考慮自貿區的再制造物流網絡多目標優化設計

趙曉敏,楊　斌,朱小林

(上海海事大學 科學研究院,上海　201306)

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考慮自貿區的再制造物流網絡多目標優化設計

趙曉敏,楊斌,朱小林

(上海海事大學 科學研究院,上海201306)

摘要:文章考慮了自貿區在進口關稅、通關效率等方面對再制造產業的影響,站在跨國企業的角度,針對廢舊家電產品初始回收點、回收處理中心和再制造中心3種物流設施的多級逆向物流選址問題,以物流網絡運作成本和物流績效指數(LPI)為目標,構建了一個多周期多目標的非線性混合整數規劃模型。最后以美國加州的廢舊家電回收為例,通過算例驗證了模型的有效性。

關鍵詞:再制造;自貿區;物流績效指數;跨國企業;物流網絡優化

0引言

廢舊家電的處理和利用問題已經成為世界性環境問題。例如,美國每年就有約100×104t的電器垃圾,僅淘汰的電腦就達到(3～6)×108臺;歐洲每年也有約600×104t的電器垃圾充斥垃圾場[1]。與此同時,產品更新換代加快,必然導致大量廢舊家電被棄置。同時廢舊家電具有極高的經濟價值[2],其含有大量可回收的有色金屬、塑料、玻璃及零部件等,回收利用前景廣闊,如不妥善處理,勢必造成嚴重的環境污染和資源浪費。但是廢舊家電的回收處理難度較高,只有走規模化、產業化道路,提高回收處理技術,才能有效降低污染,節約資源。因此有必要對廢舊家電的再制造物流網絡開展深入的研究。

2013年9月29日上海自貿區正式成立,建立在自貿區內的再制造中心也因自貿區的政策實施獲益頗多。在經濟方面,區內再制造中心享受進口設備免關稅,廢舊產品入區保稅的政策[3];在效率方面,自貿區實行一線進境貨物“先進區、后報關”的特殊海關監管方式,進出口產品享受“快檢快放”、“即查即放”等便捷化措施,可為區內企業節省物流時間并增加盈利。此外,區內對再利用產品以“一次核準、多次使用、有效期內核放”方式,實施簡易備案程序。總之,上海自貿區相關政策的實施可以使進口平均通關時間比區外減少41.3%,出口平均通關時間比區外減少36.8%,大大提高企業的生產物流效率。

對于將在中國投資的跨國公司來說,較高的物流成本、低水平的物流服務是一道巨大的障礙,而自貿區的各項優惠政策則可以一定程度上彌補中國物流水平的不足。然而中國上海自貿區對再制造產業也有一定的限制,其中對跨國企業在自貿區內開展加工貿易影響最大的是“兩頭在外”政策,即再制造企業的廢舊零部件采購清洗、再制造產品銷售都在國外,只有加工環節在區內[3]。在“兩頭在外”現實政策環境下,對跨國企業再制造逆向物流網絡的設計合理性從根本上決定了該網絡的效率和效益,因此值得深入研究。

