基于碳足跡的電商物流網(wǎng)點布局簡易算法

張 浩，萬 晗，全 慧

（1.南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)代物流研究中心，江蘇 南京 210037；3.南京林業(yè)大學(xué)環(huán)境與發(fā)展系統(tǒng)工程研究所，江蘇 南京 210037）

1 引言

中國電子商務(wù)發(fā)展迅猛，物流網(wǎng)點布局問題的研究和應(yīng)用越來越得到重視。很多學(xué)者從不同角度進行了理論探索，比如：以降低總成本為目標(biāo)建立非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型，用量子粒子群算法對該模型進行求解[1]；考慮客戶的滿意度，建立距離懲罰成本函數(shù)求解[2]；針對物流網(wǎng)點的時效性，采用改進PSO算法進行分析[3]；根據(jù)網(wǎng)點時空特征，建立空間自相關(guān)模型及匹配度模型等[4]。近年來加強了應(yīng)用研究，特別是基于GIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析和網(wǎng)點布局優(yōu)化[5]。但在以下兩方面存在深入討論的必要：第一，現(xiàn)有模型算法非常復(fù)雜，很難在實踐中廣泛運用，特別是對廣大中小電商企業(yè)幾乎是望塵莫及；第二，現(xiàn)有研究大多以提高效率、降低成本為目的，對于低碳環(huán)保問題考慮不足。

目前低碳環(huán)保的理念已深入人心，相關(guān)研究倍受重視，其中碳足跡是主流研究理論之一[6]，并從不同的視角取得了很多突破。比如：從產(chǎn)品制造過程進行碳足跡核算[7]；從產(chǎn)品生命周期視角的評價[8]；基于IPCC排放因子等方法對某地區(qū)進行碳足跡估算等[9-10]。然而總體來講，方法論方面仍存在許多問題，特別是計算過程非常復(fù)雜[11]，Laura等提出一種確定區(qū)域碳足跡的簡化方法[12]，但由于數(shù)據(jù)獲取等問題，在實際中直接運用的難度仍很大，對于物流網(wǎng)點布局問題的應(yīng)用研究有待探索。本文嘗試提出一種基于碳足跡的簡易算法，可為中小電商企業(yè)所掌握，以便解決物流網(wǎng)點布局優(yōu)化問題。

2 研究方法

2.1 調(diào)研方式和數(shù)據(jù)來源

（1）通過指導(dǎo)學(xué)生實習(xí)等方式，對某電商企業(yè)（MM化妝店）進行調(diào)研。收集了以下幾方面的數(shù)據(jù)：過去一年內(nèi)各供貨點（生產(chǎn)商）的收貨情況、發(fā)往全國各地的快遞單有效數(shù)據(jù)、快遞包裝箱尺寸和包裝填充物等。

（2）通過實地考察的方式，收集了郵政EMS、順豐速運和圓通快遞等公司使用的包裝箱和包裝物數(shù)據(jù)，以及常用車輛及載貨情況。

（3）通過參觀考察的方式，調(diào)研了蘇寧易購某大型物流配送中心，收集了月均吞吐量、耗電量等數(shù)據(jù)。

2.2 物流網(wǎng)點布局的基本算法選擇

物流網(wǎng)點布局的模型和算法有很多，比如：位圖法、重心法、評分法等，多用于一元網(wǎng)點布局問題，即選擇一個地點建設(shè)或租用倉庫。目前許多中小電商企業(yè)面臨這一問題，自己設(shè)立倉庫，從多個供貨點（如生產(chǎn)商）進貨，然后直接通過快遞發(fā)給最終消費者，但從實際情況看，幾乎不需要上述算法，因為直接就近設(shè)倉即可。

近年來物流寶等倉儲配送一體化網(wǎng)絡(luò)模式發(fā)展迅猛，從共同配送的原理可知，這種模式的效率高、成本低。許多企業(yè)自己不再設(shè)倉，而在不同地區(qū)租用倉庫，貨物直接從多個供貨點發(fā)往多個倉庫（收貨點），再從倉庫發(fā)給消費者。這就形成了多個發(fā)貨點和多個收貨點的地址選擇和運量優(yōu)化問題，最小元素法是處理此類問題最簡單有效的方法，本文以此作為基本模型。

模型可表示為：一定時期內(nèi)（如一個月），從m個供貨點（產(chǎn)地）A1，A2，···，Am直接向n個收貨點（倉庫）B1，B2，···，Bn供貨，各供貨點的發(fā)貨量分別是a1，a2，···，am，各倉庫的收貨量分別為b1，b2，···，bn。產(chǎn)地Ai到倉庫Bj的單位物品運價為cij，求總運費最小的調(diào)運方案。

但是該模型從應(yīng)用的角度存在以下兩點改進必要：（1）物流量的度量，基本算法是以t·km為單位，然而電商的物流方式以快遞為主，因此改為以“件”為單位；（2）目標(biāo)的選擇，基本算法是成本最低并以元為計量單位，如果以低碳環(huán)保為目標(biāo)，可以用碳排放量（kg）為計量單位，事實上這兩個目標(biāo)是不矛盾的[13]。如果用碳排放量為計量單位，則涉及碳足跡的算法選擇。

