基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的鋼鐵物流碳減排策略研究

劉俊紅，羅定提，鄒安全 LIU Jun-hong, LUO Ding-ti, ZOU An-quan

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 財(cái)經(jīng)學(xué)院，湖南 株洲412007；2. 湘南學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖南 郴州423000）

(1. School of Finance and Economics, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China； 2. Institute of Economics and Management, Xiangnan University, Chenzhou 423000, China)

0 引 言

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，鋼鐵供應(yīng)鏈從采購(gòu)原材料開(kāi)始，到最終的鋼鐵成品銷售并投入使用，都伴隨著物流過(guò)程。國(guó)際能源署出版的《運(yùn)輸、能源與二氧化碳：邁向可持續(xù)發(fā)展》報(bào)告指出，交通運(yùn)輸領(lǐng)域的的石油消耗量占到了全球石油量的57%，由此引發(fā)的二氧化碳（CO2） 排放量大約占全球CO2排放總量的25%[1]，整個(gè)物流行業(yè)的碳排放居高不下。

對(duì)于物流領(lǐng)域的碳排放問(wèn)題，不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究，主要?dú)w納為以下三個(gè)方面：①運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程的碳排放研究，如Cholette 和Venkat 對(duì)在食品和飲料供應(yīng)鏈中的運(yùn)輸和倉(cāng)庫(kù)活動(dòng)中能源消耗量和碳排放量進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算[2]；楚龍娟等運(yùn)用產(chǎn)品生命周期法計(jì)算物流過(guò)程的談排放[3]；Hoen 等建立了運(yùn)輸庫(kù)存碳排放測(cè)量模型，分析了不同情況下的碳排放情況[4]。②物流過(guò)程能源消耗和能源結(jié)構(gòu)方面的研究，如Iacob 等建立了基于能源結(jié)構(gòu)的物流碳管理系統(tǒng)（LCMS），詳細(xì)準(zhǔn)確地計(jì)算了運(yùn)輸過(guò)程碳排放量[5]；李燁嘯分析了我國(guó)物流業(yè)能源消耗趨勢(shì)和發(fā)展規(guī)律，探討了產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、能源結(jié)構(gòu)等對(duì)物流業(yè)碳排放的影響[6]；唐麗敏等通過(guò)建立物流節(jié)能減排系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析了物流與經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境之間的關(guān)系[7]。③物流配送網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與物流體系改進(jìn)方面的研究，如李蜀湘認(rèn)為必須改進(jìn)物流體系，通過(guò)發(fā)展低碳物流來(lái)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)[8]；夏文匯基于VRP 模型，在低碳經(jīng)濟(jì)環(huán)境條件下研究鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)物流配送模型[9]。

通過(guò)對(duì)以上相關(guān)文獻(xiàn)的分析可知，目前，研究鋼鐵供應(yīng)鏈物流過(guò)程碳排放的文獻(xiàn)相對(duì)較少，也很少有人從系統(tǒng)的角度，運(yùn)用定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的方法研究鋼鐵物流過(guò)程碳排放量?；诖?，本文結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，運(yùn)用VENSIM 軟件，建立鋼鐵物流碳排放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本模型，對(duì)鋼鐵物流的運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)過(guò)程的碳排放進(jìn)行系統(tǒng)的控制研究，尋求降低鋼鐵物流碳排放量的策略和措施。

1 鋼鐵物流碳排放系統(tǒng)分析

1.1 模型假設(shè)

本文設(shè)計(jì)的鋼鐵物流碳排放模型只考慮了物流過(guò)程的運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)活動(dòng)，因?yàn)殇撹F原料采購(gòu)物流過(guò)程和鋼鐵產(chǎn)成品銷售物流過(guò)程都伴隨著大量的運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)環(huán)節(jié)，運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)都需要消耗能源，能源消耗的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生碳排放。因此，模型假設(shè)：①鋼鐵原料和成品的運(yùn)輸過(guò)程都涉及汽運(yùn)、水運(yùn)和鐵路運(yùn)輸三種運(yùn)輸方式，且每種運(yùn)輸方式占有一定的比重；②每種運(yùn)輸方式產(chǎn)生的能源消耗都可以按一定的計(jì)算比例折算成煤的耗用量。

1.2 因果關(guān)系分析

鋼鐵物流運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生碳排放，可通過(guò)優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、提高能源效率、降低貨運(yùn)強(qiáng)度等方面降低物流過(guò)程能源消耗。因此，模型設(shè)計(jì)的鋼鐵物流碳排放控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)子系統(tǒng)，主要反饋回路如圖1 所示：

（1） 運(yùn)輸結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)：鋼鐵物流碳排放→管理水平→運(yùn)輸結(jié)構(gòu)→能源消耗→運(yùn)輸/裝卸搬運(yùn)碳排放→鋼鐵物流碳排放。

