基于系統動力學的物流園區節能系統仿真研究

尚 羽，董景峰，王立海

(東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040)

隨著經濟的快速發展和全球化的加劇，能源危機和環境污染已日益嚴峻，威脅著人類的生存和可持續發展。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》提出了“十二五”期間單位國內生產總值能耗降低16%左右，相較于“十一五”發展規劃更為艱巨［1］。這是建設資源節約型、環境友好型社會的必然選擇;是推進經濟結構調整，轉變增長方式的必由之路;是提高人民生活質量，維護中華民族長遠利益的必然要求。因此節能減排物流系統的建立，正是以經濟效益和生態效率的共同提高為目標，對促進節能減排和循環經濟的發展起著至關重要的作用。而物流園區節能減排系統的建立對于節約能耗和降低物流成本有著重要的促進作用，建立節約化和專業化的物流園區是未來促進物流跨越性發展的重要因素。為了充分發揮物流園區的優勢，并促進經濟的可持續發展，應對物流園區節能系統進行系統地規劃。

1 物流園區能耗分析

1.1 物流業能源消耗現狀

近年來，隨著國民經濟的快速發展，物流業已成國民經濟發展重要支撐，其能源消耗量也逐漸攀升，從2005年的18391萬t標準煤到2009年23692萬t標準煤，能源消耗量增長了28.8%。如圖1所示。物流業能源消耗量約占全國能源消耗總量的7.8%左右，隨著物流業節能減排工作的進一步落實，其能源消耗比例略有下降，但節能減排工作任務依舊艱巨。

圖1 物流業能源消耗情況Fig.1 The energy consumption in logistics industry

1.2 物流園區能源消耗分析

物流園區是集合了多種物流設施，起到綜合功能和發揮基礎作用的特大物流結點，是集約化、大規模的物流設施集中地和多種物流線路的交匯地。它是集運輸、存儲、裝卸搬運、包裝、流通加工、配送和信息處理等功能為一體的規模化獨立區域。因此在這樣龐大的系統里會消耗大量的能源，且物流園區的能源消耗不僅限于物流園區內部，它包含園區物流活動輻射的所有區域。根據物流園區活動的特點和分類，將物流園區的能源消耗進行如下分析，如圖2所示。

圖2 物流園區能源消耗結構圖Fig.2 The energy consumption structure in a logistics park

1.2.1 運輸能源消耗

20世紀90年代以來，中國交通運輸業所消耗的能源，僅運行能源就占全國能源總消耗的5%，其中運載工具為主所消耗的油品在總消耗量中占有更大的比重，如汽油占總消耗量的30%以上［2］。根據貨物周轉量、運輸工具運行的里程數、運輸工具運行時所需要的電力和燃料消耗量等可測算出單位周轉量的能源消耗量。據統計，平均每千噸公里貨物周轉量的燃料 (標準煤)消耗，船舶運輸約為2 kg，鐵路運輸約為12 kg，公路運輸約為40 kg，航空運輸約為800 kg［3］。依據相關研究表明，機動車行駛速度在50～60 km/h時，能源消耗及污染物排放量遠比機動車行駛低，反之當其速度達到某一水平以后，能源效率就隨著速度的提升而迅速降低［4］。

1.2.2 倉儲能源消耗

倉儲能源消耗主要是倉庫內部設備運行所產生的能耗:自動識別和自動分揀設備，自動存取機器人、自動貨架、大型起重機和堆垛機等［5］。自動化程度較低的中小型倉庫主要消耗各種油品，而大型的自動化倉庫消耗的能源形式主要是電力。

1.2.3 裝卸搬運能源消耗

裝卸搬運在物流活動中非常頻繁，任何貨物的轉移都離不開裝卸和搬運。常用的裝卸搬運機械有:起重機、連續運輸設備、裝卸搬運車輛和專用裝卸搬運機械，由于驅動方式和工作原理的不同，消耗的主要能源形式也不同，但大多以油品和電力為主。

