陳 誠, 邱榮祖(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

隨著氣候問題的日益惡化，全球化的“低碳革命”正在興起；同時，近年來物流業(yè)能源消耗一直呈增長趨勢，是我國二氧化碳排放增速最快的行業(yè)之一[1].發(fā)展低碳物流是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的前提和基礎(chǔ)[2]，木材物流作為物流行業(yè)的一個專門類別，其生產(chǎn)和供應(yīng)與具有重要碳匯價值的森林[3]的經(jīng)營計劃密切相關(guān)，因而更與低碳經(jīng)濟(jì)、生態(tài)建設(shè)密切相關(guān).

在木材物流[4]過程中，按運動程度的不同可以劃分為運動過程和停頓過程，運動和停頓過程構(gòu)成了木材物流網(wǎng)絡(luò).木材物流網(wǎng)絡(luò)的有效設(shè)計和優(yōu)化能在很大程度上緩解傳統(tǒng)木材物流存在的舍近求遠(yuǎn)、迂回運輸以及運力浪費、成本過高等問題[5,6]，也有利于供應(yīng)鏈整體效率的提升[7].

木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放的合理測度是低碳木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的前提，本文探討木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放的合理測度，并揭示不同測度方法對優(yōu)化結(jié)果的影響，旨在為低碳物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中碳排放測度方法的選擇提供參考.

1 木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放測度

在木材物流網(wǎng)絡(luò)中，碳排放主要來自于木材加工作業(yè)和木材運輸作業(yè)的能源消耗[8].

1.1 與節(jié)點有關(guān)的碳排放測度

在物流網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的形態(tài)有很多種，可能是制造廠商、配送中心、倉庫、轉(zhuǎn)運中心、客戶，也可能是回收中心、處置中心等.對于不同形態(tài)的節(jié)點，由于功能不同，碳排放的主要影響因素也不同.如冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)中的物流節(jié)點，由于需要更多的能源對倉儲空間進(jìn)行制冷，比一般貨物物流網(wǎng)絡(luò)中的物流節(jié)點產(chǎn)生的碳排放更多[9].此外，就同類節(jié)點來說，作業(yè)量越多，碳排放量也越多.

從基于活動的能源消耗角度對木材物流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(木材物流中心)進(jìn)行碳排放分析，木材物流中心作業(yè)流程如圖1所示，其中檢驗檢疫也可能在伐區(qū)楞場進(jìn)行，故用虛線框表示.

圖1 木材物流中心作業(yè)流程圖Fig.1 Procedure of operations in timber logistics center

首先，從倉儲屬性上看，由于木材物流中心所儲存的貨物無需特殊倉儲環(huán)境，如加熱或冷卻，因此可以根據(jù)木材物流中心的規(guī)模估算其年固定碳排量(式(1))[10]；而單位規(guī)模的碳排放系數(shù)與節(jié)點規(guī)模成凹函數(shù)關(guān)系[11].

σ1=V·f1(V)

(1)

式中，σ1表示木材物流中心的固定碳排放量，V表示木材物流中心規(guī)模，f1(.)表示木材物流中心單位碳排放量系數(shù)函數(shù).

木材物流中心的變動碳排放主要來自于加工作業(yè)所需的能源消耗.初加工作業(yè)若未在物流中心進(jìn)行(如采取直送模式的木材)，則將在客戶處進(jìn)行，因此若考慮了木材物流中心處加工作業(yè)產(chǎn)生的變動碳排放，也應(yīng)該將客戶處的木材加工作業(yè)產(chǎn)生的碳排放量算到木材物流網(wǎng)絡(luò)的碳排放中.節(jié)點(包括木材物流中心和需材點)處的變動碳排放可由式(2)計算.

σ2=TV·f2(TV)

(2)

式中，σ2表示木材物流中心和客戶處的變動碳排放，TV表示加工作業(yè)量，f2(.)表示單位作業(yè)量的碳排放系數(shù)函數(shù).

木材物流中心轉(zhuǎn)運比直接運至客戶處的作業(yè)活動增加了1次裝卸作業(yè)，此部分碳排放體現(xiàn)在木材物流中心的變動碳排放測度中.

