黑龍江省農(nóng)作物生物質(zhì)能能值分析與物流網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化

任永泰，孫慧偉，郗通通，孫阿夢(mèng)

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

黑龍江省農(nóng)作物生物質(zhì)能能值分析與物流網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化

任永泰1，孫慧偉2，郗通通2，孫阿夢(mèng)2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

面對(duì)傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量減少、能源需求量越來越多、環(huán)境污染日益加劇的問題，開發(fā)利用新能源已成為全世界共同關(guān)注的焦點(diǎn)。通過引入生命周期法對(duì)傳統(tǒng)能值分析法加以改進(jìn)，對(duì)生物質(zhì)能系統(tǒng)做能值分析，以實(shí)際定量結(jié)果反映出植物生長過程中每種能值的貢獻(xiàn)，為生產(chǎn)勞作提供建議。對(duì)建三江區(qū)域農(nóng)作物秸稈的生物質(zhì)原料物流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，以重心法結(jié)合層次分析法優(yōu)化原料收儲(chǔ)點(diǎn)。并以典型月份的原料運(yùn)輸為例，基于ArcGIS優(yōu)化得到最優(yōu)車輛路徑和原料運(yùn)輸方案，結(jié)果顯示優(yōu)化后的方案減少了車輛投入、降低了運(yùn)輸成本。

能值分析；生命周期分析；物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；黑龍江；農(nóng)作物

1 引言

能源植物是生物質(zhì)能的重要來源之一[1]，傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量日益減少，環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，開發(fā)生物質(zhì)能已成為各國政府關(guān)注的焦點(diǎn)，植物生物質(zhì)能不僅可以帶來顯而易見的經(jīng)濟(jì)效益[2]，還具有緩解能源危機(jī)、減少溫室氣體排放量等環(huán)境效益。國外對(duì)生物質(zhì)能的研究起步較早，1996年Mitchell和Bridgwater[3]通過建立生物質(zhì)能供應(yīng)鏈系統(tǒng)，第一次將生物質(zhì)原料和能源作為系統(tǒng)的輸入和輸出。2001年Debarata Das,T.NegatVeziroglu[4]提出將植物產(chǎn)生的氫蒸汽重組作為能源的來源。2007年Lynch[5]提出發(fā)展“可再生能源+生物質(zhì)能源”的路線。2008年Rubo Leng[6]將生命周期應(yīng)用于評(píng)價(jià)環(huán)境影響、能量消耗以及能量效率。相比國外生物質(zhì)能領(lǐng)域的發(fā)展研究，我國對(duì)生物質(zhì)能源的研究與開發(fā)應(yīng)用相對(duì)較晚，不過目前我國生物質(zhì)能源已步入商業(yè)化階段。我國北方農(nóng)村“四位一體”能源生態(tài)模式已經(jīng)取得了顯著的效益[7]，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氣、積肥同步，種植、養(yǎng)殖并舉，能流、物流良性循環(huán)的生態(tài)目標(biāo)。張永、陳曉嬌等[8]運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理對(duì)生物質(zhì)能供應(yīng)鏈的運(yùn)行進(jìn)行模擬，通過構(gòu)建模型，完善農(nóng)戶、政府與企業(yè)的三方協(xié)調(diào)機(jī)制，優(yōu)化了生物質(zhì)能供應(yīng)鏈，降低了成本，提高了供應(yīng)鏈的運(yùn)行效率。張宗蘭、劉輝利等人[9]基于我國生物質(zhì)能的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)生物質(zhì)能的利用與開發(fā)路線與技術(shù)提出建議，并積極倡導(dǎo)開展國際合作與交流，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)。劉志雄，何曉嵐[10]將技術(shù)水平和政府支持等方面與國外相比較，認(rèn)為我國應(yīng)加強(qiáng)政策支持，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，鼓勵(lì)自我研發(fā)，積極發(fā)展低碳技術(shù)[11]。

已有研究在對(duì)植物進(jìn)行能值分析時(shí)往往忽略了植物本身的生長周期，為了準(zhǔn)確計(jì)算植物生物質(zhì)能的能量投入，本文引入生長周期對(duì)傳統(tǒng)能值分析加以改進(jìn)，定量的給出植物生長過程中每種能值的貢獻(xiàn)，并對(duì)原料運(yùn)輸物流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，為生產(chǎn)勞作提出更合理的意見。

