在碳定价背景下，多模式货运运输网络中的绿色技术升级

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Green technology upgrades in multi-modal freight transportation networks under carbon pricing

多目标优化框架分析碳定价下大型多式联运网络物流成本与碳排放的均衡，提出内生绿色技术采用的优化模型，揭示成本函数分段线性特性，开发高效算法，实证长江经济带显示脱碳分两阶段，需协同碳价与补贴政策。

　　

王明|谭志佳|杜宇泉（Bill Du）

大连海事大学海洋经济与管理学院，中国大连

摘要

本研究提出了一个双目标优化框架，用于评估在碳定价背景下大规模多模式货运网络中物流成本与碳排放之间的平衡。与现有将车辆技术视为固定参数的模型不同，我们的框架内生地优化了从电池更换卡车到氢动力船舶等各种绿色技术的采用，同时解决模式选择和路线规划问题。理论分析表明，系统的广义成本函数对碳价格具有分段线性特性。利用这一特性，我们开发了一种精确的断点分解算法，该算法构建完整的帕累托前沿的速度显著快于商业求解器。在长江经济带（YREB）进行的数值实验表明，脱碳是一个非线性过程，具有不同的阶段：最初是由于向水运方式的转变而快速减少排放，随后是特定环节采用电气化和替代燃料的深化技术阶段。我们发现了一种“体积-距离”过滤机制，用于指导道路技术的选择，以及内河船舶的逐步过渡，同时受到利润限制。结果表明，虽然碳定价对早期减排有效，但定价与定向补贴的协同作用对于弥合资本密集型零排放技术的“脱碳差距”至关重要。

引言

运输部门的脱碳是全球气候变化缓解策略的关键组成部分。作为温室气体（GHG）排放的主要来源，货运运输面临着越来越大的监管压力，需要向碳中和转型。在这种情况下，多模式运输系统结合了公路运输的灵活性和铁路及内河运输的能源效率，被广泛认为是可持续物流的基本途径（Archetti等人，2022年）。然而，实现深度脱碳目标不仅仅是改变运输方式；还需要对驱动运输船队的推进技术进行根本性变革（Yang等人，2026年）。

政策制定者和物流运营商面临的挑战在于运营网络决策与长期资产投资之间的复杂相互作用。碳定价机制（如碳税或排放交易系统（ETS）旨在内化环境外部性，从而改变不同运输方式和技术之间的比较优势。然而，货运系统对这种监管的响应并非简单。碳价格可能会促使运输方式从公路转向水运，但同时也会激励公路运输商升级为电动或氢动力卡车，从而可能重新夺回市场份额。此外，绿色技术的采用受到不同运营要求的限制，例如电动卡车的续航里程焦虑（Giuliano等人，2021年）以及内河船舶所需的资本密集型改造（Fan等人，2021年）。

尽管这一转型迫在眉睫，现有文献大多孤立地讨论网络优化和技术评估。一类研究专注于多模式路线问题，在假设排放因素和车辆技术固定的情况下优化流量（Chen等人，2024年；Heinold和Meisel，2018年）。这些研究有效地捕捉到了模式转换的好处，但往往未能考虑到新兴推进系统改变特定模式成本-排放权衡的潜力。另一类研究则关注替代燃料（如氨、甲醇、氢）和动力系统的技经评估（Cunanan等人，2021年；Stolz等人，2022年）。虽然这些研究提供了关于总拥有成本（TCO）和基础设施准备情况的详细见解，但通常忽略了网络层面竞争引起的系统流量重新分配效应。

本研究通过开发一个综合的双目标优化框架来填补这一空白，该框架在内生地确定碳定价下的网络路线（模式选择）和道路及内河运输的细致技术升级。我们将系统建模为一个大规模多模式网络，运营商在此网络中最小化包括运营成本、资本成本和碳成本在内的广义成本，同时受到严格的运营约束，如电池充电时间和船舶利润率。

本文的贡献有三方面：

1.

综合决策框架：我们构建了一个整体模型，捕捉了模式替代和技术替代之间的相互依赖性。该模型明确考虑了绿色技术的运营异质性，区分了电动卡车的充电和电池更换模式，并评估了从LNG到绿色氢和氨等内河船舶的改造选项。

2.

精确解决方法：我们从理论上分析了运营商成本函数的结构特性，证明最优技术选择对碳价格具有分段常数轨迹。基于这一特性，我们设计了一种精确的断点分解算法。该算法构建了完整的成本-排放权衡帕累托前沿，并在计算效率上优于最先进的商业求解器（例如Gurobi）。

3.

走廊脱碳的实证洞察：我们将该框架应用于长江经济带（YREB），这是世界上最繁忙的内河货运走廊之一。研究结果揭示了一种非线性的脱碳路径，并发现了一种“体积-距离”过滤机制，该机制划分了道路技术市场。此外，我们量化了“脱碳差距”——即传统燃料变得无利可图但绿色替代品仍不可行的价格——强调了结合碳定价和资本补贴的协同政策的必要性。

本文的其余部分安排如下：第2节回顾相关文献，第3节详细介绍了道路和水运技术选择的模型构建，第4节介绍了结构特性和提出的断点分解算法，第5节讨论了长江经济带的案例研究并分析了数值结果，第6节总结了政策含义和未来研究方向。

部分摘录

文献综述

货运运输的脱碳是一个复杂的挑战，需要同时关注运营网络优化和资产层面的技术创新。本研究位于两个已建立的研究领域的交叉点：在环境法规下优化多模式运输网络，以及对道路和水运部门的绿色推进技术进行技经评估。

问题描述

本研究调查了一个在主要货运走廊及其腹地运营的大规模多模式货运运输网络中的绿色技术升级情况。该走廊的特点是道路货运服务密集，面临多个起点-终点运输需求。这些需求是外生给定的，反映了稳定的贸易流量和合同义务。政府设定的统一碳价格适用于整个系统，将碳排放内部化

结构特性和解决方案算法

监管者的双目标优化问题明确嵌入了道路和水运运营商的异质响应，本质上构成了一个复杂的多层混合整数规划（MIP）问题。对于节点、链接和船舶数量有限的小规模实例，该问题可以作为一个整体的MIP进行建模，并使用商业现成求解器（如Gurobi或CPLEX）直接解决。然而，

参数校准

本研究在中国最重要的内河多模式货运走廊——长江经济带（YREB）进行了数值实验，该走廊横跨上海到四川省的十一个省份和直辖市。YREB约占中国内河货运量的80%，是连接东部沿海制造中心与中西部资源丰富地区的关键物流枢纽。

结论

本研究建立了一个双目标优化框架，用于评估碳定价对大规模多模式货运网络中绿色技术升级和模式选择的影响。通过整合不同运营商的响应、非线性投资成本和路线级技术约束，我们捕捉了监管干预与物流决策之间的复杂互动。理论分析表明，系统的广义成本函数具有

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（72471098）和中国留学基金委（编号202406570041）的支持。

CRediT作者贡献声明

王明：撰写——初稿、可视化、验证、调查、形式分析、数据整理。谭志佳：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、调查、资金获取、形式分析、概念化。杜宇泉（Bill）：验证、监督、方法论、调查、形式分析、概念化。