基于熵权TOPSIS模型的LNG江海直达船型运输经济分析

技术与方法基于熵权-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）

[摘要]参照对比内河散杂货、集装箱船舶经济分析的思路与方法，以浙江Z港至湖北W港LNG航线为例，分

析LNG江海直达船型现状及发展趋势，确定经济评价指标，利用熵权-TOPSIS模型对各种船型方案进行经济分析，确定适合本航线的LNG运输船型，为内河LNG运输的发展提供参考。

[关键词]LNG江海直达船型；熵权法；TOPSIS模型；技术经济分析[中图分类号]F552;U692.6[文献标识码]A[文章编号]1005-152X(2019)03-0057-04TransportationEconomyAnalysisofRiver-to-seaLNGCarrierBasedonEntropyWeight-TOPSISModel

GuoYadong,ZhangPeilin(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)Abstract:Drawingfromtheideasandmethodologyoftheeconomicanalysisofinlandbulkcargocarriersandcontainerships,andtakingtheLNGroutebetweenportZinZhejiangtoportWinHubeiastheexample,thispaperanalyzesthecurrentsituationanddevelopmenttrendoftheriver-to-seaLNGcarriers,determinestheeconomicevaluationindexes,andusestheentropyweight-TOPSISmodeltonarrowdowntheappropriatevesseltypesfortheriver-to-seashippingofLNG.Keywords:river-to-seaLNGcarriertype;entropyweightmethod;TOPSISmodel;technicalandeconomicanalysis

1引言

LNG是液化天然气（LiquefiedNaturalGas）的缩

慢，除了、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。

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

2航线通航条件

长江干线起自云南水富，下至长江口，全长

2838km。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

[收稿日期]2019-01-11

[基金项目]国家重点研发计划专项项目（2016YFC0402103）[作者简介]郭亚东（1993-），交通运输工程专业硕士研究生，研究方向：交通运输规划与管理；张培林（1955-），男，湖北武汉人，博

士，教授，研究方向：交通运输规划与管理。

-53-

技术与方法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）

河段2018年分月维护水深（m）一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月宜宾-重庆12.92.92.92.93.23.53.73.73.73.53.22.9重庆1-重庆24.54.03.53.53.53.54.04.04.04.04.54.5重庆2-宜昌4.54.54.54.54.54.54.54.54.54.54.54.5宜昌-大埔街3.53.53.53.54.05.05.05.04.03.53.53.5大埔街-荆州3.53.53.53.84.55.05.05.04.03.53.53.5荆州-城陵矶3.83.83.83.84.55.05.05.04.03.83.83.8城陵矶-武桥4.04.04.04.54.55.05.05.05.04.54.04.0武桥-黄石4.54.54.54.55.06.06.06.06.05.04.54.5黄石-安庆35.05.05.05.05.06.06.06.06.05.05.05.0安庆3-安庆46.06.06.06.57.08.08.08.07.57.06.56.0安庆4-芜湖6.06.06.06.57.08.08.08.07.57.06.56.0芜湖-南京9.09.09.09.09.010.510.510.510.59.09.09.0南京-江阴10.510.510.510.510.810.810.810.810.810.810.510.5江阴-南通10.510.510.510.510.510.510.510.510.510.510.510.5南通-浏河口12.512.512.512.512.512.512.512.512.512.512.512.5长江口段12.512.512.512.512.512.512.512.512.512.512.512.5注：数据来源于《2018年度长江干线航道养护水深计划表》,上标1表示重庆羊角滩，上标2表示涪陵李渡，上标3表示安庆吉阳矶，上标4表示安庆皖河口。

3LNG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“5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）。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-54-

物流技术2019年第38卷第3期（总第390期）

时亦需要颇为繁琐的安全措施，故LNG运输亟待解禁。

（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5000-30000m3LNG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

船型

LOABOA设计吃水设计载货量

设计航速主机功率（舱容）(m)(m)(m)(t)（kn）(kW)3000m³86.8014.003.80138012.3313205000m³105.0017.804.30230013.8218008000m³123.0020.204.30368015.48268010000m³133.8019.805.50460017.63327015000m³140.8023.005.60690018.37352020000m³156.0024.007.20920018.81436030000m³

178.00

27.60

8.80

13800

19.25

4480

上述船型中，3000m3、5000m3、8000m3、10000m3为现有运营或试点船型，因3000m3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；15000m3、20000m3、30000m3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：

R1=c1+c2+c3+c4+c5+c6+c7+c8

（1）

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

C1C2C3C4C5C6C7C目燃油费润料费保险费财务费修理、物料费港务、港口费船员工资管理费用（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

