鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)運(yùn)輸方式經(jīng)濟(jì)性模糊分析

楊秋俠，左精力

(西安建筑科技大學(xué)土木學(xué)院，陜西西安710055)

鋼鐵企業(yè)往往是擁有多個(gè)生產(chǎn)單元的綜合體，生產(chǎn)規(guī)模大，運(yùn)輸復(fù)雜，涉及的運(yùn)輸方式趨于多樣化。有數(shù)據(jù)顯示聯(lián)合鋼鐵廠的經(jīng)濟(jì)規(guī)模在850×104t以上[1]，而現(xiàn)代化的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模達(dá)1 000×104t以上。按照廠內(nèi)噸鋼運(yùn)輸比4.5計(jì)算[2]，企業(yè)內(nèi)部運(yùn)輸量將達(dá)到 4 500×104t，再按照年運(yùn)營(yíng)成本汽車0.6元/(t·km)、鐵路0.15元/(t·km)、皮帶0.05元/(t·km)，三種運(yùn)輸方式平分總量，則廠內(nèi)物流的年運(yùn)營(yíng)成本分別為道路900×104元/km、鐵路225×104元/km、皮帶75×104元/km。廠內(nèi)運(yùn)輸距離一般在數(shù)千米左右，可以看出不同的運(yùn)輸方式年運(yùn)營(yíng)成本可達(dá)數(shù)千萬(wàn)的差異，因此對(duì)鋼鐵企業(yè)運(yùn)輸方式選擇的進(jìn)一步研究顯得十分必要。

對(duì)于廠內(nèi)運(yùn)輸方式的選擇，需要在總圖初步設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮，傳統(tǒng)的方法是根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)模、工藝、總平面、可行性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮。對(duì)于經(jīng)濟(jì)性分析，一般只計(jì)算建設(shè)總成本和年運(yùn)輸費(fèi)用，而缺少進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，也沒(méi)有分析計(jì)算誤差大小。因此可以針對(duì)鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)運(yùn)輸，分析成本組成和其選擇特點(diǎn)，建立帶有時(shí)間和偏差因素的經(jīng)濟(jì)性分析模型，進(jìn)行多方案的模糊比選。

1 鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)運(yùn)輸方式構(gòu)成及特點(diǎn)

廠內(nèi)運(yùn)輸指廠區(qū)范圍以內(nèi)的運(yùn)輸，還包括由企業(yè)建設(shè)運(yùn)營(yíng)的廠外部分[3]。鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)經(jīng)常采用的運(yùn)輸方式有鐵路、汽車、帶式、管道等。不同的運(yùn)輸方式有不同的構(gòu)成，且同種運(yùn)輸方式會(huì)因具體條件的不同可能存在較大的差異，下邊分析其構(gòu)成和特點(diǎn)。

1.1 鐵路運(yùn)輸

鋼鐵企業(yè)廠內(nèi)鐵路可以分為運(yùn)入運(yùn)出線、鐵水線、碼頭線、渣線等，這些子系統(tǒng)各自內(nèi)部的運(yùn)輸頻繁，相互之間的運(yùn)輸較少。主要作為大量運(yùn)輸?shù)氖侄危?dāng)運(yùn)量和運(yùn)距較小時(shí)不經(jīng)濟(jì)。鐵路系統(tǒng)固定成本包括土石方量、鐵路站場(chǎng)、線路、車輛、裝卸設(shè)備、附屬設(shè)備，運(yùn)營(yíng)成本可參照當(dāng)?shù)罔F路貨運(yùn)單位運(yùn)輸成本。其土石方量因方案不同而不同，差異比較大且存在較大的誤差;鐵路站場(chǎng)和運(yùn)輸量、種類有關(guān);線路指鋪軌長(zhǎng)度，還區(qū)分窄軌、標(biāo)準(zhǔn)軌、線路等級(jí)等;車輛數(shù)量與運(yùn)輸量、生產(chǎn)工藝相關(guān)。

1.2 道路運(yùn)輸

廠內(nèi)道路分為主干道、次干道、輔助道路、車間引道、人行道，其中主干道和次干道為車輛通行道路，一般廠內(nèi)采用城市道路類型，廠外采用公路型。道路的設(shè)置以保證生產(chǎn)運(yùn)輸為前提，根據(jù)重要程度確定寬度，根據(jù)荷載確定路面結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)量和貨物確定車輛類型、裝卸設(shè)備等。在廠內(nèi)運(yùn)輸中幾乎所有的物品都可以用道路來(lái)運(yùn)輸，是最為靈活的運(yùn)輸方式。道路系統(tǒng)的固定成本包括道路路基、路面、車輛、裝卸設(shè)備、附屬設(shè)施，運(yùn)營(yíng)成本可參照當(dāng)?shù)貑挝贿\(yùn)輸成本。

