多級供應鏈碳排放刻畫與度量模型—基于EOQ理論分析

藍海燕，姜力文，杜心宇，張 影

（1.遼寧工業大學 管理學院，遼寧 錦州 120001；2.東北大學 工商管理學院，遼寧 沈陽 100169）

多級供應鏈碳排放刻畫與度量模型—基于EOQ理論分析

藍海燕1，姜力文2，杜心宇1，張 影1

（1.遼寧工業大學 管理學院，遼寧 錦州 120001；2.東北大學 工商管理學院，遼寧 沈陽 100169）

準確刻畫與度量多級供應鏈碳排放，是研究低碳供應鏈的關鍵。在對國內外相關研究進行綜述的基礎上，以多級供應鏈為研究對象，基于實質性排放原則，根據供應鏈初始碳分配方法得到初始配額，以訂單發出為分界點，確定多級系統碳排放核算空間，并歸類刻畫。基于EOQ理論，抽象出供應鏈碳排放度量方法，建立運輸、庫存、生產活動碳排放度量的一般模型，使多層級多成員的全部碳排放活動得到完整的分布刻畫與計量，有利于低碳供應鏈模型化研究。

多級供應鏈；碳排放；刻畫；度量模型；EOQ理論

1 引言

減少溫室氣體排放已經成為世界各國共同的責任與挑戰。目前，全球交通運輸業的二氧化碳排放量占總排放的30%以上，物流業作為交通運輸的重要組成部分，預計2030年的排放量可能達到1990年的4.1倍。要實現經濟和環境的可持續發展，必然要求發展低碳供應鏈。Walmart和ZETA Communities運用低碳管理理念，實現供應鏈減排目標［1］，可口可樂公司提出供應鏈綠色運營戰略，海爾集團建立全球首條“無氟變頻空調低碳產業鏈”。由此可見，低碳供應鏈運作理念已經得到普遍認同。

供應鏈碳排放的準確度量與刻畫是研究供應鏈碳排放問題的難點［2］。當前，國內外關于供應鏈碳排放度

量的方法主要有兩種形式，第一，將排放因素作為研究模型的構成因子，通過參數變化考察碳排放對供應鏈的影響。Ballota等（2010）研究表明法國零售企業供應鏈通過庫存共享減少25%的CO2排放量［3］。Harris（2011）研究倉庫與運輸碳排放與總成本之間的關系，結果表明成本最優解與碳排放最優解可能不相一致［4］。Mallidis等（2012）研究了相似的問題，得出利用第三方物流的企業更應該使用共享倉庫，可以提高成本和環境績效，而運輸共享對環境最有利［5］。Hua等（2011）將庫存碳排放因子融入經典EOQ問題中，通過環境庫存模型考察庫存與碳排放數量變化［6］。Benjaafar等（2013）研究了碳約束下廠商生產與庫存運作策略，發現碳排放參數能調節供應鏈的成本及排放數量［7］。Zhang等（2013）對比兩種碳約束下的企業生產問題，限額與交易和碳稅能實現相同的排放和利潤，但二者不能同時使用［8］。杜少甫（2009）則專門研究了限額與交易機制下的生產問題，在碳排放政策下企業可實現最優生產策略［9］。高振娟等（2013）在碳交易背景下探討供應鏈碳資產質押融資問題，設計出一個基于配額交易的碳資產質押貸款流程［10］。第二，利用特定評估法計算供應鏈碳足跡。生命周期法是最主要的計量方法，如Benedetto等（2009）、Lee（2011）、Pang等（2014）［11-13］。此外，McKinnon（2010）通過文獻綜述與高級訪談法，發現產品碳標簽工作不僅增加成本，而且結果難以令人信服，企業應該致力于低碳創新［14］。Johnson等（2012）研究四種計量方法下發電廠的碳足跡，結果表明在計算生物燃料碳足跡問題時一定要明確碳足跡計量標準［15］。Dormer等（2013）使用Excel模型計算塑料托盤碳足跡，得出在原材料回收與生產階段碳足跡減少最多［16］。Kumar等（2014）通過印度一個汽車零部件生產企業的碳足跡計算，證明了綠色數據包絡分析模型（GDEA）的有效性［17］。這些評估法評價過程相對固定，確定系統邊界后，收集每個環節的碳排放活動和排放因子，便得出某一產品或服務的排放數量。

