基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的促進(jìn)廢舊家電環(huán)保化回收的策略模型

田立平，孫 群，李文龍

(北京物資學(xué)院信息學(xué)院，北京 101149)

1 引言

我國(guó)是世界最大的電子產(chǎn)品的制造大國(guó)，同時(shí)也是產(chǎn)生電子垃圾最多、進(jìn)口電子垃圾最多的國(guó)家。我國(guó)每年生產(chǎn)超過(guò)幾百萬(wàn)噸電子垃圾，每年接納全世界70%的電子垃圾。空調(diào)、電冰箱、洗衣機(jī)的社會(huì)保有量都達(dá)到幾億臺(tái)。在手機(jī)方面，據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前我國(guó)共有手機(jī)用戶(hù)約12.4億戶(hù)，用戶(hù)數(shù)約占全國(guó)總?cè)丝诘?2%。由于不少用戶(hù)同時(shí)擁有多部手機(jī)，我國(guó)手機(jī)保有量至少有十幾億部。家電的巨大保有量，也帶來(lái)了巨大的淘汰量。據(jù)調(diào)查，我國(guó)消費(fèi)者平均15個(gè)月更換一部新手機(jī)，從而帶來(lái)了每年幾億的廢棄手機(jī)量。2011年國(guó)務(wù)院發(fā)布的 《廢棄電器電子產(chǎn)品回收處理管理?xiàng)l例》對(duì)廢舊電器進(jìn)行管理，但其中沒(méi)有涵蓋手機(jī)，使得我國(guó)的手機(jī)回收處于廢舊電子產(chǎn)品回收的盲點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)的家電回收按回收價(jià)格高低，可將回收途徑分為：價(jià)格較低的政府和家電品牌官方制造商的回收方式；價(jià)格較高的私人回收方式。在實(shí)際生活中，由于較低的回收價(jià)格，正規(guī)的回收渠道即政府或家電品牌官方制造商面臨著“無(wú)米下鍋”的情況，回收量非常少，私人家電回收方提供較高的回收價(jià)格，因此回收了居民手中絕大多數(shù)的廢舊家電。政府或家電品牌官方制造商能夠?qū)厥盏膹U舊家電進(jìn)行合理的環(huán)保化的處理，而私人家電回收方對(duì)廢舊家電的處理有兩種，一是進(jìn)行適當(dāng)翻新再出售，二是進(jìn)行拆解提取有價(jià)物。由于私人家電回收方處理技術(shù)較差，在拆解過(guò)程中，一些部件中含有重金屬如砷、汞等有毒物質(zhì)、提取金、銀等有價(jià)物用的硫酸等滲入地下，對(duì)土壤和地下水造成嚴(yán)重污染，從而對(duì)人的身體健康造成嚴(yán)重危害。