2.3 基于碳足跡的算法改進

（1）基本算法及改進原理。計算碳排放量有很多方法，但從實際應(yīng)用來看，最簡單方便的是采用計算器。根據(jù)碳排放的定義及基本原理，很多研究機構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出了一些計算軟件或平臺，這些被統(tǒng)稱為碳足跡計算器。其中山水自然保護中心設(shè)計的碳足跡計算器是典型的代表[14]，本文采用此計算器（以下稱原計算器）的基本算法原理，計算依據(jù)主要有兩方面：①使用的物資，即不同材料、不同用量的背后有不同的碳排放量；②發(fā)生的行為，特別是出行，即選用不同的交通工具和里程會產(chǎn)生不同的碳排放量，可用下式表示：

式中，C為總碳排放量，Wi為第i種物資（如紙）或能源（如電）的消耗量，αi為該物資或能源的碳排放系數(shù)；Hj為第j種行為的度量（如乘地鐵的公里數(shù)），βj為該行為的碳排放系數(shù)。

然而該計算器主要針對家庭生活、工作及出行等方面的實際應(yīng)用，對于物流過程的碳排放很難直接形成對應(yīng)關(guān)系，很多物資和行為沒有出現(xiàn)在計算器中，因此有必要加以改進。改進思路是在計算依據(jù)不變的前提下，將快遞使用的物資和物流全過程中發(fā)生的行為進行換算，從而與原計算器中的統(tǒng)計口徑形成對應(yīng)關(guān)系。

（2）使用物資的碳排放計算。對于快遞而言，最主要的物資是包裝箱，計算碳排放時，先換算為原計算器中的相同物質(zhì)，再按使用的重量或個數(shù)直接進行計算。按照材質(zhì)的相似性，將包裝物分為兩類：①紙類，并按重量計算，包裝箱多為紙箱，并以瓦楞紙為主，不妨直接換算成紙計算；②塑料袋，包裝物中的其他部分主要有：塑料袋、膠帶、泡沫等填充物，其材質(zhì)屬性相似，均為石化產(chǎn)品，可按重量換算成塑料袋計算。但經(jīng)實際測算，每個包裝箱中這些物資的碳排放量很小，因此以下計算中忽略之。

此外，物流實踐中每件貨的尺寸可能各不相同，很難用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)度量，但郵政EMS的標(biāo)準(zhǔn)已為國內(nèi)外廣大用戶認(rèn)可，因此以此為基準(zhǔn)。在調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)工作人員的認(rèn)知和操作習(xí)慣，可分為大、中、小三類，再按用量大小用統(tǒng)計學(xué)方法歸類，具體尺寸范圍見表1，以此作為實際操作的參考。

（3）物流過程的碳排放計算。每件快遞都要經(jīng)歷一個完整的物流過程，但該過程十分復(fù)雜且很多指標(biāo)難以精準(zhǔn)測度，因此僅考慮最主要的物流活動，不考慮途中轉(zhuǎn)運和末端配送等環(huán)節(jié)。最主要的物流活動發(fā)生在路途和節(jié)點上，路途中最主要的是運輸，節(jié)點上最主要的活動是裝卸、搬運、分揀等。

對于運輸，以公路和鐵路運輸為主，其中公路運輸工具以貨車為主，但在原計算器中沒有此交通工具選項，根據(jù)碳排放的基本原理，應(yīng)按油耗進行選擇和換算。經(jīng)調(diào)研分析，最接近交通工具的是公共汽車。此外，原計算器計算出來的是以人為單位的碳排放量，即每人每公里的碳耗量，因此需要從運載量的角度進行換算，即換算成每件貨每百公里的碳耗量，這與包裝箱的大小有關(guān)。

對于節(jié)點的物流活動，主要有裝卸、搬運、分揀等多個環(huán)節(jié)，很難具體測量計算，但從碳排放的角度看以用電為主，因此選擇原計算器中的電耗作為計量單位。考慮到物流自動化分揀系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普及，能夠用一個系統(tǒng)完成上述所有作業(yè)，因此可簡易地用系統(tǒng)耗電量除以吞吐量計。由于在節(jié)點作業(yè)中，無論貨物大小，每個作業(yè)環(huán)節(jié)一個都不能少，且要均攤公共的電耗，因此區(qū)分包裝箱大小的意義不大。為了簡化計算，不妨用物流中心的月均總耗電量除以月均總吞吐量。

為方便實際操作，給出不同類別包裝箱碳排放計算的參考標(biāo)準(zhǔn)（見表1），表1中每類的計算參考值以均值計。具體計算時參考表中帶*行中的數(shù)值，只要知道公路或鐵路的里程數(shù)即可簡易計算。例如，每件中等包裝的碳排放量=0.88+0.34+0.13×公路運輸里程（100km）+0.09×鐵路運輸里程（100km）。

表1 三類包裝箱碳排放的參考計算標(biāo)準(zhǔn)

