互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下廢舊手機逆向物流體系設(shè)計
——以北京市為例

趙新楠，龔 裕，吳玉鋒 （北京工業(yè)大學(xué) 循環(huán)經(jīng)濟研究院，北京 100124）

0 引言

作為實現(xiàn)移動通訊不可或缺的重要載體，以手機為代表的新型電子廢棄物保有量大、回收比例低、資源價值高、污染嚴重等特點，受到公眾和回收利用企業(yè)的廣泛關(guān)注。據(jù)我國工業(yè)和信息化部統(tǒng)計，2017年銷售4.49億部新手機，而新入網(wǎng)的手機用戶僅為1.42億部，這意味著大量的手機被閑置在家或被丟棄[1]。現(xiàn)階段，由于我國缺乏高效回收廢舊手機的商業(yè)模式，大部分廢棄手機隨意處置、自行拆解，造成了資源浪費和環(huán)境污染的“雙重壓力”。如何在新形式下構(gòu)建高效的新型電子廢棄物逆向回收網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)成為當(dāng)前我國生態(tài)文明建設(shè)不可回避的課題。

由于廢舊手機“資源性”的特征，自發(fā)形成復(fù)雜的正規(guī)和非正規(guī)回收者相互利用的逆向物流網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流通問題受到了產(chǎn)業(yè)界和理論界的高度重視[2]。國內(nèi)外學(xué)者對電子廢棄物回收逆向物流網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)取得了一定的成就，Li-Hsing[3]、周垂日[4]、M-Kaustia[5]均構(gòu)造混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，實現(xiàn)模型化電子廢棄物的物質(zhì)流量及基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化。但對于退出使用階段的廢舊手機呈現(xiàn)不同的品牌效應(yīng)和殘余價值，急需考慮特定的結(jié)構(gòu)層次、設(shè)施功能、數(shù)量及容量能力從而解決逆向物流系統(tǒng)所存在的復(fù)雜性、多樣性和供需失衡[6]的內(nèi)部難題。凌旭[7]等考慮廢舊手機檔次和新舊程度的性質(zhì)差異以及政府補貼的影響，實現(xiàn)模型中的回收中心和處理中心優(yōu)化選址方案。縱觀國內(nèi)外電子廢棄物回收處理網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的文獻，多數(shù)停留在模型理論研究階段，且研究主體多為制造企業(yè)或是第三方物流回收企業(yè)，專門為互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下回收利用企業(yè)為主導(dǎo)的文章相對較少。因此，本文以北京廢舊手機市場調(diào)研為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下構(gòu)建有效的廢舊手機逆向物流系統(tǒng)，通過利用Lingo優(yōu)化軟件求解，以期為互聯(lián)網(wǎng)回收利用企業(yè)提供實際參考。

1 模型建立

1.1 互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下廢舊手機管理體系描述

以廢舊手機回收及利用的物質(zhì)流為線索，分析各模塊主體連接環(huán)節(jié)如下，如圖1所示，①→②消費者通過互聯(lián)網(wǎng)、微信、手機APP、線下回收網(wǎng)點等互（物）聯(lián)網(wǎng)回收渠道和方式進行快速交投線下回收門店，線下回收門店包含：生產(chǎn)者自建、回收利用企業(yè)共建或是政府扶持性公益組織。②→③線下回收門店收集到手機進行質(zhì)檢分類，如果殘余使用價值的品牌手機，直接進入電商平臺進行二次銷售。②→④由于手機可拆解、易翻新的資源特性，部分廢舊手

機通過再制造中心清洗、維修、翻新以及更換元部件后重新流入二手回收商，該類手機必須經(jīng)過裝機測試和安全性能的測試以滿足多種類型用戶購買力和使用力的需求。此外，拆解的手機主板、攝像頭、振動器、揚聲器、聽筒等元部件流入二級材料市場。④→⑥⑦若廢舊手機無殘余使用價值時，依次流轉(zhuǎn)于再生利用企業(yè)、有資質(zhì)的冶煉企業(yè)，以回收利用金、銀、鈀等貴重金屬。④⑧→⑤二手回收商（中間商）掌握和占據(jù)再制造中心及材料市場的供貨渠道。

圖1 廢舊手機逆向物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.2 模型假設(shè)

通過對廢舊手機逆向物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的描述，將該優(yōu)化問題設(shè)置為單周期性容量能力約束的混合整數(shù)規(guī)劃模型，因此整個體系基于以下假設(shè)：

