基于碳交易的冷鏈物流多式聯(lián)運路徑選擇

李五雙，朱成明，李 陽，郭如夢，陳晨雨

（河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003）

0 引言

近幾年，溫室效應引發(fā)的極端天氣問題越來越頻繁，對人們的生產(chǎn)生活造成了嚴重影響，如何應對溫室效應備受各國關(guān)注，并認識到只有節(jié)能減排才能實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展。每個國家甚至每個人都有節(jié)能減排的義務，我國作為經(jīng)濟發(fā)展中的大國，二氧化碳排放量位居前列，減排任務十分艱巨。2020年習近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上提出了“碳中和”“碳達峰”的雙重目標，國家層面出臺了控制碳排放的相關(guān)政策，2011年國家發(fā)改委辦公廳發(fā)出《關(guān)于開展碳排放交易試點工作的通知》，2021年全國碳排放權(quán)交易市場正式啟動。隨著“雙碳”目標的提出以及“全國碳排放權(quán)交易市場”的上線，對碳排放權(quán)交易政策下的冷鏈物流多式聯(lián)運的路徑選擇進行研究具有重大意義。

路徑選擇問題一直是物流領(lǐng)域的研究熱點，綠色低碳下的路徑問題更是學者們關(guān)注的重點。趙邦磊[1]、王佳南[2]構(gòu)建了考慮碳排放和顧客滿意度的多目標優(yōu)化模型，改變了以往研究中僅以成本最小為目標的單目標研究方式；王長瓊、孫藝嘉[3]從貨損和碳排放兩個角度對冷鏈路徑問題進行了研究，運用服從Weibull函數(shù)的變質(zhì)率來確定貨損成本，并將碳排放也通過費用來衡量，建立了配送路徑模型。

相較于冷鏈配送，冷鏈物流多式聯(lián)運方面的研究成果尚少，究其原因是其起步較晚，2016年大連港創(chuàng)新冷藏集裝箱多式聯(lián)運，相關(guān)溫度指標等才達到國際標準[4]，2017年冷鏈物流才迎來了與物流相關(guān)的多式聯(lián)運發(fā)展的春天。李翮[5]以物流費用最小化為目標，建立了冷鏈物流多式聯(lián)運費用控制優(yōu)化模型；李帥帥，等[6]在研究中引入了軸輻式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要考慮碳排放、貨損成本等因素的影響，構(gòu)建了運輸方式選擇模型；趙聰聰[7]建立了一個考慮多種運輸方式的，基于時間-成本-碳排放的多目標優(yōu)化模型，并運用改進的NSGA-II對其進行求解；孫渲軻[8]研究了碳稅政策對冷鏈物流多式聯(lián)運的影響。

總結(jié)已有研究文獻可以看出，目前冷鏈物流的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但碳減排政策下的冷鏈物流多式聯(lián)運路徑選擇問題的相關(guān)研究較少。因此，本文對碳交易政策下的冷鏈多式聯(lián)運進行研究，綜合考慮運輸費用、中轉(zhuǎn)費用、制冷費用等因素，建立了碳交易政策下的冷鏈多式聯(lián)運路徑選擇模型，通過遺傳算法對模型進行求解，設(shè)計算例分析了碳交易政策對冷鏈多式聯(lián)運運輸方式選擇的影響。

1 冷鏈物流多式聯(lián)運碳排放核算

1.1 碳排放核算方法

冷鏈物流多式聯(lián)運主要在運輸過程、中轉(zhuǎn)節(jié)點換裝過程以及全程中的制冷環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量的能耗和二氧化碳。對碳排放進行核算的方法主要有生命周期評估法、IPCC計算法、投入產(chǎn)出法、能耗總量法等。結(jié)合本文研究對象的特點，借鑒相關(guān)文獻中所采用的核算方法，即將IPCC計算法和能耗總量法相結(jié)合，然后再收集相關(guān)數(shù)據(jù)進行研究。

1.2 碳排放量計算

與一般的多式聯(lián)運相比較，冷鏈物流多式聯(lián)運的二氧化碳排放源不僅包括運輸過程和中轉(zhuǎn)節(jié)點的裝卸過程，還要考慮全程中的制冷過程。本文所研究的碳排放量主要考慮這三個方面，碳排放量的核算方法如下：

