低碳经济条件下企业物料运输方式定量选择

杨秋侠，孙雅楠 YANG Qiu-xia,SUN Ya-nan

（西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055）

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

0 引言

工业企业的发展拉动了社会经济，这无可厚非，但与此同时也带来了令人困扰的环境问题。我们在追求企业经济效益的同时，也要兼顾社会效益和生态效益。对于企业而言，每一个环节都有大量的碳排放，其中运输属于能源集中环节，而且二氧化碳占据了很大的比例。企业物料运输系统包括运输方式及运输方式之间的衔接、运输网络结构及布置形式、运输工具等。运输方式选取不合理和不同运输方式之间的衔接转换点布置不合理，会导致生产物料运送距离长增加碳排放；运输网络结构及布置形式不合理，会使物料运输不畅、易拥堵使碳排放增加；运输工具选择不合理也会造成碳排放量增多。

低碳经济方面现有学者所做的研究大部分是针对交通运输系统或者物流系统，针对企业生产物流方面的研究较少。已有的企业生产物流的研究，在进行运输方式选择时，基本是以费用最低或者时间最短来作为优化目标，没有考虑二氧化碳排放对环境的影响。

本文结合低碳经济的背景，在传统的以费用最低为目标来优化的基础上加入碳排放这一因素，将碳排放量最小作为优化目标，并兼顾考虑经济因素，将投资费用作为约束条件建立模型，选出最优的物料运输方式。

1 模型建立

企业物流的运输方式包括道路、铁路、皮带和管道等方式。首先，我们根据物料的功能性质、厂外的运输方式、生产工艺的要求、运量和运距的要求、建设场地条件和平面布置的要求、运输设备的供应情况等，对物料的运输方式进行定性分析，其结果可能存在一种物料可以用几种运输方式来运输，那么就要对这几种运输方式进行定量选择，从中选出一种最优的运输方式。

进行定量选择建立模型时，有以下几个假设条件：

（1）企业的总平面布置已知，即各车间的位置已知。

（2）任意两个车间之间不止有一种运输方式可采用。

（3）任意两个车间的流量已知。

（4）所有费用信息已知。

（5）只考虑与物料搬运有关的车间。

则建立目标函数如下：

其中：k：企业生产物流中物料搬运所采用的4 种搬运方式：道路、铁路、皮带、管道等运输方式。

Mij：从i 车间到j 车间运输物料的重量，t。

Aij：从i 车间到j 车间物料运输的水平距离，m。

Hij：从i 车间到j 车间物料运输的垂直距离，m。

qAk：第k 种运输方式水平方向运输单位距离需要的能源，J。

qHk：第k 种运输方式垂直方向运输单位距离需要的能源，J。

xijk：从i 车间到j 车间是否采用第k 种运输方式，其中：

ηk：第k 种运输方式的能源转换效率。

θk：第k 种运输方式所消耗燃料整个生命周期的二氧化碳排放系数。约束条件：

其中，aijk表示从i 车间到j 车间采用第k 种运输方式时，第k 种运输方式车辆的年运营费用和年基建投资费用之和。b 表示企业年运营费用和年基建投资费用之和的预算。式（1）表示物料运输时需要的年运营费用和年基建投资费用之和不能超过企业的预算；式（2）表示任意两个车间之间的流量一定有一定数量的运输方式予以满足；式（3）中xijk取0 表示i 车间与j 车间之间不采用第k 种运输方式，取1 表示i 车间与j 车间之间采用第k 种运输方式。

2 模型求解

模型中变量xijk只能取0 或1，故该模型为0-1 规划。本文采用分枝—隐枚举法。计算步骤如下：

（1）将0-1 规划问题的目标函数系数化为非负；当变量作了代换后，约束条件中的变量也相应作代换。

（2）变量重新排序，变量依据目标函数系数值按升序排序。

（3）求主枝：目标函数是max 形式时令所有变量等于1，得到目标值的上界；目标函数是min 形式时令所有变量等于0，得到目标值的下界；如果主枝的解满足所有约束条件则得到最优解，否则转下一步。

