基于層次分析法的牛奶包裝容器選擇

劉爭號 謝勇 白海龍 陳南寧

摘要：通過建立牛奶包裝容器選擇評價指標，對五種常見牛奶包裝的優劣進行量化評價，以期為牛奶包裝容器提供有效改進意見。利用層次分析法結合國內外現有研究從機械性能、經濟指標、環境指標以及消費者滿意度多個維度對牛奶包裝容器進行建模求解，通過一致性檢驗后，得出各項指標對牛奶包裝容器選擇的影響權重值。一級指標中的機械性能權重分最高，機械性能在包裝容器選擇中占據重要地位。五種候選容器中，易拉罐包裝的綜合評價分最高。借助層次分析法建立牛奶包裝容器綜合評價指標體系，為最優選擇提供了理論依據。

關鍵詞：牛奶包裝容器；評價指標；層次分析法

中圖分類號：TB48 文獻標識碼：A 文章編號：1400 （2021） 05-0045-07

Milk Packaging Material Selection Method on Analytic Hierarchy Process

LIU Zheng-hao， XIE Yong， BAI Hai-long， CHEN Nan-ning（College of Packaging and Materials Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou Hunan 412007， China）

Abstract： By studying the establishment of milk packaging material selection evaluation indicators， quantitative evaluation for five common milk packaging materials， in order to provide effective suggestions for improvement of milk packaging container. Using AHP combined with existing research at home and abroad to model and solve milk packaging materials from multiple dimensions of mechanical performance， economic indicators， environmental and consumer satisfaction， after passing the consistency test， various indicators are obtained Material selection influence weight value. The mechanical performance weight is the highest in the first-level indicators， and the mechanical performance occupies an important position in the selection of packaging materials. Among the five candidate materials， the comprehensive evaluation score of the can packaging is the highest. With the aid of analytic hierarchy process， the comprehensive evaluation index system of milk packaging materials is established， which provides a theoretical basis for the most optimal materials.

Key words： milk packaging container； evaluation index； analytic hierarchy process

近年來，隨著人們健康意識的不斷加強和對牛奶認識的加深，對牛奶的需求逐年遞增[1]。牛奶包裝容器作為奶源地向市場輸送的“搬運工”，擔任著保護牛奶不受二次污染、便于儲運以及促進銷售等角色。最初的牛奶包裝是用玻璃瓶裝好送給客戶，科學技術的進步使得容器的種類劇增，為適應消費者的需求，出現了塑料瓶（HDPE、LDPE廣口瓶以及PE塑料瓶）、紙質類包裝（百樂寶、利樂包、屋頂盒）以及金屬易拉罐等多種牛奶包裝[2]。如何在種類繁多的容器中選擇一種最合適的牛奶包裝容器是一個重要研究課題。

1 研究概況

目前，國內外對于牛奶包裝容器的選擇大多數是基于環境的角度給予評價，生命周期法（Life Cycle Assessment，LCA）是最常用的手段之一，以牛奶包裝容器的全生命周期所消耗的能量多少作為候選容器的優劣選擇。LCA最早的應用是用于評價可口可樂飲料的不同包裝容器的資源消耗[3]。后經多年發展改善，已經用于多個領域的環境測評，尤其是在包裝領域內。如：王凱麗[4]等運用生命周期評價法對罐裝薯片包裝的整個生命系統進行了綜合評價。劉莎[5]等以改進的旅行裝牛奶包裝為研究對象，通過生命周期評價方法對其環境影響進行了評價分析。Jorgelina[6]等用LCA針對于西班牙的果汁、啤酒和水的包裝容器和尺寸進行了評估選擇，在玻璃、鋁、PET、HDPE以及塑料的各種型號容器的對比中，得出了對環境影響最小的包裝容器是尺寸稍大的無菌紙箱和塑料瓶的結論。Almeida[7]等使用LCA和能值核算對巴西的軟飲料包裝容器進行評價選擇，在候選容器中得出了最合適的包裝容器是Glass-40R的結論。Papong[8]等利用LCA方法進一步研究了泰國聚乳酸（PLA）和PET礦泉水瓶的比較評估。結果表明，在對全球變暖的貢獻，對化石能源的依賴性以及人體毒性方面，PLA瓶比PET瓶更環保。

然而，包裝容器的選擇是一個多目標、多準則決策的模型，單從環境角度為牛奶選擇最合適的包裝容器是片面且不客觀的。基于此，筆者提出用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）從多維度的對牛奶包裝容器進行選擇評優，以期為牛奶包裝容器提供有效改進意見。

2 基于層次分析法的包裝容器選擇

層次分析法，簡稱AHP，是由美國匹茲堡大學教授T.L.Satty于20世紀70年代提出的一種多目標決策分析方法論。其原理是將與決策有關的因素分解成目標層、準則層、方案層等若干層次，通過對各因素的計算和比較，得出不同因素權重，為決策者選擇最優方案提供參考依據[9， 10]。