1.2.4 流通加工能源消耗

為了提高物流速度和物品的利用率，在物品進入流通領域后，按客戶的要求進行的加工活動，即在物品從生產者向消費者流動的過程中，為了促進銷售、維護商品質量和提高物流效率，對物品進行一定程度的加工。由于包裝和流通加工的對象不同，機械的種類繁多，因此消耗的能源形式也是多種多樣的。

1.2.5 信息處理和物流管理中的能源消耗

物流信息平臺運行和物流管理活動相當于中樞神經的作用，貫穿于物流活動的全過程，并對其他環節的能源消耗有直接影響［6］。在這環節中也要消耗能源，主要是電力能源［7］。

2 物流園區節能系統動力學分析

系統動力學的出現始于1956年，其創始人為美國馬上理工學院的福瑞斯特 (Jay W.Forrester)教授，它是一門分析研究信息反饋系統的學科，也是一門認識系統問題和解決系統問題的交叉綜合學科［8］。系統動力學研究解決問題的方法是一種定性與定量結合，系統、分析、綜合與推理的方法，以定性分析為先導，定量分析為支持。現運用系統動力學的理論、原理與方法分析物流園區內物流活動產生的能源消耗，主要以節約能耗的角度出發，降低物流成本提高物流園區的總產值，建立定量模型與概念模型一體化的系統動力學模型。

2.1 因果回路圖

因果回路圖 (Causal Loop Diagram，CLD)是表示系統反饋結構的重要工具，利用Vensim－PLE系統動態模擬軟件，迅速表達關于系統動態形成原因的假說［9］。通過對物流園區能源消耗的分析，利用Vensim－PLE軟件繪制了物流園區節能系統的因果回路圖，如圖3所示。

圖3 物流園區節能系統因果關系圖Fig.3 The cause-effect relationship chart of energy-saving and emission-reducing system in a logistics park

從圖3可以看出，區域經濟的發展可以提高區域物流總額，進而促進物流園區周轉量增加，使得物流園區產值增長。區域物流總額的增長，同時也帶來了大量的能源消耗。在物流園區中，搬運裝卸、運輸、倉儲和流通加工等業務過程需要消耗能源，同時其日常運營也需要耗費大量的能源。因此，物流園區在高速發展的同時，也帶來了高消耗、高排放和高污染。而節能減排，低碳運營和綠色物流等也是國家發展的必然趨勢，也是響應國家建設綠色環境、關注環保的號召。為了降低能源消耗，作為物流園區來說，可以通過二個途徑來實現:一是通過環保投資，改進技術，降低設備能耗，并在日常工作中監測能耗，節約成本;二是通過增加物流園區內資源 (如包裝物、加工剩余物等)的再利用價值，減少最終廢棄物的數量，從而減少廢棄物處理過程中消耗的能源和產生的污染。而區域經濟和物流園區經濟的發展，也使得物流園區的環保投資提供了更多的可能，從而可以在一定程度上抑制物流園區的環境污染。而物流園區作為物流領域重要的節點和物流作業的集中地，其對抑制環境污染所起到的作用將是十分巨大的，對促進區域環境污染的降低有著至關重要的作用。

2.2 存量流量圖

存量流量圖是在因果關系圖的基礎上進一步區分變量性質，用更加直觀的符號刻畫系統要素之間的邏輯關系，明確系統的反饋形式和控制規律，為深入研究系統打基礎的圖形表示法。在分析物流園區內部能源消耗的因果聯系基礎之上，建立節能系統存量流量圖，如圖4所示。

圖4 物流園區節能減排系統流量存量圖Fig.4 The flow-stock chart of energy-saving and emission-reducing system in a logistics park

由圖4可以看出，模型中包括3條回路:

