基于供給側視角的煤電鋁產業鏈結構優化模型及應用

彭紅軍，周梅華，馬靜麗

(1. 南京林業大學經濟管理學院，江蘇 南京 210037；2.中國礦業大學管理學院，江蘇 徐州 221116)

基于供給側視角的煤電鋁產業鏈結構優化模型及應用

彭紅軍1，周梅華2，馬靜麗2

(1. 南京林業大學經濟管理學院，江蘇 南京 210037；2.中國礦業大學管理學院，江蘇 徐州 221116)

煤炭產業供給側結構性改革和去產能化要求迫在眉睫，本文從產業鏈結構優化的視角研究煤炭產業供給側結構優化問題。在對煤電鋁產業鏈進行結構性分析的基礎上，分析了煤電鋁產業鏈系統的決策目標和約束條件，建立了煤電鋁產業鏈結構優化的0-1混合整數優化模型。該模型以產業鏈系統整體利潤最大化為目標，具有以下功能：優化煤炭板塊的商品煤生產數量、結構以及商品煤銷售去向；優化電力板塊的生產規模和銷售去向；優化鋁板塊的各類鋁產品的產量和結構；優化鋁板塊的供給側能力結構。最后應用模型進行了實證分析，研究表明該模型具有科學性、系統性和有效性的特點。

煤電鋁產業鏈；結構優化；混合整數優化模型；供給側改革

煤炭產業供給側結構性改革和去產能化要求迫在眉睫，如何從產業結構優化的角度科學推動供給側改革，成為需要研究的重要問題。越來越多的研究表明,現代經濟競爭已不是單個生產環節和單獨產品的競爭,而更多地體現在整個產業鏈之間的競爭。首先在產業鏈研究方面，Henri提出了產業鏈是各個產業部門之間基于一定的技術經濟關聯,并依據特定的邏輯關系和時空布局關系客觀形成的鏈條式關聯關系形態的概念[1]，賀軒提出產業鏈有廣義和狹義之分[2]。廣義的產業鏈包括滿足特定需求或進行特定產品生產(及提供服務)的所有企業集合，涉及相關產業之間的關系；狹義的產業鏈則重點考慮直接滿足特定需求或進行特定產品生產 (及提供服務)的企業集合，主要關注產業內各環節之間的關系。芮明杰等[3]提出了產業鏈的知識整合，將產業鏈理解為一個知識整體，從知識角度研究了產業鏈分化整合的機理。李心芹等[4]在界定產業鏈內涵的基礎上,對產業鏈結構類型進行理論探析。卜慶軍等[5]從產業鏈的整合基礎和目標入手，提出了三種產業鏈整合模式。路正南等[6]提出光伏產業鏈協同管理的概念。

在產業鏈優化決策相關研究中，梁玲等[7]主要提出了煤電產業供需與合作的不均衡、煤炭企業較弱的盈利能力、較短的煤炭產業鏈等問題。袁學良[8]提出了縱向延長,其中包括產業鏈的組裝、補充及延伸和橫向聯合的兩種產業鏈優化方式。趙緒福[9]在產業結構優化理論的基礎上分析農業產業鏈優化的具體內涵并說明產業鏈優化的內容與途徑。趙曉煜等[10-11]對供應鏈的設計和優化問題進行了系列的富有成效的研究。彭紅軍等[12]建立了一個多目標的大型煤炭供應鏈集成模型。呂濤等[13]采用產業關聯分析的方法確定了煤炭產業鏈的類型，運用DEA方法，構造出區域產業鏈效率評價的一般模型，并對各省區煤炭產業鏈的整體經濟效率、技術效率及規模效率進行評價和比較分析。

前人研究中大多從定性方面描述了產業鏈定義、整合及優化方法，涉及產業鏈尤其是煤炭方面定量模型相對較少，部分研究僅是從煤炭供應鏈方面介紹，并沒有進行產業鏈的延伸。隨著市場動態變化，龐大的產業鏈依照經驗生產已經明顯不足，科學的決策必不可少。因此本文在借鑒煤炭供應鏈方面相關優化模型建立了煤電鋁產業鏈優化模型，其特點如下：①建立了以煤炭為基礎的煤電鋁產業鏈結構優化模型，以產業鏈總利潤最大為目標進行動態決策；②模型集成了煤電鋁產業結構優化、產業鏈的煤電鋁企業供應、生產、訂購決策等問題。

