考慮不同低碳政策影響的物流配送優化決策*

周 程 王 磊 陶君成

(湖北經濟學院物流與工程管理學院1) 武漢 430205) (華中科技大學管理學院2) 武漢 430074.)

考慮不同低碳政策影響的物流配送優化決策*

周 程1,2)王 磊1)陶君成1)

(湖北經濟學院物流與工程管理學院1)武漢 430205) (華中科技大學管理學院2)武漢 430074.)

針對物流配送中碳排問題，引入考慮貨車載重、行駛速度與路況因素的碳排測算方法，建立了強制排放、碳稅與碳交易政策下配送模型.采用數值實驗，探討了碳限額、碳稅率、碳交易成本、碳排放額對配送總成本、碳排放與配送路徑的影響.仿真表明：3種低碳政策下均可選擇合適策略，減少碳排；碳交易機制兼顧對排放政策管控與市場引導的優勢，且企業有可能從減排中獲得經濟收益，促使其減排.研究成果可為發展低碳物流提供參考.

物流工程；物流配送；優化；碳排放；低碳

0 引 言

據國際能源署2009年報告顯示，交通運輸在全球溫室氣體排放中所占比例高達25%[1].因此，我國作為全球最大的新興經濟體，在碳排放約束進一步加強的背景下，研究作為交通運輸體系主要組成的物流配送的低碳發展，對于能否實現中國在哥本哈根聯合國氣候變化大會上提出的碳減排目標：“力爭到2020年全國單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”，具有重要的理論與現實意義.

近年來，學者們已對物流配送作了大量研究，如：文獻[2]采用改進Floyd算法與Dijkstar算法，求解賦權配送線路的最優路徑；文獻[3]提出了基于加權函數重心法的模糊數排序方法，應用于物流運輸最短路問題求解.不過，上述工作大多以最短路徑為求解目標，缺乏對碳排放的考慮.隨著能源危機與環境問題的日益突出，物流配送中碳排管控問題，已開始引起學術界重視：文獻[4]討論了以總油耗最小為目標的帶時間窗車輛路徑問題；文獻[5]引入航速作為決策變量，建立船隊利潤最大與碳排放量最小的雙目標最優航線配船模型.

本文建立了強制排放、碳稅和碳交易三種碳排政策下的物流配送路徑決策模型，通過數值仿真實驗，分析了不同低碳政策中碳配額、碳稅、碳價格對碳約束下物流配送路徑決策的影響，可為我國交通運輸與物流的低碳政策完善提供支持.

1 模型的建立

1.1 問題描述

這里討論低碳政策下單車多任務物流配送路徑優化問題：由一個配送中心承擔多個客戶的配送服務，各送貨點需求確定，配送車輛的裝載能力不小于客戶總需求，車輛從配送中心出發，遍歷所有客戶各一次，最后返回配送中心.為了方便建模，提出如下合理假設：(1)目標函數考慮油耗成本、路橋費、車輛使用時間成本、碳排約束成本；(2)配送節點間的路線存在多種選擇；(3)采用陸路運輸，燃油充足，碳排量與油耗存在正相關線性關系；(4)道路通行能力隨時間變化，配送任務時間窗口內路況不變；(5)油耗計算取決于車輛運行距離、載重量、行車速度、路況[6-10].

因而，不同于傳統配送問題，本文構建的低碳政策下物流配送模型，充分考慮了配送實時路況與節點間路線選擇的多樣性，更符合物流配送實際狀況.

1.2 模型中參數與變量定義

1.3 不同低碳政策下配送模型

1.3.1 強制排放約束模型 強制排放設定嚴格的碳排上限，企業排放不得越界，否則將被強制停產.在強制排放政策下，物流配送碳排不得超過所分配排放限額，該約束下配送模型為

(1)

s.t.

(2)通過深部鉆孔系統揭露破頭青斷裂、九曲蔣家208斷裂深部行跡并通過切割深度、資源量規模對比，確定九曲蔣家208斷裂為招平斷裂北段深部找礦的主要目標。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：式(1)為目標函數，分別為燃油成本、車輛使用時間成本和路橋費；式(2)為強制排放政策的影響；式(3)為車輛從配送中心出發，遍歷各客戶各一次，最后返回配送中心；式(4)與式(5)為貨運量守恒約束；式(6)為變量約束.

