碳交易环境下企业再制造集成物流网络优化设计

摘 要：再制造作为废旧产品高科技维修的产业化活动，与新产品制造相比，其资源利用和环境保护的优越性受到关注，但再制造行为本身在其物流网络的循环流动中产生的环境污染及资源消耗问题被大多数现有研究所忽视，大多数研究仅考虑了经济成本的最优化问题。基于此，本文综合再制造集成物流网络的经济效益和环境效益，构建了其在碳交易市场背景下的混合整数线性规划模型，并通过再制造企业的实际算例及Matlab演算，得到了实证企业再制造物流网络构建的最佳选址及最优运输路径。同时通过对单一经济效益、单一碳排放量、综合经济效益（包括碳交易效益）三种不同决策目标的对比，发现企业加入碳交易市场能实现综合物流成本的最小化，进而论证了碳交易政策对企业再制造物流网络构建具有显著影响。

关键词：碳排放交易市场；碳排放约束；再制造物流网络；混合整数线性规划模型

中图分类号：F25239

文献标识码：A

文章编号：16710169（2014）05004509

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一、引 言

再制造是一个资源潜力巨大、经济效益显著、环保作用突出、符合可持续发展的绿色工程和新兴产业，也是实现制造产业可持续发展的重要技术途径。再制造作为废旧产品高科技维修的产业化活动，完善的物流网络是实现资源循环流动的重要基础和关键，对其进行科学的规划、设计及管理将从根本上保障再制造产业的运行效率[1][2]。

在世界气候环境不断恶化的大背景下，各国对环境保护与可持续发展越来越重视，碳排放约束也逐渐苛刻。我国提出到2020年，单位国内生产总值的二氧化碳排放降低50%左右的低碳经济战略目标。自2009年我国首家碳排放交易所挂牌成立以来，部分地方性碳排放交易试点平台已初步建立，碳税的开征也已进行了前期研究工作，我国碳政策体系正逐步得到完善。

碳排放交易市场的兴起，让更多企业面临着碳减排的挑战，也对再制造企业的原有发展模式提出了低碳目标的全新挑战。因此，探讨碳交易政策对再制造企业物流网络构建的影响；以及如何在再制造物流网络规划设计中考虑碳排放的优化目标，从综合效益的视角权衡经济效益和环境效益之间的悖反关系是本文研究的主要问题。

二、文献综述

随着低碳经济改革的深入，再制造物流网络的构建在模式、决策目标等方面的低碳趋势越来越明显。较早的研究中，如Jayaraman[3]（P497）建立了一个确定仓储容量和位置的MILP模型，确定了网络结构中最优的机构设置数量和设置地点，但大都以经济效益为单一目标，较少考虑环境效益。随后，顾巧论、陈秋双[4]（P618）建立了一个在传统生产分销物流网络基础上扩建回收拆卸中心的再制造系统集成物流网络的选址―分配模型；马祖军[5]（P74）对再制造物流布局进行了分析，提出了单产品、单周期、有能力限制的再制造物流网络独立设计的稳健优化模型，但二者未在模型中明确增加环境目标约束。

近年来，随着再制造物流网络和低碳经济的研究进展，学者们开始将二者结合，并试图在模型中进行正逆向物流的整合，但出发的角度也不尽相同。Cachon[6]最早从供应链运作和物流的角度研究了低碳经济，探讨了供应链网络中不同的选址对碳排放量大小的影响，并给出了减少碳排放量的最优选址决策，但论文却没有把碳减排目标和经济目标统一起来。Paksoy[7]的再制造多目标线性规划模型考虑了正向物流中的成本和排放目标，但在逆向物流阶段只考虑了成本问题。F.Wang[8]（P262）提出了绿色供应链多目标优化模型，主要关注供应链设计阶段的环境投资决策问题。Y.C.Wang[9]以碳排放为约束，构建了制造/再制造闭环供应链的多目标混合线性规划模型，并分别分析了独立模型和整合模型的成本和环境效率的差异，最终得到整合网络更符合低碳经济要求的结论。

综观现有再制造物流网络的研究，碳排放量约束被逐渐引入了再制造物流模型，主要有以下几种方式[10]（P721）：（1）通过碳税、碳交易将碳排放量转化为成本；（2）通过碳限额进行碳排放量总量约束；（3）将碳排放量、成本等目标结合，进行多目标优化。以上研究聚焦于不同的碳约束条件对企业物流网络优化结果的影响，而本文在整合正逆向物流[11]（P779），对再制造物流网络进行设计的基础上，对比不同碳约束条件，分析不同碳排放约束环境下再制造物流网络的碳排放量和总成本的变化及原因，进一步深化和扩展了前人的研究成果。

三、问题描述

（一）再制造集成物流网络结构

再制造集成物流网络中，生命周期末端的废旧产品首先从消费者区域回收到回收中心；然后，回收中心将废旧产品统一收集后运送到拆解中心，其中也可以根据经济性原则将消费区域的废旧产品直接运送到拆解中心；随后，拆解中心对废旧产品进行拆解检测，根据产品功能损坏程度的不同，其生命周期的循环方式也将不同：可再使用（Reuse）或维修（Repair）后再使用的零部件或模块将被运送到再制造中心作为新产品的零部件直接装配使用，需

