ti·e(-21.9+2.8×ln(GW)-1.15×ln(bts)-0.36×Delec)
(24)
式中:GW為總載重噸,t;bts為鋪位總數(shù);郵輪采用柴油-電力配置時(shí)Delec為1,否則為0.
2.4.5CO2排放量,t
(25)
(26)
(27)
d1=0Ti,i+1
(28)
di+Ti+Ti,i+1=di+1i∈A
(29)
(30)
Sik∈{0,1}i∈A,k∈K
(31)
目標(biāo)函數(shù)式(26)為最小化燃油消耗成本和碳稅成本.約束式(27)為郵輪的航速約束.約束式(28~30)為郵輪到達(dá)港口的時(shí)間約束.約束式(31)為Sik為0-1決策變量.
采用的郵輪數(shù)據(jù)如表1.
表1 郵輪數(shù)據(jù)
式(10)中的阻力系數(shù)CR由摩擦阻力系數(shù)Cf、剩余阻力系數(shù)Cr和粗糙度補(bǔ)粘系數(shù)ΔCAR組成.
CR=Cf+Cr+ΔCAR
(32)
(1)摩擦阻力系數(shù)
摩擦阻力系數(shù)采用國(guó)際船模試驗(yàn)水池會(huì)議(ITTC)提出的擬合公式為:
(33)
式中:Rn為雷諾茲系數(shù),Rn=V·L/μ,μ為運(yùn)動(dòng)黏度.
(2)剩余阻力系數(shù)
圖1 系數(shù)擬合曲線
Cr=a1·Fn3+a2·Fn4+a3·Fn5+a4·Fn6
(34)
(3)粗糙度補(bǔ)粘系數(shù)
粗糙度補(bǔ)粘系數(shù)可以通過(guò)表2獲得.
表2 粗糙度補(bǔ)粘系數(shù)表
以新英格蘭地區(qū)的郵輪航線為例,郵輪從美國(guó)紐約出發(fā),依次經(jīng)過(guò)加拿大哈利法克斯、加拿大悉尼、格陵蘭島努克、格陵蘭島納諾塔利克、加拿大圣約翰,最后回到美國(guó)紐約.航線信息見(jiàn)表3.航線總長(zhǎng)為5 849 n mile,ECA航段總長(zhǎng)為1 606 n mile,ECA航段所占百分比為27.5.
表3 航線數(shù)據(jù)
郵輪在兩港之間通常不會(huì)是直達(dá),而是通過(guò)多個(gè)航路點(diǎn)連接而成.整條航線劃分為7個(gè)節(jié)點(diǎn)、27個(gè)航段以及28個(gè)航路點(diǎn),具體航段劃分見(jiàn)表4.航線中每個(gè)航段的航程、風(fēng)向、風(fēng)級(jí)和波向角,如表5.表5中航段編號(hào)帶有“*”為ECA航段,否則為非ECA航段.
表4 航段劃分
表5 航線信息
《Forth IMO GHG Study 2020》報(bào)告中相應(yīng)的模型參數(shù)取值,如表6.
表6 模型參數(shù)取值
3.3.1 優(yōu)化結(jié)果分析
首先對(duì)優(yōu)化之前的郵輪航行情況進(jìn)行分析,結(jié)果如表7.郵輪實(shí)際航行全程中總目標(biāo)成本為792 116.88美元,總?cè)加拖某杀緸?47 763.17美元,總碳稅成本為144 353.71美元,總CO2排放量為4 511.05 t.由于ECA內(nèi)使用的低硫燃油價(jià)格較高,故一般郵輪公司在航行時(shí),會(huì)在ECA航段內(nèi)使用盡量低的航速,然后通過(guò)提高ECA外航段的航速,來(lái)滿足港口的時(shí)間窗要求.
