碳交易环境下企业再制造集成物流网络优化设计，本文主要内容关键词为：优化设计论文,物流论文,环境论文,企业论文,网络论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
再制造是一个资源潜力巨大、经济效益显著、环保作用突出、符合可持续发展的绿色工程和新兴产业，也是实现制造产业可持续发展的重要技术途径。再制造作为废旧产品高科技维修的产业化活动，完善的物流网络是实现资源循环流动的重要基础和关键，对其进行科学的规划、设计及管理将从根本上保障再制造产业的运行效率[1][2]。 在世界气候环境不断恶化的大背景下，各国对环境保护与可持续发展越来越重视，碳排放约束也逐渐苛刻。我国提出到2020年，单位国内生产总值的二氧化碳排放降低50%左右的低碳经济战略目标。自2009年我国首家碳排放交易所挂牌成立以来，部分地方性碳排放交易试点平台已初步建立，碳税的开征也已进行了前期研究工作，我国碳政策体系正逐步得到完善。 碳排放交易市场的兴起，让更多企业面临着碳减排的挑战，也对再制造企业的原有发展模式提出了低碳目标的全新挑战。因此，探讨碳交易政策对再制造企业物流网络构建的影响，以及如何在再制造物流网络规划设计中考虑碳排放的优化目标，从综合效益的视角权衡经济效益和环境效益之间的悖反关系是本文研究的主要问题。 二、文献综述 随着低碳经济改革的深入，再制造物流网络的构建在模式、决策目标等方面的低碳趋势越来越明显。较早的研究中，如Jayaraman[3](P497)建立了一个确定仓储容量和位置的MILP模型，确定了网络结构中最优的机构设置数量和设置地点，但大都以经济效益为单一目标，较少考虑环境效益。随后，顾巧论、陈秋双[4](P618)建立了一个在传统生产分销物流网络基础上扩建回收拆卸中心的再制造系统集成物流网络的选址-分配模型；马祖军[5](P74)对再制造物流布局进行了分析，提出了单产品、单周期、有能力限制的再制造物流网络独立设计的稳健优化模型，但二者未在模型中明确增加环境目标约束。 近年来，随着再制造物流网络和低碳经济的研究进展，学者们开始将二者结合，并试图在模型中进行正逆向物流的整合，但出发的角度也不尽相同。Cachon[6]最早从供应链运作和物流的角度研究了低碳经济，探讨了供应链网络中不同的选址对碳排放量大小的影响，并给出了减少碳排放量的最优选址决策，但论文却没有把碳减排目标和经济目标统一起来。Paksoy[7]的再制造多目标线性规划模型考虑了正向物流中的成本和排放目标，但在逆向物流阶段只考虑了成本问题。F.Wang[8](P262)提出了绿色供应链多目标优化模型，主要关注供应链设计阶段的环境投资决策问题。Y.C.Wang[9]以碳排放为约束，构建了制造/再制造闭环供应链的多目标混合线性规划模型，并分别分析了独立模型和整合模型的成本和环境效率的差异，最终得到整合网络更符合低碳经济要求的结论。 综观现有再制造物流网络的研究，碳排放量约束被逐渐引入了再制造物流模型，主要有以下几种方式[10](P721)：(1)通过碳税、碳交易将碳排放量转化为成本；(2)通过碳限额进行碳排放量总量约束；(3)将碳排放量、成本等目标结合，进行多目标优化。以上研究聚焦于不同的碳约束条件对企业物流网络优化结果的影响，而本文在整合正逆向物流[11](P779)，对再制造物流网络进行设计的基础上，对比不同碳约束条件，分析不同碳排放约束环境下再制造物流网络的碳排放量和总成本的变化及原因，进一步深化和扩展了前人的研究成果。
图1 再制造集成物流网络拓扑模型 三、问题描述 (一)再制造集成物流网络结构 再制造集成物流网络中，生命周期末端的废旧产品首先从消费者区域回收到回收中心；然后，回收中心将废旧产品统一收集后运送到拆解中心，其中也可以根据经济性原则将消费区域的废旧产品直接运送到拆解中心；随后，拆解中心对废旧产品进行拆解检测，根据产品功能损坏程度的不同，其生命周期的循环方式也将不同：可再使用(Reuse)或维修(Repair)后再使用的零部件或模块将被运送到再制造中心作为新产品的零部件直接装配使用，需进行再制造加工或技术改造的零部件和模块则被运送到再制造中心进行再制造(Remanufacturing)，受技术经济条件限制或未达到质量要求的废旧产品和零部件则需运送到指定地点进行原材料循环(Material Recycling)或环保处理(Disposal)。