碳交易機(jī)制下的生鮮食品庫存模型研究

曾美花，王應(yīng)明

（福州大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，福建 福州 350108）

碳交易機(jī)制下的生鮮食品庫存模型研究

曾美花，王應(yīng)明

（福州大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，福建 福州 350108）

為研究碳交易機(jī)制對生鮮食品訂貨策略的影響，在考慮存儲成本和運輸成本時，同時考慮了存儲與運輸過程中的碳排放，建立了碳交易機(jī)制約束下的庫存模型，通過遺傳算法求解得出碳交易機(jī)制約束下成本最優(yōu)時的訂貨量、碳排放量及總成本。研究結(jié)果表明，碳限額增大能有效降低企業(yè)的總成本，對最優(yōu)訂貨量和碳排放無直接影響；碳交易價格與排放量負(fù)相關(guān)，而對總成本的作用則取決于給定限額的范圍。

碳交易；生鮮食品；庫存模型；經(jīng)濟(jì)訂貨量；遺傳算法

1 引言

隨著人類社會的發(fā)展，溫室氣體不斷增多所帶來的環(huán)境問題已經(jīng)成為全球面臨的重大威脅之一，該問題在全世界范圍內(nèi)引起普遍的關(guān)注?！毒┒甲h定書》首次提出碳交易機(jī)制，該機(jī)制是利用政府監(jiān)督的手段，將碳排放權(quán)當(dāng)作一種權(quán)利，鼓勵企業(yè)參與到減排活動中。碳交易機(jī)制中的碳排放被當(dāng)作一種可以交易的商品，企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)運作時要考慮到該商品對總成本的影響。由于目前碳排放的問題備受關(guān)注，因此研究碳限額交易機(jī)制下的庫存策略，對于企業(yè)實現(xiàn)環(huán)境約束下的最優(yōu)決策具有重要的理論與實踐意義。

近年來，關(guān)于冷鏈庫存的研究很多，但是大部分學(xué)者的研究只是停留在變質(zhì)層面。Ghare P M對變質(zhì)產(chǎn)品的庫存問題進(jìn)行了研究，由于變質(zhì)產(chǎn)品的特殊性在于會發(fā)生損耗，因此針對變質(zhì)產(chǎn)品提出了三種常見的損耗類型[1]。Gupta和Vrat對大型超市內(nèi)擺放的易腐品進(jìn)行了庫存模型研究，假設(shè)該產(chǎn)品的需求與庫存開始時水平存在線性關(guān)系，在市場存在通貨膨脹的情況下，建立了易腐品的EOQ模型[2]。王圣東從兩階段角度出發(fā)研究變質(zhì)品的庫存問題，在一個生產(chǎn)商和一個銷售商的環(huán)境下建立庫存的協(xié)調(diào)模型，討論價格折扣對變質(zhì)品訂貨量的影響[3]。他們很少從碳排放角度進(jìn)行研究。

與本文相關(guān)的文獻(xiàn)是碳排放對企業(yè)庫存的影響。Ramudhin從碳足跡出發(fā)研究供應(yīng)鏈問題，提出不同決策環(huán)境下要采取不同的計量方式對碳足跡進(jìn)行計算，為管理者實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和成本最小化提供了決策方案[4]。Mallidis將環(huán)境約束考慮到模型中，在建立模型時提出了碳排放最小化的目標(biāo)，建立了碳排放和總成本的多目標(biāo)優(yōu)化模型，該模型得到的結(jié)果對于改善環(huán)境有重要的意義[5]。Saif Benjaafar、Yanzhi Li和Mark Diaskn將碳排放因素加入到傳統(tǒng)的模型中，分析了碳排放許可模型、碳稅模型之間的相互聯(lián)系與區(qū)別，并討論了多個企業(yè)在合作和非合作情形時所采取的策略，最后探討了企業(yè)的總成本和碳排放量之間的相互聯(lián)系[6]。杜少甫、董俊峰對環(huán)境敏感型的企業(yè)進(jìn)行了研究，探討碳交易機(jī)制和碳限額對企業(yè)生產(chǎn)策略的影響，企業(yè)可以通過合理利用碳配額和碳交易市場的價格，從而實現(xiàn)在環(huán)境約束下的企業(yè)自身利益最大化[7]。Dobos對企業(yè)碳排放進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)碳交易機(jī)制對企業(yè)的庫存策略會產(chǎn)生一定的影響，即沒有考慮碳交易和考慮碳交易時企業(yè)的庫存策略有所區(qū)別，最終發(fā)現(xiàn)企業(yè)在考慮碳排放的環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)決策對企業(yè)更有利[8-9]。藍(lán)海燕建立了考慮碳限額和交易價格的庫存成本模型，通過對模型進(jìn)行求導(dǎo)可以得出有碳約束且成本最優(yōu)的訂貨量及最大缺貨量[10]。

