高校快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址研究—以鄭州大學(xué)為例

張晶蓉，張彥雨，吳雅婷，劉青松

（鄭州大學(xué) 管理工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 引言

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，快遞行業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)國家郵政局公布的數(shù)據(jù)顯示，2019年全國快遞業(yè)務(wù)量累計(jì)完成635.2億件。與此同步，高校線上消費(fèi)也在逐年增長(zhǎng)，2017年校園快遞包裹超過20億個(gè)，2018年增長(zhǎng)到近 25 億個(gè)，2019年超過 30 億個(gè)[1]。巨大的快遞量導(dǎo)致高校內(nèi)快遞包裝堆積成山，可回收再利用的快遞紙箱被隨意丟棄，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)。如何解決高校快遞紙箱回收問題成為高校和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。

快遞紙箱回收屬于逆向物流，按處理方式不同分為再生和再利用兩種。廢紙?jiān)偕梢怨?jié)約一半以上的造紙資源、35%的水資源等[2]，而紙箱回收后直接再利用可以節(jié)省幾乎100%的資源，會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。和住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)不同，高校快遞消費(fèi)環(huán)境具有消費(fèi)主體年輕化、緊跟電商消費(fèi)潮流、消費(fèi)區(qū)域分布密集以及內(nèi)部配送網(wǎng)點(diǎn)健全等特點(diǎn)，紙箱回收資源在高校內(nèi)易形成規(guī)模聚集效應(yīng)。因此，高校快遞紙箱回收再利用的研究具有可行性和現(xiàn)實(shí)意義。

目前已經(jīng)有學(xué)者在快遞包裝回收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址方面進(jìn)行了相關(guān)研究。黃周[3]構(gòu)建了包括客戶群、快遞回收網(wǎng)點(diǎn)、回收中心和包裝制造廠的四級(jí)網(wǎng)絡(luò)，并建立以成本最小化為目標(biāo)的優(yōu)化模型，利用遺傳算法解決節(jié)點(diǎn)選址和流量分配問題。王璐璐[4]考慮回收量不固定且隨時(shí)間變化，運(yùn)用p-中值法對(duì)包裝廢棄物回收節(jié)點(diǎn)選址模型進(jìn)行優(yōu)化，采用Lingo求得最優(yōu)解。董夏丹[5]綜合考慮快遞包裝回收設(shè)施定位、運(yùn)輸路線安排和庫存控制，建立系統(tǒng)總成本最小的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)兩階段啟發(fā)式改進(jìn)算法對(duì)模型進(jìn)行求解。

在高校快遞包裝回收再利用方面，王葉峰[6]提出開發(fā)校園快遞包裝回收APP，建立學(xué)生、快遞代理點(diǎn)、快遞公司以及包裝加工廠四方合作的快遞包裝回收網(wǎng)絡(luò)。王巖松[7]等提出構(gòu)建包括快遞收發(fā)站、回收站和微信平臺(tái)的新型高校快遞包裝回收再利用模式。丁曉倩[8]等提出快遞智能回收系統(tǒng)概念，利用重心法選址確定宿舍樓和菜鳥驛站之間的回收站點(diǎn)。

綜上所述，學(xué)者們?cè)诳爝f包裝回收方面做了不少研究，但以往成果更多的是考慮將高校快遞紙箱回收后送至包裝廠或造紙廠，忽視了紙箱回收后在學(xué)校內(nèi)就地再利用的問題。基于此，本文針對(duì)該問題，提出將現(xiàn)有校園快遞服務(wù)點(diǎn)作為紙箱回收再利用的目標(biāo)流向，構(gòu)建包括消費(fèi)點(diǎn)、回收站、處理中心和快遞服務(wù)點(diǎn)的四級(jí)快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)，以成本最小化為目標(biāo)構(gòu)建高校快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址模型，旨在為高校快遞紙箱回收再利用提供可行的參考方案，以提高紙箱回收再利用效率，降低逆向物流成本，同時(shí)也有利于綠色物流循環(huán)發(fā)展。

2 層級(jí)網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)選址優(yōu)化模型

2.1 層級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

結(jié)合高校快遞特點(diǎn)及紙箱回收再利用的組織便利性要求，提出構(gòu)建包括消費(fèi)點(diǎn)、回收站、處理中心和快遞服務(wù)點(diǎn)的四級(jí)快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中，消費(fèi)者將快遞紙箱放置到附近的回收站，快遞紙箱在回收站暫存，一段時(shí)間后將快遞紙箱從回收站運(yùn)送到處理中心，處理中心進(jìn)行分類和簡(jiǎn)單加工，能直接再利用或者經(jīng)過簡(jiǎn)單加工后再利用的紙箱送至現(xiàn)有快遞服務(wù)點(diǎn)用于寄快遞，不能直接再利用的紙箱送至處理場(chǎng)進(jìn)入再循環(huán)渠道。具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高校快遞紙箱四級(jí)回收再利用層級(jí)網(wǎng)絡(luò)

