本文是一篇工商管理论文，本文研究了ECA规制下集装箱船舶采用燃料转换，如何通过优化运营决策实现集装箱运输服务网络的可转运，以满足广泛的货运需求和应对Covid-19后时代下多变的燃油市场。
1 绪论
1.1 研究背景和意义
近几十年，世界经济快速发展，世界贸易量也在逐年增长，航运业在其中功不可没。尽管海运被认为是一种环保的运输方式，但航运业仍占全球SOX排放量的5-7%[1]。2015年，国际海事组织（IMO）提议在世界范围内建立的硫排放控制区（Emission Control Area，简称ECA），并设立波罗的海、北海、北美和美国加勒比海这四个排放控制区，成为减少和控制SOx排放的重要措施[2]。ECA规定2015年1月1日起所有船舶在ECA内使用的燃油硫含量不得超过0.1%，并且自2020年1月1日起，要求全球范围内的海洋运输都不得使用硫含量超过0.5%m/m的燃油。我国也于2015年通过了《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》，设立了我国的三大控制排放区。2018年，交通部对ECA政策进行了修改，将ECA的范围扩展到覆盖整个中国海岸线，并要求在ECA内的所有港口靠泊时都应采用硫含量小于等于0.5%m/m的燃油，并且说明到2025年时，中国ECA内可能会执行《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL）中的第三阶段氮氧化物标准，并考虑是否同时将燃油硫含量的限制变为0.1%m/m。即2025年后我国的ECA内外的燃油硫含量可能仍然会出现差别。图1.1展示了排放控制区与含硫量限额变化的设置。
1.2 国内外研究综述
航运作为人类经济活动的重要组成部分，受到产业界和学术界的重视，而船舶运营管理相关的决策问题属于典型的运筹学范畴。船舶运营通常有三种模式：工业运输、不定期运输和班轮运输[11]。船舶运营管理相关的运筹学问题通常归纳为战略层、战术层与运作层[12]。Meng等（2014）提出班轮运输公司必须做出的决策可分为三类： 1）战略决策（例如船队规模和组合、联盟战略和网络设计）；2）战术决策（例如频率确定、船队部署、速度优化和时间表构建）；3）运作决策（例如货物预订、货物运输、船舶重新安排和潜在的货物拒收）[12]。本文提出的研究问题属于班轮运营战术层决策范畴，因此本小节的文献综述主要针对该研究范畴进行展开。表1.1展示了班轮运输战略层和战术层的运营决策。
自2008年金融危机至2015年IMO提出ECA规制执行，再到最近Covid-19对全球贸易体系的影响，多年来，很多学者基于这些关键性的运营决策研究了班轮公司的运营管理问题，来应对以上这些发展背景下的政策要求、市场变化和技术更新等挑战[13-15]。为开展ECA规制下考虑转运时间限制的班轮运输航速优化研究，下面从班轮运营中航速决策优化的研究、ECA规制下班轮运营优化的研究和班轮运营中考虑转运操作的研究三方面回顾相关领域的研究。
2 相关理论基础
2.1 硫排放控制区概述
绿色、环保和低碳已经成为世界生产和发展的主题，更是世界航运发展的重要理念。国际海事组织（IMO）为贯彻这一发展理念，重新修订了船舶废气中的硫排放标准。面对这一新变化带来的挑战，船公司需要统筹考虑海运网络中的环境和经济因素，并运用现代科学技术和手段来管理船舶的日常运作，以及未来长远的减排技术投资决策，以实现节能、环保的发展要求[49]。
2.1.1 硫排放控制区划定的背景
港口的日常运作过程中，有大量污染大气的产物排放。全世界每年约有634万吨硫氧化物由船舶废气排出，约占全球总量的4%，产生的颗粒污染物大致等于全球一半汽车尾气颗粒污染物的总和。船舶产生的大气污染物主要包括两类：一类是具有挥发性的有机物，主要来源是液体化工品，或者其他油品在装卸搬运过程中，容易造成油气泄露和排放。另一类是指颗粒污染物，也就是常说的PM2.5，无论是直接排放的一次颗粒物还是燃烧过程中形成的硫氧化物或氮氧化物，都有可能与大气环境产生反应，生成二次颗粒物。
为避免航运业环境污染问题进一步的加剧，IMO、北美、欧盟等国际组织和国家设立了船舶排放控制区，并对航行其中的船舶进行了非常严格的硫排放监管，即在硫排放控制区内无论是航行还是停泊靠岸都要求使用清洁燃料，常用的有低硫燃油和岸电。国际海事组织提出的MARPOL公约附则VI，意图解决由船舶废气排放引起的大气污染问题，该公约旨在通过完全消除由排放至海洋中的油类和其他有害物质造成的污染，并尽量减少意外排放造成的污染，从而保护海洋环境，同时对船舶尾气排放设立了非常明确的标准，也确立了全球的硫减排目标。其主要内容有：重新修订了燃油硫含量标准、补充了燃油可获得性的相关要求以及补充了采油机NOx排放标准等。