假設(shè)1：在所構(gòu)建的廢舊手機回收處理網(wǎng)絡(luò)的模型中，存在的運輸路徑為：廢舊手機的調(diào)配計劃由線下門店精細評估后發(fā)出。通常情況下，殘余使用價值的手機進行二次銷售和整機再制造活動；無殘余使用價值的手機進行元部件再利用、貴金屬提取等物流活動；最后流入二級材料市場、回收商進行銷售。

假設(shè)2：考慮到廢舊手機本身檔次、新舊程度的不同，根據(jù)價格、配置、市場等方面的差異將廢舊手機分成高、中、低三種檔次。

假設(shè)3：該模型考慮回收成本、運營成本、固定成本、運輸成本等經(jīng)濟成本，固定成本包括人工成本、機器損耗以及稅收等成本；收益績效包括再銷售收益、再制造收益、元器件再利用收益、貴金屬提取收益。不同的設(shè)施之間的運輸成本與廢舊手機運輸距離、運輸數(shù)量成一定的比例關(guān)系，不考慮時間成本。

假設(shè)4：擬考慮設(shè)計線下門店S1（）、再制造中心S2（）、冶煉企業(yè)S3（）為0/1備選選址。

假設(shè)5：假設(shè)線下門店S1（）、再制造中心S2（）、冶煉企業(yè)S3（）均存在容量能力約束，儲存能力和處理能力是有限的，不同地點的相同設(shè)施固定成本、運營成本、容量約束相同。

假設(shè)6：該模型中回收的廢舊手機具有同一性，均可回收不同的元器件及再生材料，且可用重量進行計量。

1.3 符號及模型說明

Aj為某地區(qū)廢舊手機的報廢量（萬部）；Fj、Fk、Fp分別為線下門店、再制造中心、冶煉企業(yè)的固定成本（元/部）；Kj、Kk、Kp分別為線下門店、再制造中心、冶煉企業(yè)的建設(shè)能力容量（萬部）；Cj、Ck、Cp分別為線下門店、再制造中心、冶煉企業(yè)的運營成本（元/部）；Xj、Xk、Xp分別為線下門店、再制造中心、冶煉企業(yè)的處理量（萬部）；Wq、Wg為再生材料Q、零部件G的單價價值（元/公斤）；Zq、Zg為再生材料Q、零部件G的貢獻率；Yq、Yg為用于回收再生材料Q、回收零部件G的銷售重量（公斤）；Tc為無害化處置的單位花費（元/公斤）；M1j、M1k、M1p分別為線下門店、再制造中心、冶煉企業(yè)可以獲得的單位補貼（元）；DS0S1、CS0S1、XS0S1為報廢中心—線下門店的運輸距離（公里）、運輸單價（元/公里）、運輸數(shù)量（萬部）；DS1S2、CS1S2、XS1S2為線下門店—再制造中心的運輸距離（公里）、運輸單價（元/公里）、運輸數(shù)量（萬部）；DS2S3、CS2S3、XS2S3為再制造中心—冶煉企業(yè)的運輸距離（公里）、運輸單價（元/公里）、運輸數(shù)量（萬部）；Gj為廢舊手機的平均重量（公斤）；W1、W2分別為廢棄手機再銷售、再制造的價格（元）；MinS1、MaxS1分別為線下回收門店數(shù)量的上、下限；MinS2、MaxS2分別為再制造中心數(shù)量的上、下限；MinS3、MaxS3分別為冶煉企業(yè)的上、下限。可建立的優(yōu)化設(shè)計模型如下：

模型約束條件：

其中：式（1）至式（5）表示該物流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的流量守恒：式（1）表示在線下門店總回收量等于社會手機的回收量、等于其回收過程的運輸量；式（2）表示在再制造中心設(shè)施總處理量等于再銷售后的手機剩余量、等于線下門店至再制造中心的運輸量；式（3）表示在冶煉企業(yè)的處理量等于再銷售、再制造、元部件利用后的手機剩余量、等于再制造中心—冶煉企業(yè)的運輸量；式（4）表示無害化處理量等于冶煉企業(yè)處理后剩余的廢料；式（5） 表示梯級利用的比例和為1；式（6） 至式（10）表示該系統(tǒng)模型的能力約束：式（6）至式（8）分別表示各建設(shè)設(shè)施不超過各自的設(shè)施容量；式（9）表示經(jīng)過線下門店的總量不能超過再制造中心的建設(shè)能力容量；式（10）表示經(jīng)過再制造中心的總量不能超過冶煉企業(yè)（含無害化處置環(huán)節(jié)）的建設(shè)能力容量；式（11）至式（13）分別表示建立設(shè)施的數(shù)目上限及下限。式（14）至式（15）表示所有決策變量的取值范圍。