再制造逆向物流完成后，产品将继而进入正向物流——再制造中心的再制造产品将被运输到分销中心，最终通过分销中心送达至新顾客手中。再制造集成物流网络拓扑模型如图1所示。 (二)碳交易市场环境对再制造物流网络结构的影响 在碳交易市场环境下，企业再制造网络的设计与优化不再仅考虑原有的采购成本、设施设置成本、运作成本、运输成本，碳交易市场中的收支也将成为企业成本的重要组成部分，直接影响再制造物流网络的节点设置、运输路线选择等，从而进一步影响企业的碳排放量。碳交易中，每个自愿参与碳交易的企业将拥有一定量的碳配额。在全球碳交易体系中，企业获得碳配额的方式主要是通过：免费分配、固定价格购买、拍卖三种方式。而在刚刚起步的中国碳交易市场中，碳交易体系还在试运行中，制度还有待完善，目前中国企业碳配额的获得方式也主要是通过免费碳配额发放。当企业碳排放量低于碳配额时，企业可以出售剩余碳排放权用于获取收益，而当企业碳排放量高于碳配额时，企业则需购买超出部分的碳排放权。此市场机制将有效调节二氧化碳为代表的温室气体排放，即把二氧化碳排放权作为一种商品，从而形成了二氧化碳排放权的交易。 碳交易市场中，再制造企业原有成本结构发生变化，会直接影响再制造网络优化决策，这将是本文重点关注的问题。同时，考虑到运输工具是影响碳排放量的重要因素，而现有再制造物流网络模型涉及较少，本文也将加以考虑。 四、再制造集成物流网络混合整数线性规划模型 本模型在顾客群地点确定的条件下，以再制造物流网络总运营成本最小为前提，并在总成本中考虑碳交易中的经济效益，最终确定回收中心、拆解中心、再制造中心和分销中心的数量、地点设置、流量分布及相应的碳排放量。 (一)模型假设 本文做出如下假设： 此再制造集成物流网络为一个单产品、单周期的闭环供应链。 物流网络中各个设施的固定成本和运营成本、最大处理能力、各路径的单位运输成本均已知。 相同类型的设施中心运营成本相同，如回收中心1和回收中心2的运营成本相同。 相同类型的设施中心里，单位产品生产过程中的能源消耗量相同。 不能回收再利用的废弃产品统一放置废弃处理点，其处理点的选址不在模型考虑范围。 消费者区域既存在可进行回收的废旧产品，又对新再制造产品存在需求。但消费者区域作为回收对象时，企业可有选择地对某些点进行回收，且这些消费者区域的废旧产品能够满足回收量；而作为需求方时，企业则需满足所有消费者区域的需求。 (二)符号、参数、决策变量 1.符号。 i：回收产品，i∈｛1，2，…，I｝； f：回收中心可能的设定地点，f∈｛1，2，…，F｝； g：拆解中心可能的设定地点，g∈｛1，2，…，G｝； m：再制造中心可能的设定地点，m∈｛1，2，…，M｝； n：分销中心可能的设定地点，n∈｛1，2，…，N｝； p：确定性的消费者区域，p∈｛1，2，…，P｝。 2.参数。
θ：回收产品的再制造率(回收产品中符合再制造条件的产品数量)； T：单位产品/km的运输费率，
当运输距离/α-β/大于z时选用交通工具1，运输费率为
；当运输距离/a-β/小于等于z时，选用交通工具2，运输费率为
，z为设定距离； μ：碳排放系数；厂内消耗能源的碳排放系数为
，厂外消耗能源的碳排放系数为
，其中交通工具1的碳排放系数为
，交通工具2的碳排放系数为
； Y：一个企业的碳配额； E：每单位碳排放权交易价格；
：车辆的装载量能力；
：车辆的实际装载量； EC：能源消耗总量；其中
为厂内生产过程能源消耗量，
为厂外运输过程能源消耗量； PC：单位产品生产过程中的能源消耗量，各中心的单位产品生产过程中能源消耗量分别为
； X：一个企业的实际碳排放总量；
：节点α到节点β的运输距离，(α，β)代表(p，f)、(p，g)、(f，g)、(g，m)、(m，n)或(n，p)； 3.决策变量。
：0-1变量，若在此地新建回收中心则取1，反之取0；
：0-1变量，若在此地新建拆解中心则取1，反之取0；
：0-1变量，若在此地新建再制造中心则取1，反之取0；
：0-1变量，若在此地新建分销中心则取1，反之取0；
：节点α到节点β的运输量，(α，β)代表(p，f)、(p，g)、(f，g)、(g，m)、(m，n)或(n，P)。 (三)目标函数 以总成本最小为目标的再制造物流网络模型的成本主要由设置成本、采购成本、运作成本、运输成本构成，考虑碳交易后再制造物流网络模型则将加入相应碳交易的经济效益，其成本构成如下： 总成本=采购成本+设置成本+运作成本+运输成本+碳交易收支
