基于熵权-TOPSIS模型的LNG江海直达船型运输经济分析

郭亚东，张培林

（武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063）

1 引言

LNG是液化天然气（Liquefied Natural Gas）的缩写，具有清洁、高效、安全的特点。目前，长江船舶的动力燃料以柴油为主，燃油经济性差，废气排放量大，而LNG因其特有的低碳环保性和使用经济性，成为长江船舶动力的理想替代燃料，发展潜力巨大。伴随着长江经济带沿线省份的“煤改气”和“油改气”工程的加速推进，LNG的需求量增长迅速，在长江沿线及内陆省份具有巨大市场空间。然而目前内河LNG运输市场仅有部分试点船舶营运，发展较为缓慢，除了政策、安全等不明确因素[1-2]外，对长江干线LNG江海直达船型经济分析研究也较少。因此本文采用科学方法与模型，参照对比内河散杂货、集装箱船舶经济分析[3]的思路与方法，对Z-W航线的LNG江海直达船型进行了技术经济分析。

2 航线通航条件

长江干线起自云南水富，下至长江口，全长2 838km。上游习称川江，属于山区河流；武汉-南京段有汉江和鄱阳湖水系，安徽南部有支流汇入，部分河段分汊；南京-浏河口段江面较宽，南通处可达18km。2018年此航线最小维护水深为4.5m，具体长江航道维护水深见表1。

表1 2018年长江航道维护水深表（宜宾-长江口）

3 LNG江海直达船型方案拟定

Z-W航线LNG江海直达船型方案的拟定，需要考虑多方面因素，具体如下：

（1）航道水深。根据表1可知，2018年该航线最低航道水深为4.5m，而随着2018年末长江干线武安段“645工程”的开工建设，至2020年该航线最低维护水深将达到6m，通航条件将大为改善。

（2）货运量。W市接卸站不仅满足本市的LNG需求，而且辐射本市周边的城市。预测知此地区2020年需求量将达到160万t，需求量巨大，LNG运输市场发展前景广阔。

（3）船舶尺度。目前来看，船舶大型化、标准化是船舶发展的大趋势，LNG江海直达船也在朝着这一方向发展。Z港地处沿海，水深条件良好，因此同二程中转运输相比，采用江海直达船型运输组织效率更高，也符合发展趋势。

（4）政策。目前长江及其他内河LNG船舶运输尚未开禁，仅有部分试点船舶运行，LNG水上运输不仅需要提前向港口、消防部门申请报批，船舶靠离泊时亦需要颇为繁琐的安全措施，故LNG运输亟待政策解禁。

（5）技术。LNG运输船的建造技术已经相当成熟，但我国在LNG江海直达船大型化建造方面还缺乏足够的技术和经验。在船型方案拟定过程中，应当选择安全性能高、技术经济性佳的船型。

综合考虑上述因素，选取5 000-30 000m3LNG江海直达船型进行分析，具体方案见表2。

表2 LNG江海直达船型

上 述 船 型 中 ，3 000m3、5 000m3、8 000m3、10 000m3为现有运营或试点船型，因3 000m3船型适用于短途、中转运输，在长距离内河运输中经济性较差，因此具体分析不选取该船型；15 000m3、20 000m3、30 000m3船型资料来自于相关船厂在建或将建船型，代表了未来LNG运输船型的发展趋势。

4 船型经济评价指标及测算

4.1 经济评价指标选取

经过综合考量[4]，选取总运营费用、必要运费率、单船年运量、航线配船数四个指标，各指标解释及计算方法如下：

（1）总运营费用。总运营费用为各种运营费用之和，是运营水平与成本控制的重要指标，具体计算公式如下：

式中：R1：总运营费用，单位：万元；Ci:各项费用，具体见表3。

表3 费用表[5] 单位：万元

（2）必要运费率。必要运费率为运输单位运量所必要的运费收入，是企业能够维持正常运营的最低运价，也可反映企业的竞争力大小，具体计算公式如下：

其中 R2：必要运费率，单位：元/t；

P：单船年费用，单位：万元；

ρ：货载率，单位：%；

t：年往返次数，单位：次；

D ：船舶载重量，单位：t。

（3）单船年运量。单船年运量为单船年航次与船舶载重吨的乘积，可有效反映单船运输能力，具体计算公式如下：

其中，R3：单船年运量，单位：万t；

D ：船舶载重量，单位：t；

t：年往返次数，单位：次。

（4）航线配船数。航线配船数为目的港年需运输量与单船年运输量的比值，可反映航线未来经营预期与投资强度，具体计算公式如下：

其中R4：航线配船数，单位：艘；

Q：W市及其覆盖地区LNG年需求量，单位：万t；R3：单船年运量，单位：万t。

4.2 经济评价指标测算

对W市LNG需求量进行预测，可知本市2020年的LNG年需求量为160万t，利用上述式（1）-式（4），计算各船型方案的经济评价指标，结果见表4。

5 基于熵权-TOPSIS模型的船型分析

5.1 熵权法确定指标权重

按照信息论基础规律，信息是反映系统有序水平的测度，熵是反映系统无序水平的测度；假如指标的信息熵越小，此指标可反映的信息量越多，在经济分析内能起的作用越大，所以权重应该越大；与之相反，无序水平越高，则指标信息熵越大，因此提供的信息量越少，权重就应该越小[6]。由此能利用各个指标的变化水平，运用信息熵赋值各个指标的权重,熵权法确定权重步骤如下：

