低碳经济下的闭环物流网络选址问题研究

2015-12-19 08:18茂名职业技术学院广东茂名525000
物流科技 2015年12期
关键词:运往闭环逆向

刘 涛 (茂名职业技术学院,广东 茂名525000)

LIU Tao (Maoming Vocational Technical College, Maoming 525000, China)

0 引 言

由于正向物流与逆向物流中有很多相似的环节,这为物流的整合带来了方便,如逆向物流和正向物流中都存在运输与库存问题,可以集中起来进行管理;对于逆向物流中对有利用价值的物品的再制造、再分销可以直接整合到正向物流中[1]。这种整合了正向物流和逆向物流的模式被称为“闭环物流”,它的实质是通过产品的正向交付与逆向回收再利用相结合,使“资源→生产→消费→废弃”的开环过程变成“资源→生产→消费→再生资源”的闭环过程。

低碳经济是以低能耗、低排放为基本经济特征的社会经济发展模式。实现低碳经济,要从“3R 原则”,即减量化(Reduce)、再利用(Reuse)、资源化(Recycle) 入手[2]。闭环物流活动包括减少正向物流过程中的物料消耗,以便更少的物料回流,使正向物流量和逆向物流量同时缩减,体现了“减量化”原则;再制造产品或再制造部件的生产必然要先回收产品,体现了“再利用”原则;废物原料化或废物再生利用也必然要先回收废物,体现了“资源化”原则。所以通过闭环物流的运作,可实现节约资源,保护环境等目标,这正是当前低碳经济所要求实现的。

1 构建闭环物流网络选址模型

闭环物流的有效运作依赖于运行良好的物流网络,而作为物流网络设计中的重要环节,设施选址对整个系统的顺利实施起着重要作用,它决定了整个物流网络的结构及成本。选址决策包括确定所使用设施的数量、位置和规模。国内外不少学者对闭环物流网络的选址问题进行深入研究。Halit 等[3]整合正向和逆向物流,设计一个多产品的闭环物流网络,以总成本最小为目标,对回收中心和再制造中心设施进行选址。Cardoso[4]等人建立正向和逆向物流整合模型,并考虑需求不确定对逆向物流整合的影响。涂南[5]等提出一个考虑设施扩展的闭环物流网络多目标优化模型。目前关于闭环物流网络设计的研究主要针对回收物的一两种处理方式,但是在闭环物流中存在着对回收产品的再利用、再制造、拆解、废弃物处理等多种处理方式。本文在已有研究的基础上提出一个闭环物流网络收益最大化的混合整数规划模型,模型中考虑了闭环物流对回收产品的多种处理方式,除了产品逆向物流外,还将零部件逆向物流和废弃物逆向物流融合到模型中,充分考虑了闭环物流网络的特点及完整性,也更加接近网络的实际运行情况。

1.1 问题描述

本文建立的闭环物流网络主要基于消费者退货和产品回收的逆向物流及产品经再制造后返给消费者的正向物流,涵盖了产品的分类、拆解、再制造、再销售、废弃物处理等过程。该闭环物流网络结构图如图1 所示。

其运作过程如下:从消费区域回收的旧产品全部被送到回收中心进行质量检测,根据检测情况,考虑多种处理方式:①可简单修复的产品在回收中心进行修复、翻新等处理,再通过正向物流流向消费区域;②若产品需要深加工才能被再利用时,则从回收中心送往工厂,经过处理的再制造产品和生产的新产品一起通过正向物流流向消费区域;③不可修复的旧产品则分解成零部件,还能使用的送往工厂再制造,而不能使用的则对其进一步拆解,若其中的材料属于可再生材料,则从回收中心送往再生材料市场出售,不可再生的则送往废弃物处理中心处理。

图1 闭环物流网络结构

1.2 模型假设

(1) 消费区域的回收产品必须全部送往回收中心;

(2) 每个消费区域既是回收产品的供给区域,又是旧产品及新产品需求区域;

(3) 废弃物处理中心由政府建立,企业仅需交纳处理费用;

(4) 各类设施的处理能力有一定限制;

(5) 仅在一定备选范围内考虑设施的选址;

(6) 只考虑一种产品的情况。

1.3 模型说明

1.3.1 模型符号说明

b表示产品所包含的部件;nb表示产品中包含的各种部件的数量;m1表示零部件所用的可再生材料;m2表示零部件所用的不可再生材料;d表示产品的消费区域;ln表示新建物流中心的备选地址;lo表示原有的物流中心地址;h表示回收中心的备选地址,包括新建的和在原物流中心基础上改建的;fn表示新建装配工厂的备选地址;fo表示原有装配工厂的地址;g表示废弃物处理中心的地址。

