文摘

本文认为不同的碳排放政策的影响班轮运输。运输优化模型在四种不同形式的碳排放政策(没有碳排放约束,碳排放税,碳帽,和碳总量管制与排放交易)开发。给出一个真实的案例验证了该模型的有效性和影响的比较分析不同碳排放政策船东利润和船舶碳排放。结果表明,碳排放限制的形式是最直接的方法来减少排放;碳排放税的形式是一个强制性的措施,具有最大的航运公司对利润的影响;碳排放限制与额度交易形式减排效果较弱,更容易为企业积极落实减排和长期被极大地调动起来。

1。介绍

碳排放控制政策会影响速度的决定,这是班轮运输的优化密切相关1]。增加环境保护意识,航运排放引起了人们的关注。2011年7月,在海洋环境保护委员会第62届会议,国际海事组织(IMO)采用了第六修正案附件防止船舶污染的国际公约,第一个强制性碳减排相关法律法规适用于所有国家的船只。2013年6月,欧盟(EU)航运行业的减排政策制定。作为一种重要的手段来有效地减少碳排放,促进航运业可持续发展,目前常见的碳排放政策主要包括碳排放税,碳排放限制,和碳总量管制与排放交易2]。欧盟欧洲排放交易体系(ETS),这是第一个实现碳排放限制和caps-and-trade,已经成为世界上最大的碳排放交易市场(3]。不同的碳排放政策有不同的对航运的影响,以及哪些政策更适合航运业待进一步研究。对于企业来说,实施不同的碳排放的政策带来了新的挑战,企业的经营管理,使企业的管理决策更加复杂。有必要进行深入讨论他们的减排效果和对企业的影响。因此,研究不同碳排放政策的影响班轮运输理论的重要性和实用性。

长途货物运输的运输是最节能的方式,比空气更少的碳排放,铁路和公路运输(4]。然而,欧盟环境保护署的“国际航运对空气质量和气候变化的影响在欧洲“发布2013年指出,航运是“最不受监管的大气污染物的来源之一”。碳排放不等于污染物,主要认为是温室气体(GHG)。国际海事组织估计2007年由船舶温室气体排放水平在10.46亿吨二氧化碳,约3.3%的全球温室气体排放,如果不采取行动,这些排放量预计到2050年将增加150 - 250 (5]。因此,运输被认为是全球温室气体排放的重要来源(6]。温室气体的排放运输已经吸引了越来越多的关注全球问题在过去的十年中7]。国际海事组织已制定目标,从现有船舶温室气体排放减少到2050年(20 - 50%8]。国际海事组织已经开发了一个可持续的海上交通系统的概念为“安全、可靠、高效、可靠的世界各地的货物运输,同时最小化污染,最大限度地提高能源效率,确保资源保护”(9]。在这种背景下,研究的问题是更实际的运输碳排放。

为了解决上面,我们采用以下方法步骤总结如下:(我)构造最优决策模型基于利润的班轮运输的航运公司通过使用主机的燃料消耗规律,不管碳排放政策(2)使用燃料消耗和碳排放之间的关系,构建一个班轮运输的优化决策模型,认为碳排放税,碳排放限制和碳总量管制与排放交易(3)该模型验证了中远集团的实际情况(中国远洋运输(集团)公司)航运有限公司有限公司和结果进行了讨论和分析

在这种背景下,本文的目的:(1)分析不同的碳排放政策的影响在运输公司的运输优化决策和利润,探索不同的碳排放政策的作用在减少排放。一方面,它可以更好地指导企业实践,另一方面,它提供了一个依据决策者正确选择适用的碳排放政策(2)研究碳排放税和碳总量管制与排放交易之间的差异的影响成本、减排效果,和未来适应可持续发展。提供了重要参考碳排放政策的制定和实施(3)探索市场减排政策对企业成本的影响,通过边际减排成本。它揭示了企业的内部原因减排决策和制定政策提供了一个强有力的依据(4)Multiangle分析船舶减排问题,提供参考的可持续发现的航运市场和制定长期的减排政策

