互联网环境下废旧手机逆向物流体系设计——以北京市为例

赵新楠，龚 裕，吴玉锋 （北京工业大学 循环经济研究院，北京 100124）

0 引言

作为实现移动通讯不可或缺的重要载体，以手机为代表的新型电子废弃物保有量大、回收比例低、资源价值高、污染严重等特点，受到公众和回收利用企业的广泛关注。据我国工业和信息化部统计，2017年销售4.49亿部新手机，而新入网的手机用户仅为1.42亿部，这意味着大量的手机被闲置在家或被丢弃[1]。现阶段，由于我国缺乏高效回收废旧手机的商业模式，大部分废弃手机随意处置、自行拆解，造成了资源浪费和环境污染的“双重压力”。如何在新形式下构建高效的新型电子废弃物逆向回收网络，已经成为当前我国生态文明建设不可回避的课题。

由于废旧手机“资源性”的特征，自发形成复杂的正规和非正规回收者相互利用的逆向物流网络，设计和优化网络流通问题受到了产业界和理论界的高度重视[2]。国内外学者对电子废弃物回收逆向物流网络的研究已经取得了一定的成就，Li-Hsing[3]、周垂日[4]、M-Kaustia[5]均构造混合整数线性规划模型，实现模型化电子废弃物的物质流量及基础设施的优化。但对于退出使用阶段的废旧手机呈现不同的品牌效应和残余价值，急需考虑特定的结构层次、设施功能、数量及容量能力从而解决逆向物流系统所存在的复杂性、多样性和供需失衡[6]的内部难题。凌旭[7]等考虑废旧手机档次和新旧程度的性质差异以及政府补贴的影响，实现模型中的回收中心和处理中心优化选址方案。纵观国内外电子废弃物回收处理网络优化的文献，多数停留在模型理论研究阶段，且研究主体多为制造企业或是第三方物流回收企业，专门为互联网环境下回收利用企业为主导的文章相对较少。因此，本文以北京废旧手机市场调研为基础数据，建立互联网环境下构建有效的废旧手机逆向物流系统，通过利用Lingo优化软件求解，以期为互联网回收利用企业提供实际参考。

1 模型建立

1.1 互联网环境下废旧手机管理体系描述

以废旧手机回收及利用的物质流为线索，分析各模块主体连接环节如下，如图1所示，①→②消费者通过互联网、微信、手机APP、线下回收网点等互（物）联网回收渠道和方式进行快速交投线下回收门店，线下回收门店包含：生产者自建、回收利用企业共建或是政府扶持性公益组织。②→③线下回收门店收集到手机进行质检分类，如果残余使用价值的品牌手机，直接进入电商平台进行二次销售。②→④由于手机可拆解、易翻新的资源特性，部分废旧手

机通过再制造中心清洗、维修、翻新以及更换元部件后重新流入二手回收商，该类手机必须经过装机测试和安全性能的测试以满足多种类型用户购买力和使用力的需求。此外，拆解的手机主板、摄像头、振动器、扬声器、听筒等元部件流入二级材料市场。④→⑥⑦若废旧手机无残余使用价值时，依次流转于再生利用企业、有资质的冶炼企业，以回收利用金、银、钯等贵重金属。④⑧→⑤二手回收商（中间商）掌握和占据再制造中心及材料市场的供货渠道。

图1 废旧手机逆向物流网络结构图

1.2 模型假设

通过对废旧手机逆向物流网络结构的描述，将该优化问题设置为单周期性容量能力约束的混合整数规划模型，因此整个体系基于以下假设：

假设1：在所构建的废旧手机回收处理网络的模型中，存在的运输路径为：废旧手机的调配计划由线下门店精细评估后发出。通常情况下，残余使用价值的手机进行二次销售和整机再制造活动；无残余使用价值的手机进行元部件再利用、贵金属提取等物流活动；最后流入二级材料市场、回收商进行销售。

假设2：考虑到废旧手机本身档次、新旧程度的不同，根据价格、配置、市场等方面的差异将废旧手机分成高、中、低三种档次。

假设3：该模型考虑回收成本、运营成本、固定成本、运输成本等经济成本，固定成本包括人工成本、机器损耗以及税收等成本；收益绩效包括再销售收益、再制造收益、元器件再利用收益、贵金属提取收益。不同的设施之间的运输成本与废旧手机运输距离、运输数量成一定的比例关系，不考虑时间成本。

