周 程 王 磊 陶君成

(湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院物流與工程管理學(xué)院1) 武漢 430205) (華中科技大學(xué)管理學(xué)院2) 武漢 430074.)

考慮不同低碳政策影響的物流配送優(yōu)化決策*

周 程1,2)王 磊1)陶君成1)

(湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院物流與工程管理學(xué)院1)武漢 430205) (華中科技大學(xué)管理學(xué)院2)武漢 430074.)

針對(duì)物流配送中碳排問(wèn)題，引入考慮貨車載重、行駛速度與路況因素的碳排測(cè)算方法，建立了強(qiáng)制排放、碳稅與碳交易政策下配送模型.采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)，探討了碳限額、碳稅率、碳交易成本、碳排放額對(duì)配送總成本、碳排放與配送路徑的影響.仿真表明：3種低碳政策下均可選擇合適策略，減少碳排；碳交易機(jī)制兼顧對(duì)排放政策管控與市場(chǎng)引導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)，且企業(yè)有可能從減排中獲得經(jīng)濟(jì)收益，促使其減排.研究成果可為發(fā)展低碳物流提供參考.

物流工程；物流配送；優(yōu)化；碳排放；低碳

0 引 言

據(jù)國(guó)際能源署2009年報(bào)告顯示，交通運(yùn)輸在全球溫室氣體排放中所占比例高達(dá)25%[1].因此，我國(guó)作為全球最大的新興經(jīng)濟(jì)體，在碳排放約束進(jìn)一步加強(qiáng)的背景下，研究作為交通運(yùn)輸體系主要組成的物流配送的低碳發(fā)展，對(duì)于能否實(shí)現(xiàn)中國(guó)在哥本哈根聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上提出的碳減排目標(biāo)：“力爭(zhēng)到2020年全國(guó)單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義.

近年來(lái)，學(xué)者們已對(duì)物流配送作了大量研究，如：文獻(xiàn)[2]采用改進(jìn)Floyd算法與Dijkstar算法，求解賦權(quán)配送線路的最優(yōu)路徑；文獻(xiàn)[3]提出了基于加權(quán)函數(shù)重心法的模糊數(shù)排序方法，應(yīng)用于物流運(yùn)輸最短路問(wèn)題求解.不過(guò)，上述工作大多以最短路徑為求解目標(biāo)，缺乏對(duì)碳排放的考慮.隨著能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的日益突出，物流配送中碳排管控問(wèn)題，已開(kāi)始引起學(xué)術(shù)界重視：文獻(xiàn)[4]討論了以總油耗最小為目標(biāo)的帶時(shí)間窗車輛路徑問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]引入航速作為決策變量，建立船隊(duì)利潤(rùn)最大與碳排放量最小的雙目標(biāo)最優(yōu)航線配船模型.

本文建立了強(qiáng)制排放、碳稅和碳交易三種碳排政策下的物流配送路徑?jīng)Q策模型，通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，分析了不同低碳政策中碳配額、碳稅、碳價(jià)格對(duì)碳約束下物流配送路徑?jīng)Q策的影響，可為我國(guó)交通運(yùn)輸與物流的低碳政策完善提供支持.

1 模型的建立

1.1 問(wèn)題描述

這里討論低碳政策下單車多任務(wù)物流配送路徑優(yōu)化問(wèn)題：由一個(gè)配送中心承擔(dān)多個(gè)客戶的配送服務(wù)，各送貨點(diǎn)需求確定，配送車輛的裝載能力不小于客戶總需求，車輛從配送中心出發(fā)，遍歷所有客戶各一次，最后返回配送中心.為了方便建模，提出如下合理假設(shè)：(1)目標(biāo)函數(shù)考慮油耗成本、路橋費(fèi)、車輛使用時(shí)間成本、碳排約束成本；(2)配送節(jié)點(diǎn)間的路線存在多種選擇；(3)采用陸路運(yùn)輸，燃油充足，碳排量與油耗存在正相關(guān)線性關(guān)系；(4)道路通行能力隨時(shí)間變化，配送任務(wù)時(shí)間窗口內(nèi)路況不變；(5)油耗計(jì)算取決于車輛運(yùn)行距離、載重量、行車速度、路況[6-10].

因而，不同于傳統(tǒng)配送問(wèn)題，本文構(gòu)建的低碳政策下物流配送模型，充分考慮了配送實(shí)時(shí)路況與節(jié)點(diǎn)間路線選擇的多樣性，更符合物流配送實(shí)際狀況.

1.2 模型中參數(shù)與變量定義

1.3 不同低碳政策下配送模型

1.3.1 強(qiáng)制排放約束模型 強(qiáng)制排放設(shè)定嚴(yán)格的碳排上限，企業(yè)排放不得越界，否則將被強(qiáng)制停產(chǎn).在強(qiáng)制排放政策下，物流配送碳排不得超過(guò)所分配排放限額，該約束下配送模型為

(1)

s.t.

