低碳經(jīng)濟條件下企業(yè)物料運輸方式定量選擇

楊秋俠，孫雅楠 YANG Qiu-xia,SUN Ya-nan

（西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055）

(School of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China)

0 引言

工業(yè)企業(yè)的發(fā)展拉動了社會經(jīng)濟，這無可厚非，但與此同時也帶來了令人困擾的環(huán)境問題。我們在追求企業(yè)經(jīng)濟效益的同時，也要兼顧社會效益和生態(tài)效益。對于企業(yè)而言，每一個環(huán)節(jié)都有大量的碳排放，其中運輸屬于能源集中環(huán)節(jié)，而且二氧化碳占據(jù)了很大的比例。企業(yè)物料運輸系統(tǒng)包括運輸方式及運輸方式之間的銜接、運輸網(wǎng)絡結構及布置形式、運輸工具等。運輸方式選取不合理和不同運輸方式之間的銜接轉換點布置不合理，會導致生產(chǎn)物料運送距離長增加碳排放；運輸網(wǎng)絡結構及布置形式不合理，會使物料運輸不暢、易擁堵使碳排放增加；運輸工具選擇不合理也會造成碳排放量增多。

低碳經(jīng)濟方面現(xiàn)有學者所做的研究大部分是針對交通運輸系統(tǒng)或者物流系統(tǒng)，針對企業(yè)生產(chǎn)物流方面的研究較少。已有的企業(yè)生產(chǎn)物流的研究，在進行運輸方式選擇時，基本是以費用最低或者時間最短來作為優(yōu)化目標，沒有考慮二氧化碳排放對環(huán)境的影響。

本文結合低碳經(jīng)濟的背景，在傳統(tǒng)的以費用最低為目標來優(yōu)化的基礎上加入碳排放這一因素，將碳排放量最小作為優(yōu)化目標，并兼顧考慮經(jīng)濟因素，將投資費用作為約束條件建立模型，選出最優(yōu)的物料運輸方式。

1 模型建立

企業(yè)物流的運輸方式包括道路、鐵路、皮帶和管道等方式。首先，我們根據(jù)物料的功能性質(zhì)、廠外的運輸方式、生產(chǎn)工藝的要求、運量和運距的要求、建設場地條件和平面布置的要求、運輸設備的供應情況等，對物料的運輸方式進行定性分析，其結果可能存在一種物料可以用幾種運輸方式來運輸，那么就要對這幾種運輸方式進行定量選擇，從中選出一種最優(yōu)的運輸方式。

進行定量選擇建立模型時，有以下幾個假設條件：

（1）企業(yè)的總平面布置已知，即各車間的位置已知。

（2）任意兩個車間之間不止有一種運輸方式可采用。

（3）任意兩個車間的流量已知。

（4）所有費用信息已知。

（5）只考慮與物料搬運有關的車間。

則建立目標函數(shù)如下：

其中：k：企業(yè)生產(chǎn)物流中物料搬運所采用的4 種搬運方式：道路、鐵路、皮帶、管道等運輸方式。

Mij：從i 車間到j 車間運輸物料的重量，t。

Aij：從i 車間到j 車間物料運輸?shù)乃骄嚯x，m。

Hij：從i 車間到j 車間物料運輸?shù)拇怪本嚯x，m。

qAk：第k 種運輸方式水平方向運輸單位距離需要的能源，J。

qHk：第k 種運輸方式垂直方向運輸單位距離需要的能源，J。

xijk：從i 車間到j 車間是否采用第k 種運輸方式，其中：

ηk：第k 種運輸方式的能源轉換效率。

θk：第k 種運輸方式所消耗燃料整個生命周期的二氧化碳排放系數(shù)。約束條件：

其中，aijk表示從i 車間到j 車間采用第k 種運輸方式時，第k 種運輸方式車輛的年運營費用和年基建投資費用之和。b 表示企業(yè)年運營費用和年基建投資費用之和的預算。式（1）表示物料運輸時需要的年運營費用和年基建投資費用之和不能超過企業(yè)的預算；式（2）表示任意兩個車間之間的流量一定有一定數(shù)量的運輸方式予以滿足；式（3）中xijk取0 表示i 車間與j 車間之間不采用第k 種運輸方式，取1 表示i 車間與j 車間之間采用第k 種運輸方式。

2 模型求解

模型中變量xijk只能取0 或1，故該模型為0-1 規(guī)劃。本文采用分枝—隱枚舉法。計算步驟如下：

（1）將0-1 規(guī)劃問題的目標函數(shù)系數(shù)化為非負；當變量作了代換后，約束條件中的變量也相應作代換。

（2）變量重新排序，變量依據(jù)目標函數(shù)系數(shù)值按升序排序。

（3）求主枝：目標函數(shù)是max 形式時令所有變量等于1，得到目標值的上界；目標函數(shù)是min 形式時令所有變量等于0，得到目標值的下界；如果主枝的解滿足所有約束條件則得到最優(yōu)解，否則轉下一步。