郭亚东，等：基于熵权-TOPSIS模型的LNG江海直达船型运输经济分析

技术与方法如下：

R2=

ρ×t×PD×2（2）

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：

R3=D×t

（3）

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：

R4=éêQù

ëR3úû

（4）

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

序号江海直达总运营费用必要运费率单船年运量航线配船数

（m³）（百万元）（元/t）(万t)(艘)

1500053.93251.3710.24282800046.74216.5816.371831000041.01188.9522.001341500042.74131.2625.801152000026.43156.3333.7466

30000

13.49

128.22

47.06

2

（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：

éaa⋯A=êêa11

21

a12…aa1mù2múêú（5）

ë⋮a⋮22n1

a⋱n2

⋯

a⋮únmû

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：

ébbB=êêb11

21

b1222⋯b1mùêë⋮b⋮…⋱b⋮2múú（6）

n1

bn2

⋯

búnmû

式（6）中，

bij表示第i个方案的第j个评价指标值，且bij∈[0,1]。当指标越大越好时，bij=maxaija-minaij-mina；当指标越小越好时，bmaxaij-aijij=；

ijijamaxaij-minaij当指标越接近α越好时，bij-α

ij=1-max|a。

ij-α（2）计算各指标的信息熵。依据信息熵的公式，|计算出评价指标的各个熵值为：

nEj=-k∑fijlnfij,j=1,2,…,m

（7）

j=1

式中：fij=f∑bij

n

b，k=1并设当fij=0时，i=1

ij

lnn，

ijlnfij=0。

（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：

wj=

m-1∑-Ej

m

（8）

j=1Ej

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

-55-

技术与方法为：0.3052，0.2209，0.2825，0.1914。5.2TOPSIS模型构建

TOPSIS（TechniqueforOrderPreferencebySimi-

laritytoanIdealSolution）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）。

R∑xij

ij=

mi=1

x

2

i=1,2,…,n;j=1,2,…,m（9）

ij

（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：

Vij=wjrij,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m

（10）

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

E*=(minvij|j∈J1,maxvij|j∈J2),i=1,2,…,n（11）

E-=(maxvij|j∈J1,minvij|j∈J2),i=1,2,…,n（12）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-：mmD*

=

∑(v

*-ij-vj

)2

，D-

=

ij-

vj

2

，i=1,2,…,n（13）

j=1

∑j=1

(v

)其中，v*-j与vj分别为理想解及反理想解的权重

规范化值，

vij是第i个方案第j个评价指标的权重规范化值。D*、D-

为各评价目标与理想解、反理想解的接近程度，D*

值越小,评价目标距离理想解越近，方案越优；D-值越大，评价目标距离反理想解越远，

方案越优。-56-

物流技术2019年第38卷第3期（总第390期）

（5）计算理想解的贴近度C。

CD-ii=*-，i=式中，0≤C(D+D1,2,…,n

ii。当)（14）

i想状态下的理想解；≤1当CCi=1时，表示该方案为理

i=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5000m3-

30000m3各船型方案的权重规范化矩阵。

éêê000V=êê0..06306

00.2146000êê0.020.0.020êê0.0926

00.011020270.ë00.01501275ù8úúúú其中理想解为0..04903070

00.0...214E.2052122147*206991=(0.0304

0.00..031.05105096780.2058

900...011.01400700291úú

28úúû

0.0028)，反理想解为E-=(0.09260.21470.09680.0207)。进而计算得到距离尺度D*=[0.09420.08480.07450.07810.04370.0005]T，D-=[0.02900.03060.03610.04190.06550.1079]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

船型方案5000800010000150002000030000贴近度

0.2355

0.2654

0.3260

0.3491

0.5999

0.9953

由表5可知，30000m3对应的贴近度为0.9953，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30000m3的LNG江海直达船型符合性最优，技术经济性最好；同时10000m3、15000m3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，15000m3与10000m3船型的经济性、符合性不相上下。

6结语

随着“5”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（下转第73页）

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布局效果，合理配置拖车、挂车数量。还有必要完善车辆的保险及年检，降低甩挂运输的单位成本。

6结语

在整合和进一步完善现有研究的基础上，本文

建立了一套包含9个输入指标和15个输出指标的甩挂运输效益评价系统。以11个甩挂运输企业作为样本，采用CCR-DEA模型对其投入及产出上的甩挂运输效益进行了评价，并指出了企业发展改善的方向。还应该注意的是，甩挂运输的发展受多种因素影响，因此企业在选择输入、输出指标时，可根据自身情况和发展的着重点进行灵活调整。

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（上接第60页）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，30000m3船型的测算结果最优，运输经济性、时效性最佳；同时10000m3与15000m船型的评价结果较为相近，此时可考虑两船

3

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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。

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