假设4：拟考虑设计线下门店S1（）、再制造中心S2（）、冶炼企业S3（）为0/1备选选址。

假设5：假设线下门店S1（）、再制造中心S2（）、冶炼企业S3（）均存在容量能力约束，储存能力和处理能力是有限的，不同地点的相同设施固定成本、运营成本、容量约束相同。

假设6：该模型中回收的废旧手机具有同一性，均可回收不同的元器件及再生材料，且可用重量进行计量。

1.3 符号及模型说明

Aj为某地区废旧手机的报废量（万部）；Fj、Fk、Fp分别为线下门店、再制造中心、冶炼企业的固定成本（元/部）；Kj、Kk、Kp分别为线下门店、再制造中心、冶炼企业的建设能力容量（万部）；Cj、Ck、Cp分别为线下门店、再制造中心、冶炼企业的运营成本（元/部）；Xj、Xk、Xp分别为线下门店、再制造中心、冶炼企业的处理量（万部）；Wq、Wg为再生材料Q、零部件G的单价价值（元/公斤）；Zq、Zg为再生材料Q、零部件G的贡献率；Yq、Yg为用于回收再生材料Q、回收零部件G的销售重量（公斤）；Tc为无害化处置的单位花费（元/公斤）；M1j、M1k、M1p分别为线下门店、再制造中心、冶炼企业可以获得的单位补贴（元）；DS0S1、CS0S1、XS0S1为报废中心—线下门店的运输距离（公里）、运输单价（元/公里）、运输数量（万部）；DS1S2、CS1S2、XS1S2为线下门店—再制造中心的运输距离（公里）、运输单价（元/公里）、运输数量（万部）；DS2S3、CS2S3、XS2S3为再制造中心—冶炼企业的运输距离（公里）、运输单价（元/公里）、运输数量（万部）；Gj为废旧手机的平均重量（公斤）；W1、W2分别为废弃手机再销售、再制造的价格（元）；MinS1、MaxS1分别为线下回收门店数量的上、下限；MinS2、MaxS2分别为再制造中心数量的上、下限；MinS3、MaxS3分别为冶炼企业的上、下限。可建立的优化设计模型如下：

模型约束条件：

其中：式（1）至式（5）表示该物流网络系统的流量守恒：式（1）表示在线下门店总回收量等于社会手机的回收量、等于其回收过程的运输量；式（2）表示在再制造中心设施总处理量等于再销售后的手机剩余量、等于线下门店至再制造中心的运输量；式（3）表示在冶炼企业的处理量等于再销售、再制造、元部件利用后的手机剩余量、等于再制造中心—冶炼企业的运输量；式（4）表示无害化处理量等于冶炼企业处理后剩余的废料；式（5） 表示梯级利用的比例和为1；式（6） 至式（10）表示该系统模型的能力约束：式（6）至式（8）分别表示各建设设施不超过各自的设施容量；式（9）表示经过线下门店的总量不能超过再制造中心的建设能力容量；式（10）表示经过再制造中心的总量不能超过冶炼企业（含无害化处置环节）的建设能力容量；式（11）至式（13）分别表示建立设施的数目上限及下限。式（14）至式（15）表示所有决策变量的取值范围。

2 数据来源及质量控制

北京市拥有中国最为全面的废旧手机逆向供应链系统，其中内部包括二手电商平台、回收企业、回收商、拆解企业、二级材料供应商、冶炼企业等六类责任主体。本文采用了调研的方式，选取了1 036户北京居民、35个个体回收商、30个固定的零售商（维修点）及5家知名二手回收网站分别进行了问卷调查和实地调查，进一步摸清废旧手机物质流向及寿命分布。北京市废旧手机逆向供应链的结构如图2所示，一级回收者回收方式众多（包括个体商贩、零售商、生产商、二手回收平台、电子回收商城及无偿回收模式），且随着供应链的不断延伸，由一级回收者、二级利用者至拆解企业的环节，市场集中度呈现逐渐升高的趋势。此外，截止至2017年底，北京地区正规拆解企业并未得到手机拆解的基金补贴，反而非正规拆解作坊无需为控制环境污染付费，挤占了大量的回收利用市场份额，限制了正规拆解企业的垄断地位[8]。

图2 北京市废旧手机逆向供应链的结构

2.1 保有量

我国及各省市废旧手机保有量统计为城镇（农村）平均每百户主要耐用消费品拥有量，其数据来源自中华人民共和国国家统计局的中国统计年鉴（1999—2017年版）获得，且具有良好的延续性。