2 基本理論與模型構(gòu)建

2.1 能值分析法及改進(jìn)

能值分析可以將系統(tǒng)內(nèi)各生態(tài)流都轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的單位[12]，其提供了衡量和比較各種類別能值投入的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，開辟了定量研究的新方法。能值分析基本指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

（1）能值產(chǎn)出率：

（2）環(huán)境負(fù)荷率：

（3）能值投資率：

（4）可持續(xù)發(fā)展指數(shù)：

其中，R—可再生能值；N—不可再生能值；F—人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)反饋投入的能值；FN—不可更新資源能值；FR—可更新資源能值；Y—產(chǎn)出的能值。

能值分析的與眾不同之處在于考慮了自然環(huán)境資源對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的能值投入。各種環(huán)境資源的能量計(jì)算公式如下：

其中，S—太陽光能，A—土地面積，I—年均太陽輻射量。

其中,RC是雨水化學(xué)能，P是年均降水量，D是雨水密度，ΔG是吉布斯自由能。

其中，Rg為雨水重力勢(shì)能，E為平均海拔高度，g為重力加速度。

其中，W為風(fēng)能，r為空氣密度，c為風(fēng)阻系數(shù)，vg為地轉(zhuǎn)風(fēng)速度，G為風(fēng)速梯度。其中，vg=v·10/6，v為年均風(fēng)速。

其中，N為表土凈損失，E為風(fēng)蝕速率，O為土壤有機(jī)質(zhì)含量,EO為土壤有機(jī)質(zhì)的能量。

為了準(zhǔn)確計(jì)算植物生物質(zhì)能的能量投入，應(yīng)考慮植物的生長周期。生命周期分析是分析產(chǎn)品“從誕生到消亡”全過程的一種監(jiān)督管理方法，也是衡量制品在它的一生中對(duì)環(huán)境造成的負(fù)荷大小的一種評(píng)價(jià)方法。不同的植物有不同的生命生長周期，同時(shí)，要考慮太陽光反射率和雨水蒸發(fā)率，以便更準(zhǔn)確地計(jì)算能量投入。此時(shí)各種環(huán)境資源投入植物中的能量計(jì)算公式應(yīng)為：

其中，α為太陽光反射率。

其中，β為雨水蒸發(fā)率。

其中各種能源的轉(zhuǎn)化率均可知。

2.2 重心法的收儲(chǔ)點(diǎn)選址模型

重心法就是將物流系統(tǒng)中需求點(diǎn)和資源點(diǎn)看成是一個(gè)物體系統(tǒng)分布在平面上，各個(gè)點(diǎn)的供需量作為物體的重量，則此物流系統(tǒng)的最佳設(shè)施點(diǎn)就是物體系統(tǒng)的重心。

使用重心法構(gòu)建模型如下：

設(shè)有n個(gè)供應(yīng)點(diǎn)，坐標(biāo)表示為(xi,yi)(i=1,…，2n)待定物流設(shè)施的地址坐標(biāo)(x0,y0)，總運(yùn)輸費(fèi)用為C：

化簡得到最佳位置坐標(biāo)：

2.3 層次分析法

層次分析法是指將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個(gè)系統(tǒng)，把單個(gè)目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解為多指標(biāo)（或準(zhǔn)則、約束）的若干層次，通過定性指標(biāo)量化算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，以作為目標(biāo)（多指標(biāo)）、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。層次分析法是將決策問題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則直至具體的備選方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對(duì)上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重，最后再用加權(quán)和的方法求得最終權(quán)重，最終權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。

備選收儲(chǔ)點(diǎn)的選取，主要由原料、運(yùn)輸及相關(guān)費(fèi)用這三種因素決定。由此將備選收儲(chǔ)點(diǎn)分為三個(gè)層次結(jié)構(gòu)：目標(biāo)層、標(biāo)準(zhǔn)層和決策方案層，并引入相對(duì)重要性的標(biāo)度以便比較各備選收儲(chǔ)點(diǎn)的重要性。

