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原创文章
干散货船的尺寸优化：莱茵河的案例
罗伯特.希肯伯格
代尔夫特理工大学船舶设计、生产和运营
MekWeg 2，代尔夫特，2628 CD，荷兰。
电子邮件：R.G.Hekkenberg@tudelft.nl
摘 要
海运成本的一个重要部分是在物流链的开始和结束时发生的，腹地运输。对于这条运输线来说，运输价格是托运人的关键决定因素。由于欧洲干散货运输市场竞争激烈，平均价格和运输成本将在延长的时间段内几乎相等。这意味着，如果运输经营者可以降低他的成本，将会提高他的竞争地位。为了做到这一点，运营商曾试图通过建造更大的内河船舶来使经济规模最大化，但目前还不清楚最大的船只是否能获得最大的利益。本文对干散货的最佳尺寸进行了研究，在欧洲主要的水上货运通道莱茵河上建立了船舶，并对两个标准进行优化：运费相关的要素和总物流成本。这篇文章的结果表明，增加莱茵河干散货船最大允许长度的好处将是有限的，但更宽大的船舶可以导致成本的降低。
海洋经济与物流（2016）18，211—229。DOI:101057/MEL.2014.36；
2015年1月22日在线发布
关键词：运输成本；总物流成本；内河运输；船舶设计；船舶优化；莱茵河
引言
对于进出汉堡、不莱梅、阿姆斯特丹、鹿特丹和安特卫普等大型港口的内陆腹地货物运输来说，内河运输可能是道路和铁路运输的可行选择，因为这些港口都位于通航的内河航道。然而，要充分利用这种运输模式的潜力，它需要在那些对托运人很重要的方面表现良好。对于在欧洲运输货物的托运人来说，关键的决定因素之一是运输的价格（Platz，2009，第370页）。此外，欧洲市场的干散货的水上运输是高度竞争的，因此，运输价格下降到边际成本水平（Blauwens et al，2012，第472页）。出于这个原因，运输经营者的成本降低会导致运输价格降低。内河运输的价格弹性很高，大致介于1.34和2.62之间（Beuthe et al，2001），更低的价格意味着提高竞争力，只要这些较低的价格与较高的总物流成本不相关，例如在较大的批次尺寸的情况下。近几十年来，内河船舶经营人试图通过规模经济实现成本降低。在1996到2008年间，这导致了新建内河船舶的平均自重增加了大约100%（Hekkenberg，2013，第16页）。在实践中，这意味着大约42%的新船在那个时期建造的尺寸最大化以适应西欧主要运河和水道的尺度限定，即110米的长，11.45米的宽，有3到4m的吃水。在这段时间内，大概21％新船甚至更长，主要是135米，宽度在11.45米和17.5米之间的。在早期流行很少有新的船舶建造与较小的尺寸（Hekkenberg，2013，第16页）。
最大的船舶代表了一个降低了成本的明确选择，因为这些船舶的经营区域限于莱茵河和一些相邻运河。然而，在欧洲西部的所有内河运输中，大约有三分之二发生在莱茵河（莱茵河航运中心委员会，2007），证明了这一选择是正当的。莱茵河航行中央委员会将除驳船组合和推车队外的船只的长度限制为135米，这解释了上述选择135米长船的原因。
以上说明了运输经营者只是试图最大化他们的船只，而不是优化它们。事实上，很少有关于内河船舶的尺寸优化的文字依据，如下一节所示。对于海船，在许多情况下已经研究了最佳尺寸，例如，根据Sys等人（2008）和Chen等人（2011）的研究。这些研究得出结论，尺寸的最大化并不总是导致最具竞争力的船舶。对于内河船舶来说，最大的船舶更不可能代表最优的解决方案，因为它们通常是重型船舶，当水位较低时，它们可以承载很少的货物。
本文的目的是寻找最佳的船舶尺寸的干散货船运行在莱茵河作为航行距离，水深，运输商品和年运输需求的函数。首先，介绍文献概述。接下来是对用于本研究的模型和评估的方案的描述。 在接下来的部分中，将从两个不同的角度对最优船舶尺寸进行评估。第一优化是将船东的平衡运费率的船相关部分最小化，以下称为所需的船运费率。其次是总体物流成本的最小化。这些评估通过流程图进行汇总，该流程图可以根据运输距离，水深和年运输需求来确定有利的船舶尺寸。文章最后提出了几项通用的结论和意见，这些结论和意见涉及在莱茵河上运行的内陆干散货船的最佳尺寸。
文献评论