綜上所述，國內外關于碳排放度量的方法已經進行了廣泛的研究。然而，兩種計量方法都沒有明確界定供應鏈碳排放核算邊界，以參數大小表達供應鏈的碳排放，核算的排放數量比較粗略且層級界限模糊；而各種特定的評估方法，主要針對單一的產品或服務，當供應鏈層級結構、組成成員越來越多時，這些評估方法很難用于復雜網絡的求解模型。因此，本文以多級供應鏈為研究對象，創新工作主要包括以下兩項：第一，明確多級供應鏈碳排放邊界，劃分多級系統的碳排放核算層級范圍；第二，將各級系統的碳排放歸類計算，基于EOQ理論分析，建立多級供應鏈碳排放的度量模型。本文研究內容可為低碳供應鏈碳排放計量與刻畫問題提供參考。

2 問題描述

EOQ是經濟訂貨批量（Economic Order Quantity）的簡稱，通過適宜的訂貨成本與庫存成本得出使總成本最低的經濟訂貨數量，是庫存管理最基本的決策模型。本文將此理論用于多層級的供應鏈網絡結構中，通過多級供應鏈庫存系統的協調，實現供應鏈碳排放的度量與刻畫。本文基于多個供應商、單個制造商、多個零售商組成的三級供應鏈，制造商生產多種商品，原材料由m個供應商提供，產品向n個零售商銷售。供應鏈的每一級成員需要向上一級發出訂單，并自行負責運輸。供應商每次訂貨數量為Qs，零售商每次訂貨數量為Qr，制造商每次訂貨數量為Qm，在訂貨、生產與存儲過程中都會產生碳排放。通過明確各級碳排放核算空間，運用EOQ理論建立各級碳排放度量模型，得出多級供應鏈碳排放模型度量的一般方法。

根據EOQ理論運用條件，本文研究基于以下假設條件：

（1）由于研究主題，本文忽略其他因素，僅考慮碳排放分類與度量問題；

（2）供應鏈各成員的需求已知確定，且不存在缺貨；

（3）供應鏈各成員在訂貨過程中采用相同車輛運輸；

（4）供應鏈各位成員庫存水平均為其訂貨數量的一半。

3 供應鏈初始碳配額分配方法說明

碳配額是碳交易的基礎，常用的初始碳配額分配方案有三種：公開拍賣、固定價格出售和免費分配，其中政府免費分配是最主要的配額來源。一國或地區所獲取的免費碳配額數量能通過Kaya恒等式計算，這是目前認可度很高的碳排放量計算公式，它是1989年日本Yoichi Kaya教授在IPCC會議上提出的［18］，其形式如

下：

其中E表示碳排放總量，Ei為第i種能源的碳排放量，N表示一次能源消費量，Ni為第i種能源消費量，G表示國內生產總值，U表示人口。將式中各項分解，NiN表示第i種能源在一次能源消費中所占份額，EiNi表示消費第i種能源的單位碳排放量，N G表示單位GDP的能源消耗，G U為人均經濟產出。由此可見，Kaya恒等式將能源、能源碳排放強度、經濟、人口等碳排放驅動因素緊密地聯結起來。

王金南等（2010）將Kaya恒等式變形，得到某一國家或地區與GDP直接聯系的碳排放數量計算方法，見式（2）［18］：

其中，Et表示第t年CO2排放量，It為第t年的碳排放強度，γ為年經濟增長速度，α為強度控制目標。

政府獲得的免費碳配額向企業分配主要依據兩個標準，第一，根據企業產量進行分配，第二，根據企業的外生標準進行分配，包括“祖父制”和“基準制”。具體而言，祖父制是指依據企業歷史排放量來進行初始碳限額分配，這一分配原則將企業現行排放與歷史排放相關聯，過去排放數量高的企業可以獲得更高的碳排放配額。與之相對的基準制與行業結合，是根據排放企業的歷史產量進行碳排放配額分配。例如生產多少噸鋼鐵排放一噸二氧化碳，根據行業的平均水平或效率最高的企業設定行業碳排放標準，以此作為行業內所有同類型企業執行規范，供應鏈企業由此獲得確定的初始碳配額。