1 煤電鋁企業產業鏈結構

煤電鋁企業鏈是由存在特定關系而形成的鏈條。煤電鋁三板塊結構,如圖1所示。圖1中第一部分為煤炭板塊，包含原煤開采、煤炭洗選加工、煤炭銷售等節點，虛線表示原煤礦井生產的原煤能不經過洗選加工直接作為商品煤,經由煤炭銷售環節銷售給顧客。其中在部分煤炭銷售給電廠發電使用。第二部分電力板塊，發電量部分供給鋁廠電量供鋁液生產使用，剩余部分上網及其他用途。第三部分為鋁板塊，鋁廠生產鋁液及其他鋁產品。生產鋁液電量由電廠提供。虛線部分表示鋁錠生產需要鋁液作為原材料。

圖1 煤電鋁企業產業鏈結構框架

2 模型建立

2.1 符號說明與假設

考慮一個典型的煤炭產業鏈結構，包含煤炭板塊、電力板塊和鋁板塊。煤炭板塊包含多個礦井和多個洗煤廠；電力板塊包含一個發電廠，發電廠的產品可以直供鋁廠、輸送電網，并有部分為企業自用；鋁板塊產品包括鋁液、鋁錠等。由于市場變化，鋁產品的市場需求量持續下滑，價格持續走低，需要決策是否停產。

假設下標i表示礦井,i=1,2,…,I；下標j表示洗煤廠,j=1,2,…,J；下標n表示商品煤煤種,n=1,2,…,N，并且假設n=1表示主要精煤，n=2表示洗混煤，n=N表示原煤；下標k表示發電去向，k=1,2,…,K,不妨設當k=1表示直供鋁廠用電，k=K表示上網電力；m表示鋁類產品，m=1,2,…,M，并假設m=1表示鋁液。

假設Ai表示礦井i的生產能力；Bj表示洗煤廠j的洗煤能力；F表示發電廠的發電能力；Nm表示鋁類產品m的生產能力。

Ci0表示礦井i生產成本；Cj1表示洗煤廠j的生產成本；Cm2表示鋁產品固定成本；Cm3表示鋁產品可變成本；Cm4表示鋁產品停產成本；C0表示電廠燃料費成本；C1表示電廠固定成本；C2表示電廠發電水費成本。

YHj表示洗煤廠j入洗原煤的灰分；LYjn表示洗煤廠j洗出的煤種n的產率；Qk2表示各種渠道銷售的電量；H表示發電煤耗；α表示煤耗中原煤所占比例；β表示煤耗中洗混煤比例；H1表示鋁液單位耗電量。

Pn1表示煤種n的市場價格；Pk2表示電價；Pm3表示鋁產品價格；Dn1表示煤種n訂單數量；Dm3表示第m種鋁產品市場需求量；E表示煤電鋁供應鏈總利潤；E1表示煤炭板塊利潤；E2表示電板塊利潤；E3表示鋁板塊總利潤。

決策變量：Yj表示洗煤廠j的入洗原煤量；YN1表示銷售給客戶的原煤量；YN2表示供給電廠原煤量；Ljn表示洗煤廠j的洗出煤種n的數量；Q表示電廠總發電量；Qm 3表示鋁產品產量；Im表示第m種鋁產品是否生產的0-1決策變量。

2.2 煤電鋁產業鏈利潤分析

煤電鋁產業鏈總利潤為煤炭板塊、電力板塊和鋁板塊利潤之和，其中煤炭板塊的利潤計算見式(1)。

(1)

式中：第一項為煤炭的銷售收入；第二項為礦井的生產成本；第三項為洗煤廠的生產成本。

電力板塊的利潤計算見式(2)。

(2)

式中，第一項表示電力銷售收入，第二項表示發電廠的發電成本。

鋁板塊的利潤計算見式(3)。

(3)

式中：第一項為鋁產品的銷售收入；第二項為鋁產品的固定生產成本與變動成本之和；第三項為停產成本。

綜上所述，得到煤電鋁產業鏈的總利潤(式(4))。

E=E1+E2+E3

(4)

2.3 約束條件

根據各洗煤廠的歷史投入產出數據，構建各主要商品煤的投入產出的計量模型[12]，見式(5)。

Lj1=f(Yj,YHj,Lj2,Lj3,…,Lj(N-1)),j=1,2,…,J

(5)

洗煤廠洗選能力約束模型見式(6)。

Yj≤Bj,j=1,2,…,J

(6)

發電能力約束模型見式(7)。

Q≤F

(7)

鋁產品生產能力約束模型見式(8)。

Qm3≤Mm,m=1,2,…,M

(8)

商品煤銷售量約束模型見式(9)。

(9)

鋁產品的銷售量約束模型見式(10)。

Qm3≤Dm3,m=1,2,…,M

(10)