进行再制造加工或技术改造的零部件和模块则被运送到再制造中心进行再制造（Remanufacturing），受技术经济条件限制或未达到质量要求的废旧产品和零部件则需运送到指定地点进行原材料循环（Material Recycling）或环保处理（Disposal）。再制造逆向物流完成后，产品将继而进入正向物流――再制造中心的再制造产品将被运输到分销中心，最终通过分销中心送达至新顾客手中。再制造集成物流网络拓扑模型如图1所示。

（二）碳交易市场环境对再制造物流网络结构的影响

在碳交易市场环境下，企业再制造网络的设计与优化不再仅考虑原有的采购成本、设施设置成本、运作成本、运输成本，碳交易市场中的收支也将成为企业成本的重要组成部分，直接影响再制造物流网络的节点设置、运输路线选择等，从而进一步影响企业的碳排放量。碳交易中，每个自愿参与碳交易的企业将拥有一定量的碳配额。在全球碳交易体系中，企业获得碳配额的方式主要是通过：免费分配、固定价格购买、拍卖三种方式。而在刚刚起步的中国碳交易市场中，碳交易体系还在试运行中，制度还有待完善，目前中国企业碳配额的获得方式也主要是通过免费碳配额发放。当企业碳排放量低于碳配额时，企业可以出售剩余碳排放权用于获取收益，而当企业碳排放量高于碳配额时，企业则需购买超出部分的碳排放权。此市场机制将有效调节二氧化碳为代表的温室气体排放，即把二氧化碳排放权作为一种商品，从而形成了二氧化碳排放权的交易。

碳交易市场中，再制造企业原有成本结构发生变化，会直接影响再制造网络优化决策，这将是本文重点关注的问题。同时，考虑到运输工具是影响碳排放量的重要因素，而现有再制造物流网络模型涉及较少，本文也将加以考虑。

四、再制造集成物流网络混合整数线性规划模型

本模型在顾客群地点确定的条件下，以再制造物流网络总运营成本最小为前提，并在总成本中考虑碳交易中的经济效益，最终确定回收中心、拆解中心、再制造中心和分销中心的数量、地点设置、流量分布及相应的碳排放量。

（一）模型假设

本出如下假设：

此再制造集成物流网络为一个单产品、单周期的闭环供应链。

物流网络中各个设施的固定成本和运营成本、最大处理能力、各路径的单位运输成本均已知。

相同类型的设施中心运营成本相同，如回收中心1和回收中心2的运营成本相同。

相同类型的设施中心里，单位产品生产过程中的能源消耗量相同。

不能回收再利用的废弃产品统一放置废弃处理点，其处理点的选址不在模型考虑范围。

消费者区域既存在可进行回收的废旧产品，又对新再制造产品存在需求。但消费者区域作为回收对象时，企业可有选择地对某些点进行回收，且这些消费者区域的废旧产品能够满足回收量；而作为需求方时，企业则需满足所有消费者区域的需求。

（二）符号、参数、决策变量

（二）算例结果

当前的碳排放量的影响并不大，这主要是因为相对于高额的物流网络建设成本来说，碳交易市场的收支的数额过小，以至于无法在物流网络的设计阶段影响其网络选址决策，从而受选址及流量影响的碳排放量也没有变化。然而从总成本来看，案例中企业加入碳交易市场后成本减少了97 000元。也就一定程度上说明，在有效的节能减排前提下，企业加入碳交易市场是可以增加其经济效益的。且从长期运营来看，再制造物流网络的建设成本的影响将减少，碳交易市场收支的重要性将加大，从而对物流网络的产品流量产生影响；且由于碳减排是一个长期优化的过程，企业加入碳交易市场后也将在此优化过程中实现碳排放量的不断减少，碳交易收益也从而增加。

然而，相对以总成本最小（加入碳交易成本）为目标，以单一碳排放量最小为目标的再制造物流网络在网络选址决策、产品流动路径和流量上都有所改变，却只实现了碳排放量115吨的减排。但总成本却因此做出了较大的牺牲，提高了6 474 000元。从结果来看，单纯以碳排放量最小为目标的再制造物流网络的构建具有较大的不经济性。

因此，权衡三种不同碳排放约束条件的结果，从长期看，考虑碳交易市场环境的再制造集成物流网络，无论在碳减排还是在总成本的减少上都具有较大的优势。

六、结 语

本文提出了基于碳交易市场的再制造集成物流网络设计的优化模型，并通过算例对模型进行了数值演算和验证。该模型结合物流系统实际运作管理中的优化决策过程，为物流网络设计提供了有效的决策工具。通过该模型，企业可以评估自身碳排放量，预估碳减排成果及预测其在碳交易市场中的经济效益，为企业是否加入碳交易市场的决策提供了重要参考依据。同时通过三种不同碳排放约束对比，结果表明考虑碳交易市场环境的再制造集成物流网络相对于单一总成本最小（无碳约束）和单一碳排放量目标，在碳减排和总成本减少上都具有较大优势，因此碳交易政策对企业再制造物流网络的构建具有显著影响。

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