(1)回路1。物流園區總產值與資源再利用關系，反映了國家循環經濟政策與物流園區自身追逐增值效應的程度對物流園區的影響。

(2)回路2。物流園區總產值與節能減排關系，反映了國家節能減排政策和相關能源供給政策對物流園區總產值的影響。

(3)回路3。物流園區能源消耗與排放之間的關系，旨在反映物流園區設備選擇及排放治理方面的執行力度對節能減排的推動效應。

2.3 主要模型參數及含義

本文包括2個狀態變量，4個速率變量和43個輔助變量，結合節能減排系統的運作機理，確定11個主要參數，見表1，之后在此基礎上再確定其它參數及其取值。在參數估計過程中，由于部分物流數據難以獲得，本文利用數學方法計算得出，并在適當范圍內采用相關數據予以代替。

表1 狀態變量、速率變量和主要輔助變量Tab.1 State variables，rate variables and major auxiliary variables

(1)科技投入:物流園區對科技方面的資金投入。

(2)環保投入:物流園區對環保方面的資金投入。

(3)資源再利用投入:物流園區對資源再利用方面投入的金額。

(4)政策影響因子:反映了國家政策對物流能源消耗的影響程度。

(5)抑制因子:當物流園區氮氧化物污染總量超過一定限額而采取的抑制率。

(6)廢棄物總量:物流園區運營過程中產生的非氣體污染物的總量。

(7)污染物總量:物流園區運營過程中產生的污染物總量，包括氣體污染物、液體污染物和固體廢棄物。

(8)氮氧化物污染總量:物流園區運營過程中產生的氣體污染量，本文以氮氧化物為主要研究對象。

(9)投資效果:用于對環保和科技兩方面投入資金而產生的實際效果。

(10)資源再利用收入:指物流園區在拿出部分資金進行資源再利用所獲得收入。

(11)物流差異:理想物流費用與實際物流費用的差值，體現了物流短缺狀況的指標。

3 系統仿真模擬

3.1 模型檢驗

在應用物流園區節能系統動力學模型對物流園區的產值和能耗等狀況進行仿真研究之前，應該對模型進行穩定性和有效性等的檢驗，以確保仿真結果可以更真實可靠，更為接近現實生產實際，以便于可以為物流園區決策提供強有力的支撐。

3.1.1 穩定性檢驗

穩定性檢驗主要是指系統對時間的穩定性，是為了使得模型中參數的時間變化，即在不同時間間隔下應該可以產生近似的預測結果，降低其對于時間的不穩定性。圖5中，模型的輸入時間步長分別為2 a、1 a和0.5 a，通過物流園區總產值在不同步長時的輸出狀態相對值，可以看出模型基本處于穩定狀態，可以進行物流園區節能系統的模擬，較接近真實情境。

圖5 模型穩定性檢驗Fig.5 Stability test on the model

3.1.2 有效性檢驗

模型有效性檢驗主要的任務是從統計學的角度檢驗模型的模擬結果是否與實際系統的數據相符合。本文主要針對狀態變量進行有效性檢驗，即通過物流園區總產值和能源消耗量作為檢驗變量。在驗證過程中，設定檢驗期間為2006～2010年，設定的誤差范圍為3%，選用案例——哈爾濱某物流園區進行檢驗。物流園區總產值和物流園區能源消耗量的模擬值和真實值見表2和表3，表中模擬值與真實值的誤差，其皆在事先設定的3%以內。此結果說明模擬值較好的反映了真實值，其與歷史數據擬合的較好。

3.1.3 靈敏度檢驗

參數靈敏度檢驗主要是分析參數變動對模型結果是否有著顯著的影響。如果靈敏度檢驗的結果使得模型輸出結果發生顯著變化，則模型相對于參數敏感，因此不適合用于政策模擬。本文將用“物流園區能源消耗增長系數”的參數靈敏度進行分析。將變量設為常數10%進行模擬，以物流園區總產值和能源消耗量作為輸出，結果如圖6和圖7所示。根據仿真結果對比可以看出，修改物流園區能源消耗增長系數，對變量影響較小。因此認為模型靈敏度較高，可以使用其進行物流園區節能減排系統的仿真實驗。