1.2 與線路有關(guān)的碳排放測度

物流網(wǎng)絡(luò)中線路上的碳排放主要來自于線路上貨物運輸產(chǎn)生的碳排放，即來自于運輸車輛的能源消耗.而運輸車輛能源消耗的主要因素影響大致可以分為三類：車輛設(shè)計技術(shù)參數(shù)、行駛環(huán)境參數(shù)及駕駛員行為[12].其中，前兩項為可控因素，最后一項為不可控因素.基于前兩項因素，木材物流網(wǎng)絡(luò)的線路碳排放可以根據(jù)車型、道路狀況和區(qū)域氣候確定.文獻(xiàn)[13]提出的綜合排放模型(式(3)～(5))，包含了幾乎所有的可控參數(shù)，且經(jīng)道路試驗證明能較準(zhǔn)確地估算貨運車輛的能源消耗，故被廣泛應(yīng)用[14].

e=F·δ

(3)

F≈FR·(d/v)

(4)

(5)

式中，e表示路線上的碳排放，F(xiàn)表示路線上的燃油消耗量(J)，δ表示燃料的排放系數(shù)(t·J-1)，F(xiàn)R表示車輛的燃油消耗率(J·s-1)，d為路線長度(m)，v為車輛的行駛速度(m·s-1)，k為發(fā)動機摩擦系數(shù)(J·r·L-1)，N發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r·s-1)，V為發(fā)動機排量(L)，M為汽車整備質(zhì)量(kg)，f為汽車載重量(kg)，a為車輛的加速度(m·s-2)，g為重力加速度常數(shù)(9.81 m·s-2)，θ為道路坡度夾角，A為汽車正面表面積(m2)，ρ為空氣密度(kg·m-3)，Cd、Cr分別表示牽引力系數(shù)和滾動阻力系數(shù)，ε為車輛傳動效率，η為發(fā)動機效率.

2 低碳木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建模

木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題定義在完全連通圖G=(N,A)上，其中N=H∪L∪P為節(jié)點集合，H為供材點集合，Si為供材點i∈H的供應(yīng)量，L為備選木材物流中心集合.每個備選木材物流中心對應(yīng)于一組確定的最大容量Vl、固定成本Bl、單位流轉(zhuǎn)成本gl，以及固定碳排放量σ1l和單位碳排放σ2l.P為需材點集合，每個需材點的需材量為Nj，單位木材的粗加工成本為fpj,單位木材的粗加工碳排放為σ2j.A={(i,j)|i,j∈N,i≠j}為邊集合.V為運材車輛集合，車輛k的車輛容量為Qk，在每條邊對應(yīng)的兩點間的單趟行駛的成本和碳排放量分別為cijk和eijk.由于木材的供應(yīng)點位于林區(qū)，而林區(qū)道路尤其是南方林區(qū)道路等級不高，道路寬度有限，存在道路坡度等，連接木材供應(yīng)點和網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的線路上的運輸車輛的車型受到限制，只能選擇較小的車型.如利用南方林區(qū)常用的六輪農(nóng)用車進(jìn)行供材點與其他節(jié)點的連接.而木材物流中心常選在交通較為便利的地點.而從木材物流中心發(fā)出的車輛則不受此限制，可以選擇經(jīng)濟(jì)效益較高、環(huán)境影響較小的車輛完成從木材物流中心到需材點間的運輸任務(wù).故定義V=V1∪V2，V1、V2分別為從供材點和木材物流中心發(fā)出的車輛集合.在木材物流網(wǎng)絡(luò)中，若木材采用中轉(zhuǎn)的方式經(jīng)木材物流中心轉(zhuǎn)運，則在木材物流中心進(jìn)行粗加工作業(yè)，定義φi為需材點i所需木材原料經(jīng)粗加工作業(yè)后的失重率.

木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題的決策對象包括木材物流中心的數(shù)量和位置，以及木材的流量流向.因此，木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型包括三類決策變量，即選擇備選木材物流中心l的0、1變量Zl，木材物流網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點i、j間的木材流量xij，以及車輛k在節(jié)點i、j間的運輸次數(shù)wijk.

同時考慮成本目標(biāo)和碳排放目標(biāo)，構(gòu)造木材物流網(wǎng)絡(luò)多目標(biāo)優(yōu)化模型：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

xij≥0 ?i∈H,j∈L∪P

(14)

wijk≥0 ?i∈H∪L,j∈L∪P,k∈V

(15)

Zl∈{0,1} ?l∈L

(16)

式(6)表示木材物流網(wǎng)絡(luò)總成本最小化，其中第1項表示車輛的運輸成本，第2項表示木材物流中心固定成本，第3項表示木材物流中心變動成本.式(7)表示木材物流網(wǎng)絡(luò)總碳排放最小化，其中第1項為木材物流中心的碳排放，第2項為需材點處的木材加工作業(yè)碳排放，第3項為運輸碳排放.式(8)和式(9)分別約束了從供材點和木材物流中心發(fā)出的線路上木材流量與運材車輛任務(wù)次數(shù)的關(guān)系.式(10)和式(11)分別為供材點的供應(yīng)量約束和需材點的需求滿足約束.式(12)為木材物流中心的規(guī)模約束.式(13)保證了木材物流中心流出量小于流入量.式(14)～式(16)為變量約束.