大多数研究认为一个碳排放政策,如碳排放税或碳总量管制和交易,本文研究了四种不同的碳排放政策对班轮运输的影响。手稿的其余部分组织如下:部分2回顾相关的文献。部分3描述下问题研究中,虽然部分4介绍了四种不同情况下的问题的数学模型:模型没有碳排放税,模型考虑碳排放限制,模型考虑排放征税,模型考虑碳总量管制与排放交易。部分5描述了数值例子和执行计算结果分析。最后,在节6,我们总结本研究的成果。

2。文献综述

本文相关研究文学的两个流,为航运、碳排放和碳排放政策为航运。随着世界的环境可持续发展的重要性,越来越多的学者研究了船舶碳排放和船舶运输优化。航运业的碳排放密切相关船舶的燃料消耗10,11]。阿姆斯特朗(12]讨论了船舶优化措施在减少燃料消耗和差异导致了低碳运输。Cariou [13使用二手数据,准确分析缓慢航行的影响有限₂自2008年以来,排放的班轮运输。Lindstad et al。14]调查速度的影响减少直接排放和海上运输的成本。吸引和月亮(8)研究了三个方面:(1)之间的关系来分析航行速度和数量的二氧化碳排放和估计的变化缓慢蒸班轮运输;(2)之间的关系来分析航行速度和运营成本在一个循环;和(3)找到最优航行速度作为最大化减少解决方案有限公司₂排放最低的运营成本,从而满足国际海事组织的减排目标。阴et al。15]看着多慢蒸可以节省燃料消费的问题,造福环境。哈Eskeland [16]提出了三项措施减少能源消耗和二氧化碳排放量从海上运输放缓导航,更大的船只,和一个瘦小的船体设计。黄等。17)提出了一个基于减速可持续性模型导航决定平衡减速航行决策之间的关系和燃料成本,进度拖延和碳排放。Psaraftis [18]探索“速度优化和减速导航”,以减少船舶排放的影响和缺陷。

金等。19]研究了船速度优化问题的目标最小化总燃料消耗量。金等。20.)解决的问题确定船舶速度、机队规模、特许船数量受环境法规组成的碳税和碳排放交易计划法案。Corbett et al。21]讨论了燃油税的政策影响和速度限制二氧化碳的排放。Psaraftis和Kontovas22)各种海上减排政策的影响进行了探讨海上物流。Windeck和Stadtler23]探索总量管制和交易制度的潜在影响集装箱航运公司和欧洲港口组织。金等。20.]研究了船舶速度、机队规模、和船舶数量决策问题的约束下碳税和碳排放交易。法郎和Sutto [24)集中在总量控制与交易制度的原则,探讨了实施这样的措施的潜在影响的组织集装箱航运公司和欧洲港口。王、徐(1)考虑三种不同形式的碳排放模型没有碳排放税,排放税收超过某个阈值,和碳排放税收决策模型构造一个速度。Chang和Danao25)提供了一个使用结构方程模型实证研究来识别因素激励航运企业采用绿色航运实践;研究结果显示,运输公司正在积极采取GSP主要由工业规范设定的制度化的关联。Michaelowa和克劳斯26]讨论了可能影响船舶温室气体排放和气候变化对船只。它概述了所应采取的政策和措施以减少温室气体排放的运输符合成本效益的方式。陈和王27]研究了最优订购和运输选项在不同碳减排政策。Mæstad et al。28挪威)总结了主要结果从项目和航运国际气候政策的后果。Lirn et al。29日)表示,环保政策有直接和积极的影响绿色船舶和绿色供应商的因素。邢et al。30.)考虑了两种碳排放政策探讨集装箱船的速度优化和车队调度的问题。朱et al。31日)研究的潜在影响开放海上排放交易系统(大都会)个人集装箱营运的舰队组合策略和二氧化碳排放水平。

大部分的班轮运输研究下碳排放政策只考虑单个碳排放政策,如碳排放税或碳总量管制与排放交易。一些研究也基于宏观层面的政策比较。因此,现有文献缺乏比较研究不同碳排放控制政策的影响班轮运输。为了更好地分析不同的碳排放政策的影响对运输企业优化决策和利润,并探讨不同的碳排放政策的作用在促进航运业可持续发展,有必要同时研究决定在不同碳排放政策。模型,一方面,可以更好地指导商业实践,另一方面,为决策者提供一个基础,正确选择适用的碳排放政策。

