多级供应链碳排放刻画与度量模型—基于EOQ理论分析

蓝海燕，姜力文，杜心宇，张 影

（1.辽宁工业大学 管理学院，辽宁 锦州 120001；2.东北大学 工商管理学院，辽宁 沈阳 100169）

多级供应链碳排放刻画与度量模型—基于EOQ理论分析

蓝海燕1，姜力文2，杜心宇1，张 影1

（1.辽宁工业大学 管理学院，辽宁 锦州 120001；2.东北大学 工商管理学院，辽宁 沈阳 100169）

准确刻画与度量多级供应链碳排放，是研究低碳供应链的关键。在对国内外相关研究进行综述的基础上，以多级供应链为研究对象，基于实质性排放原则，根据供应链初始碳分配方法得到初始配额，以订单发出为分界点，确定多级系统碳排放核算空间，并归类刻画。基于EOQ理论，抽象出供应链碳排放度量方法，建立运输、库存、生产活动碳排放度量的一般模型，使多层级多成员的全部碳排放活动得到完整的分布刻画与计量，有利于低碳供应链模型化研究。

多级供应链；碳排放；刻画；度量模型；EOQ理论

1 引言

减少温室气体排放已经成为世界各国共同的责任与挑战。目前，全球交通运输业的二氧化碳排放量占总排放的30%以上，物流业作为交通运输的重要组成部分，预计2030年的排放量可能达到1990年的4.1倍。要实现经济和环境的可持续发展，必然要求发展低碳供应链。Walmart和ZETA Communities运用低碳管理理念，实现供应链减排目标［1］，可口可乐公司提出供应链绿色运营战略，海尔集团建立全球首条“无氟变频空调低碳产业链”。由此可见，低碳供应链运作理念已经得到普遍认同。

供应链碳排放的准确度量与刻画是研究供应链碳排放问题的难点［2］。当前，国内外关于供应链碳排放度

量的方法主要有两种形式，第一，将排放因素作为研究模型的构成因子，通过参数变化考察碳排放对供应链的影响。Ballota等（2010）研究表明法国零售企业供应链通过库存共享减少25%的CO2排放量［3］。Harris（2011）研究仓库与运输碳排放与总成本之间的关系，结果表明成本最优解与碳排放最优解可能不相一致［4］。Mallidis等（2012）研究了相似的问题，得出利用第三方物流的企业更应该使用共享仓库，可以提高成本和环境绩效，而运输共享对环境最有利［5］。Hua等（2011）将库存碳排放因子融入经典EOQ问题中，通过环境库存模型考察库存与碳排放数量变化［6］。Benjaafar等（2013）研究了碳约束下厂商生产与库存运作策略，发现碳排放参数能调节供应链的成本及排放数量［7］。Zhang等（2013）对比两种碳约束下的企业生产问题，限额与交易和碳税能实现相同的排放和利润，但二者不能同时使用［8］。杜少甫（2009）则专门研究了限额与交易机制下的生产问题，在碳排放政策下企业可实现最优生产策略［9］。高振娟等（2013）在碳交易背景下探讨供应链碳资产质押融资问题，设计出一个基于配额交易的碳资产质押贷款流程［10］。第二，利用特定评估法计算供应链碳足迹。生命周期法是最主要的计量方法，如Benedetto等（2009）、Lee（2011）、Pang等（2014）［11-13］。此外，McKinnon（2010）通过文献综述与高级访谈法，发现产品碳标签工作不仅增加成本，而且结果难以令人信服，企业应该致力于低碳创新［14］。Johnson等（2012）研究四种计量方法下发电厂的碳足迹，结果表明在计算生物燃料碳足迹问题时一定要明确碳足迹计量标准［15］。Dormer等（2013）使用Excel模型计算塑料托盘碳足迹，得出在原材料回收与生产阶段碳足迹减少最多［16］。Kumar等（2014）通过印度一个汽车零部件生产企业的碳足迹计算，证明了绿色数据包络分析模型（GDEA）的有效性［17］。这些评估法评价过程相对固定，确定系统边界后，收集每个环节的碳排放活动和排放因子，便得出某一产品或服务的排放数量。