依據(jù)對物流網(wǎng)絡(luò)碳排放的不同測度范圍，研究4種不同的木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放測度范圍(表1)，可得出4種不同的木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型[P1]～[P4]，其中[P2]～[P4]的碳排放最小化目標(biāo)函數(shù)分別如式(17)～式(19)所示.

(17)

(18)

(19)

表1 4個模型的碳排放測度方式Table 1 Carbon emissions measure methods of the four models

式中，Eijk為車輛k在節(jié)點i、j間單趟滿載運輸?shù)奶寂欧?

3 實例分析

3.1 案例產(chǎn)生

選取福建省將樂縣為研究區(qū)域，針對福建金森林業(yè)股份有限公司(簡稱金森公司)木材供應(yīng)物流網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實證研究.金森公司是福建省林業(yè)產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)和重要的國有林業(yè)采育場，主營業(yè)務(wù)包括森林培育營造和木材生產(chǎn)銷售.

將樂縣目前的木材物流模式是：木材在賣給一級批發(fā)商后進(jìn)行砍伐，首先在楞場進(jìn)行集中，再根據(jù)批發(fā)商對木材的銷售情況進(jìn)行分流.若購買者為大型森工企業(yè)，則將木材直接從楞場運往需求點；若購買者為二級批發(fā)商，則先將木材運送至二級批發(fā)商的木材貨場，再由二級批發(fā)商進(jìn)行銷售后運送至木材需求企業(yè).二級批發(fā)商的銷售對象不僅包括小型需求企業(yè)，有時也包括大型木材企業(yè).其中每階段的木材運輸則隨機地由供需雙方外包給第三方物流企業(yè).該模式下木材物流的隨機性較大，容易造成物流資源浪費嚴(yán)重的現(xiàn)象，也制約了木材物流服務(wù)水平的提高.如果將二級木材批發(fā)商看成木材需求點，則當(dāng)前將樂縣的木材物流模式為典型的直送模式；如果將二級批發(fā)商作為木材物流中心，則當(dāng)前將樂縣的木材物流模式為直送和中轉(zhuǎn)模式并存的物流模式.但是就目前來說，二級木材批發(fā)商的規(guī)模較小，流向二級木材批發(fā)商的木材流量占總流量的比重不大.將樂縣的木材物流現(xiàn)狀也是當(dāng)前南方林區(qū)的木材物流現(xiàn)狀，因此選擇將樂縣金森公司作為本研究的應(yīng)用案例具有代表性.

首先，基于區(qū)域內(nèi)伐區(qū)各采伐點的木材年產(chǎn)量，在其3個分公司和1個子公司經(jīng)營的22個伐區(qū)供材點選擇其中7個年供應(yīng)量超過1萬m3的供材點作為供應(yīng)點(該7個點2016年的總木材供應(yīng)量為11.08萬m3，占全公司總供應(yīng)量的62.4%)；其次，將公司的五大客戶定為需求點；最后，使用GIS軟件根據(jù)木材物流中心選址的基本約束條件(如滿足用地規(guī)劃、有足夠的場地以及交通便利等)選出了4個備選木材物流中心(圖2).

各節(jié)點間的連接由高速、省道、縣道和鄉(xiāng)村道路4種類型道路組成，通過初步計算可以得到供需點間的最短路徑中各道路類型的長度，并獲得對應(yīng)的平均道路坡度、平均滾動阻力系數(shù).南方林區(qū)從供材點出發(fā)的車輛通常為六輪農(nóng)用車，故以典型車型風(fēng)馳為例進(jìn)行計算.從木材物流中心發(fā)出的車輛在案例中選用最常見的斯達(dá)-斯太爾ZJ6SL43U045木材運輸車，相關(guān)參數(shù)如表2所示.

通常假設(shè)車輛行駛速度為定值[14]，本研究綜合考慮道路狀況和運材車輛狀況，將高速公路上運材車平均車速設(shè)為80 km·h-1，省道上運材車平均車速設(shè)為60 km·h-1，縣道上運材車平均車速設(shè)為40 km·h-1，鄉(xiāng)村道路上運材車平均車速設(shè)為30 km·h-1.高速公路平均滾動阻力系數(shù)為0.010，省道為0.010～0.018，縣道為0.018～0.020，鄉(xiāng)村道路為0.020～0.025.高速公路平均坡度為0，省道為0～0.5%，縣道為0.5%～1.0%，鄉(xiāng)村道路為1%～2%.最后，由于將樂縣的年平均氣溫約為20 ℃，取ρ=1.205 kg·m-3.根據(jù)單位木材加工作業(yè)的碳排放按照標(biāo)準(zhǔn)[8]，需材點單位木材加工作業(yè)的碳排放以1.153 1 kg·m-3為基準(zhǔn)，各需材點具體單位木材加工作業(yè)碳排放取值根據(jù)規(guī)模效益確定，柴油的排放系數(shù)為74.1 kg·TJ-1[15].

