快遞包裝物綠色逆向物流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)研究

王婧 肖思怡 陳丹丹 葉勇

基金項(xiàng)目：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)繁榮發(fā)展社科基金重點(diǎn)項(xiàng)目“雙渠道模式生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中斷應(yīng)急協(xié)調(diào)研究”（2016zs15zd）;安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“循環(huán)經(jīng)濟(jì)下快遞包裝物逆向物流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化決策研究”（XJDC2019170）;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部電子商務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題不確定條件下快遞包裝物逆向物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究（AEC2018008），2019 年校級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（2019auylzy13），2019年校級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（2019aujxtd01）;2020年安徽省教學(xué)團(tuán)隊(duì)（2020jxtd089）;2020年安徽省質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目（2020jyxm0516）;安徽省重點(diǎn)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（201904a06020020）

摘 要：近年來(lái)，快遞包裝物不當(dāng)處理帶來(lái)的社會(huì)環(huán)境和資源浪費(fèi)等問(wèn)題引起各界關(guān)注。以快遞包裝物的產(chǎn)生點(diǎn)、回收站和最終處理站組成的三級(jí)回收網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，以總成本和碳排放量為雙目標(biāo)，構(gòu)建回收站和最終處理站同時(shí)選址和確定容量等級(jí)的整數(shù)規(guī)劃模型。采用LINGO軟件的分支定界法對(duì)模型求解，仿真算例驗(yàn)證了模型的有效性。研究成果以期為政府、電商平臺(tái)以及快遞企業(yè)進(jìn)行快遞包裝物回收決策提供理論支撐和決策指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：逆向物流;快遞包裝物;選址;碳排放量

一、引言

近年來(lái)，隨著電子商務(wù)的逐漸完善成熟，快遞行業(yè)也在高速發(fā)展。大量的快遞包裹產(chǎn)生了大量的快遞包裝物。資料顯示，2018年全國(guó)快遞行業(yè)消耗快遞運(yùn)單500多億張，編織袋約53億個(gè)，塑料袋245億個(gè)，信封57億個(gè)，包裝箱143億個(gè)，膠帶430億米。這其中相當(dāng)一部分能夠循環(huán)再造，但仍有相當(dāng)一部分是作為垃圾來(lái)處理，這違背了綠色物流循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想。目前，大多數(shù)消費(fèi)者處理快遞包裝物是以傳統(tǒng)方式變賣到廢品回收站或直接將其作為垃圾處理，并未將其進(jìn)行妥善處理。快遞的過(guò)度包裝、包裝物規(guī)格不統(tǒng)一、包裝材質(zhì)的不環(huán)保等情況，導(dǎo)致快遞包裝物回收成為一大難題。政府相繼出臺(tái)措施鼓勵(lì)倡導(dǎo)企業(yè)和消費(fèi)者從主觀意愿上對(duì)快遞包裝物進(jìn)行循環(huán)再利用，其中企業(yè)實(shí)施主要包括企業(yè)與電商企業(yè)協(xié)商合作、企業(yè)之間聯(lián)盟發(fā)展快遞包裝規(guī)范兩方面。例如，蘇寧、京東研發(fā)可降解包裝物、共享快遞盒、循環(huán)包裝袋解決;菜鳥(niǎo)物流在各大城市和高校的菜鳥(niǎo)驛站全面啟動(dòng)紙箱回收活動(dòng)。目前這些活動(dòng)的實(shí)施過(guò)程仍然面臨許多困難，活動(dòng)范圍也只局限于一線城市。大部分的中小城市，政府對(duì)這方面的注重不夠，人們對(duì)快遞包裝物回收利用的意識(shí)也不夠強(qiáng)烈，故推廣快遞包裝物回收存在一定難度。