運(yùn)用規(guī)范列平均法，在收儲(chǔ)點(diǎn)影響因素兩兩比較矩陣的基礎(chǔ)上求各因素的權(quán)重。

2.4 物流網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化模型構(gòu)建

模型基本參數(shù)為：C—總成本；C1—運(yùn)輸成本；C2—庫存成本；C3—運(yùn)營成本；q—運(yùn)輸量；K—庫存總量；k'—階段庫存新增量；x—表示工廠的階段消耗量。

生物質(zhì)原料物流網(wǎng)絡(luò)模型即：

（1）運(yùn)輸成本模型為：

約束為：

（2）階段運(yùn)輸成本模型為：

約束為：

（3）庫存成本模型為：

3 案例分析

3.1 能值分析

根據(jù)建三江農(nóng)墾統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)，運(yùn)用改進(jìn)后的能值分析計(jì)算公式，可以得到玉米秸稈的各項(xiàng)能值指標(biāo)，見表1。

表1 玉米秸稈的能值指標(biāo)

運(yùn)用同樣的方法對(duì)大豆和水稻秸稈生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行能值分析。

表2顯示，建三江農(nóng)墾管理局轄下農(nóng)場(chǎng)的幾種主要農(nóng)作物中，相比玉米和水稻，大豆的能值轉(zhuǎn)換率較高，也就是說每單位的大豆蘊(yùn)含較多的能量。我們可以通過提高產(chǎn)量和減少種植過程中的能值投入兩種方法來降低其能值轉(zhuǎn)換率。通過對(duì)主要農(nóng)作物能值指標(biāo)的分析可以看出：三種農(nóng)作物的ELR值適中，在未來的生產(chǎn)種植過程中，要適當(dāng)控制能值投資率EIR，以達(dá)到既不依賴環(huán)境資源又不會(huì)影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目的。水稻的可持續(xù)發(fā)展系數(shù)高于其他兩種農(nóng)作物，黑龍江作為全國糧食主產(chǎn)地，水稻種植系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性良好，適合生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展。

表2 農(nóng)作物秸稈的能值指標(biāo)

生物質(zhì)資源供應(yīng)具有季節(jié)性，只在每年農(nóng)作物收獲期有豐富的生物質(zhì)資源，這就導(dǎo)致高額的收購和運(yùn)輸費(fèi)用。且農(nóng)作物種植區(qū)域呈分散分布，擴(kuò)大了收購范圍，使企業(yè)投入較大的人力、財(cái)力和物力。依據(jù)能值分析結(jié)果規(guī)劃不同種類農(nóng)作物的種植面積，得到每個(gè)農(nóng)場(chǎng)的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量，為生物質(zhì)原料收儲(chǔ)點(diǎn)的選擇與優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2 收儲(chǔ)點(diǎn)選址

根據(jù)各農(nóng)場(chǎng)的地理位置坐標(biāo)和每個(gè)農(nóng)場(chǎng)向生產(chǎn)工廠提供原料的數(shù)量，由重心法模型計(jì)算得到四個(gè)備選收儲(chǔ)點(diǎn)A、B、C、D，四個(gè)收儲(chǔ)點(diǎn)的地理位置分別在前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)管理區(qū)、富興東部、勝利農(nóng)場(chǎng)三隊(duì)以及七星農(nóng)場(chǎng)第八管理區(qū)附近。在考慮收儲(chǔ)點(diǎn)建設(shè)的固定費(fèi)用、經(jīng)濟(jì)管理變動(dòng)費(fèi)用以及實(shí)際情況是否允許的情況下，應(yīng)用層次分析法得到各收儲(chǔ)點(diǎn)間的兩兩比較矩陣，并計(jì)算各個(gè)因素的實(shí)際貢獻(xiàn)權(quán)重及評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)越高，越適于建立收儲(chǔ)點(diǎn)，為生產(chǎn)工廠供應(yīng)原料。評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 各備選收儲(chǔ)點(diǎn)各個(gè)因素的實(shí)際貢獻(xiàn)權(quán)重及評(píng)價(jià)指標(biāo)

由表3知各收儲(chǔ)點(diǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)排名為A、C、D、B，對(duì)比各個(gè)收儲(chǔ)點(diǎn)的地理位置、交通情況可知：