近年来，有关内河运输成本的许多研究已经完成，但只有少数研究使用了主要维度作为变量。在莱茵河上运行的干散货船的定量分析中，没有一个是这样做的。从历史上看，内陆船的主要尺寸通常是基于所使用的水道的基础设施限制。欧洲交通部长会议在欧洲的水路分为若干级（CEMT，1992）。这些类别的描述包括每个类别的最大船舶尺寸，这些尺寸是欧洲内陆船舶最常用的尺寸。例如，前面提到的110times;11.45米的通用尺寸是可以在Va级航道上航行的船舶的上限。由于这种标准化，尽管莱茵河可以容纳更大的船只，欧洲内陆船舶运输成本评估领域的研究通常使用这些常见的船舶尺寸（NEA，2001），（Groothedde等，2005），（Planco，2007），Via Donau，2007），（Beelen，2011），（Grosso，2011）。在少数情况下，采用更通用的方法来确定船舶技术性能与运输成本之间的联系。根据现有的欧洲内陆船队，NEA（2003）提供了基于现有欧洲内陆船队的各种船型的货运承载能力和每日作业小时数的函数的资本成本，船员成本，维护和燃料成本的细目。主要尺寸不是显式变量在这个研究中。VBD（2004）提供了船舶尺寸和货物承载能力之间以及船舶尺寸，水深，速度和所需功率之间的关系的广泛但主要定性的概述。该研究为常见船舶提供了几个数值例子。因此，VBD（2004）提供了一些有价值的定性的洞察力，改变主要方面的影响以及改良基准数据。然而，它没有提供任何支持系统定量分析主要尺寸偏离普通船舶的技术性能或运营成本. Hofman（2006）进行了一项0分析，该分析为已知特性的水路识别集装箱船的最佳尺寸，但仅包括此分析中的燃料成本。Van Hassel（2011）研究了在小水道上使用小型驳船车队。他详细分析了各种尺寸的推船和集装箱驳船的技术细节。被调查设计的上限位移约为800吨，驳船的最大长度为55.2米。 Bačkalov等人（2014年）研究了主要尺寸变化对多瑙河内河船舶运输成本的影响，这些影响主要在有限范围的主要维度上，但是这是以船舶成本数据为基础的，具有共同的主要维度。结论是，尽管莱茵河的基础设施局限性允许进行这样的优化，但迄今为止只有少数研究优化了内陆船舶的规模。除Bačkalov等人的研究（2014年），这些尝试均未实现自推式货船尺寸的实际经济优化。这是由于缺乏必要的技术数据，缺乏计算方法来获取这些数据和（或）未能详细分析船舶运输链条。
解决方法
在针对两个相关标准（即所需的运输费率和总体运输成本）优化船舶尺寸时，必须就如何对船舶，运输方案要求的运输费率和总物流成本进行建模进行选择。这在本段中讨论。首先讨论船舶规格模型，然后讨论用于计算所需运费的模型以及计算它的场景。最后，讨论总物流成本模型和研究方案。对2013年Hekkenberg的研究中给出的所有模型进行更详细的描述和验证。
1、船舶规范模型
为了确定哪些内陆船舶的尺寸导致最低的运输成本，有必要分析作为这些尺寸函数的运输成本。原则上存在长度，宽度和吃水的无限数量的组合。为了保持评估组合的数量有限，又不失去对各种设计性能进行比较的能力，建立了一个大型系统化的船舶设计系列，其中长度，宽度和设计吃水都是多种多样的。这导致了船舶设计的数据集的吃水范围从1.5到4.5米变化，船宽范围从5到25米变化，船长范围从40到185米变化，长宽比在4到20之间。这些设计包括或超过所有极限尺寸在欧洲水路上运行的自航式干散货船。应该指出的是，185米的长度明显大于前面讨论的最大允许长度。这是对莱茵河内河船舶长度的基础设施限制的近似值（Hekkenberg，2013年，第25页）。在数据集中纳入这些大型船舶可以确定船舶的监管上限应该对莱茵河的长度提出质疑。为了保持数据集中的设计数量有限，尺寸变化的步骤对于小型船舶来说很小，并且随着船舶尺寸的增加而增加。这导致了表格1和图1中所示的长度和船宽
、吃水以0.5米为单位变化。对于每个设计而言，建筑成本都是根据吃水，发动机功率和螺旋桨规格的货物承载能力等基本技术数据进行计算的。
表1 船舶设计数据集里的船长与船宽
|
船长 |
40m |
50m |
60m |
70m |
80m |
86m |
95m |
110m |
135m |
160m |
185m |
|
船宽 |
5m |
6.5m |
8m |
9.5m |
