考虑碳排放约束的库存管理系统仿真研究

唐茜

摘 要：近年来，“低碳经济”、“低碳发展”等一系列概念成为国内外社会各界讨论的重点，如何减少供应链各环节碳排放量成为专家学者以及业界管理人员的研究课题。库存作为衔接企业内部生产运营与外部供应链的重要组成部分，其具有较强的动态性与复杂性。对于这样一个多变量、多目标的复杂系统来说，可通过建立系统仿真为管理者提供有效的分析手段。本文通过立足客户服务水平最大化和成本最小化的系统目标，增加碳排放治理成本因素，从限额碳排放角度建立库存管理优化模型，利用仿真的方法进行研究，寻求碳排放因素下的库存管理系统模型的最优策略。

关键词：碳排放 管理系统 仿真研究 策略

中图分类号：F274 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（b）-0141-03

2009年《哥本哈根协议》在丹麦召开，世界各国就二氧化碳的排放量问题进行商讨并签署协议，这标志着未来应对气候变化已成为全球共同的行动目标。减少供应链各环节碳排放是企业实现低碳化目标的直接途径，然而一直以来，在运输路径优化减排方面的研究较多，虽然运输活动产生的碳排放量约占全部物流活动碳排放总量一半以上，研究运输路径优化减排的效果更加显著，但在一个闭环的供应链中，包括运输、生产、库存在内的每一个运作节点都不能忽视，从而形成完整的低碳供应链。

1 建立碳排放度量模型

1.1 系统边界

所有的碳排放都是随着企业经营活动的发生而产生的，库存系统的碳排放也是如此。在本文研究中，库存系统碳排放主要由两部分组成，第一部分碳排放来自于订货运输，即企业在对外订货过程中所产生的碳排量，尤其是订货运输过程中产生的排放也计入企业订货碳排放总量中，这一部分排放计算时间止于订购货物到达仓库；第二部分碳排放来自于仓储系统，包括与储备数量相关的可变碳排放和仓库自身运营所需的采暖、制冷、电力等固定碳排放。

1.2 碳排放治理成本度量

（1）訂货运输碳排放治理成本计算。

订货运输碳排放主要是在产品或原材料送货过程中发生，根据Palmer（2008）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。如果不考虑车辆运输能力，参考Hua等（2011）、Benjaafar等（2013）和Chen等（2013）的研究，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，得出企业订货运输碳排放如下：

其中，Et表示t周期内订货运输过程碳排放量，Ef表示每次订货固定排放率，ΣQ（t）表示t周期内需求总量，ΣM（t）表示t周期内实际订货总量，n表示订货总次数，c1表示单位碳排放量的治理成本，CEt表示t周期内订货运输的碳排放治理总成本。

（2）仓储碳排放治理成本计算。

其中，EW表示t周期内库存持有碳排放量，Eh表示持有单位产品的可变排放率，M（t）表示实际订货量，Ed表示持有单位产品的固定排放率，I（0）表示期初库存水平，I（t）表示期末库存水平，c1表示单位碳排放量的治理成本，CEW表示t周期内库存持有的碳排放治理总成本。

2 基于ARENA 的仿真模型

2.1 仿真模型基本假设

本模型仅包含供应商和客户，客户作为需求方只负责向供应商提出需求，供应商负责接收并满足客户需求，且负责管理本企业库存，即库存管理环节产生的相关费用均由供应商来承担。供应商缺货时向总仓储中心订货，并假设总仓储中心供应能力无限，因此在仿真过程中不考虑总仓储中心这一级。

2.2 仿真建模与运行

本模型基于一个供应商企业，且只经营三类产品仓储与供应，目前库存持有量为分别为300、460和250个。客户订单产生的时间间隔服从均值为0.5、0.8、1.2的指数分布，三类产品需求量均为10、20、30、40个，且概率分别为18%，36%，34%和12%。如果当前库存能满足一个客户订单需求，则客户满意的取走；如果当前库存低于客户订单的需求量，则客户取走现有的全部在库产品，余下不足部分作为未交付订货，等到库存补充足够后再取货。在每天开始时，公司会查看库存水平以决定此时需不需要向总仓储中心发出订单。如果三类产品的再订货点分别为180、220、120，且最佳库存水平分别为320、480、280。假定三类产品订货提前期服从均匀分布UNIF（3，5），无论订货量多少平均每次的订货固定成本为650元，订货可变成本为8元/个；平均每天的仓储成本为5元/个，平均每天的缺货成本为10元/个，订货与仓储过程中碳排放治理成本均为3元/个。系统仿真公司运营4个月120天时间，且碳排放总成本要求小于等于30000元。仿真主要统计分析四个方面的指标：①未能按时交货的客户订单占总订单数的百分比；②客户订单等待交货的平均时间与最大时间；③平均库存水平；④订货碳排放成本和仓储碳排放成本占总库存成本的比重。

依据ARENA软件运行可以得到120d库存量与库存成本的相关数值，其中库存值变化与库存成本情况如下：

2.3 库存优化与结果分析

在经过第一轮仿真运行后后，我们发现现行的库存策略还有优化与改善空间。基于此，我们对模型库存策略的参数设置进行调整，利用ARENA 中的OptQuest模块，通过加强碳排放治理成本定额的限制，并在此区间内来对模型进行优化分析，从而得到一个库存成本最小和订单满足率最大的组合，使得库存经营效益最大化。

当增加碳排放治理约束力度，减少碳排放治理成本限额的标准时，其他模型库存策略参数不变的前提下，仍然利用ARENA中的 OptQuest模块进行仿真优化分析，将两次优化分析结果与碳排放治理成本限额量进行对比分析可得以下启示：

启示1：碳排放治理约束越严格，库存成本越高。本文尝试通过仿真了解碳排放以及治理成本在库存管理中的影响力和关联性。从目前仿真结果看，碳排放治理成本约占库存管理总成本1/5左右。

启示2：碳约束的存在更加提供了供应链合作的空间与价值。市场是灵活波动，供应商订货量与库存水平也是随机变化，在限额的碳排放治理约束前提下必然会出现碳信用的不足与富余两种情况发生。

3 结语

本文模拟碳排放约束对于库存管理运行的影响，计算库存管理中订货与仓储两个主要环节中的碳排放治理成本，通过基于仿真的优化方法，以仿真软件ARENA为开发工具，设计了基于碳排放治理约束下的库存运行模型，并通过仿真优化器对碳排放治理成本限额条件下的库存方案利益最大化進行了求解，进一步利用实验结果分析了碳排放治理约束力强度与库存管理策略参数之间的相互关系以及影响程度。

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