本文考慮環(huán)境因素，以總成本最小為目標(biāo)構(gòu)建快遞包裝物回收網(wǎng)絡(luò)，以期為企業(yè)進(jìn)行回收網(wǎng)點(diǎn)布局提供決策支持和理論參考。當(dāng)前關(guān)于逆向物流網(wǎng)絡(luò)的研究模型多以總成本最小化為目標(biāo)，模型設(shè)置較少考慮到環(huán)境因素，近年來(lái)出現(xiàn)了一些考慮逆向物流網(wǎng)絡(luò)外部因素的文章，總體研究數(shù)量較少。Kannan等提出了一種基于碳足跡的逆向物流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的混合整數(shù)線性模型，以盡量減少CO2排放量，解決了逆向物流網(wǎng)絡(luò)選址和運(yùn)輸決策問(wèn)題。通過(guò)對(duì)塑料行業(yè)的案例研究，驗(yàn)證了模型的有效性。Yu提出了一種基于多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃的通用逆向物流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與規(guī)劃的新思路。而逆向物流系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，由三個(gè)梯隊(duì)組成，包括回收、再制造和廢棄產(chǎn)品的處置。數(shù)學(xué)模型考慮了系統(tǒng)運(yùn)行成本的最小化，與使用的產(chǎn)品的運(yùn)輸和加工有關(guān)的碳排放量最小化，以及為了盡量減少垃圾填埋場(chǎng)資源的浪費(fèi)，還需要最低的資源利用率。Yu提出了一種基于不確定性的可持續(xù)性逆向物流設(shè)計(jì)的多產(chǎn)品多級(jí)隨機(jī)規(guī)劃模型。與以往的逆向物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的隨機(jī)優(yōu)化模型相比，該模型主要側(cè)重于對(duì)最優(yōu)值的期望和決策的可靠性。因此，有必要加強(qiáng)面向快遞包裝物的綠色逆向物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究。

本文研究了快遞包裝的產(chǎn)生點(diǎn)、回收站和最終處理站組成的三級(jí)回收網(wǎng)絡(luò)，以總成本和碳排放量為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建回收站和最終處理站同時(shí)選址的整數(shù)規(guī)劃模型，為政府加快實(shí)現(xiàn)快遞包裝物回收再利用提供理論支撐;為電商平臺(tái)以及快遞企業(yè)實(shí)現(xiàn)快遞包裝物回收循環(huán)再利用提供網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的決策借鑒。

二、問(wèn)題描述

在快遞包裝物回收逆向物流的網(wǎng)絡(luò)中，三級(jí)逆向物流包括快遞包裝的產(chǎn)生點(diǎn)、回收站和最終處理站。產(chǎn)生點(diǎn)主要為居民區(qū)和快遞網(wǎng)點(diǎn)，快遞包裝通過(guò)回收站進(jìn)行收集和簡(jiǎn)單處理，再運(yùn)往最終處理站。本文研究的逆向物流網(wǎng)絡(luò)有三類節(jié)點(diǎn)，第一類是快遞包裝產(chǎn)生地即居民區(qū)和快遞網(wǎng)點(diǎn)，第二類是備選的快遞包裝逆向物流回收站，第三類則是快遞包裝物的最終處理站，如圖1所示。如果將快遞包裝物回收站建在居民區(qū)附近，會(huì)對(duì)附近居民的生活產(chǎn)生一定的影響，因此回收站在設(shè)立時(shí)，需要考慮居民的接受程度，在接受程度較高的地方進(jìn)行選址。最終處理站需要一定的占地空間，并考慮距離帶來(lái)的碳排放量的影響，故在選址時(shí)既要考慮總成本最小，又要考慮到碳排放量最小的問(wèn)題。綜合研究后，確定回收站和最終處理站的地址，使三級(jí)網(wǎng)絡(luò)得以建成。本文的目標(biāo)函數(shù)是總成本最小和碳排放量最小?？偝杀景ńㄔO(shè)費(fèi)用、處理費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用。通過(guò)LINGO軟件編程求解模型，驗(yàn)證了模型和算法的有效性。

三、模型構(gòu)建

1.模型假設(shè)

