考慮碳排放的生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉文博 （遼寧省交通高等專科學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng)110122）

LIU Wenbo (Liaoning Provincial College of Communications, Shenyang 110122, China)

0 引 言

隨著世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，二氧化碳排放量越來(lái)越大，世界氣候面臨越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重危害到人類生存環(huán)境和健康安全。中國(guó)已向世界承諾：二氧化碳排放2030 年左右達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%。Baranzini 等[1]認(rèn)為，碳稅是降低碳排放最有效率的政策之一。蘇明等[2]深入研究了《環(huán)境保護(hù)稅法（征求意見(jiàn)稿）》，提出了政策建議，未來(lái)將碳稅作為一個(gè)稅目開(kāi)征。楊雨薇[3]認(rèn)為低碳物流已經(jīng)成為物流業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，走低碳化發(fā)展離不開(kāi)國(guó)家宏觀層面支持，微觀層面也應(yīng)積極尋求物流各環(huán)節(jié)節(jié)能減排途徑，力求實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益最大化。

生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈[4]（Supply Chain of Agriculture Fresh Products） 是由生鮮農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)商、物流服務(wù)商、銷售商等相關(guān)主體組成的網(wǎng)絡(luò)。供應(yīng)商的各主體承擔(dān)著生鮮農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)、生產(chǎn)、加工、配送及銷售等職能。生鮮農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)商、生產(chǎn)商、銷售商以及消費(fèi)者通過(guò)物流、信息流、資金流連接起來(lái)，旨在實(shí)現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品快速、高效并安全地從產(chǎn)地到消費(fèi)者的移動(dòng)，并重點(diǎn)考慮食品安全、流通過(guò)程中的碳排放控制、生鮮農(nóng)產(chǎn)品保鮮等問(wèn)題。

生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈跨越多個(gè)產(chǎn)業(yè)，涉及農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、物流業(yè)、批發(fā)與零售業(yè)、信息技術(shù)服務(wù)業(yè)、環(huán)保業(yè)，也會(huì)受到金融業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)的影響。由于供應(yīng)鏈上各主體地理位置分散，各地氣候、地理?xiàng)l件差異很大，還有生鮮農(nóng)產(chǎn)品鮮活和易損性的特點(diǎn)，對(duì)采收、裝卸、運(yùn)輸、配送等各環(huán)節(jié)在時(shí)間和包裝技術(shù)要求很高，需要快速、高效的物流配送體系，才能降低成本，提高效益。

Chaabane 等[5]提出了一個(gè)考慮碳排放的閉環(huán)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，構(gòu)建了一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃模型，該模型體現(xiàn)了供應(yīng)鏈的戰(zhàn)略規(guī)劃與運(yùn)營(yíng)策略，并以原鋁生產(chǎn)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)為實(shí)證案例進(jìn)行了數(shù)值實(shí)驗(yàn)。Cachon[6]從供應(yīng)鏈運(yùn)作和物流角度分析了商店與工廠因地理位置差異造成碳排放量的不同，最后給出最佳選址方案實(shí)現(xiàn)碳排放量最小。

本文以生鮮農(nóng)產(chǎn)品為研究對(duì)象，考慮碳排放的前提下通過(guò)合理的運(yùn)量分配及配送中心的啟動(dòng)決策實(shí)現(xiàn)整個(gè)生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈運(yùn)輸成本最小且碳排放成本最低的目標(biāo)。在生鮮農(nóng)產(chǎn)品行業(yè)面對(duì)未來(lái)必將到來(lái)的碳稅政策時(shí)，可以通過(guò)供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)與優(yōu)化，大幅度降低二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