11m |
11.45m |
12.5m |
15m |
17.5m |
20m |
25m |
图1 船舶设计数据集中设计点的顶视图和三维视图
2、所需的运费率模型
为了确定数据集中每艘船的所需运费率，开发了两个相互关联的模型，分别讨论了航次计算模型和年度成本模型。航次模型计算燃料消耗、航程持续时间和最大载货量，这是由于航路上的船舶特性和水深的结合。燃料消耗和航行速度是根据船舶的技术规格计算的，如船舶规格型号所确定的，结合所调查的场景和常用的流体力学的装载条件驳船阻力模型(Holtrop等，1990)，修正浅水阻力(Terwisga， 1989， p. 88)和船舶螺旋桨性能(Oosterveld， 1970)， (Oosterveld与Oossanen， 1975)。航行时间是根据航行时间和在港口的时间总和计算的。航行时间是根据计算的航行速度除以计算的航行速度而确定的，而在港口的时间则假定为根据荷兰法律规定的给定数量的货物和预先宣布的到达时间的最大允许装载和卸货时间。
第二种模型，年成本模型，通过每年运输的吨数除以每年运输的吨数、燃料成本、利息成本、折旧、维修费用和保险费，确定每吨货物的运输成本。每年的航行次数是根据每天的工作时数和每年的工作天数来计算的。燃料消耗、每次航行的货物吨数和每次航行所需的工作小时数都是从航次模型中输入的。船员费用的依据是规定的船员要求。除其他外，船员的人数和类型受每天工作时间和船的长度的影响。然而，计算机组人员的费用却有一些问题。由于欧洲绝大多数内陆航运公司都是小型公司，只有一艘船由船长和他的伙伴、现实的船员操作。成本不能简单地以所有需要的船员的工资和雇主成本为基础。在实践中，为了减少船员的成本，业主和他的合伙人通常会给他们自己最低限度的补偿，给大约3万的企业家，而不是根据集体工人的协议，他们应该得到的工资。该模型允许选择船员成本方法。
3、所需的运费率情况
为了建立最优的船舶尺寸，船舶设计数据集中的每艘船都被放置在若干运输场景中。在欧洲最繁忙的内陆航运路线上，每一种场景都有一个原始的目的地对，莱茵河下游。在每一种情况下，船舶从鹿特丹的牙科避风港航行到四个目的地之一。这些目的地是:多德雷赫特(45公里)、奈梅亨(136公里)、杜伊斯堡(247公里)和科布伦茨(430公里)，如图2所示。
图2 路由场景的来源和目的地
港口的选择是基于他们从起点出发的距离，而不是货物运输。例如，多德雷赫特代表了靠近原点的港口，而科布伦茨则代表了数据集中最大的船只可以在上游航行的最长距离。同样的，牙科避风港是鹿特丹港的许多码头的代表，这些码头位于彼此附近，并处理各种类型的货物。
为了确定水深对每艘船的运行成本的影响，评估了沿航线水深的几种方案。在实践中，河流的水深并不是恒定的，它受河流的局部形状、降雨、积雪融化、泥沙的运输等因素的影响。然而，在莱茵河航道上的水深是如何波动的，却不得而知。因此，在三种不同的情况下假设水深度的恒定值如下:
●水深度为5m，代表高水位，当所有船舶在数据集中可以加载到他们的最大吃水。
●水的深度等于商定的最低水位:鹿特丹和杜伊斯堡之间的330米，杜伊斯堡和科布伦兹之间的3米之间(莱茵河中央航运委员会，2011年)。
●水深2.25米，代表一个低潮的时期。以下是对这12种情况的假设(4条路线，3条水深):
●船被装载到上游最大可能的吃水，并返回空。这代表了货物在海港装载并运输到内陆的典型的旅行，在此之后，船返回空来收集新货物。
●最大吃水比水深低50厘米，是内陆航行中常见的吃水限制。
●在河流下游流速为3公里/小时。
●一艘船的航行速度是有限的，既可以达到的最大速度的85%主引擎的力量或所谓的临界速度的70%，也就是说，一个常见的水与深度有关的内河航行的速度限制。临界速度定义为(9.81 water depth)0.5。
●这艘船每年运行50周。对于长距离来说，鹿特丹-杜伊斯堡和鹿特丹-科布伦茨，假设这艘船在24小时运行，(在欧洲立法中称为“航行制度B”)，每周7天。
●在距离多德雷赫特和奈梅亨较短的距离内，航行制度A1(即14小时/日操作)，每周使用5天。这样做是因为在港口的长等待时间使得B型操作比A1型操作更昂贵，而长距离则使
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