=PC+FC+OC+TC+CM (1) 1.碳排放量及碳交易收支计算。 碳交易市场中，控排企业在一级市场中免费或有偿获得一定量的碳配额，当企业实际碳排放量小于碳限额，则可通过在二级市场上出售其多余的碳排放权获得收益；相反，则需在二级市场中购买其超出的碳排放量。其碳交易收支如下： CM=E×(X-Y) 企业碳交易的收支主要受碳限额和企业实际碳排放量所影响。而企业的实际碳排放量则是影响碳交易经济效益的关键所在。由于二氧化碳
是加剧温室效应的主要来源，所以本文的碳排放仅指二氧化碳排放。而
主要由能源消耗而产生，在厂外(各节点之间)主要体现为交通运输中的碳排放，在厂内(各节点)主要体现为产品生产过程中消耗的各种能源而产生的碳排放。企业实际碳排放量的计算中，根据计算精度及计算方法的不同碳排放量也会随之不同。一般情况下，我们认为二氧化碳的排放量X与能源消耗总量EC(厂内能源消耗
+厂外能源消耗
)成正比例关系，且存在能源消耗相关系数μ[10]，则总碳排放量为：
其中，μ为能源消耗的碳排放系数。 由于能源属性差异，不同能源种类有着不同的碳排放系数。厂外运输过程中消耗的能源种类较为单一，多为汽油或柴油；而厂内生产过程中消耗的能源种类较为复杂，主要体现为燃料的燃烧以及电力、热力、蒸汽、制冷等能源消耗，能源的碳排放系数的计算将在下文实证算例的数据计算中呈现。 生产过程中的能源消耗主要与产品工艺、设备使用等综合消耗情况相关，本文生产过程中的产品能源消耗量的计算将参考单位产品的能源消耗平均值PC，并考虑各中心的产品数量，则厂内能源消耗量
计算如下：
运输过程中的能源消耗的影响因素根据现有研究主要可以分为：运输距离[11]、装载量[12](P265)、道路坡度[12]、交通障碍[13](P1419)，及其他运行条件(速度、驾驶行为等)。本文将主要考虑影响因素最大的运输距离和实际装载量，并认为能源消耗量
与运输距离
成正比例关系。且因为运输中车辆一旦发出则会产生固定能源消耗，而又会随运输量的不同产生变动能源消耗，所以又假设能源消耗量
与装载量
成正线性相关。当运输量小于等于一辆车的装载能力
时，即一辆车便可完成运输，则此车辆的实际装载量
为
；当运输量大于一辆车的装载能力
时，则需多辆车共同完成运输，那么前r-1辆车则为满载，实际装载量就是最大装载能力
，第r辆车的装载量则为运输量
与装载能力
的余数。
其中，a和b是某型号车辆能源消耗系数。 然而，特定运输性能(运输距离等)的具体能源消耗其实首先取决于所选择的交通方式(例如公路、铁路，或是不同排量的汽车等)，实际上交通工具对碳排放的影响是比较大的，这也是很多现有研究所忽略的。所以本文假设存在两种交通工具可选择，其中交通工具1的能源消耗排放系数为
，交通工具2的能源消耗排放系数为
，所以单周期再制造物流网络的碳排放量为：
其中，a和b是交通工具1的能源消耗系数，
是交通工具2的能源消耗系数。 2.其他成本计算。 采购成本(PC)是指回收的废旧产品的购买成本；设置成本(FC)是指网络中各节点——回收中心、拆解中心、再制造中心、分销中心的建设成本；运作成本(OC)是指网络中各节点内部运作所产生的费用，如节点内部的库存持有成本、生产成本、人工成本等；运输成本(TC)是指节点间的运输成本；而碳交易收支(CM)则指企业在碳交易市场中的经济损益。其中，采购成本、设置成本、运作成本和运输成本如下所示：
(四)约束条件 同时，此模型还受以下条件约束： 1.流量约束。 (2)-(5)式表示单个节点输入的流量要大于等于输出的流量。其中，(2)式表示消费者区域到各回收中心的产品流动数量大于等于回收中心到拆解中心的产品流动数量；(3)式表示拆解中心的产品直接来自于回收中心和部分消费区域，且拆解后的再制造率为θ；(4)式表示拆解中心到再制造中心的产品流动数量大于等于再制造中心到分销中心的产品流动数量；(5)式表示再制造中心到分销中心的产品流动数量大于等于分销中心到消费者区域的产品流动数量。