1.3.2 模型参数说明

Cfn表示在备选地fn新建工厂的投资费用;Cln表示在备选地ln新建物流中心的投资费用;Ch表示在备选地h新建/改建回收中心的投资费用;Coh表示回收中心处理回收品的单位成本;Coln表示新建物流中心内单位产品(包括新产品、再制造产品和旧产品) 的运营成本;Colo表示原物流中心内单位产品(包括新产品、再制造产品和旧产品) 的运营成本;Cofn表示工厂内新产品的单位生产成本;Cofr表示工厂内再制造产品的单位生产成本;Cog表示废弃物处理中心内单位材料的处理成本;Cod表示消费区域内回收品的单位回收成本;dhd表示回收中心与消费区域的距离;dhln表示回收中心与新建物流中心的距离;dhlo表示回收中心与原物流中心的距离;dhfo表示回收中心和原工厂的距离;dhfn表示回收中心和新建工厂的距离;dfnln表示新建工厂和新建物流中心的距离;dfoln表示原工厂和新建物流中心的距离;dfnlo表示新建工厂和原物流中心的距离;dfolo表示原工厂和原物流中心的距离;dhe表示回收中心与再生材料市场的距离;dhg表示回收中心与废弃物处理中心的距离;dlnd表示新建物流中心与消费区域的距离;dlod表示原物流中心与消费区域的距离;Cpt表示产品(包括新产品、再制造产品和旧产品) 的单位距离单位质量运输成本;Cat表示零部件的单位距离单位质量运输成本;Cmt表示产品中所含材料的单位距离单位质量运输成本;Mh表示处理单位回收产品的政府补贴;Cb表示每单位的回收部件流入工厂参与产品再制造所节约的运营成本;Nd表示消费区域所需的新产品数量;Od表示消费区域所需的旧产品数量;Qd表示消费区域所产生的回收品数量;Alo表示原物流中心的设计处理能力;Aln表示新建物流中心的设计处理能力;Ah表示回收中心的设计处理能力;Afo表示原工厂的设计处理能力;Afn表示新建工厂的设计处理能力;Ag表示废弃物处理中心的设计处理能力;Ae表示再生材料市场的需求;Pdn表示消费区域单位新产品的销售价格;Pdo表示消费区域单位旧产品的销售价格;Pm1表示单位可再生材料的销售价格;bm1表示各部件所含可再生材料重量;bm2表示各部件所含不可再生材料的重量;ωb表示产品分解后各部件流入工厂的比例;ωr表示在回收中心的所有回收产品需经过方式r处理的比例。

1.3.3 模型变量说明

Yfn表示是否在fn新建工厂,是取1,否取0;Yln表示是否在ln新建物流中心,是取1,否取0;Yh表示是否在h新建回收中心,是取1,否取0;Qdh表示由消费区域d运往回收中心h的回收品数量;Qhln表示由回收中心h运往物流中心ln的旧产品数量;Qhlo表示由回收中心h运往物流中心lo的旧产品数量;Qlndo表示由物流中心ln运往消费区域d的旧产品数量;Qlodo表示由物流中心lo运往消费区域d的旧产品数量;Qhfop表示由回收中心h运往原有工厂fo的回收产品数量;Qhfnp表示由回收中心h运往新建工厂fn的回收产品数量;Qhfnab表示由回收中心h运往工厂fn的部件数量;Qhfoab表示由回收中心h运往工厂fo的部件数量;Qhem1表示由回收中心h运往再生材料市场e的可再生材料数量;Qhgm2表示由回收中心h运往废弃物处理中心g的不可再生材料数量;Qfolo表示由原工厂fo运往原物流中心lo的新产品数量;Qfolor表示由原工厂fo运往原物流中心lo的旧产品数量;Qfnlo表示由新建工厂fn运往原物流中心lo的新产品数量;Qfnlor表示由新建工厂fn运往原物流中心lo的旧产品数量;Qfoln表示由原工厂fo运往新建物流中心ln的新产品数量;Qfolnr表示由原工厂fo运往新建物流中心ln的旧产品数量;Qfnln表示由新建工厂fn运往新建物流中心ln的新产品数量;Qfnlnr表示由新建工厂fn运往新建物流中心ln的旧产品数量;Qlnd表示由物流中心ln运往消费区域d的新产品数量;Qlod表示由物流中心lo运往消费区域d的新产品数量。

1.4 模型建立

以闭环网络收益最大化为目标。目标函数为:

X表示出售产品(新产品和旧产品) 和可再生材料的收入以及政府补贴:Y表示投资费用:

W表示运营成本:

Z表示运输费用:

约束条件:

式(1) 是目标函数,表示该闭环物流网络的收益最大,其中收入包括销售新旧产品和可再生材料的收入以及政府的补贴,成本包括了设施的投资费用、运营成本、运输费用;式(2)~式(8) 表示工厂、物流中心、回收中心、废弃物处理中心、再生材料市场等设施的处理量不大于其最大服务能力;式(9)~式(10) 表示产品的供给可以满足产品需求;式(11)~式(24)表示消费区域、工厂、物流中心、回收中心的物流量守恒;式(25) 表示参数为0-1 变量。