(2)通過(guò)深部鉆孔系統(tǒng)揭露破頭青斷裂、九曲蔣家208斷裂深部行跡并通過(guò)切割深度、資源量規(guī)模對(duì)比，確定九曲蔣家208斷裂為招平斷裂北段深部找礦的主要目標(biāo)。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：式(1)為目標(biāo)函數(shù)，分別為燃油成本、車輛使用時(shí)間成本和路橋費(fèi)；式(2)為強(qiáng)制排放政策的影響；式(3)為車輛從配送中心出發(fā)，遍歷各客戶各一次，最后返回配送中心；式(4)與式(5)為貨運(yùn)量守恒約束；式(6)為變量約束.

1.3.2 碳稅約束模型 碳稅政策按稅率α征收排放稅，將排放稅納入配送總成本.碳稅政策約束下配送模型為

(7)

式中：式(7)含4個(gè)部分，分別為燃油成本，車輛使用時(shí)間成本、路橋費(fèi)和碳稅成本；在強(qiáng)制排放下配送模型的約束基礎(chǔ)上，解除碳排限額約束εE≤P后，即得碳稅政策下配送模型的約束條件.

1.3.3 碳交易約束模型 碳交易將碳排放權(quán)利作為一種商品，企業(yè)具有一定的排放額度，若超標(biāo)則需向外購(gòu)買(mǎi)碳排差額，反之可將剩余碳排額向外出售.碳交易下減排可能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)收益，激勵(lì)企業(yè)主動(dòng)減排.碳交易政策約束下配送模型為

(8)

式中：式(8)含4個(gè)部分，分別為燃油成本、車輛使用時(shí)間成本、路橋費(fèi)和碳交易成本；約束條件與碳稅政策下配送模型的約束相同.

2 數(shù)值仿真與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

選擇數(shù)值實(shí)驗(yàn)探討不同低碳政策對(duì)物流配送的影響，仿真配送任務(wù)由單車從配送中心出發(fā)，為5個(gè)不同地點(diǎn)的客戶配送，節(jié)點(diǎn)1～5的客戶需求量為1 000,5 500,500,500,2 000 kg，配送線路參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 配送網(wǎng)絡(luò)線路參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 強(qiáng)制排放 首先測(cè)算得最小碳排為目標(biāo)函數(shù)的配送任務(wù)的排放為113.16 kg，配送總成本為687.14元，若碳排限額低于該值，則在強(qiáng)制排放政策下無(wú)法實(shí)施配送；最小運(yùn)營(yíng)成本為目標(biāo)函數(shù)的運(yùn)營(yíng)成本為505.85元，排放為130.86 kg.針對(duì)強(qiáng)制排放下配送模型，選擇仿真不同排放限值的配送總成本、碳排放與配送路徑，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 強(qiáng)制排放仿真結(jié)果

注：表2中配送路徑編碼說(shuō)明：括號(hào)外數(shù)字序列表示配送節(jié)點(diǎn)順序；括號(hào)內(nèi)數(shù)字序列代表節(jié)點(diǎn)間依次被選中路線編號(hào).

由表2可知,隨著碳限額減小，強(qiáng)制排放限制對(duì)配送決策約束逐漸變大，控制碳排放成為企業(yè)首要任務(wù)，將在一定程度上犧牲運(yùn)營(yíng)成本，調(diào)整配送路徑，以滿足強(qiáng)制排放政策下碳限額.

2.2.2 碳稅 不同碳稅的仿真結(jié)果(見(jiàn)表3所列,η=3)表明：隨著碳稅提高到某臨界值后，物流企業(yè)將側(cè)重降低碳排，調(diào)整配送路徑，使得配送總成本下降.合理的碳稅促使物流企業(yè)尋求配送運(yùn)營(yíng)成本與碳稅成本的平衡，實(shí)現(xiàn)減排.

表3 碳稅仿真結(jié)果

2.2.3 碳交易 碳交易政策影響物流配送的因素包括排放額度P與碳交易價(jià)格η.選擇仿真不同P(100，120，140)與不同η(1～10)下的配送總成本與碳排放，如圖1與圖2所示(注：3種碳排放額度下的碳排曲線重疊).

圖1 碳排放額度與碳交易價(jià)格對(duì)配送總成本的影響

圖2 碳排放額度與碳交易價(jià)格對(duì)配送碳排放的影響

綜合圖1與圖2，可得如下結(jié)論：(1)給定η的情況下，配送總成本隨P增大而降低；(2)給定P的情況下，配送總成本隨η變化.當(dāng)η達(dá)到某臨界值后，P低于113.16 kg(仿真配送網(wǎng)絡(luò)最低碳排)時(shí)，配送總成本隨η上升趨勢(shì)變緩；P高于113.16 kg時(shí)，配送總成本隨η上升逐步下降；(3)給定η的情況下，配送中碳排量不隨P變化；(4)隨著η上升，不同P下的碳排放均表現(xiàn)為“臺(tái)階型”的下降曲線.