以往對(duì)廢舊產(chǎn)品回收的文獻(xiàn)中，郭偉等[1]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，從生產(chǎn)和物流成本出發(fā)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)回收再制造經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，李玉民[2]、謝家平等[3]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)報(bào)廢汽車(chē)的回收進(jìn)行研究，鐘永光等[4]通過(guò)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，以廢舊電冰箱回收為例，研究激勵(lì)居民參與回收廢棄家電的回收策略，Sudhir等[5]、Ulli-Beer[6],畢貴紅和王華[7]通過(guò)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)回收城市固體廢物進(jìn)行了研究，張海珍等[8]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，以廢舊洗衣機(jī)回收為例，研究政府激勵(lì)回收處理商進(jìn)行回收處理廢舊家電的問(wèn)題，蔡林[9]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)城市生活垃圾的回收進(jìn)行研究，Thomas和Marcus[10]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法建立電子產(chǎn)品零部件生產(chǎn)回收系統(tǒng)以滿(mǎn)足電子產(chǎn)品對(duì)零部件的需求，鐘永光等[11]以廢舊電視機(jī)為例,建立了激勵(lì)回收小商販參與環(huán)保化拆解的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，李維乾等[12]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法研究水資源優(yōu)化配置的問(wèn)題，孫明波和張世勛[13]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)電子廢棄物回收企業(yè)的經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償機(jī)制進(jìn)行研究。余福茂等[14]、成瓊文和周璐[15]、劉永清等[16]從考慮正規(guī)渠道的激勵(lì)因素與非正規(guī)渠道的制約因素及綠色回收、綠色采購(gòu)角度對(duì)電子廢棄物回收問(wèn)題進(jìn)行了研究，并得出了一些結(jié)論和建議。朱曉東等[17]考慮傳統(tǒng)分銷(xiāo)商和線(xiàn)上回收商之間的回收成本差異以及回收產(chǎn)品的可再制造比例，分析雙渠道的最優(yōu)回收定價(jià)和利潤(rùn)。張漢江等[18]以政府作為決策主體，建立了以政府為領(lǐng)導(dǎo)者、制造商和再制造商、回收商為跟隨者的三級(jí)非線(xiàn)性閉環(huán)供應(yīng)鏈上的Stackclbcrg主從博弈模型，分析求解了各主體的最優(yōu)決策。劉慧慧和劉濤[19]引入正規(guī)渠道與再制造商合作的市場(chǎng)機(jī)制，即正規(guī)渠道可以轉(zhuǎn)讓較高質(zhì)量的舊品給再制造商進(jìn)行加工再制造。文獻(xiàn)[17-19]不是以建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的方法來(lái)研究回收策略；沒(méi)有采用政府實(shí)行政策調(diào)控并加強(qiáng)與家電品牌官方制造商、專(zhuān)業(yè)回收處理企業(yè)的合作策略。

綜上所述，對(duì)電子廢棄物回收處理渠道的研究已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，但從以往的研究中可以看出，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究回收問(wèn)題的文獻(xiàn)較多，而采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，立足于導(dǎo)致廢舊家電回收難的價(jià)格問(wèn)題，對(duì)電子廢棄物的回收策略進(jìn)行的研究很少見(jiàn)。

根據(jù)廢舊家電回收中由于價(jià)格低導(dǎo)致正規(guī)渠道回收量較少的現(xiàn)象，采用以政府實(shí)行政策調(diào)控、加強(qiáng)與家電品牌官方制造商、專(zhuān)業(yè)的回收處理企業(yè)的合作的策略，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)廢舊家電的回收處理問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 廢舊家電回收處理現(xiàn)狀的存量流量圖

在存量流量圖中，通過(guò)采用狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量、常量等，將廢舊手機(jī)回收處理現(xiàn)狀中的變量之間的關(guān)系及控制過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)，充分體現(xiàn)系統(tǒng)的反饋特性和動(dòng)態(tài)性。下圖為以北京市為例，反映廢舊家電回收處理現(xiàn)狀的存量流量圖。

圖1 廢舊手機(jī)回收處理現(xiàn)狀的存量流量圖

對(duì)上圖做以下說(shuō)明：

(1)根據(jù)2009年前后北京市的人口數(shù)量及人口增長(zhǎng)率可知，北京市未來(lái)幾年的人口增長(zhǎng)率穩(wěn)定在3.4%-3.5%，根據(jù)工信部的統(tǒng)計(jì)，手機(jī)用戶(hù)數(shù)約是人口數(shù)的90%，大約可知北京市歷年的居民正在使用的手機(jī)量；根據(jù)居民每15個(gè)月更換一次手機(jī)，可大約知道每年廢棄的手機(jī)數(shù)量。