3.2 木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放測度

以福建金森林業(yè)股份有限公司在將樂縣的木材供應(yīng)物流網(wǎng)絡(luò)為例，估算木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放量，驗證本文提出的木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放測度方法.基于將樂縣的木材物流現(xiàn)狀，所有木材均為直送，以成本最小為目標(biāo)進(jìn)行木材調(diào)配，調(diào)運方案如圖3所示，基于該調(diào)運方案進(jìn)行將樂縣木材物流網(wǎng)絡(luò)的碳排放估算.

圖2 將樂縣木材物流網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Timber logistics network in Jiangle County

表2 木材物流網(wǎng)絡(luò)中的車輛的參數(shù)取值Table 2 Parameters value of vehicles in the timber logistics network

經(jīng)計算，木材物流網(wǎng)絡(luò)(圖3)的碳排放為783.64 t，其中運輸碳排放為694.72 t，占木材物流網(wǎng)絡(luò)總碳排放的88.7%；木材加工碳排放為88.92 t，占11.3%；單位木材的運輸碳排放為6.27 kg·m-3(木材的平均運距約為45 km)，與文獻(xiàn)[16]的運材碳排放的計算結(jié)果一致，在一定程度上表明本文采用的木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放量估算方法的合理性.

3.3 木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的碳排放

采用歸一化約束方法[17]求得模型[P1]～[P4]的精確帕累托最優(yōu)前沿，結(jié)果如圖4所示.首先，4種模型的帕累托最優(yōu)前沿形狀和趨勢大致相同;其次，[P1]和[P4]的帕累托最優(yōu)前沿幾乎呈現(xiàn)平移關(guān)系，由于[P4]用滿載車輛的碳排放代替了運輸車輛的實際碳排放，其帕累托最優(yōu)前沿也處于坐標(biāo)系中較[P1]稍高的位置，平均碳排放水平較[P1]高約2.7%;第三，[P2]和[P3]的帕累托最優(yōu)前沿幾乎重疊，因為在木材物流網(wǎng)絡(luò)中，木材物流中心的固定碳排放十分微小，占總碳排放的比重小于3.5%;第四，[P2]的帕累托最優(yōu)前沿可以近似為[P1]的向下平移，且平移的量較為明顯，平均碳排放水平下降了約19.65%，這是因為在[P2]中未考慮節(jié)點的變動碳排放在木材物流網(wǎng)絡(luò)總碳排放中占的比重(大于11.3%).

圖3 將樂縣區(qū)域木材物流調(diào)運方案Fig.3 Transportation plan of timber in Jiangle County

圖4 4種模型的帕累托最優(yōu)前沿示意圖Fig.4 Illustration of Pareto optimal frontiers of the four models

因此，可以得出以下結(jié)論：(1)4種碳排放計算方式基本上都較清楚地表達(dá)了雙目標(biāo)低碳木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中碳排放目標(biāo)和成本目標(biāo)間的權(quán)衡關(guān)系；(2)木材物流中心的固定碳排放在木材物流網(wǎng)絡(luò)總碳排放量中的比重十分微小，而加工碳排放(變動碳排放)在總碳排放量中占的比重較大；(3)在不考慮路徑問題的物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，是否區(qū)分車輛裝載量的運輸碳排放計算方法對實際碳排量估算的影響較小，幾乎不影響模型優(yōu)化解；(4)在考慮碳排放的區(qū)域木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題時，為了簡化計算，用線路(運輸)碳排放代替網(wǎng)絡(luò)碳排放量的估算方法具有一定的合理性.

4 討論

在對物流網(wǎng)絡(luò)碳排放測度方法的分析總結(jié)基礎(chǔ)上，提出了木材物流網(wǎng)絡(luò)碳排放測度方法，以福建省將樂縣金森公司的木材物流網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行了驗證，通過與文獻(xiàn)[23]研究結(jié)果相比較，驗證了本文方法的合理性.此外，建立了同時考慮碳排放最小化和成本最小化的木材物流網(wǎng)絡(luò)雙目標(biāo)優(yōu)化模型，通過該模型分析了常見的物流網(wǎng)絡(luò)碳排放測度方法對模型優(yōu)化結(jié)果的影響.結(jié)果表明，不同碳排放測度方式下的帕累托最優(yōu)前沿形狀大致相同，但在坐標(biāo)系中的位置不同.用車輛滿載的碳排放代替實際運輸車輛的碳排放會造成平均碳排放水平的略微上升，而忽略節(jié)點碳排放將造成平均碳排放水平的明顯下降.