建立快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理選址。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的紙箱回收量、消費(fèi)區(qū)域和設(shè)施備選地點(diǎn)等信息來確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置、數(shù)量和各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的物流量分配問題，以最低成本實(shí)現(xiàn)有效服務(wù)，為高校提供切實(shí)可行的快遞紙箱回收再利用參考方案。

2.2 模型假設(shè)

針對(duì)圖1網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址優(yōu)化模型[9,10]提出如下假設(shè)：

（1）快遞紙箱單一產(chǎn)品化處理。

（2）不能再利用的紙箱作廢棄處理進(jìn)入再循環(huán)渠道并考慮廢棄處理成本。

（3）消費(fèi)點(diǎn)提供的快遞紙箱數(shù)量是確定的。

（4）消費(fèi)點(diǎn)按單棟宿舍樓進(jìn)行劃分。

（5）考慮回收價(jià)格并且價(jià)格唯一。

（6）單位運(yùn)輸成本與運(yùn)輸距離成正比。

（7）回收站和處理中心備選點(diǎn)之間沒有差別。

（8）回收站有最大存儲(chǔ)能力限制，處理中心有最大處理能力限制。

2.3 參數(shù)和變量定義

（1）模型參數(shù)

i：消費(fèi)點(diǎn)集合，i ∈I；

j：回收站備選點(diǎn)，j ∈J；

k：處理中心備選點(diǎn)，k ∈K；

l：快遞服務(wù)點(diǎn)集合，l ∈L ；

FRj：回收站j的固定建設(shè)投資；

FPk：處理中心k的固定建設(shè)投資；

ORj：回收站j的單位運(yùn)營成本；

OPk：處理中心k的單位運(yùn)營成本；

dij：消費(fèi)點(diǎn)i到回收站j的距離；

djk：回收站j到處理中心k的距離；

dkl：處理中心k到快遞中心l的距離；

p：快遞紙箱的單位回收價(jià)格；

Cij：消費(fèi)點(diǎn)i到回收站j的單位運(yùn)輸成本；

Cjk：回收站j到處理中心k的單位運(yùn)輸成本；

Ckl：處理中心k到快遞服務(wù)點(diǎn)l的單位運(yùn)輸成本；

Qi：消費(fèi)點(diǎn)i產(chǎn)生的可供回收的快遞紙箱數(shù)量；

α：處理中心k回收紙箱的再利用率；

β：不可再利用紙箱的單位廢棄處理成本；

ARj：回收站j最大存儲(chǔ)能力；

APk：處理中心k最大處理能力。

（2）決策變量

：是否在j建立回收站；

：是否在k建立處理中心；

：消費(fèi)點(diǎn)i到回收站j供應(yīng)的快遞紙箱數(shù)量；

：回收站j到處理中心k供應(yīng)的快遞紙箱數(shù)量；

：處理中心k到快遞服務(wù)點(diǎn)l供應(yīng)的快遞紙箱數(shù)量。

2.4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址優(yōu)化模型

以成本最小化為目標(biāo)構(gòu)建高校快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址模型，目標(biāo)函數(shù)如下：

約束條件如下：

模型中，（1）是目標(biāo)函數(shù)，包括建設(shè)成本、運(yùn)營成本、運(yùn)輸成本以及回收費(fèi)用；（2）是消費(fèi)點(diǎn)的快遞紙箱產(chǎn)生量與回收系統(tǒng)輸入量的平衡關(guān)系式；（3）是回收站的物流量平衡關(guān)系式；（4）是處理中心的物流量平衡關(guān)系式；（5）是回收站的最大存儲(chǔ)能力約束；（6）是處理中心的最大處理能力約束；（7）是非負(fù)約束；（8）是0-1 變量。由參數(shù)和變量可知，此模型是一個(gè)MILP模型，可以用數(shù)學(xué)規(guī)劃軟件求解。

3 算例分析

為驗(yàn)證前述提出的快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址模型的有效性，本文以鄭州大學(xué)新校區(qū)作為案例進(jìn)行研究分析，并用LINGO12.0進(jìn)行求解。