（2） 能源效率子系統(tǒng)：鋼鐵物流碳排放→技術(shù)水平→能源效率→能源消耗→運(yùn)輸/裝卸搬運(yùn)碳排放→鋼鐵物流碳排放。

（3） 貨運(yùn)強(qiáng)度子系統(tǒng)：鋼鐵物流碳排放→管理水平→貨運(yùn)強(qiáng)度→能源消耗→運(yùn)輸/裝卸搬運(yùn)碳排放→鋼鐵物流碳排放。

這三個(gè)子系統(tǒng)都構(gòu)成正反饋回路，有助于鋼鐵物流企業(yè)提高管理水平，優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)和降低貨運(yùn)強(qiáng)度，減少運(yùn)輸過(guò)程能源消耗；有助于鋼鐵物流企業(yè)引進(jìn)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，提高相關(guān)機(jī)械設(shè)備能源利用效率，減少物流過(guò)程碳排放。

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1 鋼鐵物流過(guò)程碳排放系統(tǒng)流程圖

根據(jù)因果關(guān)系圖，利用VENSIM 軟件構(gòu)建鋼鐵物流碳排放系統(tǒng)流程圖（如圖2），模型主要考慮了運(yùn)輸和裝卸搬運(yùn)過(guò)程的碳排放量。

2.2 模型主要方程

（1） 水運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量=水運(yùn)比重×貨物周轉(zhuǎn)量，Units：噸公里；

（2） 汽運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量=公路比重×貨物周轉(zhuǎn)量，Units：噸公里；

（3） 煤消耗量=汽運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量×0.04+水運(yùn)貨物周轉(zhuǎn)量×0.002+鐵路運(yùn)輸貨物周轉(zhuǎn)量×0.012，Units：噸；

（4） 物流運(yùn)輸能源消耗=煤消耗量/能源效率，Units：噸；

（5） 裝卸搬運(yùn)碳排放累積速率=單位裝卸搬運(yùn)碳排放量×訂單量；

（6） 裝卸搬運(yùn)碳排放量=INTEG（裝卸搬運(yùn)碳排放累積速率, 0），Units：噸；

（7） 貨物周轉(zhuǎn)量=平均運(yùn)輸距離×訂單量，Units：噸公里；

（8） 運(yùn)輸碳排放累積速率=單位能源消耗碳排放量×物流運(yùn)輸能源消耗；

（9） 運(yùn)輸碳排放量=INTEG（運(yùn)輸碳排放累積速率, 0），Units：噸；

（10） 鋼鐵物流過(guò)程碳排放量=裝卸搬運(yùn)碳排放量+運(yùn)輸碳排放量，Units：噸；

（11） 鐵路運(yùn)輸貨物周轉(zhuǎn)量=鐵路比重×貨物周轉(zhuǎn)量，Units：噸公里。

2.3 模型相關(guān)參數(shù)

表1 模型相關(guān)參數(shù)

3 鋼鐵物流碳排放系統(tǒng)的仿真與分析

模型以一個(gè)季度為一個(gè)仿真周期，一天為一個(gè)步長(zhǎng)，利用VENSIM 軟件進(jìn)行仿真，模擬不同情況下鋼鐵物流過(guò)程的碳排放量。本文通過(guò)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中相關(guān)常量（參數(shù)） 的設(shè)定，對(duì)平均運(yùn)輸距離、公路比重、鐵路比重、水運(yùn)比重、能源效率五個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，模擬得出不同數(shù)值下鋼鐵物流過(guò)程碳排放量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼鐵物流過(guò)程碳排放的優(yōu)化控制。

3.1 模型仿真

（1） 不同運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的鋼鐵物流碳排放量仿真

鋼鐵原料采購(gòu)運(yùn)輸與產(chǎn)成品運(yùn)輸都包含公路、鐵路和水路運(yùn)輸，采購(gòu)的原料會(huì)根據(jù)供應(yīng)地交通條件和采購(gòu)量的不同而選擇不同的運(yùn)輸方式，產(chǎn)成品的運(yùn)輸會(huì)根據(jù)需求地交通條件和需求量的不同而選擇不同的運(yùn)輸方式。每種運(yùn)輸方式的能源消耗不同，運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量就有所不同。本文對(duì)公路比重、鐵路比重和水運(yùn)比重分別設(shè)定三組不同的數(shù)值，分別為0.4、0.3、0.3（簡(jiǎn)寫(xiě)433）；0.3、0.4、0.3（簡(jiǎn)寫(xiě)343）；0.3、0.3、0.4（簡(jiǎn)寫(xiě)334）。模擬對(duì)比分析不同運(yùn)輸結(jié)構(gòu)下煤消耗量和鋼鐵物流過(guò)程碳排放量的變化情況。對(duì)比分析情況如表2 所示：