1逆向物流網絡的研究現狀

目前,國內外相當多的文獻從定量或定性的角度研究了逆向物流網絡結構的設計。文獻[4]分析了一個美國電氣制造廠商的逆向物流網絡,提出了混合整數規劃模型來確定電子產品的回收再制造工廠的位置和數量;文獻[5]考慮了基于回收價格的再制造逆向物流系統,將傳統的庫存模型和回收定價問題相結合,利用回收價格控制回收率;文獻[6]提出一個線性整數規劃模型,解決了針對多種不同廢棄電子產品的逆向回收處理問題;文獻[7]從產生者、回收者和材料處理者的角度分別構造了廢舊電器回收的數學規劃模型,模型把拆解和材料回收決策整合起來,可以供回收者和處理者回收運作決策之用;文獻[8]研究了運輸費用為分段線性函數的逆向物流網絡設計問題,因考慮存儲而提出一個非線性整數規劃模型,并設計遺傳算法求解；文獻[9]討論了逆向物流系統的結構特征、設計原則及設施的選址定位問題;文獻[10]建立了廢舊電腦逆向物流的優化模型并應用于珠江三角洲地區,計算結果表明在沒有政府補貼下廢舊電腦的逆向物流運營是虧損的;文獻[11]考慮了企業和顧客有不同的利益,通過雙層規劃建模來描述物流網絡設計問題,并設計了多目標進化算法求得Pareto解構成的效率邊界,通過分析效率邊界,確定企業的物流網絡結構;文獻[12]以多周期內總運營成本和對環境的有害影響最小為設計目標，考慮物流設施的能力限制和正逆向物流的集成運作,構建了再制造集成物流網絡的多周期多目標優化設計模型。

盡管國內外對再制造逆向物流網絡的研究已經取得不少成果,但大部分文獻在分析時會假定各個地區廢舊品回收量、廢舊品需求量已知[3,5-6,9-11],然而不確定性是廢舊品回收物流網絡的基本特性,故本文的研究考慮了廢舊品回收過程中回收數量、質量等不確定性,同時鑒于物流網絡的構建大多從靜態、單一階段角度考慮,故本文選取動態、多階段的角度設計再制造物流網絡。

再制造物流是以再制造生產為目的,為重新獲取產品價值,產品從其消費地至再制造加工點并重新回到銷售市場的流動過程。在已有研究中從第三方物流企業的角度出發設計獨立的再制造逆向物流網絡的研究較少,第三方物流企業不同于企業自身的逆向物流,它以服務制造企業、物流企業、分銷商等整個產品生命周期中出現的各種行業企業為目的[13]。采用這種合同化的方式為再制造企業服務可實現集約化、規模化、專業化等目標。對再制造逆向物流網絡的不合理設計,將直接對整個逆向物流網絡的管理效率和效益產生重大影響。

當涉及跨國再制造逆向物流網絡的設計時,還應考慮到海關效率、物流服務質量等因素。物流績效指數(LPI)是由世界銀行提出的用以衡量世界各地物流發展水平的指標體系,該指數較全面描述了被調查國家或地區的貿易物流情況,反映出各地清關過程的效率、貿易和貨物運輸相關的基礎設施水平、國際運輸便利性、物流服務的質量、追蹤貨物的能力以及貨物運輸的及時性。LPI指數范圍為1～5,數值越高說明績效越好。而產品在運輸過程中會產生廢氣、噪音等影響生活環境的不利因素,并且跨國物流網絡的海關政策、物流服務質量等也會影響整個物流網絡的效益,所以定義再制造物流網絡系統的貿易負效用來衡量以上影響因素,即

其中,q為貿易負效用;φ為單位產品在單位距離上因運輸對環境產生的負效用;x為運輸產品的數量;d為運輸距離;LPI為整個再制造物流網絡的物流績效;Θ為進出口關系。

本文在考慮自貿區的前提下,站在跨國企業的角度,針對廢舊家電產品回收再制造問題,提出了一個多周期、多目標的獨立逆向物流網絡多層設施選址模型(即顧客對回收點、回收點對回收中心、回收中心對再制造中心的網絡結構)。模型考慮了居民廢舊家電數量在不同時期發生隨機變化時,逆向物流網絡的回收點將相應進行調整,但回收處理中心保持不變的設施選址方法。在“兩頭在外”模式下,以再制造物流網絡的總運作成本最小和該網絡系統的貿易負效用最小為目標,建立了非線性混合整數規劃模型。所得結果可為跨國公司進行再制造物流設施選址提供理論支持。

