基于系统动力学的钢铁物流碳减排策略研究

刘俊红，罗定提，邹安全 LIU Jun-hong, LUO Ding-ti, ZOU An-quan

（1. 湖南工业大学 财经学院，湖南 株洲412007；2. 湘南学院 经济与管理学院，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

钢铁产业是国民经济的支柱产业，钢铁供应链从采购原材料开始，到最终的钢铁成品销售并投入使用，都伴随着物流过程。国际能源署出版的《运输、能源与二氧化碳：迈向可持续发展》报告指出，交通运输领域的的石油消耗量占到了全球石油量的57%，由此引发的二氧化碳（CO2） 排放量大约占全球CO2排放总量的25%[1]，整个物流行业的碳排放居高不下。

对于物流领域的碳排放问题，不少学者对其进行了相关研究，主要归纳为以下三个方面：①运输、仓储过程的碳排放研究，如Cholette 和Venkat 对在食品和饮料供应链中的运输和仓库活动中能源消耗量和碳排放量进行了相关计算[2]；楚龙娟等运用产品生命周期法计算物流过程的谈排放[3]；Hoen 等建立了运输库存碳排放测量模型，分析了不同情况下的碳排放情况[4]。②物流过程能源消耗和能源结构方面的研究，如Iacob 等建立了基于能源结构的物流碳管理系统（LCMS），详细准确地计算了运输过程碳排放量[5]；李烨啸分析了我国物流业能源消耗趋势和发展规律，探讨了产业发展水平、能源结构等对物流业碳排放的影响[6]；唐丽敏等通过建立物流节能减排系统动力学模型，分析了物流与经济、能源、环境之间的关系[7]。③物流配送网络设计与物流体系改进方面的研究，如李蜀湘认为必须改进物流体系，通过发展低碳物流来发展低碳经济[8]；夏文汇基于VRP 模型，在低碳经济环境条件下研究钢铁企业生产物流配送模型[9]。

通过对以上相关文献的分析可知，目前，研究钢铁供应链物流过程碳排放的文献相对较少，也很少有人从系统的角度，运用定性分析与定量计算相结合的方法研究钢铁物流过程碳排放量。基于此，本文结合系统动力学方法，运用VENSIM 软件，建立钢铁物流碳排放系统动力学基本模型，对钢铁物流的运输和装卸搬运过程的碳排放进行系统的控制研究，寻求降低钢铁物流碳排放量的策略和措施。

1 钢铁物流碳排放系统分析

1.1 模型假设

本文设计的钢铁物流碳排放模型只考虑了物流过程的运输和装卸搬运活动，因为钢铁原料采购物流过程和钢铁产成品销售物流过程都伴随着大量的运输和装卸搬运环节，运输和装卸搬运都需要消耗能源，能源消耗的过程会产生碳排放。因此，模型假设：①钢铁原料和成品的运输过程都涉及汽运、水运和铁路运输三种运输方式，且每种运输方式占有一定的比重；②每种运输方式产生的能源消耗都可以按一定的计算比例折算成煤的耗用量。

1.2 因果关系分析

钢铁物流运输和装卸搬运过程都会产生碳排放，可通过优化运输结构、提高能源效率、降低货运强度等方面降低物流过程能源消耗。因此，模型设计的钢铁物流碳排放控制系统主要包括三个子系统，主要反馈回路如图1 所示：

（1） 运输结构子系统：钢铁物流碳排放→管理水平→运输结构→能源消耗→运输/装卸搬运碳排放→钢铁物流碳排放。

（2） 能源效率子系统：钢铁物流碳排放→技术水平→能源效率→能源消耗→运输/装卸搬运碳排放→钢铁物流碳排放。

（3） 货运强度子系统：钢铁物流碳排放→管理水平→货运强度→能源消耗→运输/装卸搬运碳排放→钢铁物流碳排放。

这三个子系统都构成正反馈回路，有助于钢铁物流企业提高管理水平，优化运输结构和降低货运强度，减少运输过程能源消耗；有助于钢铁物流企业引进现代先进技术，提高相关机械设备能源利用效率，减少物流过程碳排放。