4 多級供應鏈系統碳排放邊界確定與分類刻畫

4.1 多級供應鏈系統碳排放邊界確定

合理界定碳排放核算邊界是研究多級供應鏈排放問題的前提。本文的三級供應鏈結構如圖1所示，在供應鏈運作中，既包括傳統物流的轉移過程，圖1中由實線表示，也包括伴隨物流轉移而發生的碳流運動，圖1中由虛線表示，供應鏈上每個節點成員都有碳排放發生。為了避免碳排放計算遺漏，或出現雙重計算問題，楚龍娟等（2010）認為確定碳排放邊界的關鍵原則是“選擇實質性排放”［19］。因此，本文碳排放邊界劃分以供應鏈中實際發生的碳排放為分配依據，計算產品在運輸、制造、分配等活動中發生的直接和間接碳排放。由于每個階段的采購運輸自行負責，本文以訂單發出為分界點，將碳排放劃分為三個階段，如圖1所示。

圖1 三級供應鏈碳排放邊界圖

第一階段：供應商階段碳排放，供應商向系統外的訂購活動發生的運輸費用自行承擔，與之相關的碳排放也一并計入供應商核算范圍。所以，這一階段的碳排放核算空間是自供應商向外部供應商訂貨起至下游制造商發出訂單前這一時期的排放，包括供應商向外部訂貨運輸活動，和訂購物品入庫后的儲存活動。第二階段：制造商階段碳排放，自制造商向上游供應商發出原材料訂單起至下游零售商發出訂單前這一時期釋放的二氧化碳，包括訂貨運輸、加工轉化至產成品、原材料與產成品儲存活動。第三階段：零售商階段的碳排放，包括零售商向上游制造商發出訂單起到零售商將產品交付至下游顧客這一期間的碳排放，主要是運輸與產品儲存活動。

4.2 供應鏈系統碳排放分類刻畫

供應鏈碳排放邊界確定以后，要對系統全部碳排放歸類計算，圖2給出了碳排放核算科目：運輸排放、生產排放和庫存排放。運輸排放，核算供應鏈各成員訂貨過程中發生的碳排放；庫存排放，主要針對于原材料與產成品在庫持有過程中發生的直接或間接碳排放；生產排放，是制造商生產加工過程發生。

從圖2可以看出，供應鏈三個階段所包括的活動產生碳排放均有其對應的核算科目。對于復雜的多級系統從原材料采購到產品生產加工，再到滿足最終消費者的一系列活動所產生的全部碳排放，得到完整的分布刻畫。

圖2 三級供應鏈碳排放核算類別圖

5 多級供應鏈系統碳排放的數學度量模型

5.1 運輸碳排放度量模型

運輸碳排放包括供應商、制造商、零售商在產品或原材料訂貨過程中發生，根據Palmer（2008）［20］的研究，車輛啟動、空載時產生的排放可視為固定排放，而車輛載重、行駛距離等變化會影響可變排放浮動。參考文獻［6-7］的研究方法，如果不考慮車輛運輸能力，將可變排放并入固定排放中計算，這樣運輸碳排放轉化為與訂貨次數相關的計算問題，使用EOQ理論得出零售商運輸碳排放如下：

其中：ETR表示零售商階段運輸碳排放總量，Efr表示第r個零售商每次訂貨的固定排放率，Dr表示第r個零售商的需求。將每個零售商訂貨運輸的碳排放數量加總，就得到整個零售商階段的運輸碳排放總量。同理，制造商的運輸碳排放如下：