（1）運輸過程中碳排放量核算。在運輸過程中產(chǎn)生的碳排放量主要與燃料消耗量、運輸方式、運輸距離及貨運量等因素有關(guān)，計算公式如下：

其中，表示在運輸方式k下燃料a的單位消耗量；表示運輸方式k從節(jié)點i到節(jié)點j的運貨量；表示運輸方式k從節(jié)點i到節(jié)點j的運輸距離；ea表示燃料a的碳排放系數(shù)；取值0或1，當1時表示從節(jié)點i到節(jié)點j通過運輸方式k進行運輸，否則

（2）中轉(zhuǎn)過程中的碳排放量核算。冷藏貨物在多式聯(lián)運時可以選擇公路、鐵路和水路，在實現(xiàn)公-鐵、公-水和鐵-水的轉(zhuǎn)換時，必須借助一定的設(shè)施設(shè)備來完成，在這個過程中會產(chǎn)生一定的二氧化碳排放，造成的環(huán)境影響不可忽略，中轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的碳排放計算公式如下：

其中，是指在節(jié)點i將冷鏈產(chǎn)品由運輸方式k轉(zhuǎn)換成運輸方式l時所使用的轉(zhuǎn)運工具的碳排放系數(shù)；取值0或1，當0時表示在節(jié)點i不發(fā)生運輸方式的改變，否則運輸方式發(fā)生改變。

（3）制冷過程中的碳排放核算方法。為了保證冷鏈產(chǎn)品的品質(zhì)，降低貨物損壞量，冷鏈貨物要使用特殊的設(shè)施設(shè)備進行運輸，以達到將溫度控制在適當?shù)牡蜏丨h(huán)境下的目的，這些特殊設(shè)施設(shè)備在實現(xiàn)箱體內(nèi)低溫的同時會產(chǎn)生一定的能耗和二氧化碳。在整個運輸過程中，因制冷產(chǎn)生的碳排放量核算方式如下：

其中，e是指因制冷在每單位運量和每單位運距上產(chǎn)生的二氧化碳量。

因此，在冷鏈物流多式聯(lián)運過程中產(chǎn)生的二氧化碳總量C為：

2 模型構(gòu)建

2.1 建模準備

2.1.1 問題描述。一批冷藏貨物需要從城市A運輸?shù)匠鞘蠬，在此期間需要經(jīng)過N個城市即N個轉(zhuǎn)運節(jié)點才能完成任務，這些途經(jīng)節(jié)點可以提供公路、水路和鐵路三種運輸方式，且具備換裝轉(zhuǎn)運條件。以冷藏集裝箱為運載體，經(jīng)過聯(lián)合運輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)該批冷藏貨物的運輸業(yè)務。再結(jié)合影響冷鏈物流多式聯(lián)運運輸方案選擇的相關(guān)因素，本文建立了以總成本最小為目標的冷鏈物流多式聯(lián)運路徑選擇模型，最終選擇出最佳的運輸方案。

2.1.2 模型假設(shè)

（1）運輸?shù)睦洳刎浳镏荒茉诙嗍铰?lián)運網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)運節(jié)點進行換裝轉(zhuǎn)運，且在轉(zhuǎn)運節(jié)點最多進行一次運輸方式的改變。