（1）建三江農(nóng)墾管理局的收儲(chǔ)點(diǎn)遍布在生產(chǎn)工廠的周圍，有利于及時(shí)供應(yīng)生物質(zhì)原料。

（2）由于鴨綠河農(nóng)場(chǎng)和前哨農(nóng)場(chǎng)的原料供應(yīng)量相對(duì)較少，B收儲(chǔ)點(diǎn)到生產(chǎn)工廠的路程較長，所以B的收儲(chǔ)點(diǎn)廠房建設(shè)投入資金可以適當(dāng)減少。

（3）將收儲(chǔ)點(diǎn)C作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備收儲(chǔ)點(diǎn)，以保證生產(chǎn)工廠在遇到緊急情況時(shí)可以迅速做出應(yīng)對(duì)。

3.3 制定典型月份運(yùn)輸方案

工廠從7月開始正式投入使用，為了達(dá)到年產(chǎn)量10萬t的目標(biāo)，每日生產(chǎn)需要的原料量為980t，自然月以30d進(jìn)行計(jì)算。各個(gè)收儲(chǔ)點(diǎn)初始庫存量均為10 000t，7月份在收貨期內(nèi)，收購量為12 300t/月，各收儲(chǔ)點(diǎn)分別收購4 800t/月，則7月的約束條件為：

月末各收儲(chǔ)點(diǎn)的原料存儲(chǔ)量表示為：

各收儲(chǔ)點(diǎn)的庫存成本和運(yùn)營成本是已知的，分別為45元/t、4.08元/t，則c'=45+4.08=49.08元/t也是常量，則為常量。為達(dá)到成本最小化，就要使最小。表示為函數(shù)即：minf=12.15×x1+

將約束條件代入運(yùn)籌學(xué)軟件中進(jìn)行計(jì)算，得出7月份最少運(yùn)輸費(fèi)用為473 156元。同時(shí)可以得到每個(gè)收儲(chǔ)點(diǎn)的原料送出量以及月底的原料庫存量，見表4。

表4 7月底各收儲(chǔ)點(diǎn)的原料送出量及原料庫存量

3.4 全年運(yùn)輸方案制定

以7月份為初始月份制定全年運(yùn)輸方案。根據(jù)各階段運(yùn)輸成本模型以及每個(gè)收儲(chǔ)點(diǎn)每個(gè)月份的原料收儲(chǔ)范圍，運(yùn)用線性規(guī)劃模型可求得全年原料的運(yùn)輸方案以及每個(gè)月的最優(yōu)運(yùn)輸成本，結(jié)果見表5。

表5 全年原料運(yùn)輸安排

3.5 車輛路徑優(yōu)化

運(yùn)輸路徑不同決定了各個(gè)收儲(chǔ)點(diǎn)車輛工作時(shí)間的不同，為了使運(yùn)營成本最低，且盡量減少貨車裝載時(shí)的等待時(shí)間，現(xiàn)對(duì)貨車的運(yùn)輸時(shí)間做詳細(xì)合理的規(guī)劃安排。

收儲(chǔ)點(diǎn)A：對(duì)運(yùn)送原料的12輛貨車進(jìn)行排號(hào)，且每周依次輪換。工作時(shí)間貨車依次裝載，每輛車裝載時(shí)間為10min，全部裝載完成需要用時(shí)120min，貨車從收儲(chǔ)點(diǎn)A到工廠往返需用時(shí)2h，可知在第一輛出發(fā)的貨車回來時(shí)可以全部完成裝載。同理，其他收儲(chǔ)點(diǎn)也是一樣的情況。假設(shè)各收儲(chǔ)點(diǎn)貨車統(tǒng)一時(shí)間開始運(yùn)輸工作，用甘特圖表述各貨車到達(dá)工廠的時(shí)間，便于對(duì)工廠卸載機(jī)器進(jìn)行合理安排。由圖1可以看出，同一時(shí)間上班，貨車運(yùn)送原料到工廠的時(shí)候，在一定的時(shí)段會(huì)出現(xiàn)3輛貨車同時(shí)到達(dá)的情況，因此造成擁堵，且需要3臺(tái)卸載車同時(shí)工作才可以保證物流暢通。

