低碳經濟條件下企業物料運輸方式定量選擇

楊秋俠，孫雅楠 YANG Qiu-xia,SUN Ya-nan

（西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055）

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

0 引言

工業企業的發展拉動了社會經濟，這無可厚非，但與此同時也帶來了令人困擾的環境問題。我們在追求企業經濟效益的同時，也要兼顧社會效益和生態效益。對于企業而言，每一個環節都有大量的碳排放，其中運輸屬于能源集中環節，而且二氧化碳占據了很大的比例。企業物料運輸系統包括運輸方式及運輸方式之間的銜接、運輸網絡結構及布置形式、運輸工具等。運輸方式選取不合理和不同運輸方式之間的銜接轉換點布置不合理，會導致生產物料運送距離長增加碳排放；運輸網絡結構及布置形式不合理，會使物料運輸不暢、易擁堵使碳排放增加；運輸工具選擇不合理也會造成碳排放量增多。

低碳經濟方面現有學者所做的研究大部分是針對交通運輸系統或者物流系統，針對企業生產物流方面的研究較少。已有的企業生產物流的研究，在進行運輸方式選擇時，基本是以費用最低或者時間最短來作為優化目標，沒有考慮二氧化碳排放對環境的影響。

本文結合低碳經濟的背景，在傳統的以費用最低為目標來優化的基礎上加入碳排放這一因素，將碳排放量最小作為優化目標，并兼顧考慮經濟因素，將投資費用作為約束條件建立模型，選出最優的物料運輸方式。

1 模型建立

企業物流的運輸方式包括道路、鐵路、皮帶和管道等方式。首先，我們根據物料的功能性質、廠外的運輸方式、生產工藝的要求、運量和運距的要求、建設場地條件和平面布置的要求、運輸設備的供應情況等，對物料的運輸方式進行定性分析，其結果可能存在一種物料可以用幾種運輸方式來運輸，那么就要對這幾種運輸方式進行定量選擇，從中選出一種最優的運輸方式。

進行定量選擇建立模型時，有以下幾個假設條件：

（1）企業的總平面布置已知，即各車間的位置已知。

（2）任意兩個車間之間不止有一種運輸方式可采用。

（3）任意兩個車間的流量已知。

（4）所有費用信息已知。

（5）只考慮與物料搬運有關的車間。

則建立目標函數如下：

其中：k：企業生產物流中物料搬運所采用的4 種搬運方式：道路、鐵路、皮帶、管道等運輸方式。

Mij：從i 車間到j 車間運輸物料的重量，t。

Aij：從i 車間到j 車間物料運輸的水平距離，m。

Hij：從i 車間到j 車間物料運輸的垂直距離，m。

qAk：第k 種運輸方式水平方向運輸單位距離需要的能源，J。

qHk：第k 種運輸方式垂直方向運輸單位距離需要的能源，J。

xijk：從i 車間到j 車間是否采用第k 種運輸方式，其中：

ηk：第k 種運輸方式的能源轉換效率。

θk：第k 種運輸方式所消耗燃料整個生命周期的二氧化碳排放系數。約束條件：

其中，aijk表示從i 車間到j 車間采用第k 種運輸方式時，第k 種運輸方式車輛的年運營費用和年基建投資費用之和。b 表示企業年運營費用和年基建投資費用之和的預算。式（1）表示物料運輸時需要的年運營費用和年基建投資費用之和不能超過企業的預算；式（2）表示任意兩個車間之間的流量一定有一定數量的運輸方式予以滿足；式（3）中xijk取0 表示i 車間與j 車間之間不采用第k 種運輸方式，取1 表示i 車間與j 車間之間采用第k 種運輸方式。

2 模型求解

模型中變量xijk只能取0 或1，故該模型為0-1 規劃。本文采用分枝—隱枚舉法。計算步驟如下：

（1）將0-1 規劃問題的目標函數系數化為非負；當變量作了代換后，約束條件中的變量也相應作代換。

（2）變量重新排序，變量依據目標函數系數值按升序排序。

（3）求主枝：目標函數是max 形式時令所有變量等于1，得到目標值的上界；目標函數是min 形式時令所有變量等于0，得到目標值的下界；如果主枝的解滿足所有約束條件則得到最優解，否則轉下一步。