3所示。问题描述和符号

在本节中,我们描述下问题研究中,当我们进一步提供所有相关的假设。洲际集装箱班轮航线组成的多个端口,根据预先制定的时间表,船运公司在固定港口泊位的固定路线,并执行重复的集装箱货物运输服务的货物所有者根据规定的操作规程,并收集运费根据固定的运费率。当掌握集装箱货运需求和路线上的任何港口之间的运费率在研究期间,运输收入可以被认为是基本相同的,和利润等于收入减去成本。成本包括主机燃油成本、辅助燃料成本,固定运营费用、处理费用,港口费用,和碳排放成本。根据船的速度,船只的数量,和船型的选择作为决策变量,构造非线性优化模型的航运公司的利润。

集装箱班轮运输舰队的固定路线为研究对象,并假设(1)每个港口的服务水平和收费标准的研究路线是相同的,和各种费用和平均装卸效率是已知的;(2)港口之间的运输需求。众所周知,基本上不会改变;(3)路线的状况和调用端口的顺序已经确定,船航行在正常航行条件下,在航行中没有事故发生,而且每个部分帆以同样的速度;(4)使用相同的船型在同一路线,和操作的船是每周服务;(5)的试点时间船进出每个端口都是一样的;(6)船的承载能力和港口之间的需求是衡量集装箱的数量,和货物整柜运输。

本文中使用的符号有以下含义。米代表所有类型的船舶;表示m型船舶的数量分配给班轮航线(船舶);是一个0,1变量;和= 1,表示选中的类型的船只,否则,它不是选择;代表的m型船的航行速度在海里每小时的最低速度之间的一个值和船的设计速度 ; 代表的总时间(以小时为单位),一艘船在海上花在往返;代表每周要求从停靠在货柜港口调用 ; 在路线代表整个航行的距离;代表路线上的端口调用的数量和港口调用索引从1;和th停靠指的是船舶航行回到第一个端口;代表收入满足需求(美元/集装箱)停靠港口调用 ; 代表的总时间(小时)一艘花在往返;代表的时间(小时)方法船舶引航;表示港口效率(TEU /小时);代表固定的m型船舶的日常成本(美元/天);代表了装载容器的单位成本在端口;代表了卸载容器的单位成本在端口;代表了其他固定成本/端口船舶类型(美元/调用),包括停泊费、停泊费、港务费,和其他固定费用;代表主引擎的燃料消耗类型的容器(吨/天);代表了燃料消耗的辅助类型的容器(吨/天);代表的能力类型的船(集装箱);表示原油价格(美元/吨);表示光石油价格(美元/吨);代表了日常航运公司的利润。

4所示。模型公式

4.1。Case1:模型没有碳排放税

以下4.4.1。起点到终点的关系(OD)端口之间的需求和每个部分的货物总额

代表了部分,代表了部分商品的总量 。当有两个端口之间的商品需求,从港口货物运输港口 。使用表示从港口集装箱运输的数量港口 ,如图1:当端口2货运输到港4,它将通过2 - 3段和3 - 4段。当端口1货物运输到港口3,它将通过1 - 2段和2 - 3段。可以看出,货物运输总量的2段 。同样,商品的总量上段可以表示为 。

4.1.2。速度之间的关系和船舶航行时间和数量

总时间一个船完成航次由海上航行时间、装卸时间在港口,和引航时间进出的港口,=航次/航行时间。

代表了装卸港 , , 代表了港口出口体积,代表了港口进口体积。每周的船数量:

4.1.3。舰队每天收入代表平均每日收入的所有船只舰队

4.1.4。舰队成本

(1)日常运营成本包括船人员、船舶折旧、财务费用、办公用品、人事管理费用和其他费用 (2)舰队日均港口费用包括端口处理费用和港口费用(包括停车费,电缆取消费用,和港口费用) (3)每日平均燃料消耗量