表7 郵輪航行情況
現(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化求解,依據(jù)模型假設(shè),取海浪波長(zhǎng)為80%船長(zhǎng).基于上述模型和數(shù)據(jù),運(yùn)用MATLAB軟件自編代碼得到在風(fēng)浪影響下滿足目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的決策方案,總目標(biāo)成本為736 143.47美元,總?cè)加拖某杀緸?10 648.40美元,總碳稅成本為125 495.07美元,總CO2排放量為3 921.72 t,航速優(yōu)化結(jié)果詳見(jiàn)表8.由于郵輪是特殊的運(yùn)輸工具,為了方便游客進(jìn)行觀光旅游,保證優(yōu)質(zhì)的服務(wù)水平,其到達(dá)各個(gè)港口的時(shí)間一般在白天或合適的時(shí)間點(diǎn).不同的航段其航速也不相同,且對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)航段的ECA外的航速比ECA內(nèi)的航速高.
表8 模型計(jì)算結(jié)果
將優(yōu)化前后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,總CO2排放量減少了589.33 t,降低了13%,總碳稅成本減少了18 858.64美元,降低了13%,總?cè)加拖某杀緶p少了37 114.77美元,降低了6%.可以看出,在綜合考慮了碳稅成本、燃油消耗成本、排放控制區(qū)和風(fēng)浪的影響時(shí),結(jié)合郵輪的航向和航程,對(duì)航速進(jìn)行合理的優(yōu)化,可以達(dá)到減少目標(biāo)函數(shù)的目的.
圖2為優(yōu)化之后實(shí)際航速與靜水航速的對(duì)比圖,可以看出:增速幅度最大的為第19航段,降速幅度最大的為第11航段,船舶增降速的比例與風(fēng)向、風(fēng)舷角、風(fēng)速、船舶自身的航速、波向角眾多因素有關(guān),風(fēng)向?yàn)轫橈L(fēng)時(shí),郵輪航速越小,風(fēng)速越大,波向角越大,且風(fēng)舷角越大郵輪增速越大.風(fēng)向?yàn)槟骘L(fēng)時(shí),郵輪航速越小,風(fēng)速越大,波向角越小,且風(fēng)舷角越小郵輪降速越大.風(fēng)向?yàn)闄M風(fēng)時(shí),郵輪航速越小,風(fēng)速越大,波向角越小,且風(fēng)舷角越小郵輪降速越大.
圖2 航速優(yōu)化結(jié)果
在進(jìn)行風(fēng)浪干擾力的數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)風(fēng)浪來(lái)自郵輪正橫前時(shí),風(fēng)干擾力隨著風(fēng)舷角的增大為先增大后減小,浪干擾力隨著波向角的增大而逐漸減小,此時(shí)風(fēng)浪的干擾力均為阻力;當(dāng)風(fēng)浪來(lái)自郵輪正橫后時(shí),風(fēng)的干擾力隨著風(fēng)舷角的增大為先增大后減小,浪的干擾力隨著波向角的增大而逐漸增大,此時(shí)風(fēng)浪的干擾力均為推力.當(dāng)風(fēng)浪來(lái)自郵輪正橫前時(shí),風(fēng)浪總合力隨著風(fēng)舷角的增大而逐漸減小,當(dāng)風(fēng)浪來(lái)自郵輪正橫后時(shí),風(fēng)浪總合力隨著風(fēng)舷角的增大而逐漸增大.同時(shí)隨著風(fēng)速的增大,其風(fēng)浪干擾力增大或減小的幅度逐漸增大.
3.3.2 碳稅成本對(duì)航速的影響
對(duì)風(fēng)浪影響下的郵輪航速研究是在排放限制的前提下,因此文中對(duì)排放限制的影響作用進(jìn)一步分析,在目標(biāo)函數(shù)不考慮碳稅成本下對(duì)該郵輪航線的航速進(jìn)行優(yōu)化求解,并將航速優(yōu)化結(jié)果與考慮碳稅成本的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,見(jiàn)圖3.
圖3 航速對(duì)比結(jié)果
從圖3中可以看出,不考慮碳稅成本的ECA航段的航速大多比考慮碳稅成本的航速要??;不考慮碳稅成本的非ECA航段的航速大多比考慮碳稅成本的航速要大,由于ECA內(nèi)燃油價(jià)格比ECA外燃油價(jià)格要貴得多,故在不考慮碳稅成本的前提下,會(huì)通過(guò)降低ECA內(nèi)航速來(lái)減少ECA內(nèi)的燃油消耗,從而使總的目標(biāo)成本較小.