（2）冷藏貨物在聯(lián)合運輸過程中為整箱運輸，不進行拆箱和拼箱操作；忽略如天氣狀況、路況、運輸設(shè)施設(shè)備故障等不可抵抗因素的影響。

（3）冷藏貨物在轉(zhuǎn)運節(jié)點換裝時到達就服務，不考慮等待時間和這個過程中產(chǎn)生的費用。

（4）只考慮從冷藏貨物在發(fā)貨地集結(jié)完畢準備發(fā)貨到收貨地交給收貨人的這部分時間。

2.1.3 相關(guān)參數(shù)及其含義

N：運輸節(jié)點的集合{1,2,…,N}；

K：運輸方式的集合{公路,鐵路,水 路}；

：運輸方式k在節(jié)點i和節(jié)點j之間單位運輸距離和單位貨運量所需要的費用；

：在節(jié)點i和節(jié)點j之間運輸方式k運載的冷鏈貨物量；

：運輸方式k從節(jié)點i到節(jié)點j的距離；

：在中轉(zhuǎn)節(jié)點i處，冷藏貨物由運輸方式k改為運輸方式l產(chǎn)生的單位貨物轉(zhuǎn)運費用；

β：碳交易市場的交易單價；

E：政府相關(guān)部門分配的碳排放額度；

：運輸方式k從節(jié)點i到節(jié)點j所花費的運輸時間；

：在節(jié)點i將貨物從運輸方式k轉(zhuǎn)換成運輸方式l花費的轉(zhuǎn)運時間；

φ：制冷劑單位價格；

ΔT：冷藏集裝箱內(nèi)部和外部的溫度差值；

Ψ：運輸貨物腐爛損壞的速率；

M：冷藏集裝箱內(nèi)貨物的價值；

q：承載的總貨運量。

2.1.4 成本分析

（1）運輸成本。運輸成本主要與運輸費率、運輸距離以及運輸量有關(guān)，在整個運輸中產(chǎn)生的運輸費用W1計算公式如下：

（2）中轉(zhuǎn)成本。中轉(zhuǎn)費用主要與節(jié)點的單位轉(zhuǎn)運成本和貨物轉(zhuǎn)運量有關(guān)，中轉(zhuǎn)費用W2的計算公司如下：

（3）碳排放成本。碳交易下產(chǎn)生的碳排放成本主要和國家政府部門分配的額度、碳交易價格、碳排放量有關(guān)，當碳排放量小于分配額時，企業(yè)可以以碳交易價格出售多余的碳排放額獲得收益，而當碳排放量大于分配額時，企業(yè)需要通過購買碳排放額擴大自身的碳排放量造成一定的成本支出。結(jié)合上述對冷鏈物流多式聯(lián)運過程中碳排放來源及核算方法的分析，得到碳排放成本計算如下：

（4）制冷成本。在冷鏈多式聯(lián)運過程中，主要考慮以制冷劑的消耗來保持低溫，制冷劑的消耗速度受裝載工具的老舊程度、熱傳導率、冷藏集裝箱內(nèi)外溫差等因素的影響。本文以在整個多式聯(lián)運中制冷劑使用產(chǎn)生的費用作為制冷成本，再結(jié)合影響制冷劑消耗量的因素，制冷成本計算過程如下：

冷鏈多式聯(lián)運運輸中的熱負荷U為：

其中，δ表示箱體的折舊率；η為熱傳導率；S為集裝箱受到太陽照射的面積，一般取集裝箱內(nèi)外表面積的平方根；ΔT指冷藏集裝箱內(nèi)部和外部的溫度差。

因此，產(chǎn)生的制冷費用W4為：

（5）貨損成本。貨損成本是貨物的價值、貨損率和運輸時間的乘積，計算過程如下：

（6）時間懲罰成本。時間懲罰成本是指多式聯(lián)運經(jīng)營人未按規(guī)定的時間將貨物送達約定的地點而產(chǎn)生的費用。如果貨物早于約定的時間送達會產(chǎn)生一定的倉儲費用，晚于約定的時間送到則會產(chǎn)生一定的懲罰費用，懲罰成本表示如下：

式（11）中，σ1和σ2為時間懲罰系數(shù)。

2.2 模型構(gòu)建

2.2.1 碳交易下的冷鏈物流多式聯(lián)運路徑選擇模型?；谝陨蠈Τ杀镜姆治?，碳交易政策下的冷鏈物流多式聯(lián)運路徑選擇模型構(gòu)建如下：

約束條件：

式（12）為總成本目標函數(shù)；式（13）表示在節(jié)點i，j之間僅能選擇一種運輸方式；式（14）表示在節(jié)點城市只能轉(zhuǎn)運到一種運輸方式上；式（15）表示運輸方式k的運輸量不超過總運輸量；式（16）表示時間懲罰函數(shù)；式（17）表示總時間只包含各城市節(jié)點間的運輸時間和發(fā)生中轉(zhuǎn)的中轉(zhuǎn)時間；式（18）和式（19）表示決策變量取值0或1。