1 問(wèn)題描述與數(shù)學(xué)模型

1.1 問(wèn)題描述

目前生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈發(fā)展迅速，很多農(nóng)業(yè)龍頭企業(yè)紛紛采取“公司—基地—農(nóng)戶”、“基地—農(nóng)戶—公司—超市”等多種形式的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)。由于農(nóng)產(chǎn)品品種多、品質(zhì)差異大，其流通形式也有所不同。比較典型的“農(nóng)戶+加工企業(yè)”模式，其供應(yīng)鏈成員包括供應(yīng)商、農(nóng)戶、加工企業(yè)、批發(fā)商、零售商等。這一模式中，農(nóng)戶種植的農(nóng)產(chǎn)品并不直接進(jìn)入流通渠道，而是通過(guò)加工企業(yè)進(jìn)行增值，轉(zhuǎn)換成附加值更高的產(chǎn)品，再以更高的價(jià)格進(jìn)入流通渠道。本文所建的數(shù)學(xué)模型是依托于該種運(yùn)作模式，供應(yīng)鏈?zhǔn)锥耸巧r農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)商，中間環(huán)節(jié)是提供深加工及配送服務(wù)的企業(yè)，供應(yīng)鏈末端是離消費(fèi)者最近的生鮮超市，其供應(yīng)鏈?zhǔn)疽鈭D如圖1 所示。

為了構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，首先提出合理假設(shè)，表示如下：

假設(shè)1 所有生鮮超市的需求必須得到滿足；

假設(shè)2 不能超過(guò)供應(yīng)商的供給能力；

假設(shè)3 運(yùn)輸費(fèi)用與單位產(chǎn)品運(yùn)量呈線性比例關(guān)系；

假設(shè)4 運(yùn)輸過(guò)程中涉及的碳排放量與單位產(chǎn)品運(yùn)量呈線性比例關(guān)系。

針對(duì)假設(shè)3 和4，即使參數(shù)間存在一些復(fù)雜的非線性關(guān)系，但經(jīng)過(guò)線性轉(zhuǎn)化，并不影響模型求解結(jié)果。

圖1 生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈?zhǔn)疽鈭D

1.2 數(shù)學(xué)模型

該問(wèn)題的集合、參數(shù)和決策變量的定義如下：

集合：I：生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)商集合；J：加工配送中心集合；K：生鮮超市集合。

參數(shù)：Si：第i個(gè)供應(yīng)商的供應(yīng)量（噸）；Cj：第j個(gè)加工配送中心的處理能力（噸）；Dk：第k個(gè)生鮮超市的需求量（噸）；dij：從供應(yīng)商i到加工配送中心j每單位運(yùn)量的運(yùn)輸費(fèi)（元/噸）；djk：從加工配送中心j到生鮮超市k每單位運(yùn)量的運(yùn)輸費(fèi)（元/噸）；mij：從供應(yīng)商i到加工配送中心j每單位運(yùn)量的CO2排放量（kg/噸）；mjk：從加工配送中心j到生鮮超市k每單位運(yùn)量的CO2排放量（kg/噸）；vj：來(lái)自第j個(gè)加工配送中心單位運(yùn)量的可變CO2排放量（kg/噸）；fj：來(lái)自第j個(gè)加工配送中心單位運(yùn)量的固定CO2排放量（kg/噸）；α：碳排放稅（元/kg）。

決策變量：xij：從供應(yīng)商i到加工配送中心j的送貨量（噸）；xjk：從加工配送中心j到生鮮超市k的送貨量（噸）；yj：第j個(gè)加工配送中心是否啟動(dòng)，yj為1，即啟動(dòng)；yj為0，則不啟動(dòng)；xijk：從供應(yīng)商i通過(guò)加工配送中心j向生鮮超市k的送貨量（噸）；Zj：通過(guò)加工配送中心j的運(yùn)量，即

采用上述參數(shù)和決策變量，建立的數(shù)學(xué)模型表示如下：

模型中，目標(biāo)函數(shù)式（1） 包含五項(xiàng)，分別是從供應(yīng)商到加工配送中心的運(yùn)輸費(fèi)用及相應(yīng)的碳稅成本、從加工配送中心到生鮮超市的運(yùn)輸費(fèi)用及相應(yīng)的碳稅成本以及加工配送中心要承擔(dān)的固定及可變的碳稅成本。約束式（2） 表示對(duì)于每個(gè)供應(yīng)商，運(yùn)往各加工配送中心的運(yùn)量總和與其供應(yīng)量持平。約束式（3） 表示對(duì)于每個(gè)生鮮超市，從各加工配送中心運(yùn)來(lái)的運(yùn)量總和與該超市的需求量持平。約束式（4） 表示對(duì)于每個(gè)加工配送中心，其處理能力不小于從各供應(yīng)商送來(lái)的運(yùn)量。約束式（5） 表示對(duì)于每個(gè)加工配送中心，其處理能力應(yīng)大于等于送往各生鮮超市的運(yùn)量總和。約束式（6） 表示從供應(yīng)商i通過(guò)加工配送中心j向生鮮超市k運(yùn)量的關(guān)系式。約束式（7） 和式（8） 表示變量的取值范圍。