运输前燃料消耗的主要引擎遵循所谓的立方定律设计速度和运行速度,表明船舶燃料消耗的主要引擎[13]。船舶主机和辅机使用不同的燃料。通常,主引擎使用重油,辅助机器使用轻油。因此,总燃料消耗量舰队的路线可以表示为公式(6),平均每日燃料消耗成本的公式(7)。

因此,船东在Case1决策模型可以表示如下:

(9)和(10)表明,相同类型的船是部署在路线;(11)表明该船容量限制;(12)表明,速度限制;方程(13)和(14)非负整数约束。

4.2。例2:模型考虑碳排放限制

碳限额是指公司的操作按照定义的碳排放津贴。碳排放配额不足或过度时,公司不能购买或出售碳排放限制和碳排放权交易市场。因此,碳限制政策对企业是一个强制性的约束,和本文的碳排放限制在不超过 。

速度和燃料消耗和碳排放之间的关系:船舶碳排放取决于船舶燃油消耗和燃料的碳排放因素在一定的时间内。碳排放因素在每个文学略有不同,和系数采用政府间气候变化专门委员会(IPCC) (32]。也就是说,1 t船用燃料生产3.17 t有限公司₂,所以舰队的日均C0₂排放问_二氧化碳可以表示为 。

因此,出租人在例2的决策模型可以表示如下:

(16)碳限制约束。

4.3。Case3:模型考虑碳排放税

碳排放税是指征收一定的碳排放的政策,对碳排放征税过程中业务操作。碳排放税征收碳排放税是基于碳排放。根据船上的二氧化碳排放定量开征碳排放税(美元/吨)每吨。

因此,船东在Case3决策模型可以表示如下: 公式(9),(10),(11),(12),(13)和(14)。

4.4。Case4:模型考虑碳总量管制与排放交易

碳排放限制与额度交易意味着企业的碳排放控制的碳排放限制。然而,当碳排放配额不足,企业可以从碳交易市场上购买碳排放权,这就增加了航运公司的碳排放成本。碳信用过度时,公司可以去碳交易市场出售多余的碳信用额度,获得额外的收入,增加碳航运公司的销售收入。用市场机制来建立法律排放权,并允许这种权利大宗商品等交易碳排放控制。价格每吨碳交易 ,和碳排放限额分配给的路线 。舰队每天碳排放成本 。

因此,船东在Case4决策模型可以表示如下: 公式(9),(10),(11),(12),(13)和(14)。

5。数值例子和讨论

5.1。描述的参数设置

为了评估的适用性提出了模型和算法的有效性,本文使用了一个实际案例研究中远航运有限公司有限公司选择的实际情况如图2,船从上海港口,最后返回到上海港口。并选择10种船舶类型( )常用在中远为研究对象。这艘船信息如表所示1(来源:劳合社海事数据库)。

端口之间的货物运输体积(从公司历史数据估计)和港口之间的运费显示为表2和3。(数据来源:中远航运有限公司)。我们设置中使用的其他参数模型遵循(数据来源:克拉克森,BIMCO): , , , , 美元/集装箱, , , 美元/吨, 吨/天。

5.2。计算结果分析

规划模型是通过使用MATLAB平台解决遗传算法,该算法设计如下:(1)编码:

本文优化模型的决策变量是船的速度和船型的选择。真实的和使用的是二进制编码。总(染色体长度)将编码长度 。第一个轨迹是由一个整数编码实数。例如,1代表第一艘类型,2代表第二个船型。最后一个基因是二进制编码的,相应的船的速度可以通过二进制,十进制译码。考虑解决方案的准确性,被认为是10,所以0000000000是最低的极限速度,1111111111代表了最高限制速度,和可能的速度值分为相等的部分,每个代表一个速度值。(2)生成初始种群

为了确保解集的质量和人口的多样性,我们使用一个随机方法生成初始种群,将人口规模为50。(3)适应度函数

适应度函数通常是直接表达的目标函数,但是由于nonnegativity的健身价值和一些限制的存在,我们需要将目标函数。一个是添加一个罚函数,另一种是添加一个适当的正数,确保非负健身。用于构造遗传算法的适应度函数是一个函数组合形成的约束条件和目标函数的罚函数。具体形式如下:

FITV代表遗传算法的适应度函数,是一个很大的正数点球重量,然后呢是目标函数。[]是四舍五入的象征,当 ;该值为0,当 ;值是一个非零的正数,这是一个无限的正数。上面变成了惩罚系数的约束条件 。(4)选择操作

相结合的策略采用轮盘赌和精英保留,这不仅能使更好的个人通过继承上一代通过良好的基因,但也确保最优个体基因不毁灭。(5)交叉算子

人群中不同个体的信息交换是通过随机概率产生更大的个体人口,这就增加了复杂性和多样性的人口以近似最优解。计算遗传算法的交叉算子、交叉操作的关键因素,设置为0.8。交叉操作的方法有很多。本文主要研究了两点交叉操作,也就是说,在人群中随机配对两个人。最初的染色体如表所示4和5。

两点交叉操作后,原来的染色体被转换成一个新的染色体。结果如表所示6和7。(6)变异操作

变异操作满足变异概率 ,和替换某些基因值与相应的配对的染色体基因值以这种方式形成新的个体。使用单点突变操作,如果选择第一个基因突变,randperm ( ,1)将被用来替换原来的值,也就是说,船的随机突变类型和最后一次基因突变将用于删除的二进制编码遗传利基。反向操作, , 。在这项研究中,变异系数设置为0.05。(7)终止条件

终止的原则是要达到的最大数量遗传后代。本文的最大代数是100。算法迭代代数达到100时自动停止,并输出最优解的人口,这是最大的利润。

计算结果如表所示8。

它可以从表所示8,碳排放限制碳排放税和碳总量管制与排放交易导致航运公司的成本增加,利润下降,较低的平均速度,并减少碳排放。利润减少比率3个碳排放政策造成的0.24%,0.93%,0.02%;减少碳排放的20.10%,11.43%,0.00012%。碳排放限制的减少碳排放最多,也是最直接的方式来控制碳排放。然而,减少碳排放取决于排放上限的设置,以及排放上限的限制受变化由于政治谈判和利益集团。在碳排放税的情况下最大航运公司对利润的影响,碳总量管制与排放交易形式对企业利润的影响。碳总量管制与排放交易的形式更容易被青睐的企业支持和决策者,但其目前市场监管能力较弱。

5.2.1。比较研究的碳排放税和碳总量管制与排放交易

碳排放税和碳总量管制与排放交易是主要的碳减排政策大多数国家所采用,专注于减少碳排放。基于碳排放税的区别和碳总量管制与排放交易成本和减排效果的影响。其他参数不变的条件下,碳税和碳交易价格不断提高执行多个模型计算得到结果如图3。

它可以从图3,随着碳交易价格和碳税的增加,碳排放量继续下跌。当碳交易价格和碳税达到每吨75美元,两种形式的碳排放往往是一致的。在碳总量管制与排放交易的情况下,公司的利润下降,但如果碳交易价格超过50美元每吨,利润上升(如图4)。公司的利润一直在减少碳排放税的情况下;发现碳总量管制与排放交易的形式由航运公司的欢迎,可以满足减排要求。

在碳总量管制与排放交易的情况下,依靠市场机制来解决问题,促使企业积极实施减排和激励。这种机制允许排放流通;碳减排不再仅仅是一个成本,它也创造了机会获得好处。上面的结果,它也发现条件下,碳交易市场已经成熟,企业的利润将不是减少而是增加。对公司来说,这将使他们更有动力积极减少排放。然而,减排的碳排放税是目前较弱。因为税收是强制措施,它是一个个人或企业想避免成本。因此,碳排放税的减排行动提升被动减排,这并不有利于提高企业的热情。

5.2.2。平衡的边际减排成本和碳排放成本

从航运公司的角度来看,运输优化的目标是选择最好的速度范围内实现利润最大化的减排任务。当公司选择最高价值之间的利润值,他们通常不考虑碳排放的增加,只要他们满足市场的减排目标。为此,通过边际减排成本,探索市场减排政策对企业成本的影响。等于边际减排成本的比例的碳减排治理的成本,也就是说,减少一个单位的经济成本的碳排放量(碳税成本或运输公司的碳交易数量)。