1.3 帶式運(yùn)輸

帶式運(yùn)輸是廠內(nèi)運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，一般用于散狀物料的輸送，是連續(xù)生產(chǎn)的重要保障。其線路靈活，長(zhǎng)度從幾米到幾十千米以上均可實(shí)現(xiàn)，也可以架設(shè)在地面交通混亂和危險(xiǎn)地區(qū)的上空，但是在轉(zhuǎn)彎時(shí)需要設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)站。輸送能力一般為200～8000 t/h，形式多樣，現(xiàn)在越來(lái)越多的設(shè)計(jì)采用圓筒式皮帶運(yùn)輸。帶式運(yùn)輸系統(tǒng)的固定成本包括建筑安裝、設(shè)備(皮帶、轉(zhuǎn)運(yùn)站)、工程建設(shè)，運(yùn)營(yíng)成本包括工資、動(dòng)力、備品備件折算，也可折算成單位運(yùn)輸成本。

1.4 管道運(yùn)輸

管道運(yùn)輸是廠內(nèi)運(yùn)輸網(wǎng)中重要組成部分，一般用于輸送液體和氣體，也可以將固體轉(zhuǎn)化為固液混合狀態(tài)，或通過(guò)氣動(dòng)管輸送粉體或小顆粒固體。在鋼鐵廠內(nèi)，管道運(yùn)輸很大一部分都是工藝管，一般架設(shè)在地面管架上，只有很少一部可以被其他運(yùn)輸方式取代。其速度和流量根據(jù)壓力和管徑，差距比較大。管道運(yùn)輸系統(tǒng)的固定成本包括安裝、管材(規(guī)格和長(zhǎng)度)、其他設(shè)備，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用包括人工、能源消耗、管理維護(hù)等，也可折算成單位運(yùn)輸成本。

1.5 其他運(yùn)輸

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)還包括其他運(yùn)輸方式，如輥道、索道、鏈條、特種運(yùn)輸?shù)?。其費(fèi)用的估算和上邊主要運(yùn)輸方式的估算方法類似。

2 問(wèn)題分析

通過(guò)上邊的分析，發(fā)現(xiàn)成本由建設(shè)和運(yùn)營(yíng)兩部分組成，建設(shè)成本是一次性的投入，而運(yùn)營(yíng)成本是分每年的投入，需要計(jì)算多年的累積就必須考慮資金的折算問(wèn)題;另外大部分?jǐn)?shù)據(jù)是估算或者參考同類設(shè)計(jì)的結(jié)果，是帶有偏差的，如果每一個(gè)小項(xiàng)都有偏差，就會(huì)形成累積偏差，這個(gè)偏差到底是多大，對(duì)比選結(jié)果影響怎樣分析，成為討論的重點(diǎn)。

對(duì)于帶有時(shí)間和偏差的多種運(yùn)輸方式經(jīng)濟(jì)性比選，可以看成是多個(gè)數(shù)值取小的模糊選擇問(wèn)題，具體做法如下。首先，確定備選的運(yùn)輸形式和基本組成，以估算各項(xiàng)的投資數(shù)目和對(duì)應(yīng)的偏差量。對(duì)于每一項(xiàng)具體內(nèi)容，往往存在多種選擇，且費(fèi)用是變化的，但大部分都有一定的變化范圍，如設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)用、人工費(fèi)用等。其次，考慮時(shí)間和貸款利率。每年的運(yùn)營(yíng)成本是一筆不小的數(shù)字，多年的總和往往比固定部分投資大;多年的資金疊加需要考慮利率，將資金流折算為現(xiàn)值。再次，計(jì)算固定投資總成本、年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用、不同投資年的總成本及對(duì)應(yīng)的累計(jì)偏差。最后，計(jì)算每年最小成本與其他運(yùn)輸方式成本的比例關(guān)系、計(jì)算方案的被選概率，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到比選結(jié)果。

3 運(yùn)輸方式的選擇

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

設(shè):(1)起終點(diǎn)之間物料可以被多種方式運(yùn)輸;(2)各種費(fèi)用可知，但是存在誤差;(3)運(yùn)輸長(zhǎng)度和線路長(zhǎng)度已知;(4)建設(shè)的基礎(chǔ)條件相同且已知。

