黑龙江省农作物生物质能能值分析与物流网络路径优化

任永泰，孙慧伟，郗通通，孙阿梦

（1.东北农业大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.东北农业大学 工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

黑龙江省农作物生物质能能值分析与物流网络路径优化

任永泰1，孙慧伟2，郗通通2，孙阿梦2

（1.东北农业大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.东北农业大学 工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

面对传统能源储量减少、能源需求量越来越多、环境污染日益加剧的问题，开发利用新能源已成为全世界共同关注的焦点。通过引入生命周期法对传统能值分析法加以改进，对生物质能系统做能值分析，以实际定量结果反映出植物生长过程中每种能值的贡献，为生产劳作提供建议。对建三江区域农作物秸秆的生物质原料物流网络进行规划设计，以重心法结合层次分析法优化原料收储点。并以典型月份的原料运输为例，基于ArcGIS优化得到最优车辆路径和原料运输方案，结果显示优化后的方案减少了车辆投入、降低了运输成本。

能值分析；生命周期分析；物流网络优化；黑龙江；农作物

1 引言

能源植物是生物质能的重要来源之一[1]，传统化石能源储量日益减少，环境污染问题越来越严重，开发生物质能已成为各国政府关注的焦点，植物生物质能不仅可以带来显而易见的经济效益[2]，还具有缓解能源危机、减少温室气体排放量等环境效益。国外对生物质能的研究起步较早，1996年Mitchell和Bridgwater[3]通过建立生物质能供应链系统，第一次将生物质原料和能源作为系统的输入和输出。2001年Debarata Das,T.NegatVeziroglu[4]提出将植物产生的氢蒸汽重组作为能源的来源。2007年Lynch[5]提出发展“可再生能源+生物质能源”的路线。2008年Rubo Leng[6]将生命周期应用于评价环境影响、能量消耗以及能量效率。相比国外生物质能领域的发展研究，我国对生物质能源的研究与开发应用相对较晚，不过目前我国生物质能源已步入商业化阶段。我国北方农村“四位一体”能源生态模式已经取得了显著的效益[7]，实现了产气、积肥同步，种植、养殖并举，能流、物流良性循环的生态目标。张永、陈晓娇等[8]运用系统动力学原理对生物质能供应链的运行进行模拟，通过构建模型，完善农户、政府与企业的三方协调机制，优化了生物质能供应链，降低了成本，提高了供应链的运行效率。张宗兰、刘辉利等人[9]基于我国生物质能的发展现状，对生物质能的利用与开发路线与技术提出建议，并积极倡导开展国际合作与交流，引进国外先进技术。刘志雄，何晓岚[10]将技术水平和政府支持等方面与国外相比较，认为我国应加强政策支持，引进先进技术，鼓励自我研发，积极发展低碳技术[11]。

已有研究在对植物进行能值分析时往往忽略了植物本身的生长周期，为了准确计算植物生物质能的能量投入，本文引入生长周期对传统能值分析加以改进，定量的给出植物生长过程中每种能值的贡献，并对原料运输物流网络进行设计优化，为生产劳作提出更合理的意见。

2 基本理论与模型构建

2.1 能值分析法及改进

能值分析可以将系统内各生态流都转换为统一的单位[12]，其提供了衡量和比较各种类别能值投入的统一标准，开辟了定量研究的新方法。能值分析基本指标的计算公式如下：

（1）能值产出率：

（2）环境负荷率：

（3）能值投资率：

（4）可持续发展指数：

其中，R—可再生能值；N—不可再生能值；F—人类经济社会反馈投入的能值；FN—不可更新资源能值；FR—可更新资源能值；Y—产出的能值。

能值分析的与众不同之处在于考虑了自然环境资源对生态系统的能值投入。各种环境资源的能量计算公式如下：

其中，S—太阳光能，A—土地面积，I—年均太阳辐射量。

其中,RC是雨水化学能，P是年均降水量，D是雨水密度，ΔG是吉布斯自由能。

其中，Rg为雨水重力势能，E为平均海拔高度，g为重力加速度。

其中，W为风能，r为空气密度，c为风阻系数，vg为地转风速度，G为风速梯度。其中，vg=v·10/6，v为年均风速。

其中，N为表土净损失，E为风蚀速率，O为土壤有机质含量,EO为土壤有机质的能量。

为了准确计算植物生物质能的能量投入，应考虑植物的生长周期。生命周期分析是分析产品“从诞生到消亡”全过程的一种监督管理方法，也是衡量制品在它的一生中对环境造成的负荷大小的一种评价方法。不同的植物有不同的生命生长周期，同时，要考虑太阳光反射率和雨水蒸发率，以便更准确地计算能量投入。此时各种环境资源投入植物中的能量计算公式应为：