2 系统动力学模型的建立

2.1 钢铁物流过程碳排放系统流程图

根据因果关系图，利用VENSIM 软件构建钢铁物流碳排放系统流程图（如图2），模型主要考虑了运输和装卸搬运过程的碳排放量。

2.2 模型主要方程

（1） 水运货物周转量=水运比重×货物周转量，Units：吨公里；

（2） 汽运货物周转量=公路比重×货物周转量，Units：吨公里；

（3） 煤消耗量=汽运货物周转量×0.04+水运货物周转量×0.002+铁路运输货物周转量×0.012，Units：吨；

（4） 物流运输能源消耗=煤消耗量/能源效率，Units：吨；

（5） 装卸搬运碳排放累积速率=单位装卸搬运碳排放量×订单量；

（6） 装卸搬运碳排放量=INTEG（装卸搬运碳排放累积速率, 0），Units：吨；

（7） 货物周转量=平均运输距离×订单量，Units：吨公里；

（8） 运输碳排放累积速率=单位能源消耗碳排放量×物流运输能源消耗；

（9） 运输碳排放量=INTEG（运输碳排放累积速率, 0），Units：吨；

（10） 钢铁物流过程碳排放量=装卸搬运碳排放量+运输碳排放量，Units：吨；

（11） 铁路运输货物周转量=铁路比重×货物周转量，Units：吨公里。

2.3 模型相关参数

表1 模型相关参数

3 钢铁物流碳排放系统的仿真与分析

模型以一个季度为一个仿真周期，一天为一个步长，利用VENSIM 软件进行仿真，模拟不同情况下钢铁物流过程的碳排放量。本文通过对系统动力学模型中相关常量（参数） 的设定，对平均运输距离、公路比重、铁路比重、水运比重、能源效率五个参数进行调整，模拟得出不同数值下钢铁物流过程碳排放量，以实现对钢铁物流过程碳排放的优化控制。

3.1 模型仿真

（1） 不同运输结构的钢铁物流碳排放量仿真

钢铁原料采购运输与产成品运输都包含公路、铁路和水路运输，采购的原料会根据供应地交通条件和采购量的不同而选择不同的运输方式，产成品的运输会根据需求地交通条件和需求量的不同而选择不同的运输方式。每种运输方式的能源消耗不同，运输过程产生的碳排放量就有所不同。本文对公路比重、铁路比重和水运比重分别设定三组不同的数值，分别为0.4、0.3、0.3（简写433）；0.3、0.4、0.3（简写343）；0.3、0.3、0.4（简写334）。模拟对比分析不同运输结构下煤消耗量和钢铁物流过程碳排放量的变化情况。对比分析情况如表2 所示：

表2 不同运输结构下钢铁物流碳排放量

由表2 分析可知：①公路比重、铁路比重和水运比重占不同的比值，钢铁物流过程碳排放量发生较大的变化；②增加公路运输比重，物流过程碳排量将增大，增加水运比重，物流过程碳排放量将大幅度减少；③铁路运输相对于公路运输有较为明显的优势，水路运输相对铁路运输有一定的优势，但差别无铁路运输相对于公路运输的差别大。因此运输结构对钢铁物流过程碳排放量影响较大。以下两种情况在运输结构为334 的条件下进行模拟仿真。

（2） 不同能源效率的钢铁物流碳排放量仿真

能源效率是指单位能源消耗所带来的经济效益是多少的问题，也就是能源的利用率，运输过程的能源效率主要是指运输工具发动机能源利用效率。本文对能源效率设定3 个值，分别为0.7、0.8、0.9，模拟不同能源效率下钢铁物流过程碳排放量的变化情况。对比分析情况如表3 所示：

表3 不同能源效率下钢铁物流过程排放量

由表3 分析可知：随着能源效率由0.7 吨上升到0.9，钢铁物流过程碳排放量有大幅度的降低，一个仿真周期内减少了15 369 吨，可见能源效率对钢铁物流过程碳排放量有重大影响，接下来在能源效率为0.9 的条件下进行模拟仿真。

（3） 不同货运强度下钢铁物流过程碳排放量仿真

货运强度由货物运输量乘上运输距离得到，由于每批次货物运量无法减少，所以只能通过缩短运输距离的方式降低货运强度。本文对运输距离设定5 个值，分别为100KM、90KM、80KM、70KM、60KM，模拟不同货运强度下钢铁物流过程碳排放量的变化情况。对比分析情况如表4 所示。