表2 不同運(yùn)輸結(jié)構(gòu)下鋼鐵物流碳排放量

由表2 分析可知：①公路比重、鐵路比重和水運(yùn)比重占不同的比值，鋼鐵物流過(guò)程碳排放量發(fā)生較大的變化；②增加公路運(yùn)輸比重，物流過(guò)程碳排量將增大，增加水運(yùn)比重，物流過(guò)程碳排放量將大幅度減少；③鐵路運(yùn)輸相對(duì)于公路運(yùn)輸有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，水路運(yùn)輸相對(duì)鐵路運(yùn)輸有一定的優(yōu)勢(shì)，但差別無(wú)鐵路運(yùn)輸相對(duì)于公路運(yùn)輸?shù)牟顒e大。因此運(yùn)輸結(jié)構(gòu)對(duì)鋼鐵物流過(guò)程碳排放量影響較大。以下兩種情況在運(yùn)輸結(jié)構(gòu)為334 的條件下進(jìn)行模擬仿真。

（2） 不同能源效率的鋼鐵物流碳排放量仿真

能源效率是指單位能源消耗所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是多少的問(wèn)題，也就是能源的利用率，運(yùn)輸過(guò)程的能源效率主要是指運(yùn)輸工具發(fā)動(dòng)機(jī)能源利用效率。本文對(duì)能源效率設(shè)定3 個(gè)值，分別為0.7、0.8、0.9，模擬不同能源效率下鋼鐵物流過(guò)程碳排放量的變化情況。對(duì)比分析情況如表3 所示：

表3 不同能源效率下鋼鐵物流過(guò)程排放量

由表3 分析可知：隨著能源效率由0.7 噸上升到0.9，鋼鐵物流過(guò)程碳排放量有大幅度的降低，一個(gè)仿真周期內(nèi)減少了15 369 噸，可見(jiàn)能源效率對(duì)鋼鐵物流過(guò)程碳排放量有重大影響，接下來(lái)在能源效率為0.9 的條件下進(jìn)行模擬仿真。

（3） 不同貨運(yùn)強(qiáng)度下鋼鐵物流過(guò)程碳排放量仿真

貨運(yùn)強(qiáng)度由貨物運(yùn)輸量乘上運(yùn)輸距離得到，由于每批次貨物運(yùn)量無(wú)法減少，所以只能通過(guò)縮短運(yùn)輸距離的方式降低貨運(yùn)強(qiáng)度。本文對(duì)運(yùn)輸距離設(shè)定5 個(gè)值，分別為100KM、90KM、80KM、70KM、60KM，模擬不同貨運(yùn)強(qiáng)度下鋼鐵物流過(guò)程碳排放量的變化情況。對(duì)比分析情況如表4 所示。

表4 不同運(yùn)輸距離下鋼鐵物流過(guò)程碳排放量表

由表4 分析可知：隨著運(yùn)輸距離由100KM 下降到60KM，鋼鐵物流過(guò)程碳排放量有大幅度的降低，一個(gè)仿真周期內(nèi)減少了21 517 噸，可見(jiàn)貨運(yùn)強(qiáng)度對(duì)鋼鐵物流過(guò)程碳排放量有重大影響。目前能源利用技術(shù)提高需要大量資金投入，而且較為困難，相比而言，優(yōu)化運(yùn)輸距離具有很大的挖掘空間。

3.2 仿真分析與碳減排策略

通過(guò)對(duì)模型的模擬仿真可知，運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、能源效率和貨運(yùn)強(qiáng)度都對(duì)鋼鐵物流過(guò)程碳排放量具有一定的影響，其相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化對(duì)鋼鐵物流過(guò)程碳排放量的降低具有重要的意義。

（1） 優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，降低公路運(yùn)輸比重，增加鐵路和水路運(yùn)輸比重，選擇低碳運(yùn)輸方式。目前，大部分鋼鐵企業(yè)選址都會(huì)考慮交通運(yùn)輸條件，原料和成品都涉及到公路、鐵路和水路運(yùn)輸，可以從以下三個(gè)方面優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)：①降低公路運(yùn)輸比重：公路運(yùn)輸運(yùn)量小，運(yùn)輸過(guò)程能耗大，適宜于小批量的中短途運(yùn)輸。②增加鐵路和水路運(yùn)輸比重：充分開(kāi)發(fā)海運(yùn)和江運(yùn)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于有條件的地帶，首先選擇水路運(yùn)輸；沒(méi)有水運(yùn)條件的地帶，首先考慮鐵路運(yùn)輸。③發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)：對(duì)于中長(zhǎng)距離的原料和成品運(yùn)輸，可以發(fā)展公鐵聯(lián)運(yùn)和水路聯(lián)運(yùn)，鐵路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸承擔(dān)長(zhǎng)距離運(yùn)輸，公里運(yùn)輸承擔(dān)始發(fā)端和接收端的短途轉(zhuǎn)運(yùn)。