其中，ETM表示制造商運輸排放總量，Efm表示制造商每次訂貨的固定碳排放率，Dm表示制造商需求。則供應商運輸碳排放總量為：

其中：ETs表示供應商階段運輸碳排放總量，Efs表示第s個供應商每次訂貨的固定排放率，Ds表示第s個供應商的需求。多級供應鏈訂貨環節產生的碳排放數量為：

即將全部成員運輸排放加總。

5.2 庫存碳排放度量模型

庫存持有原材料或產成品時會發生兩部分碳排放，第一，與儲存數量直接相關的可變排放，第二，維持倉庫運營耗費資源的碳排放，視為固定排放。零售商的庫存水平為則多個零售商的庫存碳排放如下：

其中：EWR為零售商階段庫存持有碳排放數量，Ehr為第r個零售商持有單位產品的可變排放率，Eir為第r個零售商第i種能源的碳排放率，Mir為第r個零售商消費第i種能源的總量。

制造商庫存系統中既包括購入的原材料，也包括完工未售的產成品，庫存持有碳排放數量按以下方法計算：

式（8）中：EWM表示制造商庫存持有碳排放總量，Ehm表示制造商持有單位產成品的排放率，Qm表示制造商產品庫存數量，Ehmm表示制造商持有單位原材料的排放率，Qmm表示制造商原材料庫存數量，Ei為第i種能源的碳排放率，Mi為消費第i種能源的總量。

供應商庫存系統碳排放數量計算方法：

其中：EWS為供應商階段庫存持有碳排放數量，Ehs為第s個供應商持有單位產品的可變排放率，Eis為第s個供應商第i種能源的碳排放率，Mis為第s個供應商消費第i種能源的總量。通過上述三個計算公式，計算出三級供應鏈庫存持有活動所產生的碳排放總量：

5.3 生產碳排放度量模型

生產碳排放主要來自制造商的生產活動，這部分碳排放也包括兩個部分，與加工數量直接相關的碳排放，以及生產設施本身的固定碳排放，如果廠商生產數量為Q，則生產碳排放計算如下：

式中，EM代表制造商生產碳排放，EP代表生產單位產品的碳排放率，Ei為第i種能源的碳排放率，Mi為消費第i種能源的總量。

基于EOQ理論，整個供應鏈的碳排放總量可以準確度量如下：

6 結語

明確界定多級供應鏈碳排放核算邊界，可有效地避免供應鏈碳排放的雙重計算問題。本文首先說明供應鏈初始碳分配方法，所得到的初始配額基于實質性排放原則，以各級成員發出訂單為分界點，將三級供應鏈劃分為三個碳排放核算空間，并歸類描述。通過EOQ理論抽象出的供應鏈碳排放度量方法，得出供應鏈運輸、存儲和生產過程中排放的一般模型。這些數量模型很容易與其他低碳供應鏈運作模型結合，并克服生命周期評估法難于應用供應鏈求解模型的不足。供應鏈成員可根據一般的度量方法估算各自碳排放總量，為企業減排實踐提供參考。

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Multi-echelon Supply Chain Carbon Emissions Depiction and Measurement Model：Based on EOQ Analysis

Lan Haiyan1,Jiang Liwen2,Du Xinyu1,Zhang Ying1
（1. School of Management, Liaoning University of Technology, Jinzhou 120001；2. School of Business Administration, Northeast University, Shenyang 100169, China）

In this paper, on the basis of a summary of the relevant domestic and foreign literatures, we studied the substantial rules ofcarbon emissions of the multi-echelon supply chain, calculated the initial carbon quota of the agents in the supply chain, then with the orderas the dividing point, determined the carbon emissions calculation space of the multi- echelon system and had it classified and depicted.Next, based on the EOQ theory, we abstracted the method for the measuring of the carbon emissions of the supply chain, and built the generalmeasurement model of the carbon emissions in the transportation, inventory and production activities so that the totality of the carbon emittingactivities of all members of the supply chain was comprehensively depicted and calculated.

multi-echelon supply chain； carbon emissions； depiction； measurement model； EOQ theory

F274；X196

A

1005-152X（2016）09-0107-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.023

2016-08-02

遼寧省社科基金（L15AGL001）

藍海燕（1980-），女，黑龍江哈爾濱人，遼寧工業大學管理學院講師，研究方向：物流系統建模與優化、低碳供應鏈、庫存管理。