2.1評價對象

選取市場常見的五種牛奶包裝作為評價對象，分別是百利包、利樂包、PET瓶、玻璃瓶以及易拉罐[11]。百利包的包裝原材料是LDPE薄膜，結構為三層共擠復合結構[12]。利樂包的包裝原材料由紙板、LDPE和鋁層壓板組成，其結構為六層復合結構（PE/紙板-PE-Al-PE/PE）[12]。PET瓶的包裝原材料由聚對苯二甲酸乙二醇酯和輔助容器組成[13]。玻璃瓶的包裝原材料由石英粉（二氧化硅）、石灰石、純堿、白云石、長石、硼酸、碎玻璃等制造而成[14]。易拉罐的包裝原容器主要是馬口鐵[14]。

2.2評價指標體系和選擇層次模型

由于牛奶含有豐富的蛋白質、脂肪以及纖維素等重要營養物質，牛奶包裝容器應具備避光、阻氧性、密封性以及環保性等特性[15]。根據參考文獻[16-18]，結合牛奶包裝容器需具備的特性。將牛奶包裝容器的評價指標體系劃分為四個一級指標和14個二級指標。在評價模型中，一級指標包括機械性能指標、經濟指標、環境指標、消費者滿意度指標。機械性能旨在度量容器保護牛奶不受二次污染以及便于儲運的能力，包括透氣率、抗壓強度、斷裂伸長率、摩擦系數、透光率，機械性能越好，包裝容器加工越簡單，牛奶越不容易受污染，越能延長牛奶貨架壽命。經濟指標旨在度量容器在生產、運輸以及回收的成本價格，包括采購成本、運輸成本以及回收處置成本。環境指標旨在度量容器的全生命周期所需要消耗的資源和能量，包括能量消耗、環境污染以及回收再利用能力。在模型中，剔除掉包裝品牌因素對消費者滿意度造成的影響，僅從視覺、觸覺以及易開啟性對包裝容器的消費者滿意度指標進行評價，旨在度量消費者對包裝的認可度，消費者滿意度越高，消費者重復購買的次數越多，產生的經濟效益越好。

2.3構造比較判斷矩陣及求解權重

判斷矩陣dij一般采用九分制標度法，準則層中由A1～A4四個一級指標和其對應的14個二級指標，將它們進行兩兩比較，獲得相對于目標層的重要程度，重要程度可用一個比較標準（aij）來表示。Aij取值詳見表1。

2.3.1構造一級指標判斷矩陣

對于判斷矩陣的權重求解常見的方法有算術平均法、幾何平均法和特征值求解。為了保證結果的穩健性，筆者采用了三種方法分別求出了權重。其次，因為Matlab運算存在稍許誤差，可能致使權重相加不為1，所以都三種方法進行求和并取平均值。這樣避免了采用單一方法所產生的偏差，得到的結論將更全面有效。

2.3.2構造二級指標判斷矩陣

將二級指標求出的權重和對應的一級指標相乘就是該指標在整個綜合評價指標體系中所占的權重，解的權重結果如表3。

2.3.3構造方案層判斷矩陣

根據工程經驗，對備選容器P1～P5兩兩比較以確定其相對于準則層各元素的相對重要性，可獲得方案層判斷矩陣，由于版面有限，此處僅列出4個判斷矩陣，A15、A21、A32、A43。

2.4一致性檢驗

由于客觀事物的復雜性以及評價認識上的差異性，得出的容器選擇分析結果可能會有一定的片面性。為了證明牛奶包裝容器選擇所得的結果合理性，各判斷矩陣需要通過一致性檢驗說明其在邏輯上的合理性。再求出各判斷矩陣的最大特征值根之后，用公式（1）和（2）求出一致性指標CI和一致性比例CR。其中CR如果小于0.1，則可認為判斷矩陣的一致性可以接受，否則需要對判斷矩陣進行修正。

通過表8查找階數（n）與RI之間的關系表，計算出一致性比例。

求解得出準則層對于方案層判斷矩陣的數據如表9。

2.5結果分析

由表3得到14個評價指標相對于包裝容器的重要度，分別為透氣率（0.1383）、抗壓強度（0.2694）、斷裂伸長率（0.04）、摩擦系數（0.0312）、透光率（0.098）、采購成本（0.0526）、運輸成本（0.1552）、回收處置成本（0.0235）、能源消耗（0.0326）、回收再利用能力（0.0268）、環境污染（0.0044）、視覺（0.0661）、觸覺（0.0298）和易開啟性（0.01）。由方案層判斷矩陣得到五種備選容器的綜合性能權重。

由式（3）可以看到易拉罐和玻璃瓶的綜合性能最好，其次為利樂包、PET瓶和百利包。以上分析結果可作為目前牛奶包裝選材的參考依據。在實際應用中金屬易拉罐和玻璃瓶的綜合機械性能最優，但其環境指標在生產過程階段需要消耗大量的資源成型。由于在綜合評價指標體系中，機械性能占比最重（0.578）會導致機械性能較好的容器排名會靠前。

3 結語

通過建立牛奶包裝容器的綜合評價指標體系，基于AHP構建了牛奶包裝容器選擇層次模型，定性和定量分析綜合評價了五種牛奶包裝容器，實現了牛奶包裝容器的快速選擇。層次分析法操作簡單，易于實施，對于牛奶包裝的選擇具有重要的參考意義。

層次分析法在構建指標體系時，其各層次指標之間相互獨立，人為因素影響過多，一定程度上影響了權重的客觀性。因此需在完善牛奶包裝容器的基本數據上，充分采用主客觀結合的權重賦值進行更科學全面的選擇研究

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