圖1 貨車到達(dá)工廠的時(shí)間甘特圖

各收儲(chǔ)點(diǎn)貨車工作時(shí)間相同，為了更快更合理的運(yùn)送原料到工廠，避免不同收儲(chǔ)點(diǎn)貨車同時(shí)到達(dá)造成卸載擁擠，可以采取不同時(shí)間上班制。通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，得出：收儲(chǔ)點(diǎn)A的貨車工作開始時(shí)間較收儲(chǔ)點(diǎn)B的貨車開始工作時(shí)間推遲120min，B、C是同一時(shí)間開始工作；B收儲(chǔ)點(diǎn)的送貨車往返一次后休息110min；收儲(chǔ)點(diǎn)C完成兩次往返之后休息40min。工作時(shí)間重新安排規(guī)劃后，各收儲(chǔ)點(diǎn)的運(yùn)貨車到達(dá)工廠后，卸載原料所用時(shí)間用甘特圖表示，如圖2所示。

圖2 各收儲(chǔ)點(diǎn)貨車在工廠的卸載時(shí)間

由圖2可以看出，采用不同工作時(shí)間制度，可以一定程度的減少等待，而且只需要配備2輛卸載車即可完成卸載工作，節(jié)約了設(shè)備購置的費(fèi)用。

4 結(jié)論

應(yīng)用改進(jìn)后的能值分析定量化得出建三江墾區(qū)水稻、玉米、大豆的能值指標(biāo)，由此得出大豆的能值轉(zhuǎn)換率最高，通過提高產(chǎn)量和減少種植過程的能值投入來降低其能值轉(zhuǎn)換率，提高經(jīng)濟(jì)效益。水稻在三種作物中的可持續(xù)發(fā)展系數(shù)最高，其種植系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性良好，有利于大力發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)。玉米的可持續(xù)性發(fā)展指數(shù)較低。根據(jù)研究結(jié)果，為生產(chǎn)勞作提供合理的意見，降低成本投入，提高經(jīng)濟(jì)效益。并對(duì)生物質(zhì)企業(yè)的原料供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。計(jì)算得到四個(gè)最佳收儲(chǔ)點(diǎn)，并選定原料供應(yīng)量最大、交通運(yùn)輸便利、地理位置優(yōu)勢(shì)明顯和各方面條件成熟的C（即勝利農(nóng)場(chǎng)）收儲(chǔ)點(diǎn)作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備收儲(chǔ)點(diǎn)。并優(yōu)化車輛運(yùn)輸路徑，減少了車輛的投入數(shù)量和等待時(shí)間，制定了全年的運(yùn)輸方案，節(jié)約了企業(yè)的資金投入。

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Emergy Analysis and Logistics Network Routing Optimization of Agricultural Biomass in Heilongjiang

Ren Yongtai1,Sun Huiwei2,Xi Tongtong2,Sun Ameng2
(1.School of Science,Northeast University of Forestry,Harbin 150030; 2.School of Engineering,Northeast University of Forestry,Harbin 150030,China)

In this paper,we introduced the life circle method to improve the traditional emergy analysis process in its application with the biomass energy to quantitatively reflect every emergy contribution in the growth circle of the plant.Then we designed and programmed the biomass raw material logistics network for the Three-river Area,optimized the location of the raw material purchasing outlets using the gravity-AHP method and at the end,with the raw material transportation in a typical month as the example,obtained the optimal vehicle routing and raw material transportation plan based on ArcGIS.

emergy analysis;life circle analysis;logistics network optimization;Heilongjiang;agricultural product

TK6

A

1005-152X(2016)12-0055-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.12.014

2016-10-28

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“黑龍江省農(nóng)作物生物質(zhì)能物流能流分析與循環(huán)利用功能評(píng)價(jià)”（12541038）

任永泰（1973-），通訊作者，男，黑龍江安達(dá)人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：水資源優(yōu)化與利用、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程理論與方法、應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)等；孫慧偉，男，黑龍江鶴崗人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：工業(yè)系統(tǒng)分析方法與優(yōu)化技術(shù)；郗通通，男，山東濟(jì)寧人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：物流工程；孫阿夢(mèng)，女，山東煙臺(tái)人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：物流工程。