根據(jù)以上研究可知，國內(nèi)外關(guān)于庫存運作的研究可以分為兩類：一類是用EOQ的思想進(jìn)行研究，另一類是考慮碳排放到庫存模型中，建立新的生產(chǎn)-庫存系統(tǒng)模型。然而這些研究中，并沒有特別針對碳排放的冷鏈庫存問題的研究，即使有考慮碳排放，也更多的是把碳排放當(dāng)作約束條件，或者是目標(biāo)函數(shù)之一。很少有文獻(xiàn)從冷鏈庫存出發(fā)，將碳排放當(dāng)作一種商品并且在市場上可以進(jìn)行自由交易。本文不同于現(xiàn)有文獻(xiàn)，第一，以存儲單元和運輸單元為依據(jù)建立生鮮食品的庫存模型；第二，將碳交易機(jī)制引入到冷鏈物流中，利用遺傳算法分析碳限額和碳交易價格對庫存模型的影響。

2 碳交易機(jī)制下的庫存模型構(gòu)建

2.1 問題描述

本文研究的是需求確定的單產(chǎn)品問題。政府會采取碳交易機(jī)制政策對企業(yè)的碳排放行為進(jìn)行控制，即政府會發(fā)放給企業(yè)一定的初始碳排放量，假如企業(yè)所造成的碳排放量小于這個給定的碳排放許可量，企業(yè)不用支付碳排放成本，相反的，企業(yè)可以將政府給定的碳排放量和實際造成的碳排放之間的差額在碳交易市場上進(jìn)行出售，獲得一定的收入，然而，一旦企業(yè)的碳排放量超過給定的限額時，超過的部分必須從別的企業(yè)那里購買得到，這時就要支付排放成本。

2.2 變量定義與基本假設(shè)