2.2 销售量

用于统计我国手机销售量的出厂量与进出口量的数据来源于工业和信息化部出版的《中国电子信息产业统计年鉴》获得，具有良好的延续性。具体来说，手机的销售量数据涵盖了工业和信息化部发布“手机入网许可证”和“独立移动设备国际识别码（IMEI）”的全新手机。

2.3 寿命分布周期

废旧手机的平均使用寿命数据来源于问卷调查统计数据：其中 15.56%的调查者表示当年更换手机，42.85%的调查对象表示1～2年更换手机，23.12%的调查对象会在2～3年更换手机，18.47%的调查者表示3年以上更换手机。由此可见，推算出寿命分布函数从一年之内、1～2年、2～3年及3年以上的赋值为15%、42%、23%与20%。

2.4 废旧手机资源潜力价值分析

2.4.1 二手及“翻新”手机潜在的价值估算

以某废旧手机交易平台发布的价值指数为基础依据，对二手市场及翻新机再销售价格的调研数据显示：目前手机的平均价格约为1 914元，消费者通过互联网回收平台、回收商的二手买卖价格均为原价的35%～50%之内（被调研平均价格为765.50元），即使是成色稍差的二手手机回收价格也在20%～35%之内（被调研平均价格为452.20元）。

2.4.2 元器件再使用的价值核算

废旧手机拆解过程首先由人工将废旧手机后盖打开去除电池后，分离手机的主板、摄像头、振动器、扬声器、听筒等元部件（如表1所示）。市场调研结果显示：手机屏幕再使用率为50%，而键盘、振动器、外壳等部件再使用效率较低，占比约为10%，因此一般元部件的价格为市场价格的20%～50%（被调研平均价格为36.20元）。

2.4.3 贵金属提取资源化的价值预测

以文献回收贵金属量的平均值为基础依据，通过获取不同类型废弃手机的市场占比、平均重量和拆解部件占比等数据，加权拟合至1部废旧手机材料价值。如1999年荷兰Delft技术大学研究表明：金0.038%、银0.244%、铜14.24%、钯0.015%；2003年手机中金、银、铜、钯的含量比1999年分别下降 25.7%、51.8%、22.3%和31.2%[9]。2005年美国USGS报告研究：金0.03%、银0.31%、铜14.2%、钯0.013%[10]。2012年中科院实验测试：金0.00654%、银0.011%、铜11.3%和钯0.00406%，其贵金属含量较已有数据显著降低[11]。基于市场调查和典型回收企业的调研，并结合拆解实验分析，1部废旧手机再生环节的经济利益仅为3.701元，具体各部件及材料的价值分析如表2所示。

表1 废旧手机元器件的价值评估

表2 废手机各部件及材料的价值 单位：元

2.5 报废手机数量

目前新型电子废弃物报废量均存在数据缺失的问题，利用Yang[12]等构建了StockBased模型核算不同时空范围内的废旧手机的资源潜力，具体计算路径如图3所示。其计算方法如公式（16）、公式（17）所示，其中St为产品销售量即该系统的流入量，Pt为电子产品在第t年的保有量即存量，Ot为产品淘汰量即流出量，g（）

i为产品的寿命。

基于“StockBased”模型的估算结果显示，2017年北京市废旧手机报废量为1 330万部，在此基础上本文分析了北京市废旧手机空间区域分布情况，人口密集的中心城区手机报废数量多达全市总数的70.96%。其中朝阳区、海淀区、丰台区及昌平区等区域废旧手机产生量居前，市中心地区商圈林立、人口众多，是废旧手机高报废量的聚集地，分别为283、249、174、104万部。门头沟、怀柔区、平谷区及延庆区等区域废旧手机产量较少，这些地区消费水平及需求层次不高，手机平均使用周期较长，呈现平稳的低报废量状态，分别为17、12、14、13、8万部。