（4）分枝与定界：从第一个变量开始依次取“1”或“0”，求极大值时其后面的变量等于“1”，求极小值时其后面的变量等于“0”，用分支定界法搜索可行解和最优解。

停止分枝和需要继续分枝的原则：

（1）当某一子问题是可行解时则停止分枝并保留；

（2）不是可行解但目标值劣于现有保留分枝的目标值时停止分枝并剪枝；

（3）后续分枝变量无论取“1”或“0”都不能得到可行解时停止分枝并剪枝；

（4）当某一子问题不可行但目标值优于现有保留分析的所有目标值，则要继续分析。

其中在获取各种运输方式的二氧化碳排放系数时，我们采用的是生命周期法进行分析。4 种运输方式中，铁路、皮带和管道运输均消耗的是电能，道路运输消耗的是柴油。

电能整个生命周期二氧化碳排放系数计算公式如下：

其中：θe：电能整个生命周期的二氧化碳排放系数。

θef：电网电源的二氧化碳排放系数。

θep：发电的电厂的二氧化碳排放系数。

θem：原材料提取和加工的二氧化碳排放系数。

柴油整个生命周期二氧化碳排放系数计算公式如下：

其中：θo：成品油整个生命周期的二氧化碳排放系数。

θom：用于原油开采的二氧化碳排放系数。

θop：炼油的二氧化碳排放系数。

θof：炼油燃烧废弃物的二氧化碳排放系数。

整个电网的加权平均碳排放因子可以从IPCC 国家温室气体清单指南中获得。用于柴油消耗的碳排放系数的计算如表1 所示。

表1 柴油消耗的碳排放系数计算表

3 算例分析

有4 个车间①②③④，如图1 所示，其相互的平面位置已知，即相互之间的距离信息已知。其中物料流程方向如图中箭头方向所示，经过定性分析得到①—②车间物料运输可采用的运输方式有道路和皮带，②—③车间物料运输可采用的运输方式有道路、铁路和皮带，③—④车间物料运输可采用的运输方式有道路和管道。假设4 种运输方式的代码分别为，道路1，铁路2，皮带3，管道4。

已知各个车间之间物料运输的水平距离、垂直距离、运量如表2 所示。

表2 车间之间物料运输的距离及运量信息表

经过查阅资料，给定4 种运输方式运输单位距离消耗的能源分别为：qA1=0.3J/m，qA2=0.011J/m，qA3=0.06J/m，qH3=0.09J/m，qA4=0.05J/m。道路运输消耗柴油，但是在柴油发动机的能量交换效率仅为30%。电力是通过与80%的能量交换率的驱动电机交换转化为机械能。由于道路运输消耗柴油，铁路、皮带、管道运输消耗电能，因此第k 种运输方式的能源转换效率ηk为：η1=η油=30%，η2=η3=η4=η电=80%。中国华北区域电网在2014年的碳排放系数是1.0580 千克/千瓦小时，而由表1 可知柴油燃烧的碳排放因子是0.3006 公斤/千瓦时，因此，θ1=θ油=0.3006kg/kw.h，θ2=θ3=θ4=θ电=1.0580kg/kw.h。此外，设道路的单位距离运营及投资费用为10，铁路的单位距离运营及投资费用为5，皮带的单位距离运营及投资费用为3，管道的单位距离运营及投资费用为4，该企业的运输建设运营及投资费用预算为1 000。代入模型得：

4 总结

随着社会的快速发展，低碳经济发展模式将会受到越来越多的关注，在选择企业生产物料运输方式时，碳排放量的因素也会引起更广更深的重视。因此，不仅要在定性分析时考虑到碳排放量对环境的影响，更要定量化地体现它的重要性。本文通过建立模型，对企业在低碳经济条件下如何定量地选择物料运输方式作了分析，使企业物料运输方式选择更加客观，更有说服力。

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