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

停止分枝和需要繼續分枝的原則：

（1）當某一子問題是可行解時則停止分枝并保留；

（2）不是可行解但目標值劣于現有保留分枝的目標值時停止分枝并剪枝；

（3）后續分枝變量無論取“1”或“0”都不能得到可行解時停止分枝并剪枝；

（4）當某一子問題不可行但目標值優于現有保留分析的所有目標值，則要繼續分析。

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

電能整個生命周期二氧化碳排放系數計算公式如下：

其中：θe：電能整個生命周期的二氧化碳排放系數。

θef：電網電源的二氧化碳排放系數。

θep：發電的電廠的二氧化碳排放系數。

θem：原材料提取和加工的二氧化碳排放系數。

柴油整個生命周期二氧化碳排放系數計算公式如下：

其中：θo：成品油整個生命周期的二氧化碳排放系數。

θom：用于原油開采的二氧化碳排放系數。

θop：煉油的二氧化碳排放系數。

θof：煉油燃燒廢棄物的二氧化碳排放系數。

整個電網的加權平均碳排放因子可以從IPCC 國家溫室氣體清單指南中獲得。用于柴油消耗的碳排放系數的計算如表1 所示。

表1 柴油消耗的碳排放系數計算表

3 算例分析

有4 個車間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，經過定性分析得到①—②車間物料運輸可采用的運輸方式有道路和皮帶，②—③車間物料運輸可采用的運輸方式有道路、鐵路和皮帶，③—④車間物料運輸可采用的運輸方式有道路和管道。假設4 種運輸方式的代碼分別為，道路1，鐵路2，皮帶3，管道4。

已知各個車間之間物料運輸的水平距離、垂直距離、運量如表2 所示。

表2 車間之間物料運輸的距離及運量信息表

經過查閱資料，給定4 種運輸方式運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。道路運輸消耗柴油，但是在柴油發動機的能量交換效率僅為30%。電力是通過與80%的能量交換率的驅動電機交換轉化為機械能。由于道路運輸消耗柴油，鐵路、皮帶、管道運輸消耗電能，因此第k 種運輸方式的能源轉換效率ηk為：η1=η油=30%，η2=η3=η4=η電=80%。中國華北區域電網在2014年的碳排放系數是1.0580 千克/千瓦小時，而由表1 可知柴油燃燒的碳排放因子是0.3006 公斤/千瓦時，因此，θ1=θ油=0.3006kg/kw.h，θ2=θ3=θ4=θ電=1.0580kg/kw.h。此外，設道路的單位距離運營及投資費用為10，鐵路的單位距離運營及投資費用為5，皮帶的單位距離運營及投資費用為3，管道的單位距離運營及投資費用為4，該企業的運輸建設運營及投資費用預算為1 000。代入模型得：

4 總結

隨著社會的快速發展，低碳經濟發展模式將會受到越來越多的關注，在選擇企業生產物料運輸方式時，碳排放量的因素也會引起更廣更深的重視。因此，不僅要在定性分析時考慮到碳排放量對環境的影響，更要定量化地體現它的重要性。本文通過建立模型，對企業在低碳經濟條件下如何定量地選擇物料運輸方式作了分析，使企業物料運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設施規劃中應用的理論研究[D].西安：長安大學（博士學位論文），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.低碳經濟下的多運輸方式物流網絡規劃[J].陜西科技大學學報（自然科學版），2011(5):102-106.

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

[5]歐陽斌，鳳振華，李忠奎,等.交通運輸能耗與碳排放測算評價方法及應用——以江蘇省為例[J].軟科學，2015(1):139-144.

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

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

[8]李健.低碳公路運輸實現途徑與碳排放交易機制研究[D].西安：長安大學（博士學位論文），2013.

[9]劉娜翠，邱榮祖，侯秀英.物流系統中運輸方式的選擇[J].福建農林大學學報（自然科學版），2011(5):546-550.

[10]呂品.考慮碳排放的物流網絡優化模型研究[J].計算機應用研究，2013(10):2977-2980.

[11]解天榮，王靜.交通運輸業碳排放量比較研究[J].綜合運輸，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].數學的實踐與認識，2012(8):69-75.

[13]羅誠.考慮碳排放控制的多種運輸方式組合優化模型研究[J].陜西科技大學學報（自然科學版），2011(5):113-116.

[14]孫瑋珊，楊斌.基于模糊數學的不確定性綠色物流網絡設計[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2014(5):624-630.

[15]朱莉.低碳經濟下物流優化設計的網絡均衡分析[J].中國人口，2013(7):77-83.