1.3.2 碳稅約束模型 碳稅政策按稅率α征收排放稅，將排放稅納入配送總成本.碳稅政策約束下配送模型為

(7)

式中：式(7)含4個部分，分別為燃油成本，車輛使用時間成本、路橋費和碳稅成本；在強制排放下配送模型的約束基礎上，解除碳排限額約束εE≤P后，即得碳稅政策下配送模型的約束條件.

1.3.3 碳交易約束模型 碳交易將碳排放權利作為一種商品，企業具有一定的排放額度，若超標則需向外購買碳排差額，反之可將剩余碳排額向外出售.碳交易下減排可能帶來經濟收益，激勵企業主動減排.碳交易政策約束下配送模型為

(8)

式中：式(8)含4個部分，分別為燃油成本、車輛使用時間成本、路橋費和碳交易成本；約束條件與碳稅政策下配送模型的約束相同.

2 數值仿真與分析

2.1 實驗設置

選擇數值實驗探討不同低碳政策對物流配送的影響，仿真配送任務由單車從配送中心出發，為5個不同地點的客戶配送，節點1～5的客戶需求量為1 000,5 500,500,500,2 000 kg，配送線路參數見表1.

表1 配送網絡線路參數

2.2 仿真結果

2.2.1 強制排放 首先測算得最小碳排為目標函數的配送任務的排放為113.16 kg，配送總成本為687.14元，若碳排限額低于該值，則在強制排放政策下無法實施配送；最小運營成本為目標函數的運營成本為505.85元，排放為130.86 kg.針對強制排放下配送模型，選擇仿真不同排放限值的配送總成本、碳排放與配送路徑，結果見表2.

表2 強制排放仿真結果

注：表2中配送路徑編碼說明：括號外數字序列表示配送節點順序；括號內數字序列代表節點間依次被選中路線編號.

由表2可知,隨著碳限額減小，強制排放限制對配送決策約束逐漸變大，控制碳排放成為企業首要任務，將在一定程度上犧牲運營成本，調整配送路徑，以滿足強制排放政策下碳限額.

2.2.2 碳稅 不同碳稅的仿真結果(見表3所列,η=3)表明：隨著碳稅提高到某臨界值后，物流企業將側重降低碳排，調整配送路徑，使得配送總成本下降.合理的碳稅促使物流企業尋求配送運營成本與碳稅成本的平衡，實現減排.

表3 碳稅仿真結果

2.2.3 碳交易 碳交易政策影響物流配送的因素包括排放額度P與碳交易價格η.選擇仿真不同P(100，120，140)與不同η(1～10)下的配送總成本與碳排放，如圖1與圖2所示(注：3種碳排放額度下的碳排曲線重疊).

圖1 碳排放額度與碳交易價格對配送總成本的影響

圖2 碳排放額度與碳交易價格對配送碳排放的影響

綜合圖1與圖2，可得如下結論：(1)給定η的情況下，配送總成本隨P增大而降低；(2)給定P的情況下，配送總成本隨η變化.當η達到某臨界值后，P低于113.16 kg(仿真配送網絡最低碳排)時，配送總成本隨η上升趨勢變緩；P高于113.16 kg時，配送總成本隨η上升逐步下降；(3)給定η的情況下，配送中碳排量不隨P變化；(4)隨著η上升，不同P下的碳排放均表現為“臺階型”的下降曲線.

在碳交易機制下，物流企業積極展開最小運營成本與最小碳排放配送方案博弈.隨著碳價格逐漸上升，碳交易成本加大，企業優先控制碳排放的配送方案.

2.3 不同低碳政策比較分析

1) 3種低碳政策下，選擇合適策略后均可減少物流配送的碳排放.

2) 強制排放屬于嚴格的政策調控，過低的碳排限額會勒令企業停產，過高的碳排限額則造成企業盲目追求配送運營成本降低，而碳排放顯著上升.

3) 碳稅將碳排放權利處理為商品，應用稅收經濟杠桿，調節排放.若碳稅率較低，企業將優先考慮降低配送車輛運營費用，沖抵碳稅開銷；隨著碳稅率逐步提高，企業將逐步側重降低排放量，碳稅成本的減少幅度將高于配送運營成本上升幅度，實現配送總成本下降.在碳稅政策引導下，物流企業應根據不同碳稅率平衡運營成本與碳稅成本，確保配送總成本最優.

