楊秋俠，孫雅楠 YANG Qiu-xia,SUN Ya-nan

（西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

(School of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China)

0 引言

工業(yè)企業(yè)的發(fā)展拉動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)，這無(wú)可厚非，但與此同時(shí)也帶來(lái)了令人困擾的環(huán)境問題。我們?cè)谧非笃髽I(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也要兼顧社會(huì)效益和生態(tài)效益。對(duì)于企業(yè)而言，每一個(gè)環(huán)節(jié)都有大量的碳排放，其中運(yùn)輸屬于能源集中環(huán)節(jié)，而且二氧化碳占據(jù)了很大的比例。企業(yè)物料運(yùn)輸系統(tǒng)包括運(yùn)輸方式及運(yùn)輸方式之間的銜接、運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及布置形式、運(yùn)輸工具等。運(yùn)輸方式選取不合理和不同運(yùn)輸方式之間的銜接轉(zhuǎn)換點(diǎn)布置不合理，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)物料運(yùn)送距離長(zhǎng)增加碳排放；運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及布置形式不合理，會(huì)使物料運(yùn)輸不暢、易擁堵使碳排放增加；運(yùn)輸工具選擇不合理也會(huì)造成碳排放量增多。

低碳經(jīng)濟(jì)方面現(xiàn)有學(xué)者所做的研究大部分是針對(duì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)或者物流系統(tǒng)，針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)物流方面的研究較少。已有的企業(yè)生產(chǎn)物流的研究，在進(jìn)行運(yùn)輸方式選擇時(shí)，基本是以費(fèi)用最低或者時(shí)間最短來(lái)作為優(yōu)化目標(biāo)，沒有考慮二氧化碳排放對(duì)環(huán)境的影響。

本文結(jié)合低碳經(jīng)濟(jì)的背景，在傳統(tǒng)的以費(fèi)用最低為目標(biāo)來(lái)優(yōu)化的基礎(chǔ)上加入碳排放這一因素，將碳排放量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，并兼顧考慮經(jīng)濟(jì)因素，將投資費(fèi)用作為約束條件建立模型，選出最優(yōu)的物料運(yùn)輸方式。

1 模型建立

企業(yè)物流的運(yùn)輸方式包括道路、鐵路、皮帶和管道等方式。首先，我們根據(jù)物料的功能性質(zhì)、廠外的運(yùn)輸方式、生產(chǎn)工藝的要求、運(yùn)量和運(yùn)距的要求、建設(shè)場(chǎng)地條件和平面布置的要求、運(yùn)輸設(shè)備的供應(yīng)情況等，對(duì)物料的運(yùn)輸方式進(jìn)行定性分析，其結(jié)果可能存在一種物料可以用幾種運(yùn)輸方式來(lái)運(yùn)輸，那么就要對(duì)這幾種運(yùn)輸方式進(jìn)行定量選擇，從中選出一種最優(yōu)的運(yùn)輸方式。