3.1.1 運(yùn)輸成本公式

式中:C為單位線路造價(jià)(萬(wàn)元)(誤差為ρ1);L為運(yùn)輸線路長(zhǎng)度(km);P1為車輛、加壓站、轉(zhuǎn)運(yùn)站等費(fèi)用總和(萬(wàn)元)(誤差為ρ2);P2為附屬設(shè)施費(fèi)用、建構(gòu)筑無(wú)安裝費(fèi)用總和(萬(wàn)元)(誤差為ρ3);P3為其他費(fèi)用，包括特殊地質(zhì)處理費(fèi)用(萬(wàn)元)(誤差為ρ4);A為單位運(yùn)輸成本(誤差為ρ5)(萬(wàn)元);為利率為i、年限為n的折現(xiàn)公式。

3.1.2 運(yùn)輸成本計(jì)算

假設(shè)所有條件已知，根據(jù)不同的時(shí)間，可得到成本矩陣F和對(duì)應(yīng)的累計(jì)誤差ρ矩陣

式中:

Fij代表i年、第j種運(yùn)輸方式的綜合成本;ρij代表i年、第j種運(yùn)輸方式的綜合成本累計(jì)誤差

圖1 成本和時(shí)間關(guān)系

以時(shí)間為橫軸，以費(fèi)用為縱軸，以(Fij，2i)為主要點(diǎn)，以[Fij×(1+ρij)，2i]為上限，以[Fij×(1－ρij)，2i]為下限，可以得到帶有誤差的“成本和時(shí)間關(guān)系圖”。如圖1為以鐵路、道路、皮帶三種運(yùn)輸式的成本－時(shí)間關(guān)系圖。

3.1.3 運(yùn)輸方式選擇

從上邊得到的成本和時(shí)間關(guān)系圖可以看出，每種成本由成本曲線、誤差上限和誤差下限三條曲線構(gòu)成，且都以變化的曲率隨時(shí)間逐漸增大，每?jī)煞N成本都有一個(gè)交叉區(qū)域，在區(qū)域外部，運(yùn)輸方式的比較十分明確，但在交叉區(qū)域內(nèi)部，區(qū)分變得模糊。對(duì)于企業(yè)的建設(shè)，關(guān)注的是建設(shè)成本，規(guī)劃投資年的總成本(5年、10年、15年)，因此就需要對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間進(jìn)行分析。

每種綜合運(yùn)輸成本之間都存在一定的差值，差值越大則越容易做出比較，當(dāng)兩個(gè)數(shù)值接近時(shí)就可能有同等的備選可能，這種狀態(tài)通過(guò)模糊選擇的方法能很好的解決。已知成本F、誤差下限F(1－ρ)誤差上限 F·(1+ρ)。對(duì)同一時(shí)間找出最小值和次小值，如第n個(gè)規(guī)劃年中最小值min(Fni)、次小值min次(Fni)。如圖2所示，在兩種方式的交叉區(qū)域內(nèi)，A點(diǎn)位于方式2誤差上限和方式1下限的交叉點(diǎn)，定義此點(diǎn)處方式2的被選擇概率為1.0，方式1的被選擇概率為0;B點(diǎn)位于方式1和方式2的交叉點(diǎn)，被選擇概率均為0.5，且最小值與次小值轉(zhuǎn)換位置;C點(diǎn)位于方式1誤差上限和方式2誤差下限交叉點(diǎn)，方式1的被選概率為1.0，方式2的被選概率為0。則在交叉范圍內(nèi)時(shí)間點(diǎn)n處。

圖2 交叉區(qū)分析

min(Fnj)的被選概率為:

其中，p1對(duì)應(yīng)min(Fnj)的方式和時(shí)間，p2對(duì) min次(Fnj)中的方式和時(shí)間，F(xiàn)交指兩種方式交點(diǎn)處的值(B點(diǎn))，有F交=F1=F2。

當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)范圍交叉時(shí)，進(jìn)行多次運(yùn)算，最終得到一個(gè)被選概率矩陣。對(duì)于概率矩陣δ，0表示不可能是最小，0～0.4表示有比較小的可能是最小，0.4～0.6表示有可能是最小，0.6～1.0表示很可能是最小，1.0表示肯定是最小。

計(jì)算成本矩陣F中每年最小值與其他值的對(duì)比矩陣，即:

對(duì)于對(duì)比矩陣K，0表示數(shù)值最小，0～0.2表示與最小值很接近，0.2～0.5表示與最小值比較接近，＞0.5表示與最小值偏離較大。

3.2 結(jié)果分析

選取n為0、5、10、15共4個(gè)時(shí)間，計(jì)算得到比矩陣和概率矩陣δ。

當(dāng)一種運(yùn)輸方式在δ中數(shù)值均大于0.4時(shí)，則此方式最優(yōu);