（1）在給定的備選地址中選擇建造回收站和處理站;

（2）每個(gè)產(chǎn)生點(diǎn)的回收量全部由一個(gè)回收站回收;

（3）回收站的容量和產(chǎn)生點(diǎn)的產(chǎn)量已知;

（4）車輛行駛速度為定值;

（5）回收和處理時(shí)運(yùn)輸車輛的載重是確定的;

（6）碳排放量為車輛運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的;

（7）兩點(diǎn)間距離為直線距離;

（8）不考慮車輛交通情況和車輛損壞;

2.參數(shù)說(shuō)明

i為快遞包裝物產(chǎn)生點(diǎn)的下標(biāo)，i=1，2，.....I;

j為快遞包裝物回收中轉(zhuǎn)站的下標(biāo)，j=1，2，.....J;

k為快遞包裝物最終處理站的下標(biāo)，k=1，2，.....K;

qi為i產(chǎn)生點(diǎn)的日產(chǎn)生量;

FHjm為在j地建容量為m的回收站的固定成本;

FHkn為在k地建容量為n的處理站的固定成本;

Lij為從i產(chǎn)生點(diǎn)到j(luò)回收站的距離;

Ljk為從j回收站到k處理站的距離;

Cij為i產(chǎn)生點(diǎn)到j(luò)回收站的單位運(yùn)輸成本;

Cjk為從j回收站到k處理站的單位運(yùn)輸成本;

rij為i產(chǎn)生點(diǎn)到j(luò)回收站的中型貨車的載重;

rjk為j產(chǎn)生點(diǎn)到k回收站的重型貨車的載重;

eriji產(chǎn)生點(diǎn)到j(luò)回收站的單位距離的碳排放量;

erjkj產(chǎn)生點(diǎn)到k回收站的單位距離的碳排放量;

Cj為回收站單位處理成本;

CK為處理站單位處理成本;

Qjm為在j建回收站廠的容量;

Qkm為在k建處理站廠的容量;

Qkn為規(guī)劃生成回收站的數(shù)量;

A為規(guī)劃生成處理站的數(shù)量;

B為規(guī)劃生成處理站的數(shù)量;

決策變量的定義：

3.模型建造

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

在上述模型中，（2-1）是目標(biāo)函數(shù)，目的是為了使快遞包裝物回收站和最終處理站建造的總成本最小;快遞包裝物回收站建造考慮三部分成本，快遞包裝物回收站以及最終處理站的建設(shè)成本、從產(chǎn)生點(diǎn)到回收站和從回收站到處理站的運(yùn)輸費(fèi)用和快遞包裝的處理費(fèi)用。（2-2）是從產(chǎn)生點(diǎn)到回收站和從回收站到處理站碳排放量的目標(biāo)函數(shù)。它與運(yùn)輸距離和載重車輛成正比關(guān)系。約束條件（2-3）表示每個(gè)產(chǎn)生點(diǎn)的產(chǎn)生量只能運(yùn)往一個(gè)回收站。（2-4）表示每個(gè)快遞包裝物回收站回收的快遞包裝只能被運(yùn)往一個(gè)最終處理站。（2-5）對(duì)于每個(gè)備選回收站最多建一個(gè)等級(jí)的場(chǎng)。（2-6）對(duì)于每個(gè)備選處理站最多建一個(gè)等級(jí)的場(chǎng)。（2-7）快遞包裝回收站的容量約束，從快遞包裝產(chǎn)生點(diǎn)運(yùn)來(lái)的快遞包裝的容量不能超過(guò)回收站最大容量。（2-8）最終處理站的容量約束，從快遞包裝回收站回收的快遞包裝的容量不能超過(guò)最終處理站的最大容量。（2-9）對(duì)所選回收站數(shù)量控制在A個(gè)。（2-10）對(duì)所選處理站數(shù)量控制在B個(gè)。