3.1 數(shù)據(jù)收集

鄭州大學(xué)有四個(gè)宿舍園區(qū)，柳園19棟宿舍樓，荷園13 棟宿舍樓，菊?qǐng)@6 棟宿舍樓，松園21 棟宿舍樓，以一棟宿舍樓為一個(gè)消費(fèi)點(diǎn)，共計(jì)59 個(gè)消費(fèi)點(diǎn)。根據(jù)校園實(shí)際布局，結(jié)合對(duì)校園快遞的調(diào)查情況，預(yù)先確定七個(gè)回收站備選點(diǎn)（柳9，柳15，荷11，荷13，菊2，松6，松17的樓下），分別記為回收站1到7；四個(gè)處理中心備選點(diǎn)，分別記為處理中心A（荷園垃圾站旁邊）、處理中心B（體育場(chǎng)西側(cè)）、處理中心C（體育館西側(cè)）、處理中心D（松園大學(xué)生活動(dòng)中心）；已知鄭州大學(xué)現(xiàn)有快遞服務(wù)點(diǎn)（菊2）一個(gè)。根據(jù)百度地圖地理分布，鄭大新區(qū)四個(gè)宿舍園區(qū)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)備選點(diǎn)分布圖如圖2所示。

圖2 鄭大新區(qū)學(xué)生生活區(qū)及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)備選點(diǎn)分布圖

按小型貨車每百里油耗估算，單位運(yùn)輸成本為0.7 元/km*件；電商平臺(tái)新品5 號(hào)紙箱售價(jià)0.7 元/件，據(jù)此估算快遞紙箱回收價(jià)格0.2元/件，不可再利用紙箱廢棄處理成本為0.01元/件。根據(jù)鄭州大學(xué)校園內(nèi)的實(shí)際地形圖和百度地圖提供的設(shè)施間路線，估算出節(jié)點(diǎn)之間的距離，見表1和表2。

表1 回收站到處理中心的距離 單位：m

表2 處理中心到快遞服務(wù)點(diǎn)的距離 單位：m

中國教育后勤協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年高校人均快遞78 件，紙箱占比50%[1]，由此計(jì)算得出高校日平均快遞紙箱數(shù)量為0.1件/人，根據(jù)鄭大新區(qū)生活區(qū)各個(gè)宿舍樓實(shí)際學(xué)生人數(shù)計(jì)算出紙箱量，見表3。

表3 消費(fèi)點(diǎn)到回收站的距離和消費(fèi)紙箱數(shù)量

對(duì)回收站和處理中心的參數(shù)做出假設(shè)，具體的假設(shè)數(shù)值見表4和表5。

表4 回收站相關(guān)參數(shù)

表5 處理中心相關(guān)參數(shù)

3.2 模型求解

將數(shù)據(jù)帶入模型，通過LINGO12.0編寫程序進(jìn)行求解。該模型共456個(gè)變量，其中整數(shù)變量11個(gè)，82個(gè)約束，經(jīng)過12 894次迭代，求得最小成本為264 668.7元。其結(jié)果分布如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間具體的物流量分配結(jié)果見表6-表8。

圖3 鄭大新區(qū)學(xué)生生活區(qū)快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)布局分布圖

表6 消費(fèi)點(diǎn)到回收站的物流量分配表

表7 回收站到處理中心的物流分配表

表8 處理中心到快遞服務(wù)點(diǎn)的物流量分配表

結(jié)果顯示，應(yīng)選取回收站2（柳15）、回收站3（荷11）、回收站4（荷13）、回收站5（菊2）、回收站6（松6）共計(jì)五個(gè)回收站作為鄭大新區(qū)學(xué)生生活區(qū)的快遞紙箱回收站，其中回收站2（柳15）、回收站3（荷11）和回收站4（荷13）服務(wù)于柳園和荷園生活區(qū)的學(xué)生，回收站5（菊2）和回收站6（松6）服務(wù)于菊?qǐng)@和松園生活區(qū)的學(xué)生。并選取處理中心C（體育館西側(cè)）共計(jì)一個(gè)處理中心來滿足鄭大新區(qū)快遞紙箱回收再利用需求。

4 結(jié)論

本文研究了高校快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址問題，首先構(gòu)建了包括消費(fèi)點(diǎn)、回收站、處理中心和快遞服務(wù)點(diǎn)的四級(jí)快遞紙箱回收再利用網(wǎng)絡(luò)，然后建立了以成本最小為目標(biāo)，物流量平衡和最大處理能力為約束的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址優(yōu)化模型；提出運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法從備選點(diǎn)中確定回收站和處理中心的個(gè)數(shù)和位置。鄭州大學(xué)新校區(qū)算例結(jié)果表明，在學(xué)生總?cè)藬?shù)5萬人左右的高校校園里，建設(shè)5個(gè)回收站和1 個(gè)處理中心能滿足紙箱回收再利用需求。但本文未考慮回收過程的周期性，如何構(gòu)建多周期回收再利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選址模型可做進(jìn)一步探討。