2 算 例

广东某企业考虑在现有正向物流网络基础上构建逆向物流网络。据测算,所有回收产品经过回收中心检测后,有20%的旧产品直接在回收中心进行再利用处理,50%的旧产品需进一步修理,运达工厂进行再加工,剩下的旧产品进行拆解,其中可利用的零部件送往工厂参与再加工,无法再利用的部件则进行进一步拆解,再生材料送到再生材料市场出售,不可再生材料送往废弃物处理中心处理。该企业原有3 个物流中心(lo1,lo2,lo3),2 个工厂(fo1,fo2),可利用的废弃物处理中心1 个。现在已确定3个新的回收中心备选地址(h1,h2,h3),2 个新的工厂备选地址(fn1,fn2),3 个新的物流中心备选地址(ln1,ln2,ln3)。另外,原先3个物流中心经过改建后,部分空间可用作回收中心(h4,h5,h6)。

2.1 基础数据说明

各设施之间的距离如表1 所示;消费区域(d1,d2,d3) 回收品的单位回收成本分别为:15,20,18(单位:元/个);回收中心(h1,h2,h3,h4,h5,h6)的投资费用分别为:2,3,2.5,0.3,0.32,0.28(单位:百万元),单位运营成本分别为:50,40,42,55,60,60(单位:元/个),设施能力限制分别为:1 500,1 000,1 200,500,300,350(单位:个);原物流中心(lo1,lo2,lo3)的单位运营成本分别为:15,13,15(单位:元/个),设施能力限制分别为:4 000,4 500,3 000(单位:个);新建物流中心(ln1,ln2,ln3)的投资费用分别为:3.5,3.5,2.5(单位:百万元),单位运营成本分别为:11,10,11(单位:元/个),设施能力限制分别为:8 500,9 000,7 000(单位:个);原有工厂(fo1,fo2)的设施能力限制分别为:5 500,6 500(单位:个);新建工厂(fn1,fn2)的投资费用分别为:6,5.5(单位:百万元),设施能力限制分别为:20 000,15 500(单位:个);再生材料市场的需求为200 000(单位:千克);废弃物处理中心的运营成本为:15(单位:元/千克),设施能力限制为:18 000(单位:千克)。

表1 各设施之间的距离 单位:km

各消费区域(d1,d2,d3)的新产品需求量分别为8 000,7 500,8 000(单位:个),旧产品需求量分别为600,220,300(单位:个),回收产品的供给量分别为600,700,550(单位:个);各个消费区域的新产品的售价分别为1 500,1 450,1 400(单位:元/个),旧产品的售价分别为350,300,330(单位:元/个)。

产品所含的各种部件中包含的各种材料的数量如表2 所示;每个产品中共含4 种部件,各1 个;新产品的制造成本为800元/个,再制造成本为250 元/个;可再生材料售价为20 元/千克;各种部件参与再制造可节约的成本分别为4,3,3,5(单位:元/个),拆解后进入工厂的比例分别为0.5,0.6,0.3,0.4;政府对回收产品的补贴为15 元/个;产品单位距离运费为0.04 元/个,零部件的单位距离为0.03 元/个,材料的单位距离运费为0.0015 元/kg。

表2 产品所含的各种部件中包含的各种材料的数量 单位:kg

2.2 结 果

根据上述数据,利用Lingo11.0 进行求解,可得如下结果:该闭环物流网络的最大净收益为3 235 285 元。网络中的设施选址情况为:在备选地h1上新建回收中心,在原有物流中心lo3上进行改建,改建部分作为回收中心;在ln2,ln3上修建新的物流中心;在fn2上修建新的工厂。

3 结 论

本文考虑了正向和逆向物流整合的闭环物流网络,提出以收益最大化为目标的选址模型。该模型整合了产品逆向物流、零部件逆向物流和废弃物物流,包含对回收产品的再利用、再制造、产品拆解、废弃物处理等多种处理方式,对于实际应用中的闭环物流网络选址和低碳经济的发展,具有一定的指导和现实意义。

[1] 张鹏. 基于低碳经济的闭环物流网络设计研究[D]. 秦皇岛:燕山大学(硕士学位论文),2013:13-14.

[2] 徐莹. 低碳经济背景下的宁波逆向物流发展对策[J]. 合作经济与科技,2013(22):12-14.

[3] Halit Uster, Gopalakrishnan Easwaran, Elif Akeali. Benders Decomposition with Alternative Multi Ple Cuts for a Multi-Product Closed-Loop Supply Chain Network Design Model[J]. Naval Research Logistics, 2007(9):890-907.

[4] Cardoso S R, Barbosa-Póvoa A, Relvas S. Design and planning of supply chains with integration of reverse logistics activities under demand uncertainty[J]. European Journal of Operational Research, 2013,226(3):436-451.

[5] 涂南,昌柳枫,麦合迪,等. 考虑设施扩展的闭环物流网络多目标优化[J]. 工业工程,2013,16(5):53-61.

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