該模型程序是在Windows7 環(huán)境下利用Visual Studio 2010 編寫(xiě)，在CPU 主頻3.1GHz，物理內(nèi)存6GB 的計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)ILOG CPLEX v12.6.1 優(yōu)化軟件進(jìn)行求解。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 案例概述

某區(qū)域有5 家加工配送中心，上游供應(yīng)商共有105 家，單家供應(yīng)商能力均有限，下游生鮮超市共有286 個(gè)。供應(yīng)商、加工配送中心、生鮮超市的地理位置已知，由此均可計(jì)算出供應(yīng)商至加工配送中心及加工配送中心至各生鮮超市之間的距離矩陣。

模型的參數(shù)大部分來(lái)源于電話問(wèn)詢，極個(gè)別的數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和業(yè)內(nèi)專家經(jīng)驗(yàn)獲得。碳排放稅是參考國(guó)內(nèi)外生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流行業(yè)的作業(yè)能耗數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換系數(shù)以及物流行業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)，在合理范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生。

從案例中任意抽取10 個(gè)供應(yīng)商單位、5 個(gè)生鮮超市的數(shù)據(jù)為例，表1 為供應(yīng)商到加工配送中心單位運(yùn)量的運(yùn)費(fèi)及各供應(yīng)商的供應(yīng)量；表2 為加工配送中心至生鮮超市單位運(yùn)量的運(yùn)費(fèi)及各生鮮超市的需求量；表3 為供應(yīng)商到加工配送中心單位運(yùn)量的CO2排放量；表4 為加工配送中心至生鮮超市的單位運(yùn)量的CO2排放量；表5 為加工配送中心的固定/可變單位運(yùn)量的CO2排放量及處理能力。

表1 供應(yīng)商至加工配送中心的單位運(yùn)量的運(yùn)費(fèi)及各供應(yīng)商的供應(yīng)量

表2 加工配送中心至生鮮超市的單位運(yùn)量運(yùn)費(fèi)及各生鮮超市的需求量

表3 供應(yīng)商至加工配送中心的單位運(yùn)量的CO2 排放量

表4 加工配送中心至生鮮超市的單位運(yùn)量的CO2 排放量

表5 加工配送中心的固定/可變單位運(yùn)量的CO2 排放量及處理能力

2.2 計(jì)算結(jié)果

針對(duì)上面的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，假設(shè)碳稅率在0.01～0.1 的區(qū)間變化。表6 為不同碳稅率下模型計(jì)算結(jié)果。

表6 不同碳稅率下模型計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表6 的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，隨著碳稅率的增加，加工配送中心開(kāi)啟數(shù)量逐漸減少，固定碳排放量大的將不被啟動(dòng)。隨著碳稅率的增加，碳排放量與總費(fèi)用的整體趨勢(shì)是下降的，但二氧化碳排放量以及總費(fèi)用的降幅隨著碳稅率的上升而上升，由此表明碳稅率越高節(jié)能減排效果越明顯。

3 結(jié) 論

本文對(duì)考慮了碳排放的生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，并通過(guò)具體實(shí)例進(jìn)行了定量分析，碳稅率的調(diào)節(jié)機(jī)制均在不同程度上影響著生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的運(yùn)行。考慮了碳稅率指標(biāo)，加工配送中心的啟動(dòng)決策會(huì)受到影響；碳稅率設(shè)置的越高，碳排放量整體上是呈下降趨勢(shì)，資金的節(jié)省效果越明顯。針對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上的各節(jié)點(diǎn)企業(yè)，要從網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)和運(yùn)作優(yōu)化角度進(jìn)行決策，企業(yè)間相互信任，從大處著眼，力求整個(gè)供應(yīng)鏈的碳排放量最少且總成本最低，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo)。