4) 在強制排放與碳稅政策約束下的減排，企業屬于被動執行，無法從減排中取得實際的經濟效益.

5) 碳交易通過調節碳排額度與碳交易價格，從政策與市場2個方面實施碳排調控，且企業有可能從減排中取得經濟收益，更能激發其主動減排意愿.在碳交易調控政策下，物流企業應根據不同碳排放額度與碳價格，平衡配送運營成本與碳交易成本，確保配送總成本最優.

3 結 束 語

不同于傳統配送模型，本文構建的低碳政策下物流配送模型，充分考慮了配送實時路況與節點間路線選擇的多樣性，并引入涉及車輛載重、行駛速度與實時路況的油耗與碳排測算方法，更貼近現實.探討了碳限額、碳稅率、碳交易成本與碳排放額度對物流配送總成本、碳排放與配送路徑的影響，比較了強制碳排、碳稅與碳交易政策，發現碳交易兼顧政策管控與市場引導的優勢，操作方式靈活，企業甚至有可能從減排中獲得經濟收益，更能激發物流企業減排的主觀能動性.

在低碳減排的背景下研究物流配送問題有重要的現實意義，對于交通運輸業低碳政策的制定同樣具有一定參考價值.下一步研究工作可考慮在協同原則下，探討供應鏈中成員之間的碳成本分攤，追求供應鏈全局的最低碳排放與最大經濟收益之間的平衡.

[1]周 葉,王道平,趙 耀.中國省域物流作業的CO2排放量測評及低碳化對策研究[J].中國人口，資源與環境,2011,21(9):81-87.

[2]周 程.物流配送路徑優化策略研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2005,29(5):797-800.

[3]韓世蓮,李旭宏,劉新旺.物流運輸網絡模糊最短路徑的偏好解[J].交通運輸工程學報,2005,5(2):122-126.

[4]李 進,傅培華.基于能耗的帶時間窗車輛路徑問題建模與仿真[J].系統仿真學報,2013,25(6):1147-1154.

[5]許 歡，劉 偉，尚雨廷.低碳經濟下班輪航線配船模型及其算法實現[J].交通運輸系統工程與信息,2013,13(4):176-181.

[6]BEKTAS T, LAPORTE G. The pollution-routing problem[J]. Transportation Research B: Methodological, 2011,45(8):1232-1250.

[7]潘震東，唐加福，韓 毅.帶貨物權重的車輛路徑問題及遺傳算法[J].管理科學學報，2007(3)：23-29.

[8]李 建，達慶利，何瑞銀.多車次同時集散貨物路線問題研究[J].管理科學學報，2010(10)：1-7.

[9]楊善林，馬華偉，顧鐵軍.時變條件下帶時間窗車輛調度問題的模擬退火算法[J].運籌學學報，2010(3)：83-90.

[10]POWELL B J, PERAKIS A N. Fleet deployment optimization for liner shipping: An integer progranning model[J]. Maritime Policy and Management, 1997(4):34-35.

Research on Logistics Distribution Routing Optimization Under the Different Carbon Emission Policies

ZHOU Cheng1,2)WANG Lei1)TAO Juncheng1)

(SchoolofLogisticsandEngineeringManagement,HubeiUniversityofEconomics,Wuhan430205,China)1)(SchoolofManagement,HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,China)2)

To solve the carbon emission problem of logistics distribution, a carbon emission calculation method considering vehicle load, speed and live traffic information is introduced. It proposed logistics distribution routing models under different emission policies such as emission cap, carbon tax and carbon trade. By using of numerically simulation test, the impacts of emission cap, carbon tax, carbon trade cost and carbon cap on logistics distribution routing decision are discussed. Simulation results show that carbon emission of logistics distribution can be decreased by implementing appropriate carbon emission policy. Furthermore, carbon trade mechanism reduces emission by making good use of emission policy control and market-led. Under the guideline of carbon trade mechanism, logistics companies have more incentive to reduce carbon emission since they may gain some financial benefits from their carbon emission reductions deals. This study can provide a frame of reference for developing low-carbon logistics.

logistics engineering; logistics distribution; optimization; carbon emission; low carbon

2015-03-10

*社會科學基金項目(批準號：14BJY139)、湖北物流發展研究中心項目(批準號：2013A12)資助

F505

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.03.006

周 程(1978- )：女，博士后，副教授，主要研究領域為物流系統規劃與管理