(2)在現(xiàn)有的手機(jī)回收體系中，由于政府回收站的回收價(jià)格較低，回收量較少，私人回收點(diǎn)回收價(jià)格較高，回收量較大。

通過(guò)對(duì)北京市的電子垃圾回收站及廢舊電子產(chǎn)品在線(xiàn)交易平臺(tái)(如回購(gòu)網(wǎng)、翼鋒網(wǎng)等)及相關(guān)網(wǎng)站調(diào)研得到廢舊手機(jī)回收處理現(xiàn)狀的存量流量圖方程式為：

1)居民手中正使用的手機(jī)數(shù)量=INTEG(居民新手機(jī)的購(gòu)買(mǎi)速率-手機(jī)的正常報(bào)廢速率,18000000);

2)居民新手機(jī)的購(gòu)買(mǎi)速率=WITH LOOKUP(TIME([(2010,13072000)-(2020,19627200)],(2010,13072000),(2011,13528800),(2012,14004000),(2013,15220800),(2014,15976800),(2015,16531200),(2016,17107200),(2017,17704800),(2018,18324000),(2019,18964800),(2020,19627200)));

3)手機(jī)的正常報(bào)廢速率=居民手中正使用的手機(jī)數(shù)量/手機(jī)的平均使用壽命;

4)手機(jī)的平均使用壽命=3;

5)居民家中廢棄的手機(jī)數(shù)量=INTEG(手機(jī)的正常報(bào)廢速率-回收站的回收速率-私人的回收手機(jī)速率,4000000);

6)私人的回收手機(jī)速率=私人回收點(diǎn)的數(shù)量*平均每單位私人回收點(diǎn)因受回收價(jià)格差影響的每年回收的手機(jī)數(shù)量;

7)私人回收的手機(jī)數(shù)量=INTEG(私人的回收手機(jī)速率,3000000);

8)回收站的回收速率=政府回收站的數(shù)量*平均每單位政府回收站因受回收價(jià)格差所影響的每年回收的手機(jī)數(shù)量;

9)政府回收站的數(shù)量=150;

10)私人回收點(diǎn)的數(shù)量=2000;

11)政府回收的手機(jī)數(shù)量=INTEG(回收站的回收速率,50000);

12)私人回收點(diǎn)與政府回收站的回收價(jià)格差額=私人回收點(diǎn)的回收價(jià)格-政府回收站的回收價(jià)格

13)政府回收站的回收價(jià)格= RANDOM NORMAL(40, 100， 60， 10, 10);

14)私人回收點(diǎn)的回收價(jià)格=受拆解后有價(jià)物國(guó)際市場(chǎng)平均價(jià)格影響的回收價(jià)格+其他相關(guān)因素影響的回收價(jià)格;

15)受拆解后有價(jià)物國(guó)際市場(chǎng)平均價(jià)格影響的回收價(jià)格=WITH LOOKUP(每部手機(jī)拆解后有價(jià)物的國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格, ([(200,100)-(400,330)],(210,120),(230,140),(250,170),(270,200),(300,235),(320,258),(340,280),(360,301),(380,324)));

16)每部手機(jī)拆解后有價(jià)物的國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格= RANDOM NORMAL(200, 400， 300， 10， 10);

17)其他相關(guān)因素影響的回收價(jià)格=0;

運(yùn)用Vensim軟件進(jìn)行仿真，可以得到政府回收站及私人回收點(diǎn)回收的手機(jī)數(shù)量。

對(duì)比圖2、圖3可以看出，政府回收站回收的廢舊手機(jī)數(shù)量較少，而私人回收點(diǎn)回收的數(shù)量較多。

3 模型檢驗(yàn)

3.1 現(xiàn)實(shí)性檢驗(yàn)

測(cè)驗(yàn)1：將私人回收點(diǎn)的回收價(jià)格中其他相關(guān)因素影響的回收價(jià)格由0變?yōu)?0，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖2 政府回收站回收的手機(jī)數(shù)量