2.2.2 模型求解。本文擬采用遺傳算法對模型進行求解，遺傳算法的主要步驟如下：

（1）編碼。遺傳算法的編碼方式有二進制編碼、自然數(shù)編碼、格雷碼編碼等多種方式。首先，針對本文研究的多式聯(lián)運路徑選擇問題，擬采用自然數(shù)編碼的方式對運輸方式進行編碼，數(shù)字1代表公路，數(shù)字2代表鐵路，數(shù)字3代表水路。其次，需要對運輸中經(jīng)過的若干城市進行編碼，將起始節(jié)點記為O，終點記為D。對于多式聯(lián)運途中經(jīng)過的若干中轉(zhuǎn)城市，為了研究方便，本文借鑒已有的研究成果，將中轉(zhuǎn)城市劃分為若干層級，如第一層級包括三個城市為A1、A2和A3，第二層級包括兩個城市B1和B2，第三層級包括三個城市C1、C2和C3，依次類推。運輸方案O-1-A2-2-B3-2-C1-3-D2-1-D，表示從起始城市O出發(fā)，經(jīng)過公路運輸?shù)竭_中轉(zhuǎn)城市A2，并在該城市把運輸方式轉(zhuǎn)變?yōu)殍F路運輸，經(jīng)過中轉(zhuǎn)城市B3運輸方式不發(fā)生改變，鐵路運輸至城市C1，在C1通過中轉(zhuǎn)換乘水路運到城市D2，在城市D2中轉(zhuǎn)至公路運輸運達目的地點D。

（2）初始種群。一般將種群規(guī)模控制在20-200之間。本文將種群規(guī)模假設(shè)為包含100個隨機任意離散的個體。

（3）適應度函數(shù)?？紤]到適應度值具有非負性、最大化等特性，在此以目標函數(shù)的倒數(shù)來構(gòu)建適應度函數(shù)。

（4）選擇算子。本文擬采用在相關(guān)研究中使用較多的輪盤賭法對每一代種群中的個體進行選擇。

（5）交叉算子。染色體之間以單點交叉方式發(fā)生交叉變異，交叉概率假設(shè)為0.6。交叉點只能發(fā)生在具有中轉(zhuǎn)功能的城市節(jié)點，同時當且僅當隨機配對的兩條染色體中存在相同的中轉(zhuǎn)節(jié)點時才發(fā)生交叉，否則不進行交叉互換。交叉過程如圖1所示。

圖1 交叉過程

（6）變異算子?；蜃儺愐脖环Q為基因突變。本文以單點變異的方法發(fā)生突變，并將變異概率設(shè)置為0.1。變異過程如圖2所示。

圖2 變異過程

（7）終止算子。在遺傳算法中需要人為設(shè)定迭代次數(shù)，當種群迭代次數(shù)（即循環(huán)以上操作步驟次數(shù)）達到設(shè)定迭代次數(shù)時，算法停止運行并輸出結(jié)果得到最優(yōu)解，本文將迭代次數(shù)設(shè)置為500。

3 算例分析

3.1 算例描述和相關(guān)數(shù)據(jù)

考慮到數(shù)據(jù)的不易獲取，本文基于降亞迪[9]研究的多式聯(lián)運實例為背景，假設(shè)經(jīng)營從長春到鄭州的多式聯(lián)運運輸服務企業(yè)R同時也經(jīng)營冷鏈貨物多式聯(lián)運業(yè)務，該企業(yè)接收到一個運輸訂單即承運一批60t重的冷藏貨物，要求將該批貨物從O運輸?shù)紻。算例運輸網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。不同運輸方式下的運輸距離見表1。

圖3 算例冷鏈多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)

表1 各城市節(jié)點不同運輸方式下的運輸距離

（1）不同運輸方式的單位運輸費用和運輸速度。本文設(shè)計的算例是研究環(huán)渤海的冷藏集裝箱多式聯(lián)運業(yè)務，水路運輸采用沿海運輸費率進行計算。通過查閱文獻可以獲得不同運輸方式的單位運輸費用和運輸速度，能耗數(shù)據(jù)借鑒文獻[10]交通運輸業(yè)碳排放量比較研究中的數(shù)據(jù)，參考2006年IPCC指南中的建議值來獲取不同能耗類型的碳排放系數(shù)。相關(guān)運輸參數(shù)見表2。