3 算例求解

3.1 算例结果

图3 核算废旧手机报废量的路径分析

图4 北京市拟建设施的空间布点示意图

通过运用LINGO11.0优化软件对北京地区线下回收门店S1、再制造中心S2、冶炼企业S3进行空间布局设计。整体分布看来，全市共拟建29家线下回收门店、5家再制造中心以及3家冶炼企业，拟建设施综合盈利13 509万元，其中回收成本和设施运营成本成为主要的发展阻碍，而再销售和再制造盈利则是创造商业价值的动力来源。城中心方面，拟建共21家线下回收门店（朝阳区6家、海淀6家、丰台区4家、昌平区3家、东城区1家、石景山1家），以中心为目标从西北、东北、西南方向分别拟建3家再制造中心和2家冶炼企业，如图4所示。郊区方面，拟建共8家线下回收门店（大兴区2家、房山区1家、通州区1家、顺义区1家、怀柔区1家、平谷区1家、延庆市1家），其中在房山区、顺义区分别拟建再制造中心，延庆区设置冶炼企业。非城中心区域运输条件较差，且废弃手机的数量周期较长，新兴电子废弃物的回收体系的发展处于初期低水平状态，不易形成大规模的聚集效应，因此中心发散式的布局分布有利于消费者享受交通可达性、人流高效性和宣传需求性等特征。

3.2 四种影响因素灵敏性分析

为了进一步研究对废旧手机网络优化和成本收益的影响因素，同时检验该逆向网络模型高效性和可行性，分别设定不同回收率、容量约束能力、二级市场开发率和回收价格四种因素进行灵敏度分析，其各类影响因素与参数设置的变更如表3所示，依据变更的影响因素及计算结果明细如表4所示。①随着政府、回收企业将互联网、物联网技术融合到新型电子废弃物的回收领域，将城中心、远、近郊区的废旧手机回收率提升至20%、15%、10%，从运行结果可知：提高回收率使得整个回收网络的总利润增加60%；对线下门店的选址影响较大，其设施数量增加至54家，而对再制造中心和冶炼企业影响较小。②考虑到拆解企业的回收技术向规模化、高效化发展，将基准假设的容量约束能力提升0.5倍，其结果表明：废旧手机逆向网络模型的总收益保持不变，但总成本逐渐降低，使得该系统的总利润上升了52%；各回收处理设施数量及位置基本保持不变。③从3G到4G的历史演变过程中分析，网路宽带的不断提升必定会使得更多的废旧手机被闲置，互联网类的回收交易平台也将成为回收新型电子废弃物的核心业务。当再销售和再制造比例分别提升20%时，废旧手机回收处置系统总利润显著上升，约增长总效益的120%；线下回收门店、再制造中心分别升至60家和10家，大幅增加二手资源的再利用比重，对相关配套设施建设和相关服务具有重要推动作用，同时发挥闲置资源再利用的空间。④不同一级回收者的回收价格秘而不宣，无法保障其渠道的利益共享和交易透明，因此将回收价格上下浮动20%，不难发现回收价格从低至高的浮动时，对各回收处理设施选址结果的影响甚微；但回收成本随之增加，总回收利润逐渐下降，甚至当回收价格为300元时出现效益亏损的现象。

3.3 结论及建议

作为实现移动通讯不可或缺的重要载体，以手机为代表的新型电子废弃物保有量大、回收比例低、资源价值高、污染严重等特点，受到公众和回收再生企业的广泛关注。本文从市场调研的角度出发，建立单周期性空间能力约束的混合整数规划模型，通过运用LINGO11.0优化软件对北京地区线下回收门店S1、再制造中心S2、冶炼企业S3进行空间布局设计。整体分布看来，全市共拟建29家线下回收门店、5家再制造中心以及3家冶炼企业，拟建设施综合盈利13 509万元，其中回收成本和设施运营成本成为主要的发展阻碍，而再销售和再制造盈利则是创造商业价值的动力来源。在此基础上，从四种影响因素对废旧手机网络优化和成本收益进行灵敏度分析。不难发现：（1）回收率和二手市场的开发率显著影响了拟建设施的投放数量，因此在政策设计构建中必须考虑拓展二手市场的新价值链和发展空间，逐渐找寻正向与逆向供应链相互契合的新商业模式[13]。（2）企业的约束能力影响了废旧手机的处置效率，是维持该模型高效性和可行性的关键。（3）增幅回收价格对总利润的影响极为灵敏，定价策略为300元以上会导致亏损甚至倒闭的风险。为了更好地实践废旧手机回收行业的可持续利用的目标，总结采用的优势策略[14]：加快完善小型IT电子产品的政策体系和回收渠道，尤其是在制度上明确消费者、生产商、经销商及电信运营商承担的责任，切实保障废旧手机的回收率和合理的利益分配；再者则必须从产业结构、产业组织、产业布局和产业技术入手，分析回收废旧手机发展的影响因素并判断其影响力度，从而把握废旧手机逆向物流回收的价值优势。

表3 各类影响因素方案及其参数设置

表4 四种假设下回收网络设施数量及经济明细