2.2 班轮运输概述
集装箱船舶的运输量在船舶运输总量中所占的比重高达90%，远远超过其它船舶运输量的总和。班轮运输公司在当今全球经济发展中发挥着至关重要的作用，因为生产和运营已变得更加全球化，更多的业务正在外包并转移到海外[90]。
2.2.1 班轮运输的基本内涵
班轮运输又称“定期船运输或提单运输”，是指班轮公司在固定航线的挂靠港口之间，按照固定班期表依次访问固定的停靠港，为有运输需求的客户提供规范的、反复的货物运输服务，并收取一定费率运费的一种海上货物运输方式，是一种最为广泛的海上运输模式。班轮运输有其自身的特点，例如速度快、装卸货方便、价值比较高、交接港分散的货物。随着越来越多的普通杂货运输船逐渐被集装箱船舶所取代，班轮运输在运输市场上的比重越来越大，班轮运输承运的货物价值也越来越高，一般会占据世界海运价值总额的90%。班轮运输公司按照事先公布的船期表在固定的航线上航行船舶，船舶一般采用每周抵港模式依次顺序访问航线上的停靠港，集装箱的运费一般会根据固定的运费率来计算。一般情况下，航运公司经营的航线不会被随意改变，航线上的港口包括始发港、中转港和目的港。
2.2.2 班轮运输的基本特点
班轮运输的运营模式为船舶按照事先公布的船期表在确定的航线上的各个港口之间有规律的进行货物运输，因此又称为定期船运输。班轮运输一般都具有“四固定”的基本特点，即固定航线、固定港口、固定船期表和相对固定的运费率。较普通班轮运输不同的是，集装箱班轮运输的承运货物一般都是类似于工业制品或半制品等对运输时间要求较高的货物，这些货物的价值一般较高，对运价的承受能力较强。
3 ECA规制下考虑转运时间限制的班轮运输航速优化模型 .................... 29
3.1 问题描述 .................................. 29
3.2 模型分析 ............................. 30
4 实例研究 ........................... 49
4.1 基础参数设置 ......................................... 49
4.2 决策优化的有效性 ........................ 51
5 结论与展望 ............................ 60
5.1 研究结论 ..................................... 60
5.2 研究展望 .......................... 61
4 实例研究
4.1 基础参数设置
本节提供了Orient Overseas Container Line（OOCL，全球最大的综合国际集装箱运输和物流公司之一）在亚太地区中国沿海至东南亚运营的3条航线的商业案例，航线信息如图4.1所示。它们的港口停靠次序、3条航线上的转运港口，如表4.1所示。虽然我们选取的这一集装箱运输服务网络不是OOCL经营该区域的完整网络，但它非常接近一个现实网络。我们使用PortDistance软件生成了每一条分支航线的航程距离、ECA分布情况，如表4.2所示。
5 结论与展望
5.1 研究结论
ECA规制自2015年实施以来，全球范围内的各类船舶在经过已被管控的海域时需要采用必要的减排技术，以有效减少船舶的废气排放。燃料切换作为当前乃至未来几年最成熟、可靠、经济性的措施，本文研究了ECA规制下集装箱船舶采用燃料转换，如何通过优化运营决策实现集装箱运输服务网络的可转运，以满足广泛的货运需求和应对Covid-19后时代下多变的燃油市场。
理论层面上，Reinhardt等（2016）提出在船期设计、航速优化基础上融合船舶部署的运营管理问题是一个大的综合问题，解决方案由于复杂的战略计划、问题规模过大等不太可能实现[37]。因此，本文建立了一个新的非线性MIP模型，旨在得到总运营成本最小化的船舶部署、船期设计、航速优化的集成决策。整体模型虽然未在一个实际大规模的集装箱运输服务网络上进行实验，但是通过开发的基于ɛ外逼近估计法和枚举法的两阶段算法，能够在小型或中型的班轮公司业务案例中得到最优解。
应用价值上，本文通过OOCL在亚太地区市场的集装箱运输业务的案例研究，发现了一些管理见解。首先，我们提出的最佳运营方案是对既有网络运营决策的微调整，主要在于初始港口组合的设置、航速优化和部署必要的新增船舶，这对于班轮公司是容易接受的。其次，目前港口滞期费普遍提升的行业背景下，对于转运操作可能产生转运惩罚成本，班轮公司是不允许它发生的。再次，节约运营成本是班