圖3 私人回收點(diǎn)回收的手機(jī)數(shù)量

圖4 私人回收點(diǎn)的回收價(jià)格增加50時(shí)政府回收的手機(jī)數(shù)量

從仿真結(jié)果中可以看出，由于私人回收點(diǎn)的回收價(jià)格增加時(shí)，私人回收的手機(jī)數(shù)量增加，因此政府回收的手機(jī)數(shù)量低于初始狀態(tài)，模型符合現(xiàn)實(shí)情況，通過(guò)現(xiàn)實(shí)性測(cè)驗(yàn)。

測(cè)驗(yàn)2：將政府回收站的回收價(jià)格大幅度提高至略高于私人回收點(diǎn)的回收價(jià)格，即當(dāng)政府回收站的回收價(jià)格=私人回收點(diǎn)的回收價(jià)格+RANDOM NORMAL(0, 40， 20， 10， 10)時(shí)，發(fā)現(xiàn)政府回收站回收的手機(jī)數(shù)量大大高于初始狀態(tài)，比較圖2、圖5可知，模型符合現(xiàn)實(shí)情況，通過(guò)現(xiàn)實(shí)性測(cè)驗(yàn)。

圖5 政府回收站的回收價(jià)格略高時(shí)政府回收的手機(jī)數(shù)量

3.2 極限檢驗(yàn)

假設(shè)手機(jī)的平均使用壽命為1年、3年進(jìn)行極限測(cè)試。若平均使用壽命為較短，則手機(jī)的正常報(bào)廢速率增大，在新手機(jī)購(gòu)買(mǎi)速率不變的情況下，居民手中正在使用的手機(jī)數(shù)量減少。若平均使用壽命較長(zhǎng)，則手機(jī)的正常報(bào)廢速率減小，在新手機(jī)購(gòu)買(mǎi)速率不變的情況下，居民手中正在使用的手機(jī)數(shù)量增多。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 手機(jī)平均使用壽命不同時(shí)居民手中正在使用的手機(jī)數(shù)量

4 實(shí)施廢舊家電回收處理的改進(jìn)策略分析

4.1 改進(jìn)策略下的存量流量圖及方程式

本文的回收處理策略采用政府實(shí)行政策調(diào)控、加強(qiáng)與家電品牌官方制造商、專(zhuān)業(yè)的回收處理企業(yè)的合作的策略，下圖為實(shí)施廢舊家電回收處理策略后的存量流量圖。

在已有方程式的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充廢舊家電回收處理策略下的存量流量圖的方程式：

1)政府回收站與私人回收點(diǎn)回收價(jià)格差額=政府回收站的回收價(jià)格-私人回收點(diǎn)的回收價(jià)格;

2)回收公司每部手機(jī)的凈收益(包括貴金屬及其他物質(zhì)的價(jià)值、拆解成本、提煉成本、廢棄物處理成本等)=2;

3)手機(jī)官方制造商回收再制造的數(shù)量=政府回收的手機(jī)數(shù)量*0.9;

4)回收公司用于分解提煉的手機(jī)數(shù)量=政府回收的手機(jī)數(shù)量*0.1;

5)每部手機(jī)再制造節(jié)約的平均成本=400；

6)總收益=回收公司用于分解提煉的手機(jī)數(shù)量*回收公司每部手機(jī)的凈收益+手機(jī)官方制造商回收再制造的數(shù)量*每部手機(jī)再制造節(jié)約的平均成本;

7)總成本=政府回收的手機(jī)數(shù)量*政府回收站的回收價(jià)格;

8)利潤(rùn)值=總收益-總成本。

由圖2、圖8對(duì)比可以看出，策略實(shí)施后政府回收站回收的手機(jī)數(shù)量大幅度增加，圖3、圖9對(duì)比下可以看出，策略實(shí)施后私人回收點(diǎn)回收的手機(jī)數(shù)量大幅下降。