（2） 引進(jìn)相關(guān)技術(shù)，淘汰落后設(shè)備，提高運(yùn)輸設(shè)備能源利用效率。提高能源效率可以直接降低物流過(guò)程能源消耗，從而降低物流過(guò)程碳排放量，可以從以下兩個(gè)方面提高能源效率：①淘汰落后設(shè)備，引進(jìn)新型運(yùn)輸工具：目前市場(chǎng)上還有很多老式運(yùn)輸車輛，能耗高，能源利用率低，處于報(bào)廢期卻仍然使用，應(yīng)充分利用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，購(gòu)買高效車取代老式車，提高能源效率。②提高運(yùn)輸滿載率、降低返程空載率：車和船運(yùn)輸過(guò)程都有一個(gè)最大載運(yùn)量問(wèn)題，滿載可以大幅度提高運(yùn)輸過(guò)程能源利用效率；同時(shí)合理計(jì)劃，使車船返程時(shí)可以托運(yùn)其他貨物，這樣間接性的提高了運(yùn)輸過(guò)程能源利用率。

（3） 提高管理水平，縮短運(yùn)輸距離，降低貨運(yùn)強(qiáng)度。貨運(yùn)強(qiáng)度主要受運(yùn)輸距離的影響，可以從以下兩個(gè)方面縮短運(yùn)輸距離：①優(yōu)化運(yùn)輸線路：充分了解鋼鐵原料或成品從供應(yīng)地到需求地的運(yùn)輸線路情況，合理布局運(yùn)輸線路的選擇，縮短運(yùn)輸距離。②合理布局鋼鐵生產(chǎn)廠位置，可以靠近主要原料供應(yīng)地，縮短原料運(yùn)輸距離，也可以靠近成品消費(fèi)地，縮短成品運(yùn)輸距離。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)建立鋼鐵物流過(guò)程碳排放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模擬了公路比重、鐵路比重、水運(yùn)比重、能源效率、運(yùn)輸距離五個(gè)參數(shù)對(duì)鋼鐵物流過(guò)程碳排放量的影響。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)取值的仿真，得出結(jié)論：①合理的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)可以有效地降低鋼鐵物流過(guò)程碳排放量；②能源效率對(duì)能效消耗具有直接影響，可通過(guò)淘汰落后設(shè)備、引進(jìn)新型運(yùn)輸工具、提高運(yùn)輸滿載率、降低回程空載率等方式提高運(yùn)輸過(guò)程能源效率；③運(yùn)輸距離具有很大的優(yōu)化空間，合理安排運(yùn)輸線路、合理設(shè)置鋼鐵生產(chǎn)廠可有效縮短運(yùn)輸距離，降低運(yùn)輸過(guò)程碳排放。鋼鐵物流過(guò)程是一個(gè)能源消耗過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、提高能源效率和降低貨運(yùn)強(qiáng)度，可以減少能源消耗，從而降低物流過(guò)程碳排放量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

[1] IEA. Transport, energy and CO2: moving toward sustainability[M]. Paris: OECD Publishing, 2009.

[2] Cholette. S., Venkat. K.. The energy and carbon intensity of wine distribution: a study of logistical options for delivering wine to consumers[J]. Journal of Cleaner Production, 2009,17(16):1401-1413.

[3] 楚龍娟，馮春. 碳足跡在物流和供應(yīng)鏈中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)軟科學(xué)，2010(7):41-47.

[4] Hoen K. M. R, Tan T, Fransoo J.C, et al. Effect of carbon emission regulations on transport mode selection under stochastic demand[J]. Flexible Services and Manufacturing Journal, 2012,26:170-195.

[5] Iacob M E, Van Sinderen M J, Steenwijk M, et al. Towards a reference architecture for fuel-based carbon management systems in the logistics industry[J]. Information Systems Frontiers, 2013(15):725-745.

[6] 李燁嘯. 中國(guó)物流產(chǎn)業(yè)碳排放驅(qū)動(dòng)因素及碳排放結(jié)構(gòu)的研究[D]. 無(wú)錫：江南大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2013.

[7] 唐麗敏，曾穎，王成武,等. 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的物流節(jié)能減排政策模擬[J]. 系統(tǒng)工程，2013,31(6):87-94.

[8] 李蜀湘，陸小成. 中國(guó)低碳物流金融支持模型研究[J]. 中國(guó)流通經(jīng)濟(jì)，2010(2):27-30.

[9] 夏文匯. 基于低碳經(jīng)濟(jì)的鋼鐵生產(chǎn)物流配送模型研究[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,24(10)：47-54.