鋁產品產量與0-1變量的關系模型見式(11)。

Qm3≤RIm,m=1,2,…,M

(11)

其中R為一個相對較大的數，式(11)的作用是使得當Im=0時，Qm3=0。

原煤產量與去向平衡公式見式(12)。

(12)

發電燃料費包括發電原煤消耗與洗混煤消耗的成本之和,計算見式(13)。

C0=H×(α×Pn1+β×P2)

(13)

直供鋁廠電量等于鋁液的產量與單位耗電量之積，計算見式(14)。

Q12=Q13×H1

(14)

2.4 煤炭產業鏈結構優化模型

以煤電鋁產業鏈總體利潤最大化為目標，即以式(4)為目標函數，以式(5)～(14)為約束條件的煤炭產業鏈結構優化的0-1混合整數優化模型，該模型具有以下功能:①優化煤炭板塊的商品煤生產數量和結構，優化商品煤銷售去向；②優化電力板塊的生產規模和銷售去向;③優化鋁板塊的各類鋁產品的產量和結構;④優化鋁板塊的供給側生產能力結構。

3 模型應用

3.1 參數說明

某煤電集團公司經過近40年的開發建設，已形成集煤炭、電力、鋁業一體化綜合經營的產業鏈，擁有四對煤炭生產礦井、四座選煤廠、一座發電廠、一座電解鋁廠、兩座鋁加工廠。煤炭板塊情況見表1，電力板塊生產情況見表2，鋁板塊生產情況見表3。

表1 煤炭板塊參數表

表2 電力板塊參數表

表3 鋁板塊參數表

五級精煤價格為787元/t，六級精煤價格為793元/t，原煤價格為522元/t。上網電價為0.439元/kW·h。

在電廠發電所用主要煤種中，原煤比例α為0.171，洗混煤比例β為0.554。根據煤炭企業各洗煤廠2010～2013年按月統計數據，擬合出各洗煤廠主要精煤產出率的多元線性回歸模型，如表4所示，各模型整體顯著性檢驗和變量顯著性檢驗均顯著。

3.2 模型求解結果

通過煤炭產業鏈結構優化的0-1混合整數優化模型的求解, 得到煤電鋁產業鏈總利潤及各版塊利潤結果如表5所示。

煤炭板塊決策如表6所示，電力板塊和鋁板塊決策如表7所示。

表4 某煤電公司各洗煤廠洗煤回歸模型

表5 煤炭產業鏈利潤情況表/萬元

表6 煤炭板塊決策情況表

表7 電力、鋁板塊決策情況表

3.3 模型動態情境分析

以下對鋁板塊進行情境分析，分別以鋁液和冷軋卷為例，鋁錠和鋁板帶箔類推。情境分析分為兩種情況。

1)當產量一定時，可根據利潤公式及0-1變量變化得到是否停產的價格臨界值。

2)當價格一定時，可根據利潤公式及0-1變量變化得到是否停產的產量臨界值。

以下分析中產量和價格取值均是以公司實際生產情況和市場實際需求情況進行設定。價格單位均為元/t，產量單位為萬t。

表8 產量固定時鋁液生產與否的情境分析

表9 鋁液價格固定時生產與否的情境分析

根據表8，當產量為2.8萬t時，生產的價格臨界值為14751萬元/萬t。即當價格在[0,12278]之間，企業停產。價格在[12278,14751]生產，利潤仍為負值，為企業減虧階段。當價格大于24780萬元/萬t時，企業開始生產盈利。

根據表9，當價格為14390萬元/萬t時，生產的產量臨界值為0.32萬t。即產量在小于0.32之間停產。產量在[0.32,3.2]萬t之間，利潤仍為負值，企業減虧階段。當產量大于3.2萬t時，企業開始生產盈利。

表10 冷軋卷產量固定時生產與否的情境分析

表11 冷軋卷價格固定時生產與否的情境分析

根據表10，當冷軋卷產量為3.9萬t時，生產的價格臨界為25396萬元/萬t時。即價格在[0,25396]停產。在[25396,27933.7]之間，企業生產，利潤為負值，企業減虧階段。當價格大于27933.7萬元/萬t時，企業生產盈利。