2 數(shù)據(jù)來源及質(zhì)量控制

北京市擁有中國最為全面的廢舊手機逆向供應(yīng)鏈系統(tǒng)，其中內(nèi)部包括二手電商平臺、回收企業(yè)、回收商、拆解企業(yè)、二級材料供應(yīng)商、冶煉企業(yè)等六類責(zé)任主體。本文采用了調(diào)研的方式，選取了1 036戶北京居民、35個個體回收商、30個固定的零售商（維修點）及5家知名二手回收網(wǎng)站分別進行了問卷調(diào)查和實地調(diào)查，進一步摸清廢舊手機物質(zhì)流向及壽命分布。北京市廢舊手機逆向供應(yīng)鏈的結(jié)構(gòu)如圖2所示，一級回收者回收方式眾多（包括個體商販、零售商、生產(chǎn)商、二手回收平臺、電子回收商城及無償回收模式），且隨著供應(yīng)鏈的不斷延伸，由一級回收者、二級利用者至拆解企業(yè)的環(huán)節(jié)，市場集中度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。此外，截止至2017年底，北京地區(qū)正規(guī)拆解企業(yè)并未得到手機拆解的基金補貼，反而非正規(guī)拆解作坊無需為控制環(huán)境污染付費，擠占了大量的回收利用市場份額，限制了正規(guī)拆解企業(yè)的壟斷地位[8]。

圖2 北京市廢舊手機逆向供應(yīng)鏈的結(jié)構(gòu)

2.1 保有量

我國及各省市廢舊手機保有量統(tǒng)計為城鎮(zhèn)（農(nóng)村）平均每百戶主要耐用消費品擁有量，其數(shù)據(jù)來源自中華人民共和國國家統(tǒng)計局的中國統(tǒng)計年鑒（1999—2017年版）獲得，且具有良好的延續(xù)性。

2.2 銷售量

用于統(tǒng)計我國手機銷售量的出廠量與進出口量的數(shù)據(jù)來源于工業(yè)和信息化部出版的《中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒》獲得，具有良好的延續(xù)性。具體來說，手機的銷售量數(shù)據(jù)涵蓋了工業(yè)和信息化部發(fā)布“手機入網(wǎng)許可證”和“獨立移動設(shè)備國際識別碼（IMEI）”的全新手機。

2.3 壽命分布周期

廢舊手機的平均使用壽命數(shù)據(jù)來源于問卷調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)：其中 15.56%的調(diào)查者表示當(dāng)年更換手機，42.85%的調(diào)查對象表示1～2年更換手機，23.12%的調(diào)查對象會在2～3年更換手機，18.47%的調(diào)查者表示3年以上更換手機。由此可見，推算出壽命分布函數(shù)從一年之內(nèi)、1～2年、2～3年及3年以上的賦值為15%、42%、23%與20%。

2.4 廢舊手機資源潛力價值分析

2.4.1 二手及“翻新”手機潛在的價值估算

以某廢舊手機交易平臺發(fā)布的價值指數(shù)為基礎(chǔ)依據(jù)，對二手市場及翻新機再銷售價格的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示：目前手機的平均價格約為1 914元，消費者通過互聯(lián)網(wǎng)回收平臺、回收商的二手買賣價格均為原價的35%～50%之內(nèi)（被調(diào)研平均價格為765.50元），即使是成色稍差的二手手機回收價格也在20%～35%之內(nèi)（被調(diào)研平均價格為452.20元）。

2.4.2 元器件再使用的價值核算

廢舊手機拆解過程首先由人工將廢舊手機后蓋打開去除電池后，分離手機的主板、攝像頭、振動器、揚聲器、聽筒等元部件（如表1所示）。市場調(diào)研結(jié)果顯示：手機屏幕再使用率為50%，而鍵盤、振動器、外殼等部件再使用效率較低，占比約為10%，因此一般元部件的價格為市場價格的20%～50%（被調(diào)研平均價格為36.20元）。