2數學模型的建立

2.1問題描述

假設一個專門進行廢舊家電回收再制造業務的第三方跨國物流公司(簡稱RM),該公司回收美國加利福尼亞州的廢舊家電,再將這些廢舊家電運往東南亞的再制造中心進行再制造。考慮到在較長的一段時間內居民廢棄的廢舊家電數量是變化的,回收點在不同時期內也應是變動的。從回收點收集的廢舊產品應在一定時間內運送到回收處理中心,并在回收處理中心對這些廢舊產品進行檢測、分類、分解,將可能修理或恢復的產品分揀出來運往再制造中心,其余的產品運往廢棄物處理中心進行最終處理。回收點可以根據用戶分布情況考慮租賃類似零售店、藥店等代為回收,租用這些回收點只考慮各種變動成本;而回收處理中心和再制造中心是由RM公司建立和運營的,由于較高的建設成本,這里假設不同的運營期內回收處理中心和再制造中心是固定不變的。其中回收處理中心產生的垃圾處理是屬于政府環保部門的工作,不考慮產品拆解所得廢棄物的處理。再制造中心節點概念圖如圖1所示。

圖1　再制造中心節點概念圖

RM公司面臨的問題是:選取哪些備選點作為初始回收點,建立哪些回收處理中心,選取哪個備選地作為再制造中心以及設施間的流量及其回收量。RM公司的目標是最大程度地節約該逆向物流網絡設施選址所引起的總運作成本,并且最大程度地減小物流網絡設施的貿易負效用。為方便求解,假設廢舊家電由美國的回收處理中心運往加州的自貿區港口,再經航運至再制造中心,忽略回收處理中心到加州自貿區港口的運輸費用。

在家電產品的運輸過程中作出如下假設:在同一地區(國家)內,貨物在自貿區內部(外部)設施之間轉運、貨物由非自貿區區域運往自貿區不產生進出口關系,貨物由自貿區運往非自貿區區域產生出口關系;在不同地區(國家)間,貨物在自貿區之間轉運不產生進出口關系,貨物由自貿區運往非自貿區區域產生進口關系并交納相應的進口關稅,貨物由非自貿區區域運往自貿區產生出口關系,貨物在非自貿區區域之間轉運同時產生進出口關系并繳納相應進口關稅。

根據問題描述,作出以下假設:① 所有顧客的廢舊家電產品都通過初始回收點集中到回收處理中心,不會出現客戶直接把廢舊品送到回收處理中心的情況；② 所有顧客都能被初始回收點覆蓋,且初始回收點回收的廢舊家電產品都具有殘余價值；③ 由于距離小費用小,故從客戶到初始回收點的運輸費用忽略不計；④ 由于單個顧客廢舊產品的數量不大,并且初始回收點經過一段時間即一個周期就把廢舊產品送到回收處理中心,如果回收量增大則可以縮短一個周期的時間,因此把初始回收點視為無容量限制；⑤ 為簡化計算,假定需求是確定的,且考慮當期需求量為當期可以回收的最大量；⑥ 在備選地點考慮拆解中心、再制造中心的選址。鑒于當前的制度限制,暫不考慮在自貿區內進行保稅拆解；⑦ 只考慮對進口回收產品征收關稅,不考慮出口退稅因素。

2.2模型參數和決策變量

其中,E1為從初始回收點j到回收處理中心k的單位產品運費率;α為折扣率,由回收點j與回收處理中心k之間的運輸量Xtjk確定,隨著運輸量Xtjk處于不同的范圍,α的取值不同;β為懲罰率,由回收點j與回收處理中心k之間的距離djk確定,隨著運輸距離djk處于不同的范圍,β的取值不同[8],即

其中,α2<α1<1,p1

其中,E2為從回收處理中心k到再制造中心n的單位產品運費率;ξ為折扣率,由回收處理中心k與再制造中心n之間的運輸量Stkn確定,隨著運輸量Stkn處于不同的范圍,ξ的取值不同;θ為懲罰率,由回收處理中心k與再制造中心n之間的距離dkn確定,隨著運輸距離dkn處于不同的范圍,θ的取值不同,即