表4 指标测算结果

（1）标准化处理。现假设有n种方案，m个评价指标，其原始矩阵为A，则：

因为矩阵A内各指标初始值之间难以比较，所以需对这些指标进行标准化处理，设标准化处理后的矩阵为：

（3）计算各指标的权重。根据信息熵值可算出各个指标的权重为：

则各指标的权重向量为W=( )w1,w2,…,wm。

综上，计算得经济评价体系指标（总运营费用、必要运费率、单船年运量、航线配船数）的权重依次为：0.305 2，0.220 9，0.282 5，0.191 4。

5.2 TOPSIS模型构建

TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution）法是根据有限个评价方案与理想化方案的接近程度进行排序的方法，是在现有的方案中进行相对优劣的评价。理想化方案有两个，一个是肯定的最优方案或称理想解，一个是否定的最劣方案或称反理想解，评价最好的对象应该是与最优方案的距离最近，与最劣方案的距离最远[7]。

（1）原始矩阵的规范化。将式（6）中已经标准化的矩阵B归一化处理，得到规范化向量rij,建立关于规范化向量rij的规范化矩阵，见式（9）。

（2）构造权重规范化矩阵。根据5.1节熵权法计算的各指标权重W，建立关于权重规范化值vij的权重规范化矩阵：

（3）确定理想解和反理想解。根据权重规范化值vij来确定理想解E*和反理想解E-：

其中，J1是劣性指标集，表示在第 j个指标上的最差值；J2是良性指标集，表示在第 j个指标上的最佳值。良性指标越大，对评估越有利；劣性指标越小，对评估越有利。

（4）计算距离尺度。即计算每个方案到理想解和反理想解的距离。每个方案到理想解E*的距离为D*,到反理想解E-的距离为D-：

（5）计算理想解的贴近度C。

式中，0≤Ci≤1。当Ci=1时，表示该方案为理想状态下的理想解；当Ci=0时，表示该方案为反理想解。

5.3 计算结果

经过标准化及归一化测算，得到5 000m3-30 000m3各船型方案的权重规范化矩阵。

其中理想解为E*=(0.0300 0.2059 0.0112 0.0028)，反理想解为E-=(0.0926 0.2147 0.0968 0.0207)。进而计算得到距离尺度*T，D=[0.0 942 0.0848 0.0745 0.0781 0.0437 0.0005]D-=[0 . 0290 0.0306 0.0361 0.0419 0.0655 0.1079]T。

计算得各方案的贴近度C1=(0.2355)，C2=(0.2654)，C3=(0.3260)，C4=(0.3491)，C5=(0.5999)，C6=(0.9953)。

上述不同方案即对应此航线各不同LNG江海直达船型，可得到船型分析结果，见表5。

表5 LNG江海直达船型分析结果表

由表5可知，30 000m3对应的贴近度为0.995 3，是6组方案中距离反理想解最远的一组方案，是6组方案中较为理想的解，即在此航线上30 000m3的LNG江海直达船型符合性最优，技术经济性最好；同时10 000m3、15 000m3船型的贴近度较为接近，说明在W地区LNG需求量一定的情况下，15 000m3与10 000m3船型的经济性、符合性不相上下。

6 结语

随着“645”水深航道工程的开工建设，长江中游干线通航条件将进一步提升，内河LNG运输船舶将进一步向大型化、标准化发展，船舶的安全和经济性能不断提高[8]，长江货运将迎来更好的时代。通过对Z-W航线LNG运输进行方案设计和指标计算，使用熵权-TOPSIS模型计算贴近度，结果表明：在此航线上，W地区2020年LNG需求量达到160万t，30 000m3船型的测算结果最优，运输经济性、时效性最佳；同时10 000m3与15 000m3船型的评价结果较为相近，此时可考虑两船型方案的投资费用及偿还期限，以便做出科学比较。面对船舶大型化、标准化这一趋势，湖北省乃至内陆省份的港航企业和相关部门应积极应对，提前规划；船舶制造企业应在LNG运输船舶的设计和制造过程中，把握这一趋势，论证、试验安全性能更佳、舱容更大的船舶；船舶营运企业应充分利用不断提升的航道水深与航运服务，以战略眼光来布局内河LNG运输。本文研究结果可以对湖北省未来LNG运输的发展与规划提供科学的参考依据。