本文所涉及的符號定義如下：

D：訂貨商一個周期內(nèi)的需求量；

Q：訂貨批量；

Ft：一輛卡車運輸?shù)墓潭ǔ杀荆?/p>

Tc：每輛卡車的容量；

Fh：開啟一臺冷凍機(jī)的成本；

b：每臺冷凍機(jī)的容量；

i：年利率；

A：碳限額；

B：每噸二氧化碳的市場價格；

C：每個產(chǎn)品的成本；

E：碳排放權(quán)交易量；

Wi：單位產(chǎn)品的重量；

MPG：燃燒1l柴油所能行駛的距離；

MPG0：一輛空卡車燃燒1l柴油所能行駛的距離；

α：貨物重量對卡車MPG的影響系數(shù)；

M：倉庫到分配中心的距離；

CEGE：燃燒1l柴油所造成的碳排放量；

TECF：一個冷凍機(jī)總的電能消耗；

TCFE：1度電所造成的碳排放總量。

為了考慮問題方便及結(jié)合實際情況，在本文中，做出如下假設(shè)：

（1）企業(yè)只生產(chǎn)一種產(chǎn)品；

（2）該產(chǎn)品是單周期的產(chǎn)品，周期為一年；

（3）需求量保持不變，是固定的常數(shù)；

（4）每次訂貨量固定，即倉庫每次訂貨Q單位；

（5）單一的倉庫和配送中心；

（6）冷凍機(jī)在一個周期內(nèi)的狀態(tài)是不會改變的；

（7）單位產(chǎn)品的價格為C時，其每年保管成本為單位產(chǎn)品的i%；

（8）企業(yè)的碳排放來源有兩處：生鮮食品運輸過程的碳排放、生鮮食品存儲過程的碳排放；

（9）企業(yè)的碳排放限額由政府分配，是(0，+∞)之間等概率出現(xiàn)的一個數(shù)，限額的取值大小表示政府碳限額政策的嚴(yán)厲或者寬松。

2.3 模型建立

企業(yè)的庫存問題包含儲藏和運輸兩個過程，且在每個過程都會產(chǎn)生碳排放。TE表示企業(yè)總的碳排放。

（1）儲藏過程的碳排放TEHC可以表示為：

（2）運輸過程中的碳排放TETC可以表示為：

綜上可知，總的碳排放TE(Q)表示為：

2.3.1 無碳排放限額。沒有碳排放限額時，企業(yè)的成本包括儲藏成本和運輸成本，企業(yè)需要確定經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)批量Q，使企業(yè)的成本最小。

企業(yè)的成本=運輸成本+儲藏成本，即：

企業(yè)的目標(biāo)函數(shù)為：

2.3.2 碳排放交易政策。在該政策下，政府分配給指定企業(yè)一定的碳排放限額A。如果企業(yè)的碳排放量高于A，則需從碳交易市場上購入多出碳排放限額的碳排放量；如果企業(yè)的碳排放量低于A，則可以在碳交易市場上出售節(jié)省的碳排放限額。

企業(yè)的總成本=運輸成本+儲藏成本+碳交易成本。假定碳交易市場上單位碳排放限額的交易價格為B，則企業(yè)總成本為:

式（6）中，E代表當(dāng)生產(chǎn)批量為Q時，企業(yè)的碳排放量TE與碳排放限額A之間的差額，即E=TE-A，若E＞0，表示企業(yè)的碳排放量超過碳排放限額A，需從碳交易市場上購入E單位的碳排放；E＜0，表示企業(yè)的碳排放量少于碳排放限額A，可在碳交易市場上出售E單位的碳排放限額。

在碳排放限額交易政策下，企業(yè)的目標(biāo)函數(shù)為：

由約束條件可知：

將式（8）代入式（6），企業(yè)的目標(biāo)函數(shù)可進(jìn)一步表示為：

3 實例分析

本文對某一訂貨商的庫存進(jìn)行研究，該訂貨商的需求D=2 500個 ，單位運輸成本 Ft=600元,單位儲藏成本Fh=2 000元 ,每輛卡車的容量Tc=500個，年利率i=12%，每個產(chǎn)品的成本C=150元，每個冷凍機(jī)的容量b=100個，每升柴油燃燒的碳排放量CEGF=2.63kg，運輸距離M=2 000 km，每輛空卡車燃燒1l的柴油所能行駛的距離MPG0=18km，每個冷凍機(jī)的碳排放量TECF×TCFE=450kg，每個產(chǎn)品的重量wi=5kg，α=0.006，碳限額A=3 000kg，二氧化碳的市場價格B=2元/kg。

根據(jù)上述具體信息，利用遺傳算法并通過MATLAB R2011b求解本算例的最佳訂貨量，其中算法涉及到的參數(shù)取值分別為：種群規(guī)模popsize=20，基因長度chromlength=12，交叉概率 Pc=0.6，變異概率 Pm=0.01，迭代算法次數(shù)a=100。