3.3.3 模型的適用性驗(yàn)證
為了驗(yàn)證該模型具有較好的適用性,現(xiàn)另選一艘郵輪,基于上述的航線信息和模型進(jìn)行優(yōu)化求解.為了后文分析時(shí)便于區(qū)別,原來(lái)案例中的郵輪為1號(hào)郵輪,新對(duì)比的郵輪為2號(hào)郵輪.2號(hào)郵輪數(shù)據(jù)見(jiàn)表9.
表9 郵輪數(shù)據(jù)
根據(jù)2號(hào)郵輪的相關(guān)數(shù)據(jù)在IMO的溫室氣體排放研究報(bào)告中查找相應(yīng)的模型參數(shù),其模型參數(shù)與1號(hào)郵輪的模型參數(shù)值相同.基于表9的數(shù)據(jù)以及模型對(duì)航速進(jìn)行優(yōu)化求解,得到在該條航線上對(duì)于2號(hào)郵輪滿足目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的決策方案,總目標(biāo)成本為986 603.73美元,總?cè)加拖某杀緸?11 856.82美元,總碳稅成本為174 746.91美元,總CO2排放量為5 460.84 t,航速優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表10.
表10 2號(hào)郵輪模型計(jì)算結(jié)果
圖4為2號(hào)郵輪優(yōu)化之后的實(shí)際航速與靜水航速之間的對(duì)比圖,在同一條航線上,1號(hào)郵輪與2號(hào)郵輪的實(shí)際航速和靜水航速之間的增減趨勢(shì)是一致的.通過(guò)對(duì)比1號(hào)郵輪與2號(hào)郵輪的優(yōu)化結(jié)果發(fā)現(xiàn),2號(hào)郵輪的各項(xiàng)成本均比1號(hào)郵輪的對(duì)應(yīng)成本大,主要是因?yàn)閮蓚€(gè)郵輪的主副機(jī)功率、營(yíng)運(yùn)速度、受到的風(fēng)浪干擾力不同.基于上述的分析,可以看出本文所建立的模型對(duì)于郵輪的優(yōu)化具有較強(qiáng)的適用性,能夠較好的獲得最優(yōu)決策方案.
圖4 2號(hào)郵輪航速優(yōu)化結(jié)果
(1)郵輪航速在風(fēng)浪影響下的增減幅度與郵輪本身的航速、風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)舷角、波向角有關(guān).風(fēng)向?yàn)轫橈L(fēng)時(shí),郵輪航速越小,風(fēng)速越大,波向角越大,且風(fēng)舷角越大郵輪增速越大.風(fēng)向?yàn)槟骘L(fēng)或橫風(fēng)時(shí),郵輪航速越小,風(fēng)速越大,波向角越小,且風(fēng)舷角越小郵輪降速越大.
(2)風(fēng)浪干擾力與風(fēng)舷角之間有著密切的關(guān)系.當(dāng)風(fēng)浪來(lái)自郵輪正橫前時(shí),風(fēng)浪總合力隨著風(fēng)舷角的增大而逐漸減小,當(dāng)風(fēng)浪來(lái)自郵輪正橫后時(shí),風(fēng)浪總合力隨著風(fēng)舷角的增大而逐漸增大,且隨著風(fēng)速的增大,其風(fēng)浪干擾力增大或減小的幅度逐漸增大.
(3)考慮碳稅成本對(duì)郵輪航速有較小的影響,在ECA航段考慮碳稅成本時(shí)其航速一般比不考慮碳稅成本的航速要大,在非ECA航段考慮碳稅成本時(shí)其航速一般比不考慮碳稅成本的航速要小.
(4)模型可以計(jì)算出不同風(fēng)、浪條件下的郵輪最優(yōu)航速,且具有較好的適用性,可為郵輪公司帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境貢獻(xiàn).