综上所述，国内外关于碳排放度量的方法已经进行了广泛的研究。然而，两种计量方法都没有明确界定供应链碳排放核算边界，以参数大小表达供应链的碳排放，核算的排放数量比较粗略且层级界限模糊；而各种特定的评估方法，主要针对单一的产品或服务，当供应链层级结构、组成成员越来越多时，这些评估方法很难用于复杂网络的求解模型。因此，本文以多级供应链为研究对象，创新工作主要包括以下两项：第一，明确多级供应链碳排放边界，划分多级系统的碳排放核算层级范围；第二，将各级系统的碳排放归类计算，基于EOQ理论分析，建立多级供应链碳排放的度量模型。本文研究内容可为低碳供应链碳排放计量与刻画问题提供参考。

2 问题描述

EOQ是经济订货批量（Economic Order Quantity）的简称，通过适宜的订货成本与库存成本得出使总成本最低的经济订货数量，是库存管理最基本的决策模型。本文将此理论用于多层级的供应链网络结构中，通过多级供应链库存系统的协调，实现供应链碳排放的度量与刻画。本文基于多个供应商、单个制造商、多个零售商组成的三级供应链，制造商生产多种商品，原材料由m个供应商提供，产品向n个零售商销售。供应链的每一级成员需要向上一级发出订单，并自行负责运输。供应商每次订货数量为Qs，零售商每次订货数量为Qr，制造商每次订货数量为Qm，在订货、生产与存储过程中都会产生碳排放。通过明确各级碳排放核算空间，运用EOQ理论建立各级碳排放度量模型，得出多级供应链碳排放模型度量的一般方法。

根据EOQ理论运用条件，本文研究基于以下假设条件：

（1）由于研究主题，本文忽略其他因素，仅考虑碳排放分类与度量问题；

（2）供应链各成员的需求已知确定，且不存在缺货；

（3）供应链各成员在订货过程中采用相同车辆运输；

（4）供应链各位成员库存水平均为其订货数量的一半。

3 供应链初始碳配额分配方法说明

碳配额是碳交易的基础，常用的初始碳配额分配方案有三种：公开拍卖、固定价格出售和免费分配，其中政府免费分配是最主要的配额来源。一国或地区所获取的免费碳配额数量能通过Kaya恒等式计算，这是目前认可度很高的碳排放量计算公式，它是1989年日本Yoichi Kaya教授在IPCC会议上提出的［18］，其形式如

下：

其中E表示碳排放总量，Ei为第i种能源的碳排放量，N表示一次能源消费量，Ni为第i种能源消费量，G表示国内生产总值，U表示人口。将式中各项分解，NiN表示第i种能源在一次能源消费中所占份额，EiNi表示消费第i种能源的单位碳排放量，N G表示单位GDP的能源消耗，G U为人均经济产出。由此可见，Kaya恒等式将能源、能源碳排放强度、经济、人口等碳排放驱动因素紧密地联结起来。

王金南等（2010）将Kaya恒等式变形，得到某一国家或地区与GDP直接联系的碳排放数量计算方法，见式（2）［18］：

其中，Et表示第t年CO2排放量，It为第t年的碳排放强度，γ为年经济增长速度，α为强度控制目标。

政府获得的免费碳配额向企业分配主要依据两个标准，第一，根据企业产量进行分配，第二，根据企业的外生标准进行分配，包括“祖父制”和“基准制”。具体而言，祖父制是指依据企业历史排放量来进行初始碳限额分配，这一分配原则将企业现行排放与历史排放相关联，过去排放数量高的企业可以获得更高的碳排放配额。与之相对的基准制与行业结合，是根据排放企业的历史产量进行碳排放配额分配。例如生产多少吨钢铁排放一吨二氧化碳，根据行业的平均水平或效率最高的企业设定行业碳排放标准，以此作为行业内所有同类型企业执行规范，供应链企业由此获得确定的初始碳配额。