根據表11，冷軋卷虧損比較嚴重。當冷軋卷市場價格為14466萬元/萬t，生產越多虧損越多，應立即停產。

4 結論

本文從產業結構優化的角度探索煤電鋁產業鏈供給側結構性優化的模型與應用。通過建立煤電鋁產業鏈結構優化的0-1混合整數優化模型，優化煤炭板塊的商品煤生產數量、結構以及商品煤銷售去向；優化電力板塊的生產規模和銷售去向；優化鋁板塊的各類鋁產品的產量和結構；優化鋁板塊的供給側能力結構。與現有煤炭供應鏈優化領域的研究文獻相比，本文研究具有以下方面的創新：①建立了以產業鏈系統利潤最大化為目標的煤電鋁產業鏈結構優化模型；②模型集成了煤電鋁產業鏈供給側結構優化、煤電鋁企業供應、生產、訂購決策等問題；③對模型進行了應用和分析，從模型實證分析的決策結果和情境分析可以看出, 該模型能夠從產業鏈系統優化的角度有效優化煤炭板塊、電力板塊和鋁板塊的供給結構，并對部分板塊的去產能決策提供理論支持，模型具有科學性、系統性和有效性的特點。

本文研究對于完善煤炭供應鏈系統優化的理論和方法體系具有一定的理論價值，對于推動煤炭產業進行供給側結構性改革和去產能決策提供了研究視角和方法借鑒。

[1] Henri C Dekker. Value Chain Analysis inmterfirm relationships: a field study[J]. Management Accountring Research,2003,14(11):1-23.

[2] 賀軒, 員智凱. 高新技術產業價值鏈及其評價指標[J]. 西安郵電學院學報, 2006,11(2):83-86.

[3] 芮明杰, 劉明宇. 網絡狀產業鏈的知識整合研究[J]. 中國工業經濟，2006(1):49-55.

[4] 李心芹, 李仕明, 蘭永. 產業鏈結構類型研究[J]. 電子科技大學學報:社會科學版, 2004(4):60-63.

[5] 卜慶軍, 古贊歌, 孫春曉. 基于企業核心競爭力的產業鏈整合模式研究[J]. 企業經濟, 2006(2):59-61.

[6] 路正南, 劉春奇, 王國棟. 光伏產業鏈協同績效評價指標體系研究[J]. 科技與經濟，2013,26(1):106-110.

[7] 梁玲, 龔海濤, 劉魯浩. 基于煤電產業鏈的煤炭產業轉型策略[J]. 福建論壇:人文社會科學版, 2014(10) :13-17.

[8] 袁學良. 煤炭行業循環經濟發展理論及應用研究[D]. 濟南:山東大學,2008.

[9] 趙緒福. 農業產業鏈優化的內涵、途徑和原則[J]. 中南民族大學學報:人文社會科學版, 2006, 26(6):119-120.

[10] 趙曉煜, 黃小原, 孫福權. 面向重要供應商和客戶的供應鏈設計方法[J]. 系統工程, 2005, 23(6) : 34-38.

[11] 黃小原, 盧震. 二級供應鏈模型及其在服務銷售問題中的應用[J]. 系統工程理論方法應用, 2003,12(3): 228-231.

[12] 彭紅軍, 周梅華, 劉滿芝.大型煤炭供應鏈集成決策模型及應用[J]. 計算機集成制造系統, 2009, 15(9):1738-1742.

[13] 呂濤, 聶銳, 劉玥. 煤炭產業鏈的區域效率評價及優化策略[J]. 煤炭學報, 2009, 34(7): 1003-1007.

Decision model for the coal-electricity-aluminum industry chain and its application based on the aspect of supply-side

PENG Hongjun1, ZHOU Meihua2, MA Jingli2

(1.College of Economics and Management, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China； 2.School of Management, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

The structural reform of supply-side aspect and reducing the production capacity is urgent tasks for coal industry chain. This paper tries to study the problems of the structural optimization of the supply side in the perspective of industry structural optimization. Based on analyzing the structure of the coal-electricity-aluminum industry chain, we analyze the decision objective and the constraint conditions and establish a 0-1 mixed integer optimization model of the coal-electricity-aluminum industry chain. This model is designed to achieve maximization of total profit for the coal-electricity-aluminum industry chain. The model has the functions as following: optimizing the production quantity, structure and sales for the coal sector; optimizing the production quantity and sales for the electricity sector; optimizing the production quantity and structure for the aluminum sector; optimizing the production capacity for the aluminum sector. Finally, the model is analyzed by examples.Results show that the model has the characteristics of scientific, systemic and effective.

coal-electricity-aluminum industry chain; structure optimization; mixed integer optimized model; supply-side reform

2016-08-02

國家自然科學基金項目資助(編號：71201164)；中國博士后科學基金項目資助(編號：2014M561658)

彭紅軍(1980-)，男，安徽池州人，博士，副教授，從事供應鏈管理、系統工程等研究，E-mail: penghj@njfu.edu.cn。

F407.1

A

1004-4051(2017)01-0029-05