段雪妍， 范 琛

(1. 上海海事大学 经济管理学院， 上海 201306； 2. 同济大学 经济管理学院， 上海 200092)

低碳经济下长三角小内河集装箱运输网络优化

段雪妍1， 范 琛2

(1. 上海海事大学 经济管理学院， 上海 201306； 2. 同济大学 经济管理学院， 上海 200092)

针对低碳经济下的内河集装箱运输网络优化问题，建立最低周转量和航道优化改造模型。在此基础上，对长三角小内河集装箱运输网络优化改造进行仿真研究，分别针对2015年、2020年和2030年的运输需求及不同预算情况给出航道优化改造方案。这些方案对有效降低无效集装箱周转量和碳排放量具有重要意义，可为相关研究提供理论支持。

交通运输经济学； 网络优化； 集装箱； 低碳； 长三角小内河

Abstract: To deal with the problem of inland container transport network optimization, a minimum turnover model and a network construction optimization model considering limited budget are established. According to the forecast of transportation demand and diffent budgets in 2015, 2020 and 2030, several construction solutions are proposed based on simulation study. These solutions optimize the transportation distance, so that the low-carbon purpose can be achieved.

Keywords: traffic transport economics; network optimization； container； low-carbon； Yangtze River delta

在低碳经济下，内河集装箱运输因具有成本低、运量大和污染小等优势而得到广泛关注。[1-2]上海、杭州、嘉兴、湖州、苏州、无锡和常州等7个城市经济发达、内河水网密布，是我国发展内河集装箱运输条件最为成熟的地区之一(称为“长三角小内河”)。目前该地区集装箱运输尚处于起步阶段，高等级航道网络尚未形成，加上老旧桥梁、船闸及弯道等因素限制，其内河集装箱运输航线并不是最优路径，无效货物周转量和碳排放量较大，航道网络有待优化改造。[3]

已有学者对内河集装箱运输网络优化进行研究。陈飞儿等[4]采用Dijkstra算法分析上海内河航道最短路径，并提出改造方案；刘帅[5]基于复杂网络理论研究中三角区域至上海集装箱运输路径的优化问题；罗月蕾[6]将碳排放量转化为碳排放成本，构建以总成本最低为目标的集装箱内陆集疏运网络优化模型；胡鑫博[7]研究嘉兴市内河集装箱水路网络线路优化问题。然而，上述研究较少考虑碳排放和航道改造预算。这里针对长三角小内河集装箱运输网络，基于低碳视角构建降低内河集装箱周转量和航道改造优化的仿真模型，并进行仿真分析，得到多种预算下的航道优化改造方案。

1 长三角小内河集装箱运输网络

1.1长三角小内河集装箱运输情况

长三角小内河辖区内的内河航道总里程为12 942 km，其中4级及以上等级航道的里程约占总里程的14%，具体航道等级和分布情况见图1。

目前营运的内河集装箱航线主要有4条，分别为：嘉兴内河港—杭申线—黄浦江—外高桥港区；湖州安吉港—梅湖线—长湖申线—黄浦江—共青码头—外高桥港区；无锡内河港—京杭大运河—苏申外港线—黄浦江—外高桥港区；杭州东洲港区-杭申线-黄浦江-外高桥港区。根据规划，上海将于十三五期间建成外高桥内河集装箱港区和芦潮港内河集装箱港区，预测两个港口集装箱年吞吐量将分别达到100万TEU和200万TEU。但是，由于目前长三角小内河尚未完全形成高等级航道网，部分航道等级较低，这势必会影响长三角小内河集装箱的发展，导致船舶绕道航行，增加无效内河运输周转量和无效碳排放量。

1.2航道网的抽象和简化

根据图1所示的长三角小内河主要航道情况，抽取主要航道和节点，简化成图2所示的集装箱运输网络结构，其中：线上数字表示航道距离和航道等级；节点1为无锡港；节点2为苏州港(含常州箱量)；节点3为湖州港；节点4为嘉兴港；节点5为杭州港；节点6为上海外高桥内河集装箱码头；节点7为上海芦潮港内河集装箱码头；节点8为上海共青码头；节点9为上海外高桥港区；节点10为黄浦江，赵家沟节点；节点11为黄浦江，川杨河节点；节点12为大浦线，川杨河节点；节点13为黄浦江，苏申外港线，大芦线节点；节点14为大浦线，大芦线节点；节点15为苏申内港线，油墩港节点；节点16为杭申线，长湖申，苏申外港线，油墩港节点；节点17为杭申线，湖嘉申线节点；节点18为梅湖线，长湖申线，湖嘉申线节点；节点19为长湖申浙江段和江苏段节点。