（4）分枝與定界：從第一個變量開始依次取“1”或“0”，求極大值時其后面的變量等于“1”，求極小值時其后面的變量等于“0”，用分支定界法搜索可行解和最優(yōu)解。

停止分枝和需要繼續(xù)分枝的原則：

（1）當某一子問題是可行解時則停止分枝并保留；

（2）不是可行解但目標值劣于現(xiàn)有保留分枝的目標值時停止分枝并剪枝；

（3）后續(xù)分枝變量無論取“1”或“0”都不能得到可行解時停止分枝并剪枝；

（4）當某一子問題不可行但目標值優(yōu)于現(xiàn)有保留分析的所有目標值，則要繼續(xù)分析。

其中在獲取各種運輸方式的二氧化碳排放系數(shù)時，我們采用的是生命周期法進行分析。4 種運輸方式中，鐵路、皮帶和管道運輸均消耗的是電能，道路運輸消耗的是柴油。

電能整個生命周期二氧化碳排放系數(shù)計算公式如下：

其中：θe：電能整個生命周期的二氧化碳排放系數(shù)。

θef：電網(wǎng)電源的二氧化碳排放系數(shù)。

θep：發(fā)電的電廠的二氧化碳排放系數(shù)。

θem：原材料提取和加工的二氧化碳排放系數(shù)。

柴油整個生命周期二氧化碳排放系數(shù)計算公式如下：

其中：θo：成品油整個生命周期的二氧化碳排放系數(shù)。

θom：用于原油開采的二氧化碳排放系數(shù)。

θop：煉油的二氧化碳排放系數(shù)。

θof：煉油燃燒廢棄物的二氧化碳排放系數(shù)。

整個電網(wǎng)的加權平均碳排放因子可以從IPCC 國家溫室氣體清單指南中獲得。用于柴油消耗的碳排放系數(shù)的計算如表1 所示。

表1 柴油消耗的碳排放系數(shù)計算表

3 算例分析

有4 個車間①②③④，如圖1 所示，其相互的平面位置已知，即相互之間的距離信息已知。其中物料流程方向如圖中箭頭方向所示，經(jīng)過定性分析得到①—②車間物料運輸可采用的運輸方式有道路和皮帶，②—③車間物料運輸可采用的運輸方式有道路、鐵路和皮帶，③—④車間物料運輸可采用的運輸方式有道路和管道。假設4 種運輸方式的代碼分別為，道路1，鐵路2，皮帶3，管道4。

已知各個車間之間物料運輸?shù)乃骄嚯x、垂直距離、運量如表2 所示。

表2 車間之間物料運輸?shù)木嚯x及運量信息表

經(jīng)過查閱資料，給定4 種運輸方式運輸單位距離消耗的能源分別為：qA1=0.3J/m，qA2=0.011J/m，qA3=0.06J/m，qH3=0.09J/m，qA4=0.05J/m。道路運輸消耗柴油，但是在柴油發(fā)動機的能量交換效率僅為30%。電力是通過與80%的能量交換率的驅動電機交換轉化為機械能。由于道路運輸消耗柴油，鐵路、皮帶、管道運輸消耗電能，因此第k 種運輸方式的能源轉換效率ηk為：η1=η油=30%，η2=η3=η4=η電=80%。中國華北區(qū)域電網(wǎng)在2014年的碳排放系數(shù)是1.0580 千克/千瓦小時，而由表1 可知柴油燃燒的碳排放因子是0.3006 公斤/千瓦時，因此，θ1=θ油=0.3006kg/kw.h，θ2=θ3=θ4=θ電=1.0580kg/kw.h。此外，設道路的單位距離運營及投資費用為10，鐵路的單位距離運營及投資費用為5，皮帶的單位距離運營及投資費用為3，管道的單位距離運營及投資費用為4，該企業(yè)的運輸建設運營及投資費用預算為1 000。代入模型得：

4 總結

隨著社會的快速發(fā)展，低碳經(jīng)濟發(fā)展模式將會受到越來越多的關注，在選擇企業(yè)生產(chǎn)物料運輸方式時，碳排放量的因素也會引起更廣更深的重視。因此，不僅要在定性分析時考慮到碳排放量對環(huán)境的影響，更要定量化地體現(xiàn)它的重要性。本文通過建立模型，對企業(yè)在低碳經(jīng)濟條件下如何定量地選擇物料運輸方式作了分析，使企業(yè)物料運輸方式選擇更加客觀，更有說服力。

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