圖9 策略實(shí)施后私人回收點(diǎn)回收的手機(jī)數(shù)量

由圖10可知，策略實(shí)施后系統(tǒng)的利潤(rùn)值為正值，利潤(rùn)可在政府、手機(jī)品牌官方制造商、回收處理公司三者之間進(jìn)行分配，從而使該策略可以得到持續(xù)實(shí)施。

圖10 策略實(shí)施后系統(tǒng)的利潤(rùn)值

4.2 改進(jìn)策略下的模型檢驗(yàn)

測(cè)驗(yàn)1：將受拆解后有價(jià)物國(guó)際市場(chǎng)平均價(jià)格影響的回收價(jià)格由[(200,100)-(400,330)]增加至[(300,200)-500,450]，從而政府回收站的回收價(jià)格同樣在此基礎(chǔ)上增加隨機(jī)數(shù)RANDOM NORMAL(0, 40， 20， 10， 10)，得到系統(tǒng)的利潤(rùn)值如下圖所示。

由圖11可以看出，當(dāng)政府回收站價(jià)格增加后，系統(tǒng)的利潤(rùn)較初始時(shí)減少。這是因?yàn)楫?dāng)回收價(jià)格越大，系統(tǒng)的成本就越高，利潤(rùn)就越少，模型符合現(xiàn)實(shí)情況，通過(guò)現(xiàn)實(shí)性檢驗(yàn)。

圖11 政府回收價(jià)格增加后的系統(tǒng)利潤(rùn)

測(cè)驗(yàn)2：將用于手機(jī)官方制造商再制造的手機(jī)數(shù)量減少到回收總量的70%，將用于回收公司分解提煉的手機(jī)數(shù)量增加至30%，可得到系統(tǒng)利潤(rùn)值如下圖所示。

從圖12可以看出，用于再制造的手機(jī)數(shù)量減少后，系統(tǒng)的利潤(rùn)值較初始時(shí)大幅下降，但總體仍在增長(zhǎng)。這是由于再制造節(jié)約的成本較多，用于再制造的手機(jī)數(shù)量減少后，利潤(rùn)值會(huì)減少，但隨著回收數(shù)量的增多，利潤(rùn)仍在不斷增長(zhǎng)。因此，符合現(xiàn)實(shí)情況，通過(guò)現(xiàn)實(shí)性檢驗(yàn)。同理，如模型初始狀態(tài)，也可通過(guò)極限檢驗(yàn)。

圖12 再制造手機(jī)數(shù)量減少后的系統(tǒng)利潤(rùn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文以北京市為例，對(duì)目前廢舊家電回收處理體系的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。首先，通過(guò)對(duì)目前家電產(chǎn)品的保有量、淘汰率、回收途徑、回收量、處理方式等方面的研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有家電回收處理體系中政府的環(huán)保化回收量很少，私人的非環(huán)保化的回收方式占主導(dǎo)地位；其次，通過(guò)建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究促進(jìn)廢舊家電環(huán)保化回收的策略；再次，以北京市廢舊家電回收為例進(jìn)行調(diào)研，繪制了廢舊家電回收處理體系的存量流量圖，并給出存量流量圖的方程式，對(duì)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)；最后，對(duì)政府提高回收價(jià)格，加強(qiáng)與家電品牌官方制造商、專(zhuān)業(yè)的回收處理企業(yè)的合作的策略進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該策略能夠增加政府環(huán)保化的回收量，并能實(shí)現(xiàn)合作整體利潤(rùn)的增加。為政府合理化廢舊家電的回收處理體系提供借鑒。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是針對(duì)目前由于回收價(jià)格較低導(dǎo)致的正規(guī)渠道回收量較少的問(wèn)題，采用了以政府實(shí)行政策調(diào)控并加強(qiáng)與家電品牌官方制造商、專(zhuān)業(yè)的回收處理企業(yè)的合作的策略，并對(duì)策略實(shí)施的效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該策略能夠增加政府環(huán)保化的回收量，并能實(shí)現(xiàn)合作整體利潤(rùn)的增加。