進(jìn)行定量選擇建立模型時(shí)，有以下幾個(gè)假設(shè)條件：

（1）企業(yè)的總平面布置已知，即各車間的位置已知。

（2）任意兩個(gè)車間之間不止有一種運(yùn)輸方式可采用。

（3）任意兩個(gè)車間的流量已知。

（4）所有費(fèi)用信息已知。

（5）只考慮與物料搬運(yùn)有關(guān)的車間。

則建立目標(biāo)函數(shù)如下：

其中：k：企業(yè)生產(chǎn)物流中物料搬運(yùn)所采用的4 種搬運(yùn)方式：道路、鐵路、皮帶、管道等運(yùn)輸方式。

Mij：從i 車間到j(luò) 車間運(yùn)輸物料的重量，t。

Aij：從i 車間到j(luò) 車間物料運(yùn)輸?shù)乃骄嚯x，m。

Hij：從i 車間到j(luò) 車間物料運(yùn)輸?shù)拇怪本嚯x，m。

qAk：第k 種運(yùn)輸方式水平方向運(yùn)輸單位距離需要的能源，J。

qHk：第k 種運(yùn)輸方式垂直方向運(yùn)輸單位距離需要的能源，J。

xijk：從i 車間到j(luò) 車間是否采用第k 種運(yùn)輸方式，其中：

ηk：第k 種運(yùn)輸方式的能源轉(zhuǎn)換效率。

θk：第k 種運(yùn)輸方式所消耗燃料整個(gè)生命周期的二氧化碳排放系數(shù)。約束條件：

其中，aijk表示從i 車間到j(luò) 車間采用第k 種運(yùn)輸方式時(shí)，第k 種運(yùn)輸方式車輛的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和年基建投資費(fèi)用之和。b 表示企業(yè)年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和年基建投資費(fèi)用之和的預(yù)算。式（1）表示物料運(yùn)輸時(shí)需要的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和年基建投資費(fèi)用之和不能超過企業(yè)的預(yù)算；式（2）表示任意兩個(gè)車間之間的流量一定有一定數(shù)量的運(yùn)輸方式予以滿足；式（3）中xijk取0 表示i 車間與j 車間之間不采用第k 種運(yùn)輸方式，取1 表示i 車間與j 車間之間采用第k 種運(yùn)輸方式。

2 模型求解

模型中變量xijk只能取0 或1，故該模型為0-1 規(guī)劃。本文采用分枝—隱枚舉法。計(jì)算步驟如下：

（1）將0-1 規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)系數(shù)化為非負(fù)；當(dāng)變量作了代換后，約束條件中的變量也相應(yīng)作代換。

（2）變量重新排序，變量依據(jù)目標(biāo)函數(shù)系數(shù)值按升序排序。

（3）求主枝：目標(biāo)函數(shù)是max 形式時(shí)令所有變量等于1，得到目標(biāo)值的上界；目標(biāo)函數(shù)是min 形式時(shí)令所有變量等于0，得到目標(biāo)值的下界；如果主枝的解滿足所有約束條件則得到最優(yōu)解，否則轉(zhuǎn)下一步。

（4）分枝與定界：從第一個(gè)變量開始依次取“1”或“0”，求極大值時(shí)其后面的變量等于“1”，求極小值時(shí)其后面的變量等于“0”，用分支定界法搜索可行解和最優(yōu)解。

停止分枝和需要繼續(xù)分枝的原則：

（1）當(dāng)某一子問題是可行解時(shí)則停止分枝并保留；

（2）不是可行解但目標(biāo)值劣于現(xiàn)有保留分枝的目標(biāo)值時(shí)停止分枝并剪枝；

（3）后續(xù)分枝變量無(wú)論取“1”或“0”都不能得到可行解時(shí)停止分枝并剪枝；

（4）當(dāng)某一子問題不可行但目標(biāo)值優(yōu)于現(xiàn)有保留分析的所有目標(biāo)值，則要繼續(xù)分析。

其中在獲取各種運(yùn)輸方式的二氧化碳排放系數(shù)時(shí)，我們采用的是生命周期法進(jìn)行分析。4 種運(yùn)輸方式中，鐵路、皮帶和管道運(yùn)輸均消耗的是電能，道路運(yùn)輸消耗的是柴油。

電能整個(gè)生命周期二氧化碳排放系數(shù)計(jì)算公式如下：

其中：θe：電能整個(gè)生命周期的二氧化碳排放系數(shù)。

θef：電網(wǎng)電源的二氧化碳排放系數(shù)。

θep：發(fā)電的電廠的二氧化碳排放系數(shù)。

θem：原材料提取和加工的二氧化碳排放系數(shù)。

柴油整個(gè)生命周期二氧化碳排放系數(shù)計(jì)算公式如下：

其中：θo：成品油整個(gè)生命周期的二氧化碳排放系數(shù)。

θom：用于原油開采的二氧化碳排放系數(shù)。

θop：煉油的二氧化碳排放系數(shù)。

θof：煉油燃燒廢棄物的二氧化碳排放系數(shù)。

整個(gè)電網(wǎng)的加權(quán)平均碳排放因子可以從IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南中獲得。用于柴油消耗的碳排放系數(shù)的計(jì)算如表1 所示。

表1 柴油消耗的碳排放系數(shù)計(jì)算表

3 算例分析

有4 個(gè)車間①②③④，如圖1 所示，其相互的平面位置已知，即相互之間的距離信息已知。其中物料流程方向如圖中箭頭方向所示，經(jīng)過定性分析得到①—②車間物料運(yùn)輸可采用的運(yùn)輸方式有道路和皮帶，②—③車間物料運(yùn)輸可采用的運(yùn)輸方式有道路、鐵路和皮帶，③—④車間物料運(yùn)輸可采用的運(yùn)輸方式有道路和管道。假設(shè)4 種運(yùn)輸方式的代碼分別為，道路1，鐵路2，皮帶3，管道4。