分別從無碳排放限額和碳限額交易機(jī)制出發(fā)研究庫存問題，通過計算可以得到結(jié)果，如圖1、圖2所示。

圖1 無碳排放限額的庫存最優(yōu)解結(jié)果

圖2 碳限額交易機(jī)制下的庫存最優(yōu)解結(jié)果

由圖1和圖2可知，在碳排放限額A=3 000，碳交易價格B=2的情況下，企業(yè)沒有碳排放限制時的庫存最優(yōu)訂貨量Q*= 200，企業(yè)碳限額交易機(jī)制下的最優(yōu)訂貨量Q*=200，在這樣的碳限額交易政策下，企業(yè)有無考慮碳排放交易政策對企業(yè)的庫存最優(yōu)訂貨量并沒有影響。

3.1 碳限額的影響

由表1可知，在碳交易價格B=2的情況下，不同碳限額下的最優(yōu)訂貨解是不變的，即最優(yōu)訂貨量與碳排放配額沒有關(guān)系，因此無論碳排放配額發(fā)生怎樣的變化都不會給企業(yè)的庫存策略造成影響。

表1 不同碳限額下的最優(yōu)訂貨量及其情況（B=2）

圖3 碳限額對企業(yè)碳排放的影響

取B=2時，由圖3可知，碳排放限額與交易機(jī)制下，企業(yè)的碳排放不受政府分配的碳限額影響，即隨著碳限額的增加，企業(yè)所采取的最優(yōu)訂貨策略并不能達(dá)到減少碳排放的目的。

根據(jù)圖4可知，隨著碳排放限額A的增加，企業(yè)的總成本TC(Q)在不斷的下降，然而存在某個臨界值M，當(dāng)碳排放限額小于M時，企業(yè)的總成本在不斷下降同時此時的總成本要大于無碳排放限制時的成本，然而當(dāng)碳排放限額大于M后，企業(yè)的總成本也在不斷下降，但是此時得到的總成本要小于無碳排放限制的成本，主要原因是該臨界值即最優(yōu)訂貨量所對應(yīng)的二氧化碳排放量，因為在碳限額小于M時，企業(yè)需要購買差額部分的二氧化碳，就要花費成本來完成既定的目標(biāo)，所以此時的總成本要大于無碳限制的情況，然而，當(dāng)碳限額大于M時，企業(yè)可以通過出售二氧化碳來獲得收益，所以此時的總成本要小于無碳排放限額的情形。

圖4 不同碳限額下的總成本

3.2 碳交易價格的影響

取B=10，A=3 000，其他相關(guān)參數(shù)如上述算例所示，通過MATLAB R2011b求解該情形下的最佳訂貨量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 碳限額交易機(jī)制下的庫存最優(yōu)解結(jié)果

如圖5所示，碳限額交易機(jī)制下得到的最優(yōu)解Q*=300，此時碳排放TE=6 220,總成本TC=48 600，與無碳排放限額的情形對比可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)訂貨量從200變成了300，說明在這樣的碳限額交易機(jī)制下，碳交易價格對企業(yè)的最優(yōu)訂貨量產(chǎn)生了影響，使得企業(yè)通過調(diào)整訂貨策略來降低成本。

圖6 碳交易價格對企業(yè)碳排放的影響

如圖6所示，隨著碳交易價格的上漲，企業(yè)的碳排放量也發(fā)生了變化，企業(yè)的碳排放從原來的6 379變成了后來的6 220，由此可知隨著市場的碳交易價格的增加，企業(yè)的碳排放量減少了，說明碳交易價格對企業(yè)減少碳排放行為發(fā)揮了積極的作用，使得企業(yè)參與到減少碳排放的活動中，最終企業(yè)的碳排放行為得到了約束。