4 多级供应链系统碳排放边界确定与分类刻画

4.1 多级供应链系统碳排放边界确定

合理界定碳排放核算边界是研究多级供应链排放问题的前提。本文的三级供应链结构如图1所示，在供应链运作中，既包括传统物流的转移过程，图1中由实线表示，也包括伴随物流转移而发生的碳流运动，图1中由虚线表示，供应链上每个节点成员都有碳排放发生。为了避免碳排放计算遗漏，或出现双重计算问题，楚龙娟等（2010）认为确定碳排放边界的关键原则是“选择实质性排放”［19］。因此，本文碳排放边界划分以供应链中实际发生的碳排放为分配依据，计算产品在运输、制造、分配等活动中发生的直接和间接碳排放。由于每个阶段的采购运输自行负责，本文以订单发出为分界点，将碳排放划分为三个阶段，如图1所示。

图1 三级供应链碳排放边界图

第一阶段：供应商阶段碳排放，供应商向系统外的订购活动发生的运输费用自行承担，与之相关的碳排放也一并计入供应商核算范围。所以，这一阶段的碳排放核算空间是自供应商向外部供应商订货起至下游制造商发出订单前这一时期的排放，包括供应商向外部订货运输活动，和订购物品入库后的储存活动。第二阶段：制造商阶段碳排放，自制造商向上游供应商发出原材料订单起至下游零售商发出订单前这一时期释放的二氧化碳，包括订货运输、加工转化至产成品、原材料与产成品储存活动。第三阶段：零售商阶段的碳排放，包括零售商向上游制造商发出订单起到零售商将产品交付至下游顾客这一期间的碳排放，主要是运输与产品储存活动。

4.2 供应链系统碳排放分类刻画

供应链碳排放边界确定以后，要对系统全部碳排放归类计算，图2给出了碳排放核算科目：运输排放、生产排放和库存排放。运输排放，核算供应链各成员订货过程中发生的碳排放；库存排放，主要针对于原材料与产成品在库持有过程中发生的直接或间接碳排放；生产排放，是制造商生产加工过程发生。

从图2可以看出，供应链三个阶段所包括的活动产生碳排放均有其对应的核算科目。对于复杂的多级系统从原材料采购到产品生产加工，再到满足最终消费者的一系列活动所产生的全部碳排放，得到完整的分布刻画。

图2 三级供应链碳排放核算类别图

5 多级供应链系统碳排放的数学度量模型

5.1 运输碳排放度量模型

运输碳排放包括供应商、制造商、零售商在产品或原材料订货过程中发生，根据Palmer（2008）［20］的研究，车辆启动、空载时产生的排放可视为固定排放，而车辆载重、行驶距离等变化会影响可变排放浮动。参考文献［6-7］的研究方法，如果不考虑车辆运输能力，将可变排放并入固定排放中计算，这样运输碳排放转化为与订货次数相关的计算问题，使用EOQ理论得出零售商运输碳排放如下：

其中：ETR表示零售商阶段运输碳排放总量，Efr表示第r个零售商每次订货的固定排放率，Dr表示第r个零售商的需求。将每个零售商订货运输的碳排放数量加总，就得到整个零售商阶段的运输碳排放总量。同理，制造商的运输碳排放如下：

其中，ETM表示制造商运输排放总量，Efm表示制造商每次订货的固定碳排放率，Dm表示制造商需求。则供应商运输碳排放总量为：

其中：ETs表示供应商阶段运输碳排放总量，Efs表示第s个供应商每次订货的固定排放率，Ds表示第s个供应商的需求。多级供应链订货环节产生的碳排放数量为：

即将全部成员运输排放加总。

5.2 库存碳排放度量模型

库存持有原材料或产成品时会发生两部分碳排放，第一，与储存数量直接相关的可变排放，第二，维持仓库运营耗费资源的碳排放，视为固定排放。零售商的库存水平为则多个零售商的库存碳排放如下：