4. 求解策略

本文構(gòu)建的是非線性整數(shù)規(guī)劃模型，采用LINGO軟件的分支定界法來(lái)進(jìn)行求解。摒棄了傳統(tǒng)的重心法求解的弊端，通過(guò)限制目標(biāo)函數(shù)和條件，基于CFLP法，通過(guò)對(duì)已知地點(diǎn)的熟悉程度，確定合適的備選回收站和最終處理站位置。通過(guò)編寫(xiě)程序代碼，利用LINGO交互式的線性和通用優(yōu)化求解本文研究問(wèn)題的近似最優(yōu)解。

四、算例分析

1. 數(shù)據(jù)來(lái)源

合肥市是安徽省省會(huì)，是皖江城市帶核心城市，同時(shí)也是政治文化中心，是“一帶一路”、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略雙節(jié)點(diǎn)的城市，由于位處中部地區(qū)，是許多交通的紐帶也是著名的四大快遞包郵區(qū)域之一。因人口基數(shù)龐大，產(chǎn)生的快遞包裝數(shù)量巨大，每年產(chǎn)生數(shù)億件快遞訂單同時(shí)還在以每年千萬(wàn)件的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)。因考慮到合肥市人口眾多，根據(jù)人口的密集程度，盡可能準(zhǔn)確地進(jìn)行分區(qū)選取相應(yīng)的快遞包裝物產(chǎn)生點(diǎn)，然后通過(guò)結(jié)合分區(qū)，確認(rèn)回收站和最終處理站?？紤]到各個(gè)時(shí)段和不同區(qū)段的路徑，將快遞包裝物到回收站的路徑默認(rèn)為城市公路，從回收站到最終處理站認(rèn)為是高速公路，不考慮其路段的擁堵情況。利用高德地圖將合肥的9個(gè)區(qū)縣（市）進(jìn)行劃分，在每個(gè)區(qū)縣（市）選取4個(gè)快遞包裝物產(chǎn)生點(diǎn)，在附近選取18個(gè)候選快遞包裝物回收站及全范圍內(nèi)四個(gè)最終處理站?；厥照咎幚沓杀緸?.05萬(wàn)元/噸，處理站處理成本為0.1萬(wàn)元/噸，產(chǎn)生點(diǎn)到回收站運(yùn)輸成本為0.0008萬(wàn)元/公里，回收站到處理站運(yùn)輸成本為 0.0005萬(wàn)元/公里。中型貨車載重為6噸，碳排放單位為0.2噸/公里。重型貨車載重為20噸，碳排放單位為0.5噸/公里。

2.算例結(jié)果

利用LINGO軟件進(jìn)行模型的求解，在每個(gè)區(qū)縣（市）中選取一個(gè)回收站以及在整個(gè)合肥市選取兩個(gè)最終處理站，找到最佳可行解，其運(yùn)行結(jié)果如圖2所示，其選址以及分配情況如表6、表7和圖3所示。

選擇建造回收站的位置為1號(hào)，建造等級(jí)為1 的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)1，7，10，16，28，34的快遞包裝，位置3號(hào)，建造等級(jí)為1的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)3，12，13，21的快遞包裝，位置4號(hào)，建造等級(jí)為1 的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)4，11，19，22，27，29，31的快遞包裝。選擇建造回收站的位置為5號(hào)，建造等級(jí)為1 的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)5，14，23，32的快遞包裝，位置6號(hào)，建造等級(jí)為1的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)6，24，33的快遞包裝，位置11號(hào)，建造等級(jí)為1 的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)2，15，20，30的快遞包裝。選擇建造回收站的位置為13號(hào)，建造等級(jí)為1 的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)8，17，18，25，36的快遞包裝，位置17號(hào)，建造等級(jí)為1的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)35的快遞包裝，位置18號(hào)，建造等級(jí)為1 的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)9，26的快遞包裝。

選擇建造回收站的位置為2號(hào)，建造等級(jí)為1 的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)3，4，5，6，11的快遞包裝，位置3號(hào)，建造等級(jí)為1的回收站，接收產(chǎn)生點(diǎn)1，13，17，18的快遞包裝。