表4 不同运输距离下钢铁物流过程碳排放量表

由表4 分析可知：随着运输距离由100KM 下降到60KM，钢铁物流过程碳排放量有大幅度的降低，一个仿真周期内减少了21 517 吨，可见货运强度对钢铁物流过程碳排放量有重大影响。目前能源利用技术提高需要大量资金投入，而且较为困难，相比而言，优化运输距离具有很大的挖掘空间。

3.2 仿真分析与碳减排策略

通过对模型的模拟仿真可知，运输结构、能源效率和货运强度都对钢铁物流过程碳排放量具有一定的影响，其相关参数的优化对钢铁物流过程碳排放量的降低具有重要的意义。

（1） 优化运输结构，降低公路运输比重，增加铁路和水路运输比重，选择低碳运输方式。目前，大部分钢铁企业选址都会考虑交通运输条件，原料和成品都涉及到公路、铁路和水路运输，可以从以下三个方面优化运输结构：①降低公路运输比重：公路运输运量小，运输过程能耗大，适宜于小批量的中短途运输。②增加铁路和水路运输比重：充分开发海运和江运优势，对于有条件的地带，首先选择水路运输；没有水运条件的地带，首先考虑铁路运输。③发展多式联运：对于中长距离的原料和成品运输，可以发展公铁联运和水路联运，铁路运输和水路运输承担长距离运输，公里运输承担始发端和接收端的短途转运。

（2） 引进相关技术，淘汰落后设备，提高运输设备能源利用效率。提高能源效率可以直接降低物流过程能源消耗，从而降低物流过程碳排放量，可以从以下两个方面提高能源效率：①淘汰落后设备，引进新型运输工具：目前市场上还有很多老式运输车辆，能耗高，能源利用率低，处于报废期却仍然使用，应充分利用国内外先进技术，购买高效车取代老式车，提高能源效率。②提高运输满载率、降低返程空载率：车和船运输过程都有一个最大载运量问题，满载可以大幅度提高运输过程能源利用效率；同时合理计划，使车船返程时可以托运其他货物，这样间接性的提高了运输过程能源利用率。

（3） 提高管理水平，缩短运输距离，降低货运强度。货运强度主要受运输距离的影响，可以从以下两个方面缩短运输距离：①优化运输线路：充分了解钢铁原料或成品从供应地到需求地的运输线路情况，合理布局运输线路的选择，缩短运输距离。②合理布局钢铁生产厂位置，可以靠近主要原料供应地，缩短原料运输距离，也可以靠近成品消费地，缩短成品运输距离。

4 结 论

本文通过建立钢铁物流过程碳排放系统动力学模型，模拟了公路比重、铁路比重、水运比重、能源效率、运输距离五个参数对钢铁物流过程碳排放量的影响。通过对不同参数取值的仿真，得出结论：①合理的运输结构可以有效地降低钢铁物流过程碳排放量；②能源效率对能效消耗具有直接影响，可通过淘汰落后设备、引进新型运输工具、提高运输满载率、降低回程空载率等方式提高运输过程能源效率；③运输距离具有很大的优化空间，合理安排运输线路、合理设置钢铁生产厂可有效缩短运输距离，降低运输过程碳排放。钢铁物流过程是一个能源消耗过程，通过优化运输结构、提高能源效率和降低货运强度，可以减少能源消耗，从而降低物流过程碳排放量，实现可持续发展。

[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] 楚龙娟，冯春. 碳足迹在物流和供应链中的应用研究[J]. 中国软科学，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] 李烨啸. 中国物流产业碳排放驱动因素及碳排放结构的研究[D]. 无锡：江南大学（硕士学位论文），2013.

[7] 唐丽敏，曾颖，王成武,等. 基于系统动力学的物流节能减排政策模拟[J]. 系统工程，2013,31(6):87-94.

[8] 李蜀湘，陆小成. 中国低碳物流金融支持模型研究[J]. 中国流通经济，2010(2):27-30.

[9] 夏文汇. 基于低碳经济的钢铁生产物流配送模型研究[J]. 重庆理工大学学报，2010,24(10)：47-54.