2.4.3 貴金屬提取資源化的價值預(yù)測

以文獻回收貴金屬量的平均值為基礎(chǔ)依據(jù)，通過獲取不同類型廢棄手機的市場占比、平均重量和拆解部件占比等數(shù)據(jù)，加權(quán)擬合至1部廢舊手機材料價值。如1999年荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)研究表明：金0.038%、銀0.244%、銅14.24%、鈀0.015%；2003年手機中金、銀、銅、鈀的含量比1999年分別下降 25.7%、51.8%、22.3%和31.2%[9]。2005年美國USGS報告研究：金0.03%、銀0.31%、銅14.2%、鈀0.013%[10]。2012年中科院實驗測試：金0.00654%、銀0.011%、銅11.3%和鈀0.00406%，其貴金屬含量較已有數(shù)據(jù)顯著降低[11]。基于市場調(diào)查和典型回收企業(yè)的調(diào)研，并結(jié)合拆解實驗分析，1部廢舊手機再生環(huán)節(jié)的經(jīng)濟利益僅為3.701元，具體各部件及材料的價值分析如表2所示。

表1 廢舊手機元器件的價值評估

表2 廢手機各部件及材料的價值 單位：元

2.5 報廢手機數(shù)量

目前新型電子廢棄物報廢量均存在數(shù)據(jù)缺失的問題，利用Yang[12]等構(gòu)建了StockBased模型核算不同時空范圍內(nèi)的廢舊手機的資源潛力，具體計算路徑如圖3所示。其計算方法如公式（16）、公式（17）所示，其中St為產(chǎn)品銷售量即該系統(tǒng)的流入量，Pt為電子產(chǎn)品在第t年的保有量即存量，Ot為產(chǎn)品淘汰量即流出量，g（）

i為產(chǎn)品的壽命。

基于“StockBased”模型的估算結(jié)果顯示，2017年北京市廢舊手機報廢量為1 330萬部，在此基礎(chǔ)上本文分析了北京市廢舊手機空間區(qū)域分布情況，人口密集的中心城區(qū)手機報廢數(shù)量多達全市總數(shù)的70.96%。其中朝陽區(qū)、海淀區(qū)、豐臺區(qū)及昌平區(qū)等區(qū)域廢舊手機產(chǎn)生量居前，市中心地區(qū)商圈林立、人口眾多，是廢舊手機高報廢量的聚集地，分別為283、249、174、104萬部。門頭溝、懷柔區(qū)、平谷區(qū)及延慶區(qū)等區(qū)域廢舊手機產(chǎn)量較少，這些地區(qū)消費水平及需求層次不高，手機平均使用周期較長，呈現(xiàn)平穩(wěn)的低報廢量狀態(tài)，分別為17、12、14、13、8萬部。

3 算例求解

3.1 算例結(jié)果

圖3 核算廢舊手機報廢量的路徑分析

圖4 北京市擬建設(shè)施的空間布點示意圖

通過運用LINGO11.0優(yōu)化軟件對北京地區(qū)線下回收門店S1、再制造中心S2、冶煉企業(yè)S3進行空間布局設(shè)計。整體分布看來，全市共擬建29家線下回收門店、5家再制造中心以及3家冶煉企業(yè)，擬建設(shè)施綜合盈利13 509萬元，其中回收成本和設(shè)施運營成本成為主要的發(fā)展阻礙，而再銷售和再制造盈利則是創(chuàng)造商業(yè)價值的動力來源。城中心方面，擬建共21家線下回收門店（朝陽區(qū)6家、海淀6家、豐臺區(qū)4家、昌平區(qū)3家、東城區(qū)1家、石景山1家），以中心為目標(biāo)從西北、東北、西南方向分別擬建3家再制造中心和2家冶煉企業(yè)，如圖4所示。郊區(qū)方面，擬建共8家線下回收門店（大興區(qū)2家、房山區(qū)1家、通州區(qū)1家、順義區(qū)1家、懷柔區(qū)1家、平谷區(qū)1家、延慶市1家），其中在房山區(qū)、順義區(qū)分別擬建再制造中心，延慶區(qū)設(shè)置冶煉企業(yè)。非城中心區(qū)域運輸條件較差，且廢棄手機的數(shù)量周期較長，新興電子廢棄物的回收體系的發(fā)展處于初期低水平狀態(tài)，不易形成大規(guī)模的聚集效應(yīng)，因此中心發(fā)散式的布局分布有利于消費者享受交通可達性、人流高效性和宣傳需求性等特征。