如圖7和圖8所示，在A=3 000與A=7 000的情形下，碳交易價格對企業(yè)總成本都有影響，然而這種影響與政府所分配的碳排放限額有關(guān)，當(dāng)碳限額A=3 000（小于M）時，企業(yè)的總成本與碳交易價格正相關(guān)，即隨著碳交易價格的增加，企業(yè)總成本也在增加，但是當(dāng)碳限額A=7 000（大于M）時，企業(yè)的總成本與碳交易價格負(fù)相關(guān)，即隨著碳價格增加，企業(yè)的總成本在不斷下降。

圖7 不同碳交易價格下的企業(yè)總成本（A=3 000）

圖8 不同碳交易價格下的企業(yè)總成本（A=7 000）

4 結(jié)論

本文以碳限額交易為出發(fā)點分析了企業(yè)訂貨過程中的碳排放，研究了碳限額交易機(jī)制約束下的生鮮食品的庫存問題，通過算例分析分別討論了碳限額和碳交易價格對企業(yè)訂貨量、碳排放和總成本的影響。通過研究主要得到如下結(jié)論：

（1）在碳限額交易機(jī)制約束下，企業(yè)會參與到減少碳排放的活動中，即碳限額交易機(jī)制有利于企業(yè)減少自身的碳排放。

（2）政府制定的碳排放配額對企業(yè)的最優(yōu)訂貨量沒有影響，即隨著碳配額的增加，企業(yè)的最優(yōu)訂貨量并不會發(fā)生變化，但是碳交易價格對訂貨量有影響，隨著碳交易價格的增加，企業(yè)的最優(yōu)訂貨量也發(fā)生了變化。

（3）企業(yè)的總成本與碳限額和碳交易價格有關(guān)。企業(yè)分配的碳配額越低，企業(yè)的總成本就越高；企業(yè)分配的碳配額越高，則企業(yè)的總成本越低，存在某個臨界值M，當(dāng)配額小于M時，企業(yè)的總成本是高于無碳限額的情形，然而當(dāng)配額大于M時，企業(yè)的總成本是小于無碳限額的情形。企業(yè)的碳交易價格與總成本之間的關(guān)系要取決于M，當(dāng)M大于碳配額時，企業(yè)的總成本與碳交易價格是正相關(guān)關(guān)系，隨著碳交易價格的增加，企業(yè)的總成本也在不斷增加；然而當(dāng)M小于碳配額時，企業(yè)的總成本與碳交易價格是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨著碳交易價格的增加，企業(yè)的總成本在不斷的下降。

本文的結(jié)論能夠幫助企業(yè)管理者在不同的碳交易機(jī)制下調(diào)整訂貨量，減少碳排放和總成本，為管理者在生產(chǎn)存儲決策上提供建議和幫助，有利于企業(yè)實現(xiàn)自身的低碳化發(fā)展戰(zhàn)略，對企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。本文研究的對象是確定性需求情形，然而現(xiàn)實情況中，很多庫存問題涉及到的是需求不確定的情況，對于需求不確定的情況下碳交易庫存模型的相關(guān)問題還有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

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Study on Fresh Food Inventory Model under Carbon Trade System

Zeng Meihua,Wang Yingming
(School of Economics&Management,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

In this paper,in order to study the influence of the carbon trade system on the fresh food ordering strategy,we included the carbon emissions in the storage and transportation processes into the consideration of the storage and transportation cost,built the inventory model with carbon trade constraint,and then obtained the carbon trade constraint using the genetic algorithm as well as the ordering quantity, carbon emissions volume and total cost when the cost was optimized.

carbon trade;fresh food;inventory model;economic ordering quantity;genetic algorithm

F253；F205

A

1005-152X(2015)10-0059-05

2015-08-05

國家自然科學(xué)基金項目（70925004）

曾美花（1989-），女，福建福州人，碩士研究生，研究方向：管理系統(tǒng)工程；王應(yīng)明（1964-），男，江蘇海安人，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向：決策理論與方法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、規(guī)則庫推理、質(zhì)量功能展開（QFD）。

10.3969/j.issn.1005-152X.2015.10.018