图2 长三角小内河集装箱运输网络模型

2 内河集装箱运输网络仿真模型

2.1最低集装箱周转量模型

假设内河网络中有n个节点，包括m1个始发节点和m2个终点，从m1个始发节点运输货物到m2个终点。m1个始发点的集合为Ω1，m2个终点的集合为Ω2，dij为网络中从第i点到第j点的距离。

假设需要将wstTEU的集装箱从网络中的s点运到t点，则从s点发出的货物和到达t点的货物均应为wstTEU，即

(1)

设网络中到达i点的从s点运到t点的货物量应等于由i点发出的从s点运到t点的货物量，即

(2)

为降低无效集装箱的周转量，求解一个航运网络中的满足航运需求的最小周转量，令全局集装箱周转量最小化，即

(3)

则可得到以下全局最低集装箱周转量模型。

(4)

2.2航道优化改造模型

假设第i点与第j点之间的航道有Hij种改造方案，其中第h种改造方案对应的改造费用为chij。为方便描述，假设chij

(5)

改造后的航道行船路径选择模型为

(6)

通过设置不同的改造投资预算，可给出一系列周转量下的最优改造方案。

2.3航道优化改造的低碳节能效果

假设一定集装箱周转量对应的碳排放量为C，船舶CO2排放指数为ICO2。[8]根据国家标准[9]，内河船用柴油的CO2转换系数为3.206，则航道优化改造后节约的无效集装箱周转量所对应的的碳排放量计算式为

C=3.206ICO2Dst

(7)

内河集装箱船舶的船型大小、设计参数及ICO2指数均不相同，这里通过调研得到6种不同船型的ICO2(见表1)。

3 仿真数据

3.1内河集装箱货运量

长三角小内河集装箱运输目前还处于起步阶段，历史数据较少；同时，根据国内外内河集装箱运输发展的经验，内河集装箱运输量在行业成熟后将出现跨越式增长。因此，通过实地调研和专家访谈开展预测。

表1 6种船型的内河集装箱船舶ICO2

目前进入上海的长三角内河集装箱船舶中只有安吉港的船舶停靠共青码头，其他船舶均直接挂靠外高桥港区。内河集装箱船舶进入外港挂靠会给船舶航行带来不安全因素。此外，由于外港作业泊位紧张，海船优先挂靠，内河集装箱船舶在港等待时间大大增加，进而导致航次时间增加、经济效益下降。上海目前正规划专门用于内河集装箱挂靠的外高桥和芦潮港内河集装箱港区，未来内河集装箱箱量将逐步集中到这两个港口。据此可预测得到2015年、2020年和2030年长三角小内河网络各节点间的集装箱运量(见表2)。

表2 各节点间的集装箱运量预测结果万TEU

3.2航道通过能力

根据不同航道等级和航道利用率，可计算得到各节点之间航道的集装箱通过能力(见表3)。[10-11]

3.3航道改造费用

航道改造费用包括航道改造工程费用、桥梁改造费用、土地使用费、拆迁费和资金费用等。这里通过实际调研多条航道的改造费用，取长三角小内河7个城市的航道改造费用的平均值计算不同等级航道的改造成本(见表4)。

表3 不同等级航道的集装箱通过能力万TEU

表4 不同等级航道的改造成本 万元/km

4 仿真结果分析

根据“2.1”节和“2.2”节中的模型，运用混合整数规划进行求解。[12]

4.12015年运输需求情况分析

对2015年运输需求情况进行仿真分析，得到2015年航道预测流量和最大通过能力见图3，其中线上数字分别表示实际运输箱量(万TEU)和航道最大通航箱量(万TEU)，下同。结果表明，2015年航道基本可以满足运输需求，年总运输周转量为7 996.6万TEU·km。

图3 2015年航道预测流量和最大通过能力

4.22020年运输需求情况分析

对2020年运输需求情况进行分析，得到2020年航道预测流量和最大通过能力见图4。由于运输需求增加，总运输周转量为18 020万TEU·km，4～17，16～15，15～8及17～16等航段的实际运输量和最大运输能力较为接近，容易出现航道拥堵，需对运输网络进行优化改造。

图4 2020年航道预测流量和最大通过能力

得到的2020年航道网络优化改造方案仿真结果见图5，图中的3个节点中，第1个节点13.6亿元投资使总运输周转量下降到17 560万TEU·km；继续增加预算并不能使其进一步下降，只有当投资预算达到30.6亿元时才会有所变化，可下降到17 400万TEU·km；若继续增大投资，则只有到48.6亿元时总运输周转量才会有变化，可下降到17 360万TEU·km。这里给出的改造方案是几个可行的最优方案，具体选择哪种方案需决策者在作出进一步分析研究之后决定。