它可以从图5边际减排成本的碳排放税都大于零;它表明有一定的经济成本,减少碳排放的一个单位。在碳总量管制与排放交易的情况下,碳交易价格不到50美元,边际减排成本大于零,大于边际减排成本的碳排放税,表明企业需要付出一定的经济成本,以减少一个单位的碳排放和碳排放成本大于税收形式;当碳交易价格大于50美元,边际减排成本小于零,这意味着企业可以获得一定的收入不减少一个单位的碳排放的经济成本。因此,在当前碳交易市场不够成熟,与碳排放税形式相比,碳总量管制与排放交易形成航运公司会减少刺激,以减少排放。随着碳交易市场的不断成熟,碳交易价格继续增加,航运公司对减排将极大地提高他们的热情。从减排效果的角度和企业的热情,碳总量管制与排放交易形式是更好、更适合运输的可持续发展。

5.2.3。船的大小对碳排放的影响

它可以从表所示9大型船只的双重优势,降低燃料成本和碳排放低于较小的船只的能力。它有一个大规模提高船舶运输能力和运输能源消耗显著降低,同时减少有害生态排放。由经济、环境保护、大型船只的趋势是全球低碳经济发展和运输的可持续发展。

5.3。敏感性分析

5.3.1。燃料价格变化

目前,大多数航运公司使用速度控制成本的变化(33]。它可以从图4在短期内,低油价对航运公司降低成本有一定的影响。当石油价格下跌,他们选择增加船的速度,降低船舶的输入,或增加航班的数量。油价上涨导致船的速度和减少船舶投入成本的增加。同时,从图6,发现油价较低,碳排放量高,低油价会对节能减排有负面影响。此外,在运输可持续发展的角度来看,低油价会降低企业减排的积极性。例如,一些管理软件和燃料添加剂使用中远节能减排需要一定的成本。如果低油价持续下去,这些输入基本上是没有意义的。

5.3.2。装卸效率的变化

它可以从图7提高港口装卸效率导致航行时间短,运输船舶的数量减少,和船的成本降低。提高处理效率可以降低总成本和不一定减少碳排放(取决于容器的数量),但碳排放的总体趋势下降。因此,在运输可持续发展的角度来看,港口的装卸效率的持续改进是大趋势。

6。结论

分析没有碳排放约束的影响,碳排放税,碳排放限制和碳总量管制与排放交易在班轮运输优化。结果表明,它们都导致利润减少船舶班轮运输公司,这也会导致平均速度降低和减少碳排放。碳排放限制形式是最直接减排减排的方法。碳排放税的形式对利润的影响最大的航运公司。碳排放限制与额度交易形式更容易支持的企业;然而,碳交易价格太低了,市场监管薄弱。同时,发现大型船舶降低燃料成本的双重优势,降低碳排放。

碳排放税和碳总量管制与排放交易形式进行比较和分析。发现碳总量管制与排放交易形式依靠市场机制来解决气候问题,鼓励企业积极实施减排和激励。碳排放税形式是减排的强制措施,激励是弱。从减排效果的角度和企业的热情,碳总量管制与排放交易形式是更好、更适合运输的可持续发展。敏感性分析发现,在短期内,低油价对航运公司降低成本有一定的影响,而高碳排放减排产生负面影响。在运输可持续发展的角度来看,低油价会降低企业减排的积极性。提高处理效率不一定能减少碳排放(取决于容器的数量),但碳排放减少的总体趋势。

本文研究碳排放的影响船舶交通政策优化从航运公司的角度。然而,船运公司和其他利益相关者的利益供应链尚未得到充分的证明。结合不同的碳排放政策的影响,如何传播的好处在航运供应链需要更多的研究。

数据可用性

所有生成的数据或分析在这项研究中都包含在这篇文章中,更详细的数据或代码,请访问:https://figshare.com/s/2b6be4ad8f703a01ce38。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

资金

这项研究由专项资金促进广东省经济发展高质量的海洋经济发展的(使用)。项目没有。:广东省自然资源部(批准号[2020]071)。