五、实证算例 为延伸企业供应链链条，深化可持续发展战略，Ws汽车制造公司将在华中地区新成立一家发动机再制造公司，专门从事该公司废旧发动机的回收、再制造、再流通。在成立初期，该发动机再制造公司将以现有母公司发动机消费区为依托，对其废旧发动机进行回收、再制造，并再次销往现有消费区。当前，发动机再制造公司处于物流网络构建阶段，欲在消费者区域周边构建一个集回收中心、拆解中心、再制造中心、分销中心为一体的再制造物流网络。同时，该再制造公司以环境保护为重要发展战略目标，并有加入碳交易市场的意向，所以在物流网络设计阶段网络的碳排放问题也是其考虑的重点。具体算例数据如下所示： (一)算例数据
Ws发动机再制造公司厂内的能源消耗以电能为主，据多家发动机再制造企业用电量及产品数量统计，可以得到各中心生产、处理单位产品的能源消耗量。同时，再制造网络设施其他相关信息如表1所示。
图2 matlab计算的流量决策最优取值 同时，已知单位产品i的收购成本
为500元；回收产品的再制造率θ为80%。 电能碳排放量系数的计算需要综合考虑发电厂燃料结构类型及燃料质量、密度等多方因素。根据国家发展改革委应对气候变化司2010年提供的数据，我国华中区域60万千瓦电能范围内的碳排放量为0.8044
/MWh，所以本文厂内能源消耗碳排放系数
将直接取值为0.8044
/MWh。 当前，Ws发动机再制造公司主要使用装载能力为10吨和5吨的两种货车型号。当运输距离大于20公里时，公司会使用10吨型卡车；当运输距离在20公里内(包括20公里)时，公司则会使用5吨型卡车。两种车型的运输费率分别为：
为3.5元每件/km，
为3元每件/km。 由于这两种车型都使用柴油，根据2012年中国能源统计年鉴[14]，每吨柴油会排放0.591 3吨二氧化碳，则两种交通工具的碳排放系数
，
都为0.591 3[15](P444)。且知道两种车型具体参数(如表2所示)。 根据能源消耗公式：
通过线性拟合可以得到，10吨型货车的能源消耗系数为：a=4×
，b=0.215，5吨型货车的能源消耗系数为：a′=6×
，b′=0.168，其中能源消耗单位为升/(吨·公里)，装载量单位为吨。 碳排放交易中实际的碳配额是以年为单位，但为了计算的简便则将碳配额分配到再制造物流网络的单周期配额，设定配额为14 000吨。根据深圳碳交易市场目前碳交易权的成交价格，本文设定单位量碳排放权的价格E为80元/吨。 (二)算例结果
为进一步探讨不同形式的碳排放约束对选址决策、企业实际碳排放量和总成本的影响，通过目标函数的结构调整，可以得到表3。 基于案例数据，以总成本最小为目标的再制造企业是否加入碳交易市场对物流网络的选址决策和当前的碳排放量的影响并不大，这主要是因为相对于高额的物流网络建设成本来说，碳交易市场的收支的数额过小，以至于无法在物流网络的设计阶段影响其网络选址决策，从而受选址及流量影响的碳排放量也没有变化。然而从总成本来看，案例中企业加入碳交易市场后成本减少了97000元。也就一定程度上说明，在有效的节能减排前提下，企业加入碳交易市场是可以增加其经济效益的。且从长期运营来看，再制造物流网络的建设成本的影响将减少，碳交易市场收支的重要性将加大，从而对物流网络的产品流量产生影响；且由于碳减排是一个长期优化的过程，企业加入碳交易市场后也将在此优化过程中实现碳排放量的不断减少，碳交易收益也从而增加。 然而，相对以总成本最小(加入碳交易成本)为目标，以单一碳排放量最小为目标的再制造物流网络在网络选址决策、产品流动路径和流量上都有所改变，却只实现了碳排放量115吨的减排。但总成本却因此做出了较大的牺牲，提高了6474000元。从结果来看，单纯以碳排放量最小为目标的再制造物流网络的构建具有较大的不经济性。 因此，权衡三种不同碳排放约束条件的结果，从长期看，考虑碳交易市场环境的再制造集成物流网络，无论在碳减排还是在总成本的减少上都具有较大的优势。
图3 算例选址决策结果
本文提出了基于碳交易市场的再制造集成物流网络设计的优化模型，并通过算例对模型进行了数值演算和验证。该模型结合物流系统实际运作管理中的优化决策过程，为物流网络设计提供了有效的决策工具。通过该模型，企业可以评估自身碳排放量，预估碳减排成果及预测其在碳交易市场中的经济效益，为企业是否加入碳交易市场的决策提供了重要参考依据。同时通过三种不同碳排放约束对比，结果表明考虑碳交易市场环境的再制造集成物流网络相对于单一总成本最小(无碳约束)和单一碳排放量目标，在碳减排和总成本减少上都具有较大优势，因此碳交易政策对企业再制造物流网络的构建具有显著影响。
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