其中：EWR为零售商阶段库存持有碳排放数量，Ehr为第r个零售商持有单位产品的可变排放率，Eir为第r个零售商第i种能源的碳排放率，Mir为第r个零售商消费第i种能源的总量。

制造商库存系统中既包括购入的原材料，也包括完工未售的产成品，库存持有碳排放数量按以下方法计算：

式（8）中：EWM表示制造商库存持有碳排放总量，Ehm表示制造商持有单位产成品的排放率，Qm表示制造商产品库存数量，Ehmm表示制造商持有单位原材料的排放率，Qmm表示制造商原材料库存数量，Ei为第i种能源的碳排放率，Mi为消费第i种能源的总量。

供应商库存系统碳排放数量计算方法：

其中：EWS为供应商阶段库存持有碳排放数量，Ehs为第s个供应商持有单位产品的可变排放率，Eis为第s个供应商第i种能源的碳排放率，Mis为第s个供应商消费第i种能源的总量。通过上述三个计算公式，计算出三级供应链库存持有活动所产生的碳排放总量：

5.3 生产碳排放度量模型

生产碳排放主要来自制造商的生产活动，这部分碳排放也包括两个部分，与加工数量直接相关的碳排放，以及生产设施本身的固定碳排放，如果厂商生产数量为Q，则生产碳排放计算如下：

式中，EM代表制造商生产碳排放，EP代表生产单位产品的碳排放率，Ei为第i种能源的碳排放率，Mi为消费第i种能源的总量。

基于EOQ理论，整个供应链的碳排放总量可以准确度量如下：

6 结语

明确界定多级供应链碳排放核算边界，可有效地避免供应链碳排放的双重计算问题。本文首先说明供应链初始碳分配方法，所得到的初始配额基于实质性排放原则，以各级成员发出订单为分界点，将三级供应链划分为三个碳排放核算空间，并归类描述。通过EOQ理论抽象出的供应链碳排放度量方法，得出供应链运输、存储和生产过程中排放的一般模型。这些数量模型很容易与其他低碳供应链运作模型结合，并克服生命周期评估法难于应用供应链求解模型的不足。供应链成员可根据一般的度量方法估算各自碳排放总量，为企业减排实践提供参考。

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Multi-echelon Supply Chain Carbon Emissions Depiction and Measurement Model：Based on EOQ Analysis

Lan Haiyan1,Jiang Liwen2,Du Xinyu1,Zhang Ying1
（1. School of Management, Liaoning University of Technology, Jinzhou 120001；2. School of Business Administration, Northeast University, Shenyang 100169, China）

In this paper, on the basis of a summary of the relevant domestic and foreign literatures, we studied the substantial rules ofcarbon emissions of the multi-echelon supply chain, calculated the initial carbon quota of the agents in the supply chain, then with the orderas the dividing point, determined the carbon emissions calculation space of the multi- echelon system and had it classified and depicted.Next, based on the EOQ theory, we abstracted the method for the measuring of the carbon emissions of the supply chain, and built the generalmeasurement model of the carbon emissions in the transportation, inventory and production activities so that the totality of the carbon emittingactivities of all members of the supply chain was comprehensively depicted and calculated.

multi-echelon supply chain； carbon emissions； depiction； measurement model； EOQ theory

F274；X196

A

1005-152X（2016）09-0107-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.023

2016-08-02

辽宁省社科基金（L15AGL001）

蓝海燕（1980-），女，黑龙江哈尔滨人，辽宁工业大学管理学院讲师，研究方向：物流系统建模与优化、低碳供应链、库存管理。