表2 不同運輸方式下的相關(guān)運輸參數(shù)

（2）不同運輸方式間的中轉(zhuǎn)費用、中轉(zhuǎn)時間、碳排放系數(shù)。多式聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)中主要有公路-鐵路、公路-水路和鐵路-水路三種轉(zhuǎn)運方式，結(jié)合相關(guān)文獻對不同運輸方式的中轉(zhuǎn)費用和中轉(zhuǎn)時間進行取值[11]，轉(zhuǎn)運節(jié)點的碳排放系數(shù)參考孫渲柯[8]、鄭茜[12]的研究進行設(shè)定，見表3。

表3 不同運輸方式之間的中轉(zhuǎn)費率、中轉(zhuǎn)時間、碳排放系數(shù)

（3）其他相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。算例中采用20ft的標準冷藏集裝箱運輸該貨物，20ft集裝箱的內(nèi)外尺寸見表4[13]，結(jié)合相關(guān)文獻[8，13-14]對模型中其余相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，見表5。

表4 20ft冷藏集裝箱內(nèi)外規(guī)格尺寸

表5 模型中部分參數(shù)設(shè)置

取2021年碳交易市場的最高交易價格56.00元/t、最低價格53.50元/t[15]二者的平均值作為本研究中的碳交易價格，即54.75元/t，取值為0.05元/kg。

3.2 結(jié)果分析

借助MATLAB軟件對模型進行求解，具體運行結(jié)果為：O-1-A1-1-B2-1-C1-1-D2-1-D，即運輸路徑為O-A1-B2-C1-D2-D，運輸方式為公路-公路-公路-公路-公路，全程產(chǎn)生的總成本為139 000.00元，其中運輸成本為51 438.42元，中轉(zhuǎn)成本為0元，碳排放費用為775.02元，制冷成本為85 667.72元，貨損成本為1 118.42元，時間懲罰費用為0元，在該過程中產(chǎn)生的碳排放量為19 000.44kg，總時間為22.82h。

進一步探究不考慮碳排放費用的情境，結(jié)果與考慮碳排放費用下的結(jié)果相同，究其原因是碳交易價格為0.05元/kg產(chǎn)生的碳交易成本只占總費用的0.55%，對運輸方案決策的影響較小，決策者在追求經(jīng)營效益的情況下往往會忽略該部分費用。而當碳交易價格為0.5元/kg、1.0元/kg、1.5元/kg、2.0元/kg、2.5元/kg等時，對運輸方案會產(chǎn)生不可忽略的影響，不同碳交易價格下的仿真結(jié)果見表6。

表6 不同碳交易價格下的運輸方案、總費用、碳排放量

由表6可以看出，隨著碳交易價格的上升，運輸方式呈現(xiàn)由全公路轉(zhuǎn)變?yōu)楣?lián)運進一步轉(zhuǎn)變?yōu)楣F水聯(lián)運，最終變?yōu)槿惕F路運輸?shù)倪^程，總費用呈現(xiàn)隨交易價格升高而先升高后降低的趨勢，碳排放量先隨碳交易價格的升高而降低，而后趨于定值。這表明了鐵路運輸在冷鏈物流多式聯(lián)運過程中實現(xiàn)節(jié)能減排發(fā)揮著重要作用，同時從長遠來看，碳交易政策的實施有利于降低企業(yè)運營成本和減少碳排放。

4 結(jié)語

本文主要研究了碳交易政策下的冷鏈物流多式聯(lián)運路徑選擇問題，建立了綜合考慮運輸費用、中轉(zhuǎn)費用、碳交易下的碳排放費用、貨損費用、制冷費用和時間懲罰費用的路徑選擇模型，運用遺傳算法對模型進行了求解。將碳交易下的結(jié)果和不考慮碳排放的結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)在碳交易價格非常低時，碳交易政策對冷鏈物流多式聯(lián)運的碳排放沒有影響，而當碳交易價格不斷升高時，會對冷鏈多式聯(lián)運運輸方案產(chǎn)生顯著影響，同時可以看出鐵路運輸在冷鏈多式聯(lián)運中降低成本和減少碳排放的作用越來越顯著，碳交易政策的實施可以實現(xiàn)企業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護的雙目標。