當(dāng)一種運(yùn)輸方式在δ中數(shù)值均小于0.4時(shí)，則此方式不是最優(yōu);

當(dāng)一種運(yùn)輸方式在δ中前5年小于0.4，其他大于0.4時(shí)，此方案最優(yōu);

當(dāng)一種運(yùn)輸方式在δ中前10年小于0.4，其他大于0.4時(shí)，放棄此方案;

當(dāng)通過(guò)以上方式存在多種方案時(shí)，如果k中對(duì)應(yīng)方案的差值在0.2以內(nèi)的大于等于兩處，則對(duì)應(yīng)時(shí)間的方案無(wú)法區(qū)分，反之，則選小的方案最優(yōu)。

4 案例分析

一個(gè)鋼鐵企業(yè)從礦場(chǎng)到工廠的距離大概為2.0 km，運(yùn)量為500×104(t/a)，可能存在4種運(yùn)輸方式，已知技術(shù)條件見(jiàn)表1.(固定投資誤差均為0.2，單位運(yùn)價(jià)誤差均為0.1，利率取0.065，資金全部轉(zhuǎn)化為現(xiàn)值。)

表1 經(jīng)濟(jì)投資估算表

根據(jù)運(yùn)輸方式計(jì)算公式得到0、5、10、15四個(gè)關(guān)鍵年的成本和對(duì)應(yīng)累計(jì)誤差，并繪成本和時(shí)間關(guān)系，如圖3。

圖3 成本和時(shí)間關(guān)系

計(jì)算各種方式等價(jià)的交叉點(diǎn)

結(jié)果分析:在δ中，第一列:鐵路全部小于0.4，則非最優(yōu);第二列:道路前五年大于0.4，則非最優(yōu);第三列:皮帶前五年小于0.4，以后大于0.4，則皮帶運(yùn)輸為最優(yōu);第四列:管線全部小于0.4，則非最優(yōu)。

通過(guò)比較，得到一個(gè)最優(yōu)結(jié)果為皮帶運(yùn)輸方式，其各年總成本為(2800、3314、3878、4210)萬(wàn)元，固定投資比鐵路多700萬(wàn)元，15年動(dòng)態(tài)成本節(jié)省711萬(wàn)元;比道路固定投資多2200萬(wàn)元，15年動(dòng)態(tài)成本節(jié)省2032萬(wàn)元;比管線固定投資多1100萬(wàn)元，15年動(dòng)態(tài)成本節(jié)省2191萬(wàn)元。

5 總結(jié)

針對(duì)運(yùn)輸方式的經(jīng)濟(jì)比選，現(xiàn)狀做法是估算比選的數(shù)值直接比較，沒(méi)有引入誤差量，更沒(méi)有帶有誤差的比較方案，忽視了估算誤差對(duì)結(jié)果的影響。本文主要內(nèi)容是在運(yùn)輸方式的經(jīng)濟(jì)比選時(shí)引入時(shí)間和誤差，通過(guò)計(jì)算最優(yōu)方案和次優(yōu)方案在帶有累計(jì)誤差時(shí)的被選概率，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和模糊選擇，來(lái)確定最優(yōu)方案。從一定程度上消減了估算誤差對(duì)最優(yōu)方案的影響，且當(dāng)誤差較大或數(shù)據(jù)較為接近時(shí)效果更為顯著。因此，此方法相對(duì)于一般的比選方法更具有可靠性，且可以提高比選精度。

但還存在一些問(wèn)題，如怎樣對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)估算時(shí)取合適的誤差量，一般沒(méi)有確定的數(shù)值或方法，多為假定量;模糊選擇時(shí)的區(qū)間劃分還不是很合理，需要根據(jù)具體情況而定，這里給出的只作為參考，另外針對(duì)企業(yè)內(nèi)部車輛、設(shè)備的數(shù)量與運(yùn)輸量之間的關(guān)系還沒(méi)有具體的研究;這些問(wèn)題都給廠內(nèi)運(yùn)輸方式的選擇帶來(lái)很大的不確定性，因此對(duì)這方面還需要開(kāi)展大量的研究。

[1]金琳.關(guān)于鋼鐵廠規(guī)模經(jīng)濟(jì)性的一些看法[J].冶金經(jīng)濟(jì)與管理，1990(21)

[2]馬建華.鋼鐵企業(yè)噸鋼運(yùn)輸量分析及其控制策略[D].上海海事大學(xué)，2005

[3]楊秋俠.企業(yè)聯(lián)合運(yùn)輸方式的選擇[J].公路與交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2007，12:157－159