3.2 四種影響因素靈敏性分析

為了進一步研究對廢舊手機網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和成本收益的影響因素，同時檢驗該逆向網(wǎng)絡(luò)模型高效性和可行性，分別設(shè)定不同回收率、容量約束能力、二級市場開發(fā)率和回收價格四種因素進行靈敏度分析，其各類影響因素與參數(shù)設(shè)置的變更如表3所示，依據(jù)變更的影響因素及計算結(jié)果明細如表4所示。①隨著政府、回收企業(yè)將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合到新型電子廢棄物的回收領(lǐng)域，將城中心、遠、近郊區(qū)的廢舊手機回收率提升至20%、15%、10%，從運行結(jié)果可知：提高回收率使得整個回收網(wǎng)絡(luò)的總利潤增加60%；對線下門店的選址影響較大，其設(shè)施數(shù)量增加至54家，而對再制造中心和冶煉企業(yè)影響較小。②考慮到拆解企業(yè)的回收技術(shù)向規(guī)模化、高效化發(fā)展，將基準假設(shè)的容量約束能力提升0.5倍，其結(jié)果表明：廢舊手機逆向網(wǎng)絡(luò)模型的總收益保持不變，但總成本逐漸降低，使得該系統(tǒng)的總利潤上升了52%；各回收處理設(shè)施數(shù)量及位置基本保持不變。③從3G到4G的歷史演變過程中分析，網(wǎng)路寬帶的不斷提升必定會使得更多的廢舊手機被閑置，互聯(lián)網(wǎng)類的回收交易平臺也將成為回收新型電子廢棄物的核心業(yè)務(wù)。當(dāng)再銷售和再制造比例分別提升20%時，廢舊手機回收處置系統(tǒng)總利潤顯著上升，約增長總效益的120%；線下回收門店、再制造中心分別升至60家和10家，大幅增加二手資源的再利用比重，對相關(guān)配套設(shè)施建設(shè)和相關(guān)服務(wù)具有重要推動作用，同時發(fā)揮閑置資源再利用的空間。④不同一級回收者的回收價格秘而不宣，無法保障其渠道的利益共享和交易透明，因此將回收價格上下浮動20%，不難發(fā)現(xiàn)回收價格從低至高的浮動時，對各回收處理設(shè)施選址結(jié)果的影響甚微；但回收成本隨之增加，總回收利潤逐漸下降，甚至當(dāng)回收價格為300元時出現(xiàn)效益虧損的現(xiàn)象。

3.3 結(jié)論及建議

作為實現(xiàn)移動通訊不可或缺的重要載體，以手機為代表的新型電子廢棄物保有量大、回收比例低、資源價值高、污染嚴重等特點，受到公眾和回收再生企業(yè)的廣泛關(guān)注。本文從市場調(diào)研的角度出發(fā)，建立單周期性空間能力約束的混合整數(shù)規(guī)劃模型，通過運用LINGO11.0優(yōu)化軟件對北京地區(qū)線下回收門店S1、再制造中心S2、冶煉企業(yè)S3進行空間布局設(shè)計。整體分布看來，全市共擬建29家線下回收門店、5家再制造中心以及3家冶煉企業(yè)，擬建設(shè)施綜合盈利13 509萬元，其中回收成本和設(shè)施運營成本成為主要的發(fā)展阻礙，而再銷售和再制造盈利則是創(chuàng)造商業(yè)價值的動力來源。在此基礎(chǔ)上，從四種影響因素對廢舊手機網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和成本收益進行靈敏度分析。不難發(fā)現(xiàn)：（1）回收率和二手市場的開發(fā)率顯著影響了擬建設(shè)施的投放數(shù)量，因此在政策設(shè)計構(gòu)建中必須考慮拓展二手市場的新價值鏈和發(fā)展空間，逐漸找尋正向與逆向供應(yīng)鏈相互契合的新商業(yè)模式[13]。（2）企業(yè)的約束能力影響了廢舊手機的處置效率，是維持該模型高效性和可行性的關(guān)鍵。（3）增幅回收價格對總利潤的影響極為靈敏，定價策略為300元以上會導(dǎo)致虧損甚至倒閉的風(fēng)險。為了更好地實踐廢舊手機回收行業(yè)的可持續(xù)利用的目標(biāo)，總結(jié)采用的優(yōu)勢策略[14]：加快完善小型IT電子產(chǎn)品的政策體系和回收渠道，尤其是在制度上明確消費者、生產(chǎn)商、經(jīng)銷商及電信運營商承擔(dān)的責(zé)任，切實保障廢舊手機的回收率和合理的利益分配；再者則必須從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)組織、產(chǎn)業(yè)布局和產(chǎn)業(yè)技術(shù)入手，分析回收廢舊手機發(fā)展的影響因素并判斷其影響力度，從而把握廢舊手機逆向物流回收的價值優(yōu)勢。

表3 各類影響因素方案及其參數(shù)設(shè)置

表4 四種假設(shè)下回收網(wǎng)絡(luò)設(shè)施數(shù)量及經(jīng)濟明細