其中,ξ2<ξ1<1,g1

(2)模型的決策變量。設Ttj為第t運營期內回收點j的回收期,以天表示,不同的回收點可以具有不同的回收期。回收期是一個時間段,在這段時間內,回收點接受顧客的退回產品,并在時間段結束時將所有廢舊產品運送到回收處理中心,這樣回收期也表示了回收點到回收處理中心的運送頻率,如回收期為6 d,表示6 d一次運送的頻率;Wt為第t期的運營周期(以天計算);Xtjk為第t運營期內回收點j在每一回收期結束時運送到回收處理中心k的產品回收量;Stkn為第t運營期內回收處理中心k在每一回收期結束時運送到再制造中心n的產品回收量。假設：

2.3數學模型

根據上述對問題的描述以及相關的參數和假設說明,可以得到如下的數學模型:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

因目標函數C1和C2均取最小值,用歸一法將多目標轉化為單目標函數C,即

其中，取σ1=0.7,σ2=0.3。

3算例分析

RM公司要規劃加利福尼亞州廢舊家電產品的再制造物流網絡,劃分16個客戶區、6個備選初始回收點、4個備選回收處理中心和4個備選再制造中心。客戶區產品回收量和回收處理中心的處理率分別服從正態分布N(200,20)和N(0.7,1)。相關參數見表1、表2所列。參考有關文獻,網絡設施所在地的物流績效指數如下:美國3.92,中國3.53,越南3.15,馬來西亞3.59。其他參數設定如下:單位產品日存儲成本b為1元;運營期總工作日W為30 d;初始回收點的單位處理成本h為0.000 01元;初始回收點的覆蓋范圍Lm為400 km;由回收點到處理中心的單位產品運輸成本E1為1;由處理中心到再制造中心的單位產品運輸成本E2為2;回收處理率為λ∈N(0.7,12);單位產品再制造成本g為0.001萬元;單位產品回收價格pk為0.000 5萬元;貿易負效用指數φ為45;由初始回收點到回收處理中心途中不同運輸量對應的折扣率α1為0.8,α2為0.6,p1為180件,p2為220件;由初始回收點到回收處理中心途中不同運輸距離對應的懲罰率β1為1.1,β2為1.2,q1為200 km,q2為400 km;由回收處理中心到再制造中心途中不同運輸量對應的折扣率ξ1為0.8,ξ2為0.6,g1為2 000件,g2為3 000件;由回收處理中心到再制造中心途中不同距離對應的懲罰率θ1為1.2,θ2為1.3,b1為9 000 km,b2為10 000 km。4個備選回收處理中心最大容量(件)分別為:長灘25 000,奧克蘭20 000,斯托克頓20 000,貝克斯菲爾德22 000。4個備選再制造中心的最大容量(件)分別為:上海區外20 000,越南25 000,馬來西亞20 000,上海自貿區內18 000;其所在地進口關稅稅率分別為20%、25%、25%、20%。

表1　客戶區、回收點、處理中心和再制造中心的坐標

表2　進出口關系表

注:1代表既沒有產生出口關系也沒有進口關系;2代表沒有產生出口關系但產生進口關系;3代表產生出口關系但沒有產生進口關系;4代表既產生出口關系也產生進口關系。

使用lingo11.0進行算例求解,結果如下:

第1周期選擇洛杉磯、舊金山作為初始回收點,其每一回收期結束時運送到回收處理中心的產品回收量分別為1 267、1 933件。

第2周期選擇洛杉磯、薩克拉門托、弗雷斯諾作為初始回收點,其每一回收期結束時運送到回收處理中心的產品回收量分別為460、1 795、1 016件。

第3周期選擇洛杉磯、薩克拉門托作為初始回收點,其每一回收期結束時運送到回收處理中心的產品回收量分別為954、2 038件。

3個周期都選擇貝克斯菲爾德作為回收處理中心,上海自貿區作為再制造中心,3個周期內由回收處理中心運送到再制造中心的產品回收量分別為3 200、3 271、3 214。

