航运班轮的船用燃料管理系统的研究外文翻译资料

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航运班轮的船用燃料管理系统的研究

1.简介

在这篇文章中，我们研究航运班轮的船用燃料管理系统。船用燃料管理策略包括三部分:加油港口选择(在哪里加油)，仓储量测定(测量存油量)和船的速度调整(如何调整船的速度沿着服务路线)。这三个部分都是相互关联的，对它们进行优化可以获得最优的船用燃料管理策略。我们第一次详细研究这其中的联系，因此，做一个适当的经验模型代表来燃料消耗和船舶速度之间的关系在船用燃料管理策略是很重要的。基于集装箱航运公司获得的真实数据，我们发现不同尺寸的集装箱船有着不同的联系，可以用一个经验模型来表达这些不同大小的关系。我们进一步突出了在船用燃料管理策略中使用适当的消费速度模型的重要性，使用错误的或聚合模型会得到劣质或次优的策略。然后，我们开发了一个规划阶段模型，来确定最佳的船用燃料管理策略，即最优加油港口，仓储量和船的速度，使航运班轮服务船用燃料油相关总成本最小化。在优化模型的基础上，我们研究港口，时间窗口，船用燃料油价格，船用燃料容量对船用燃料管理系统的影响。我们最终从两个案例研究中得到一些见解。

1.介绍

随着国际贸易的快速发展，海洋运输已经成为国际运输中主要的运输模式。三种类型的远洋运输服务(工业航运、流浪汉航运和班轮运输)和班轮运输最近几十年期间服务有显著增加。尽管班轮运输行业在2008 - 2009年期间由于全球经济衰退经历了一个低谷期，但这个行业在2010年已经显示出相当大的反弹。目前航运班轮面临的一个主要挑战是在船用燃料油价格波动的环境中如何降低不断上升的船用燃料成本。图1显示了从2002年开始到2009年几个主要的加油港口船用燃料油价格(380 CST:CST是指单位厘沲燃料粘度之间的关系)。从图1我们可以看出，上涨和波动是燃料油价格的普遍趋势，2008年下半年由于次贷危机引起的全球经济衰退造成的的船用燃料油价格大幅下跌除外。

近年来，船用燃料油成本大大增加，甚至占据了航运公司总运营成本的大半。由Ronen[1]可知，船用燃料油价格大约是500美元每公吨，大型集装箱船的运营成本约四分之三由船用燃料油成本构成。因此，减少船用燃料油的成本可以从储蓄总额中减少巨额操作成本。船舶班轮已采取了很多减少航运燃料消耗从而降低船用燃料成本。根据丹尼斯[2]我们知道，嘉年华公司(荷兰美国线的拥有者)已经确定了140种节省燃油的方法。除了使用一些技术改进策略(例如，使用更高效的主机、螺旋桨抛光，等等)，航运班轮通常采用较为低速蒸汽机策略来减少燃油的消耗。然而，低俗蒸汽机将会增加整个旅行总旅行时间，进而可能影响班轮服务的进度。因此，如何调整船速度每条服务路线(从一个港口下访问另一个港口)是一个重要的问题。此外，船用燃料油价格不同港口可以非常不同的，甚至在同一天都会有很大差别。例如，最大的油差在同一天可以超过60美元每公吨(见表1)。此外，还有一些港口提供折扣价格燃油。因此在哪里加油、加多少油是另一个重要的考虑因素。在本文中，我们考虑研究一个包括加油港口选择，加油量测定和船的速度调整来达到船用燃料最优管理策略。我们强调，这些决策是相互关联的。重要的是要考虑他们如何使航运班轮服务船用燃料油相关总成本达到最小化。除此之外，基于从航运公司获得的真实数据我们发现，代表船用燃料油消费和船舶速度(不同的系数)之间的经验模型因不同的船只而不同，并用这个经验模型来表达船用燃料消费比与船舶速度之间的关系因船舶不同大小的型号而不同。当规划船用燃料管理策略使用一个错误的或聚合的模型会导致决定一个劣质或结果次优的船用燃料管理策略时，我们强调使用适当的经验的重要性。我们也分别对到达港口时间，船用燃料油价格，船船用燃料的能力，船用燃料管理策略和跳过端口选项的影响进行了研究。最后，提供了一些基于研究结果的见解。