在碳交易機(jī)制下，物流企業(yè)積極展開(kāi)最小運(yùn)營(yíng)成本與最小碳排放配送方案博弈.隨著碳價(jià)格逐漸上升，碳交易成本加大，企業(yè)優(yōu)先控制碳排放的配送方案.

2.3 不同低碳政策比較分析

1) 3種低碳政策下，選擇合適策略后均可減少物流配送的碳排放.

2) 強(qiáng)制排放屬于嚴(yán)格的政策調(diào)控，過(guò)低的碳排限額會(huì)勒令企業(yè)停產(chǎn)，過(guò)高的碳排限額則造成企業(yè)盲目追求配送運(yùn)營(yíng)成本降低，而碳排放顯著上升.

3) 碳稅將碳排放權(quán)利處理為商品，應(yīng)用稅收經(jīng)濟(jì)杠桿，調(diào)節(jié)排放.若碳稅率較低，企業(yè)將優(yōu)先考慮降低配送車輛運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，沖抵碳稅開(kāi)銷；隨著碳稅率逐步提高，企業(yè)將逐步側(cè)重降低排放量，碳稅成本的減少幅度將高于配送運(yùn)營(yíng)成本上升幅度，實(shí)現(xiàn)配送總成本下降.在碳稅政策引導(dǎo)下，物流企業(yè)應(yīng)根據(jù)不同碳稅率平衡運(yùn)營(yíng)成本與碳稅成本，確保配送總成本最優(yōu).

4) 在強(qiáng)制排放與碳稅政策約束下的減排，企業(yè)屬于被動(dòng)執(zhí)行，無(wú)法從減排中取得實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益.

5) 碳交易通過(guò)調(diào)節(jié)碳排額度與碳交易價(jià)格，從政策與市場(chǎng)2個(gè)方面實(shí)施碳排調(diào)控，且企業(yè)有可能從減排中取得經(jīng)濟(jì)收益，更能激發(fā)其主動(dòng)減排意愿.在碳交易調(diào)控政策下，物流企業(yè)應(yīng)根據(jù)不同碳排放額度與碳價(jià)格，平衡配送運(yùn)營(yíng)成本與碳交易成本，確保配送總成本最優(yōu).

3 結(jié) 束 語(yǔ)

不同于傳統(tǒng)配送模型，本文構(gòu)建的低碳政策下物流配送模型，充分考慮了配送實(shí)時(shí)路況與節(jié)點(diǎn)間路線選擇的多樣性，并引入涉及車輛載重、行駛速度與實(shí)時(shí)路況的油耗與碳排測(cè)算方法，更貼近現(xiàn)實(shí).探討了碳限額、碳稅率、碳交易成本與碳排放額度對(duì)物流配送總成本、碳排放與配送路徑的影響，比較了強(qiáng)制碳排、碳稅與碳交易政策，發(fā)現(xiàn)碳交易兼顧政策管控與市場(chǎng)引導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)，操作方式靈活，企業(yè)甚至有可能從減排中獲得經(jīng)濟(jì)收益，更能激發(fā)物流企業(yè)減排的主觀能動(dòng)性.

在低碳減排的背景下研究物流配送問(wèn)題有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于交通運(yùn)輸業(yè)低碳政策的制定同樣具有一定參考價(jià)值.下一步研究工作可考慮在協(xié)同原則下，探討供應(yīng)鏈中成員之間的碳成本分?jǐn)?，追求供?yīng)鏈全局的最低碳排放與最大經(jīng)濟(jì)收益之間的平衡.

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Research on Logistics Distribution Routing Optimization Under the Different Carbon Emission Policies

ZHOU Cheng1,2)WANG Lei1)TAO Juncheng1)

(SchoolofLogisticsandEngineeringManagement,HubeiUniversityofEconomics,Wuhan430205,China)1)(SchoolofManagement,HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,China)2)

To solve the carbon emission problem of logistics distribution, a carbon emission calculation method considering vehicle load, speed and live traffic information is introduced. It proposed logistics distribution routing models under different emission policies such as emission cap, carbon tax and carbon trade. By using of numerically simulation test, the impacts of emission cap, carbon tax, carbon trade cost and carbon cap on logistics distribution routing decision are discussed. Simulation results show that carbon emission of logistics distribution can be decreased by implementing appropriate carbon emission policy. Furthermore, carbon trade mechanism reduces emission by making good use of emission policy control and market-led. Under the guideline of carbon trade mechanism, logistics companies have more incentive to reduce carbon emission since they may gain some financial benefits from their carbon emission reductions deals. This study can provide a frame of reference for developing low-carbon logistics.

logistics engineering; logistics distribution; optimization; carbon emission; low carbon

2015-03-10

*社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：14BJY139)、湖北物流發(fā)展研究中心項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2013A12)資助

F505

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.006

周 程(1978- )：女，博士后，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)槲锪飨到y(tǒng)規(guī)劃與管理