表2 物流園區總產值模擬值與實際值的誤差統計Tab.2 Differences between simulated and actual total production values in the logistic park

圖6 物流園區總產值量靈敏度檢驗Fig.6 Sensitivity test of total production value in the logistic park

圖7 物流園區能源消耗量靈敏度檢驗Fig.7 Sensitivity test of energy consumption in the logistic park

3.2 模擬分析

本文選擇物流園區總產值存量和能源消耗總量存量為指代性指標，將物流園區環保投入系數作為政策變量，物流園區的投資政策可以直接影響相關政策變量的值，因此，可以說系統動力學模型是物流園區的政策實驗室。本文收集的物流園區相關數據，參考了《中國統計年鑒》和《中國物流年鑒》，另有部分數據取自國研統計數據庫、中國大物流網等官方統計信息網，以及具體物流園區企業內部統計資料［10－13］。

通過計算機模擬，將環保投入系數由0調至2%，物流園區總產值增長略有下降，而物流園區能源消耗量也呈現大幅回落 (如圖8和圖9所示)。

如圖8所示，“十一五”以來，國民經濟穩步增長，國家和地方政府鼓勵物流業發展，除2008年受經濟危機影響，增長速度放緩外，物流園區的總產值呈現上升的趨勢。當環保投入系數為0，即園區在環境保護方面不做任何資金投入，不采取任何環保措施，物流園區總產值如曲線1變化。當環保投入系數為2%，物流園區總產值變化曲線如曲線2所示，略低于曲線1。這說明在環境保護方面進行資金投入，對物流園區的總產值存在一定影響，表面上看，投資抑制了物流園區總產值的增長。

如圖9所示，物流園區能源消耗量隨園區的總產值的增加而增加，當園區總產值增長緩慢時，園區的能源消耗量也沒有大幅度增長，說明物流園區產值和園區能源消耗量存在正比的關系。對園區環保投入系數為0，如曲線1所示，園區的能源消耗量隨著時間的推移逐漸增長。當環保投入系數為2%時，物流園區能源消耗量也呈增長的趨勢，但曲線2明顯位于曲線1的下方，說明環保投入對控制能源消耗量起到了積極作用。

圖8 不同環保投入系數的物流園區總產值對比Fig.8 The total production value of the logistic park with different ratios of environment protection investment

圖9 不同環保投入系數的物流園區能源消耗量對比Fig.9 The energy consumption of the logistic park with different ratios of environment protection investment

由圖8和圖9仿真模擬結果可以看出，如果物流園區對環保方面不采取任何措施，即環保投入系數為0，物流園區能源正常消耗，那么不可能完成國家在“十二五”期間制定的單位GDP能耗量下降16%的目標。因此，地方政府需要引起高度重視，有必要針對物流園區節能減排問題成立專項資金進行治理。將環保投入系數設置為0.02，即將物流園區總產值的2%作為環保投入，物流園區能源消耗量得到了良好的控制，并較資金投入前大幅度降低，但環保資金的投入也影響了園區的產值，貌似違背了本文以經濟和環境作為雙重目標的出發點，但是其單位產值的能耗量是降低，如圖10所示。截止“十二五”期末2015年，物流園區單位能源消耗量比“十一五”期間降低了12.7%，說明通過對環保投入系數的設定已經非常接近國家的政策目標。

圖10 單位產值能耗量比較Fig.10 Comparison of energy consumption per total production

4 結束語

通過物流園區節能減排系統的構建，對物流園區節能減排系統的因果關系和運行機理進行了探索，建立了物流園區節能減排系統SD模型，模型通過各項檢驗，能夠客觀真實的描繪出物流園區節能減排系統的運作機理，并根據仿真模擬的運行結果對物流園區節能減排系統進行了分析。模擬結果表明，加大環保投入能夠雖對物流園區總產值有一定影響，但是卻能夠有效降低園區能源消耗量，其單位總產值的能源消耗量大幅降低。

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