近几十年来，基于海上交通运筹学(OR)的研究吸引了巨大的利益。Ronen[3]提出首次船舶供应和调度问题以及相关模型，其中包括运输系统模型、班轮业务不定期运输、工业施工模型。Ronen[4]和Christiansen 等人[5]回顾了发表在1982-1992年、1993-2003两个十年期间研究船舶供应和调度问题的文献。根据Christiansen 等人 [6]的研究，越来越多的对于上面三个论题的引用表明，基于海上交通运筹学的航运运输引起了越来越多的研究兴趣。然而，这些研究中只有少数提到船舶速度和船舶加油相关工作问题(船用燃料油价格，加油时间，船用燃料油消费等等)。Ronen[7]分析了利用慢蒸达到燃油节省和由于航行扩展导致的收入损失之间的平衡。他提出了三个模型，用不同的船舶类型确定短期最优速度支柱:收入产生的支柱(收入无关速度)，定位支柱和混合支柱(速度相关收入)。Perakis和Papadakis(8、9) 在一个装货港和一个卸货港之间决定船舶调度和相关的船舶最优速度。后来他们把他们的研究版本扩展到多个装运港和多个卸货港口，但仍认为每个船在卸货后返回加载港口的会加载货物(见Papadakis和Perakis[10])。Brown et al[11]提出了原油油轮调度问题，在确定船舶最优速度，最好的压载支柱工艺路线和货物作业等方面。Bausch et al[12]也在研究一个与Brown et al[11]类似的问题，不同的是，Bausch et al [12]研究的是运输散装产品，他们提供了一个基于船的速度和系统调度的个人电脑方案和Spyrou[13]的关于爱琴群岛轮渡交通仿真的研究，在这个研究中，船舶时间表里船速是一个隐式的参数。Fagerholt[14]在合适的时间窗口中确定速度的多船调度问题。Christiansen和Fagerholt[15]引入了考虑到多种时间窗口的有力的船舶调度问题，在这个问题中，在船的时间表里船的速度是一个隐式的决定。Notteboom和Vernimmen[16]提供了一个描述性的模型来研究欧洲与东方贸易中班轮服务的设计中增加船用燃料油成本的影响。Fagerholt et al [17]利用一个固定的运输路线来优化船舶在每条路线中的速度来研究船用燃料消耗随着时间的推移的最小化问题。Liu和Kronbak[18]利用北海航线服务比如欧洲和亚洲之间的可替代路线调查经济潜力，他们的案例研究他们发现不同场景燃料加油价格问题。Ronen[1]的分析权衡船舶减速与添加到集装箱班轮航线额外的船只。竭尽作者的知识，没有任何研究考虑到加油港口，加油量和船舶速度共同决定来使船用燃料油相关总成本在单程运输班轮服务中达到最小化。正如所记录的，联合优化这三个决策是非常重要的，因为他们都是相互关联的。因此，我们提出一个航运班轮服务规划模型来确定最优的船用燃料油管理策略(最佳加油港口，加油数量和船的速度)，来最小化单程航运班轮服务中总船用燃料油相关成本。此外，一个适当的模型代表船用燃油消耗率和船速度之间的关系也是船用燃料管理规划过程中必不可少的。因此，我们提供实证模型并基于航运公司获得实际数据来表达这种不同大小集装箱船的关系。此外，我们研究到达港口的时间窗口，船用燃料油价格，船用燃料容量和跳过船用燃料管理策略端口选项对于单程航运班轮服务的影响。最后，我们提供了一些从这项研究中获得的，在某些情况下可以用于实践的见解。

本文的其余部分组织如下:在未来章节中，我们描述提到的问题。然后，我们目前的实证模型来表达船用燃料油消耗率和船舶速度大小不同的集装箱船之间的关系。在这之后，我们提出我们开发的数学规划模型并提供两个个案研究和在这些研究中得到的一些见解。最后，我们得出本文的总结和为未来的研究畅想大纲。

2．问题描述

我们认为一个船用燃料管理策略最小化单程航运班轮服务船用燃料油相关成本的研究中，该服务路线，服务频率，端口数呼叫，以及部署在服务船舶的数目是已知的。为简单起见，我们假定港口时间(包括入境时间、卸货时间、加载时间、空闲时间和退出时间)在每条服务路线中是已知的。需要注意的是我们并不认为运河通行时间(苏伊士运河航道运河和巴拿马运河)可以合并在航行之前到港的到港时间。我们也假设所有部署服务的船只都均匀（即同样大小/容量)，因为这在实践中并不少见。因此，一艘参与服务的船的总周期时间(往返航程时间)是已知的(例如，如果N艘船在每周一次的服务部署，那么船的总周期时间是N乘7乘24 h)。因此，服务路线船的平均速度是预先确定的。由于船用燃料消耗率关系到这艘船的速度和船用燃料油价格在不同的港口是不同的，我们的研究使得调整每条支撑服务路线船舶速度。注意，在某些可加油港口提供价格折扣低于合同协议。因此，我们也考虑对船用燃料油的价格中价格折扣的增量。这个价格折扣增量数量通常应用(见e.g. Weng [19], Hu 和 Munson [20] 和 Zhou [21])。