具體網絡設施選址如圖2所示,見表3所列。

圖2　客戶區、回收處理中心位置示意圖

周期初始回收中心序號123456T11,2,3,12,13,144,5,6,7,8,9,10,11,15,16T21,24,5,6,8,9,10,11,15,163,7,12,13,14T324,5,6,7,8,9,10,11,15,16

為了揭示關稅變化對模型結果的影響并驗證模型求解方法的有效性,進行關稅波動分析,結果如圖3所示。

圖3　中國關稅的靈敏度分析

當關稅在0.19～0.21區間內變化時,目標函數的解在關稅為0.2時所求的最優解附近震蕩，各配套設施的選址沒有改變,證明了此模型在關稅微調時的穩定性以及結果的可靠性。

本次計算的最優值為0.306 262 2E-02,為了與單周期進行對比,用常值W代替Wt并做相應變動,可得到單周期結果最優值為0.596 063 0E-02,由此看出,多周期的結果有了很大提升。客戶區在初始回收點的分配方案上多周期與單周期有很大不同,為進一步證實這種情況,進行10次數值實驗,也可得出多周期動態模型的總目標要低于單周期模型,結果如圖4所示。因此,多周期動態模型在進行逆向物流網絡優化時,由于綜合考慮了各時期、各回收點輸入的不確定性及產品在回收點等待所引起的庫存成本,能夠更好地反映生產實際情況,且比單周期模型具有更強的魯棒性。

圖4　多周期模型與單周期模型實驗結果比較

4結束語

本文從第三方逆向物流企業的角度,設計了跨國再制造物流網絡,考慮到海關效率、物流服務質量等因素,結合自貿區構建了在回收量和回收質量不確定的環境下,多周期、單產品的再制造物流網絡優化模型,并通過算例驗證了模型的有效性。考慮自貿區的全球再制造物流網絡設計屬于較新的研究領域,大量重要的研究問題仍待解決,今后將結合實際應用,對網絡優化模型作進一步的完善,如在模型中考慮時間價值、社會價值等因素。此外,自貿區再制造一般針對高端業務,與維修有很大的關聯,本文沒有考慮自貿區再制造與維修的產業集聚。盡管如此,本文考慮的多周期動態結構和“兩頭在外”模式存在現實性,具有一定的理論價值和意義。

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(責任編輯張镅)

Multi-objective optimization design of remanufacturing logistics network based on FTZ

ZHAO Xiao-min,YANG Bin,ZHU Xiao-lin

(Scientific Research Academy,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

Abstract:Considering the influence of Free Trade Zone(FTZ)on the remanufacturing industry,such as import tariff,customs performance and timeliness of shipments,in view of the multinational enterprises,and taking the minimum logistics network operation costs and the highest logistics performance index(LPI)as multi-objective,a mixed integer nonlinear programming(MINP)model is proposed to optimize the location and size of facilities and service centers in reverse streams under uncertainty,including initial collecting point,recycling and processing center and remanufacturing center of waste household appliances.And the effectiveness of the proposed model is verified by a real case study of California,USA.

Key words:remanufacturing;Free Trade Zone(FTZ);logistics performance index(LPI);multinational enterprise;logistics network optimization

收稿日期：2015-07-25；修回日期：2015-11-24

基金項目：國家自然科學基金資助項目(71171129);上海市科委科研計劃資助項目(12510501600;14DZ2280200;14511107402)

作者簡介：趙曉敏(1991-),女,河南焦作人,上海海事大學碩士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.027

中圖分類號:F752.8;F252;U115

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)04-0570-07

楊斌(1975-),男,山東青島人,博士，上海海事大學教授,碩士生導師.