已知各個(gè)車間之間物料運(yùn)輸?shù)乃骄嚯x、垂直距離、運(yùn)量如表2 所示。

表2 車間之間物料運(yùn)輸?shù)木嚯x及運(yùn)量信息表

經(jīng)過查閱資料，給定4 種運(yùn)輸方式運(yùn)輸單位距離消耗的能源分別為：qA1=0.3J/m，qA2=0.011J/m，qA3=0.06J/m，qH3=0.09J/m，qA4=0.05J/m。道路運(yùn)輸消耗柴油，但是在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的能量交換效率僅為30%。電力是通過與80%的能量交換率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)交換轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。由于道路運(yùn)輸消耗柴油，鐵路、皮帶、管道運(yùn)輸消耗電能，因此第k 種運(yùn)輸方式的能源轉(zhuǎn)換效率ηk為：η1=η油=30%，η2=η3=η4=η電=80%。中國(guó)華北區(qū)域電網(wǎng)在2014年的碳排放系數(shù)是1.0580 千克/千瓦小時(shí)，而由表1 可知柴油燃燒的碳排放因子是0.3006 公斤/千瓦時(shí)，因此，θ1=θ油=0.3006kg/kw.h，θ2=θ3=θ4=θ電=1.0580kg/kw.h。此外，設(shè)道路的單位距離運(yùn)營(yíng)及投資費(fèi)用為10，鐵路的單位距離運(yùn)營(yíng)及投資費(fèi)用為5，皮帶的單位距離運(yùn)營(yíng)及投資費(fèi)用為3，管道的單位距離運(yùn)營(yíng)及投資費(fèi)用為4，該企業(yè)的運(yùn)輸建設(shè)運(yùn)營(yíng)及投資費(fèi)用預(yù)算為1 000。代入模型得：

4 總結(jié)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式將會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注，在選擇企業(yè)生產(chǎn)物料運(yùn)輸方式時(shí)，碳排放量的因素也會(huì)引起更廣更深的重視。因此，不僅要在定性分析時(shí)考慮到碳排放量對(duì)環(huán)境的影響，更要定量化地體現(xiàn)它的重要性。本文通過建立模型，對(duì)企業(yè)在低碳經(jīng)濟(jì)條件下如何定量地選擇物料運(yùn)輸方式作了分析，使企業(yè)物料運(yùn)輸方式選擇更加客觀，更有說服力。

[1]楊秋俠.物流合理化在大型企業(yè)設(shè)施規(guī)劃中應(yīng)用的理論研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)（博士學(xué)位論文），2007.

[2]Lu Fuming,Cai Qingxiang,Chen Shuzhao et al.A comparison of the energy consumption and carbon emssions for different modes of transportation in open-cut coal mines[J].International Journal of Mining Science and Technology,2015,25(2):261-266.

[3]楊濤.低碳經(jīng)濟(jì)下的多運(yùn)輸方式物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011(5):102-106.

[4]IPCC.2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[Z].2006.

[5]歐陽(yáng)斌，鳳振華，李忠奎,等.交通運(yùn)輸能耗與碳排放測(cè)算評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用——以江蘇省為例[J].軟科學(xué)，2015(1):139-144.

[6]龍江英.城市交通體系碳排放測(cè)評(píng)模型及優(yōu)化方法[D].武漢：華中科技大學(xué)（博士學(xué)位論文），2012.

[7]徐廣印.道路物流能源消耗系統(tǒng)分析及運(yùn)行調(diào)控研究[D].大連：大連理工大學(xué)（博士學(xué)位論文），2010.

[8]李健.低碳公路運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)途徑與碳排放交易機(jī)制研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)（博士學(xué)位論文），2013.

[9]劉娜翠，邱榮祖，侯秀英.物流系統(tǒng)中運(yùn)輸方式的選擇[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011(5):546-550.

[10]呂品.考慮碳排放的物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013(10):2977-2980.

[11]解天榮，王靜.交通運(yùn)輸業(yè)碳排放量比較研究[J].綜合運(yùn)輸，2011(8):20-24.

[12]王鈺青，許茂增.基于最小碳排放的廣義TSP 模型研究[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2012(8):69-75.

[13]羅誠(chéng).考慮碳排放控制的多種運(yùn)輸方式組合優(yōu)化模型研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011(5):113-116.

[14]孫瑋珊，楊斌.基于模糊數(shù)學(xué)的不確定性綠色物流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014(5):624-630.

[15]朱莉.低碳經(jīng)濟(jì)下物流優(yōu)化設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)均衡分析[J].中國(guó)人口，2013(7):77-83.