虽然航运班轮服务会产生不同类型的成本。如资本成本、运营成本(船用燃料成本除外)，港口成本费用，集装箱、集装箱操作成本，管理成本等，这些成本在我们的研究中都是固定的，比如参与部署服务的船舶数量和船舶总周期时间是常数。因此，在我们的研究中我们只考虑船用燃料油相关的成本。请注意，我们的船用燃料管理策略决定了当船离开每个港口从油箱可以测量的船用燃料的数量(船用燃料的重量)。由于船舶载重吨位(DWT)承载能力包括货物、船用燃料，当船的存储能够携带的重量使其漂浮在其载重线上，船用燃料的重量影响货物/集装箱的承重能力，这时该船舶总载重不会改变。因此，我们进一步考虑因船用燃料的重量导致的收入损失，假设船用燃料的重量和收入损失之间的关系是线性的，当船离开港口时船用燃料的重量均在船舶的油箱上。作为一个近似，估算的收入损失的价值系数基于连续港口之间的距离。为了最小化单程航运班轮服务船用燃料油相关的成本，我们开发一个航运班轮服务规划模型来确定最佳的船用燃料管理策略，包括最佳的加油港口，仓储量和船的速度在每一个支撑的服务路线。在一个适当的模型中船用燃料管理的决定过程中表示船用燃油消耗率和船舶速度之间的关系是重要的，我们将首先基于从航运公司获得的现实数据开发一个经验模型来表达这种不同大小的集装箱船的关系。

3.经验模型

为了计算船舶的船用燃料油消耗，我们第一项研究船用燃料消耗速率和船舶的速度之间的关系。尽管一些先前的研究使用船的速度三次方 (Ronen[1、7])或超衬垫功能巡航一艘船的速度(Brown et al .[11])或一个经验图(Notteboom和Vernimmen[16])或二次凸函数(Fagerholt et al .[17])来近似计算船用燃料油消耗，没有任何的研究提供一个不同的集装箱船船用燃油消耗率和船舶速度大小之间关系的经验模型。根据这些我们从航运班轮获得的数据，我们分析了不同尺寸的集装箱船船用燃油消耗率和船速度之间的关系。我们发现Ffrac14;k1V3thorn;k2是一个很好的表达这种关系的经验模型，F表示船用燃料油(380 CST)消耗率(吨/天)，V代表船速度(节)和k1，k2为系数。请注意，这个线性模型的本质是作为拦截的k2和作为V3的梯度的k1。系数k1和k2对不同尺寸的集装箱船如表2所示，并且他们的关系描绘在图2中。从表2中，我们发现，k1，k2对于不同尺寸的集装箱是不同的，但k1，k2趋势是随着集装箱船的大小的增加而增加，这表明，更大的船舶的船用燃料油消耗随船速的增长而增加比小的船要快得多（见图2)。6000 TEU船只是例外。这可能是由于6000 TEU集装箱船只提供的可用数据数量有限。还要注意，从表2可知一定的速度间隔经验模型是有效的，对应下面的声明“低于一定的速度水平的燃料消耗在任何速度时大约是相同的(Fagerholt等[17])。

相比于现有的船用燃料消耗率和船舶的速度之间的关系的研究，我们的经验模型具有以下两个主要的不同之处。首先，我们的模型系数k2，可以让近似值更加准确。根据我们的研究，如果我们使用模型F Ffrac14;k1V3代替frac14;k1V3thorn;k2，船用燃料油相关总成本和最优决策可以是有很大不同的。这种差异在第五节中给出的案例研究中清晰可见。第二，我们发现模型的系数(即k1和k2) 对于不同尺寸的集装箱船是不同的，而大多数现有研究忽视这一点的区别。第5部分所示不同的模型的系数也会导致不同的最优船用燃料管理策略。这强调了在决策过程中使用适当的模型的重要性，使用错误或聚合模型会导致劣质或不佳的船用燃料管理策略。

我们注意到使用的数据用于适合经验消耗模型是基于类似的船只大小和制造，并从单程航运班轮公司。这些模型将因来自不同公司的不同船舶而不同。这一点我们想强调的是船用燃料油消费率会因船舶的型号的不同而非常不同，因为它可能会对最优船用燃料管理决策有重大的影响。正如其他任何经验建模方法一样，每个都应该使用合理的数据反映所研究的船队并为船用燃料油消耗获得好的模型。

4.模型开发

对于单程班轮服务规划模型表示为如下：

目标函数的功能是根据一艘船一周期的费用最小化总船用燃料油相关费用，第一项船用燃料成本，所表达的是标准分段线性化约束条件(1)-(9)和第二项是当船离开港口时由于船舶油箱中可用的船用燃料的重量导致的收入损失。请注意，在我们的研究中其他费用(船用燃料油相关成本除外)都是常量，例如参与服务的船舶数量和一艘船的部署总周期时间都是常数。约束(10)和(11)是流守恒约束。约束(12)确保最低加油金额一定比例(这里我们为船用燃料油的说明性目的任意设定在20%)一艘船的容量。约束(13)确保加油数量不超过船舶的船用燃料的容量。约束(14)限制了加油的最大数量倍。这可以方便地设置港口服务路线中提供可加油的数量，或基于班轮公司政策的一个上限。约束(15)确保船用燃料油库存有一定的最低水平(我们任意设置为5%船用燃料油船)的容量。约束(16)确保了船用燃料油的船不受侵犯。约束(17)反映了船用燃料消耗速率和船舶的速度之间的关系。约束(18)确保船的速度是在一定时间间隔内。约束(19)是一个时间流约束。约束(20)确保船舶在港口到达时间窗口内到达港口。约束(21)和(22)记录船舶在起始港口的到达时间。约束(23)是一个二进制约束。注意，该模型适用于所有部署服务的船只。

5．案例研究

现在我们

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