图5 2020年航道网络优化改造方案仿真结果

改造方案1：若改造总投资达到13.6亿元，则将16与17节点间的杭申线航道改造为三级航道，改造后的结果见图6。可看出，改造后16与17节点间的航道拥堵状况大大缓解，且每年总运输周转量下降到17 560万TEU·km，减少无效运输周转量460万TEU·km。根据式(3)和表1，按照最低ICO2估算，相应可减少的碳排放量为1 578 t；按照最高ICO2估算，相应可减少的碳排放量为3 258 t。

改造方案2：若预算达到30.6亿元，则将16与17节点间的杭申线航道改造为三级航道，15与8节点间的苏申内港线航道改造为四级航道，改造后的结果见图7。可看出，改造后年总运输周转量下降到17 400万TEU·km，减少无效运输周转量620万TEU·km，最低估算可减少的碳排放量为2 127 t，最高估算可减少的碳排放量为4 392 t。

图6 2020年第1种改造方案和航道流量

图7 2020年第2种改造方案和航道流量

改造方案3：若预算达到48.6亿，则将16与17节点间的河道升级为三级河道，15与16节点间的河道及8与15节点间的河道升级为四级河道，改造后的结果见图8。可看出，改造后年总运输周转量下降到17 360万TEU·km，减少无效运输周转量660万TEU·km，最低估算可减少的碳排放量为2 264 t，最高估算可减少的碳排放量为4 675 t。

图8 2020年第3种改造方案和航道流量

4.32030年运输需求情况分析

对2030年运输需求情况进行分析，由于运输需求激增，运输网络不能满足需求，无解，需对运输网络进行优化改造。最优改造方案和改造结果图9。改造总投资为161.4亿元，总运输周转量为33 790万TEU·km。

图9 2030年的最优改造方案和改造结果

5 结束语

在低碳经济下，内河集装箱运输越来越引起各方的关注，优化改造内河航道网络既是促进内河集装箱运输发展的有效途径，也是降低无效集装箱周转量、减少无效碳排放量的有效措施。由于航道改造工期长、投资巨大，因此需要慎重决策。这里从航道规划者的角度构建基于低碳视角的内河集装箱运输网络优化改造模型，以长三角小内河集装箱运输网络为例进行仿真分析，得到一系列预算下的改造方案，对内河航道优化改造决策和同类研究而言具有一定的参考意义。

[1] 刘庆珍.内河航运发展问题反思[J]. 中国水运：理论版,2006,4(8):35-37.

[2] 高晓月,封学军.基于低碳经济的内河集装箱运输效益分析[J]. 华东交通大学学报,2013,30(4):54-58.

[3] 赵东华,陈虹,黄荳荳.上海内河集装箱运输发展的问题探讨[J]. 水运工程,2012(12):27-31.

[4] 陈飞儿,张仁颐.上海港集装箱内河集疏运网络优化[J]. 上海交通大学学报,2006,40(6):1019-1023.

[5] 刘帅.基于复杂网络中的中三角区域至上海集装箱运输路径优化研究[D]. 武汉：武汉理工大学, 2013.

[6] 罗月蕾.低碳视角下集装箱港口内河集疏运网络优化研究[D]. 大连：大连海事大学, 2014.

[7] 胡鑫博.嘉兴市集装箱水路运输网络研究[D]. 大连：大连海事大学, 2008.

[8] FARRELL A E, REDMAN D H, CORBETT J J,etal. Comparing Air Pollution from Ferry and Landside Commuting[J].Transportation Research Part D，2003(8)：343-360.

[9] 中华人民共和国交通运输部．JT/T 826—2012， 营运船舶燃料消耗限值及验证方法[S]．

[10] 朱俊,张玮.基于跟驰理论的内河航道通过能力计算模型[J].交通运输工程学报, 2009, 9(5): 83-87.

[11] 林莉君.基于仿真的苏申内港线航道通过能力分析[D]. 上海：上海交通大学, 2011.

[12] 胡运权, 郭耀煌. 运筹学教程[M].北京：清华大学出版社, 2007：129-155.

InlandContainerTransportNetworkOptimizationinYangtzeRiverDeltaUnderLow-CarbonEconomy

DUANXueyan1,FANChen2

(1. School of Economics and Management, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China；2. School of Economics and Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)

2015-11-07

教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20113121110003)

段雪妍 (1979—)，女，安徽淮北人，副教授，博士生，从事交通运输经济与管理研究。 E-mail: 328236505@qq.com

1000-4653(2016)01-0110-05

U695.5

A