3. 靈敏度分析

本文對(duì)模型的一些關(guān)鍵因素進(jìn)行靈敏度分析實(shí)驗(yàn)，具體如下：在其他條件不變的情況下，針對(duì)回收站的兩個(gè)等級(jí)的容量進(jìn)行相應(yīng)的降低或者增加，同時(shí)不規(guī)定系統(tǒng)選擇備選點(diǎn)的數(shù)量，觀察最終結(jié)果選擇的處理站和回收站的數(shù)量，并同時(shí)對(duì)總成本和碳排放量的變化結(jié)果進(jìn)行記錄，對(duì)得出結(jié)果的記錄和分析如下圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，回收站的容量改變對(duì)選點(diǎn)結(jié)果中數(shù)量并沒(méi)有很大的影響，回收站的數(shù)量基本為6，處理站的容量基本為2，可以由此說(shuō)明容量的限制對(duì)所設(shè)計(jì)的參數(shù)并不太靈敏。相比總成本和碳排放，總成本從971萬(wàn)元到1329萬(wàn)元上漲了36.7%，但基本的增長(zhǎng)途徑主要為回收廠址的增加;碳排放量從2216增長(zhǎng)到3777增長(zhǎng)70.4%，其中部分原因是來(lái)自回收站和處理站位置的選擇。所以對(duì)于此模型來(lái)說(shuō)，同時(shí)考慮到設(shè)施數(shù)量和設(shè)施對(duì)于其上游的相對(duì)距離的遠(yuǎn)近才能解決設(shè)施的最優(yōu)解問(wèn)題。

五、總結(jié)與展望

快遞包裝物的回收和再利用是減少快遞包裝物環(huán)境污染的重要途徑，對(duì)保護(hù)環(huán)境和減少資源浪費(fèi)等具有重大意義，針對(duì)快遞包裝物的回收刻不容緩。本文研究和分析快遞包裝物回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)，以成本和碳排放最小為目標(biāo)，構(gòu)建了包括快遞包裝產(chǎn)生點(diǎn)、快遞包裝回收站以及快遞包裝處理站在內(nèi)的三級(jí)逆向物流網(wǎng)絡(luò)模型，發(fā)現(xiàn)快遞包裝回收站對(duì)周圍居民的影響，回收站和居民區(qū)的距離不能過(guò)遠(yuǎn)也不可以過(guò)近，如果過(guò)近則會(huì)影響周圍居民的生活質(zhì)量和身體健康，過(guò)遠(yuǎn)可能又會(huì)增加運(yùn)輸成本和碳排放量。通過(guò)對(duì)合肥市的九個(gè)區(qū)縣（市）分別進(jìn)行選點(diǎn)和數(shù)值預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了模型和算法的有效性，同時(shí)對(duì)其他城市快遞包裝物回收網(wǎng)絡(luò)選址提供一定的借鑒。本文所提供的數(shù)據(jù)均為特定環(huán)境下的確定值，忽略逆向運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的大部分不確定情況。對(duì)于碳排放函數(shù)只是在固定車型中根據(jù)選址而得出的碳排放量結(jié)果，今后還可以通過(guò)探討不同車型對(duì)碳排放以及總成本的影響?？爝f包裝物早已滲透到日常生活中，人們也需要不斷提高快遞包裝物回收意識(shí)，有助于推進(jìn)物流回收網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施和運(yùn)轉(zhuǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：王婧（1984- ），女，河南信陽(yáng)人，博士，講師，主要從事農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)研究;肖思怡（1999-） ，女，福建福安人，本科，主要從事逆向物流研究;陳丹丹（2000- ），女，安徽淮北人，本科，主要從事供應(yīng)鏈管理研究;葉勇（1981- ），男，安徽合肥人，碩士，副教授，主要從事物流與供應(yīng)鏈管理研究