2.4 計算步驟

第一步，確定m個供貨點和n個收貨點的數(shù)量和具體地點。通常供貨點的數(shù)量和地址可直接根據(jù)生產(chǎn)廠家確定，因此主要是確定收貨點的數(shù)量和地址。由于每筆訂單都有收貨地點，因此可根據(jù)歷史銷量進行統(tǒng)計分析和預(yù)測，建立銷量與地區(qū)的對應(yīng)關(guān)系，通過聚類的方法，找到最合適的類別數(shù)，該數(shù)量即為n。然后對每一類別，根據(jù)實際情況確定一個合適的地點。例如無錫、南京、鎮(zhèn)江、馬鞍山為同一類別，再根據(jù)交通和其他情況確定倉庫具體地址，如南京某倉庫。

第二步，確定各供貨點的發(fā)貨量a1，a2，···，am，以及各倉庫的收貨量b1，b2，···，bn，這里的發(fā)貨量和收貨量均以“件”計，具體應(yīng)根據(jù)企業(yè)的收發(fā)貨業(yè)務(wù)量確定。

第三步，給出每個供貨點到每個收貨點的公路和鐵路運輸里程，可從網(wǎng)上方便查詢，實際操作中可能只出現(xiàn)公路運輸一種情況。

第四步，按表1根據(jù)企業(yè)最常用的包裝箱確定類別，并計算每個供貨點到每個收貨點的碳排放量（kg/件），從而得到物流量和碳排放量表。

第五步，進行初始調(diào)運分析，得到暫時的優(yōu)化方案。具體計算時，方法步驟和最小元素法相同，限于篇幅，不再給出。

第六步，初始結(jié)果的檢驗與調(diào)整，最常用的方法是位勢法和逆回路法，直至得到最優(yōu)方案，根據(jù)企業(yè)其他情況也可適當(dāng)再進行調(diào)整。

第七步，上述計算結(jié)果可為具體的物流安排提供參考，從而產(chǎn)生直接應(yīng)用。比如：倉容設(shè)計或倉庫租用面積分析、運量合理安排、運輸工具和承運公司選擇等。

3 實例分析

下面以調(diào)研企業(yè)（MM化妝店）為例進行分析，并給出主要步驟的結(jié)果。該電商企業(yè)只進行網(wǎng)絡(luò)銷售，不涉及生產(chǎn)，原有的物流模式如圖1所示，連云港既是供貨點又是自己的倉庫，另兩個供貨點為：鄭州和汕頭，發(fā)貨至連云港后通過快遞向全國發(fā)貨。

根據(jù)企業(yè)的業(yè)務(wù)量，運用SPSS20.0對銷售量數(shù)據(jù)進行預(yù)測，對銷售地點的城市、省份等數(shù)據(jù)進行聚類分析，結(jié)合其他因素分析得到的收貨點為南京、哈爾濱、株州和太原，即擬在此租用倉庫（物流寶倉庫）。

確定包裝箱的類別，從方便操作的角度，這里選擇用量最大的包裝箱，其尺寸為300mm×250mm×200mm，根據(jù)表1確定為中等包裝箱。經(jīng)前四步計算后得到物流量和碳排放量表（見表2），表中的物流量供需平衡并以“件”為單位，任意兩地點間的碳排放量以kg為單位。

圖1 原物流模式

表2 物流量與碳排放量表

經(jīng)第五、六步計算可得總碳排放量最小的最優(yōu)調(diào)運方案（見表3），單位均為“件”，例如汕頭平均每月發(fā)給株州3 840件貨。

表3 最優(yōu)的調(diào)運方案表

根據(jù)表3，MM化妝店優(yōu)化后的物流模式和具體運量如圖2所示，結(jié)合其他因素和實際情況，也可適當(dāng)微調(diào)，如每月汕頭只發(fā)南京40件貨，運量太小，可考慮取消此線路，協(xié)商讓連云港增加相應(yīng)的供貨量。

4 結(jié)論與展望

目前低碳環(huán)保理念已成全球共識，碳足跡是主流理論和方法之一，物流網(wǎng)點布局優(yōu)化等也是大勢所趨，但是算法的復(fù)雜性限制了在實踐中的應(yīng)用。針對目前中小電商企業(yè)的物流現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，選擇了簡單易用的最小元素法作為基本模型并加以改進。從方便實際操作的角度，采用碳足跡計算器作為計算工具，對包裝箱分成3類，分別給出了以件為單位的物流全過程的碳排放計算參考標(biāo)準(zhǔn)。以MM化妝店為案例，對物流網(wǎng)點布局的調(diào)運方案進行優(yōu)化，從而證明了本文算法的簡易性和可行性。這有助于開發(fā)出簡單適用的快遞物流碳排放計算器、物流網(wǎng)點布局優(yōu)化計算器等工具，在網(wǎng)絡(luò)上共享以便讓更多的人使用。由于調(diào)研的數(shù)據(jù)量有限，如果結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，本文給出的計算參考值有待進一步完善。

圖2 優(yōu)化后的物流模式