其中，α为太阳光反射率。

其中，β为雨水蒸发率。

其中各种能源的转化率均可知。

2.2 重心法的收储点选址模型

重心法就是将物流系统中需求点和资源点看成是一个物体系统分布在平面上，各个点的供需量作为物体的重量，则此物流系统的最佳设施点就是物体系统的重心。

使用重心法构建模型如下：

设有n个供应点，坐标表示为(xi,yi)(i=1,…，2n)待定物流设施的地址坐标(x0,y0)，总运输费用为C：

化简得到最佳位置坐标：

2.3 层次分析法

层次分析法是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，把单个目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标量化算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。层次分析法是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备选方案的顺序分解为不同的层次结构，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再用加权和的方法求得最终权重，最终权重最大者即为最优方案。

备选收储点的选取，主要由原料、运输及相关费用这三种因素决定。由此将备选收储点分为三个层次结构：目标层、标准层和决策方案层，并引入相对重要性的标度以便比较各备选收储点的重要性。

运用规范列平均法，在收储点影响因素两两比较矩阵的基础上求各因素的权重。

2.4 物流网络路径优化模型构建

模型基本参数为：C—总成本；C1—运输成本；C2—库存成本；C3—运营成本；q—运输量；K—库存总量；k'—阶段库存新增量；x—表示工厂的阶段消耗量。

生物质原料物流网络模型即：

（1）运输成本模型为：

约束为：

（2）阶段运输成本模型为：

约束为：

（3）库存成本模型为：

3 案例分析

3.1 能值分析

根据建三江农垦统计年鉴的数据，运用改进后的能值分析计算公式，可以得到玉米秸秆的各项能值指标，见表1。

表1 玉米秸秆的能值指标

运用同样的方法对大豆和水稻秸秆生产系统进行能值分析。

表2显示，建三江农垦管理局辖下农场的几种主要农作物中，相比玉米和水稻，大豆的能值转换率较高，也就是说每单位的大豆蕴含较多的能量。我们可以通过提高产量和减少种植过程中的能值投入两种方法来降低其能值转换率。通过对主要农作物能值指标的分析可以看出：三种农作物的ELR值适中，在未来的生产种植过程中，要适当控制能值投资率EIR，以达到既不依赖环境资源又不会影响经济发展的目的。水稻的可持续发展系数高于其他两种农作物，黑龙江作为全国粮食主产地，水稻种植系统的可持续发展性良好，适合生物质能产业大力发展。

表2 农作物秸秆的能值指标

生物质资源供应具有季节性，只在每年农作物收获期有丰富的生物质资源，这就导致高额的收购和运输费用。且农作物种植区域呈分散分布，扩大了收购范围，使企业投入较大的人力、财力和物力。依据能值分析结果规划不同种类农作物的种植面积，得到每个农场的农作物秸秆产量，为生物质原料收储点的选择与优化提供依据。

3.2 收储点选址

根据各农场的地理位置坐标和每个农场向生产工厂提供原料的数量，由重心法模型计算得到四个备选收储点A、B、C、D，四个收储点的地理位置分别在前进农场管理区、富兴东部、胜利农场三队以及七星农场第八管理区附近。在考虑收储点建设的固定费用、经济管理变动费用以及实际情况是否允许的情况下，应用层次分析法得到各收储点间的两两比较矩阵，并计算各个因素的实际贡献权重及评价指标。评价指标越高，越适于建立收储点，为生产工厂供应原料。评价结果见表3。

表3 各备选收储点各个因素的实际贡献权重及评价指标

由表3知各收储点评价指标排名为A、C、D、B，对比各个收储点的地理位置、交通情况可知：

（1）建三江农垦管理局的收储点遍布在生产工厂的周围，有利于及时供应生物质原料。

（2）由于鸭绿河农场和前哨农场的原料供应量相对较少，B收储点到生产工厂的路程较长，所以B的收储点厂房建设投入资金可以适当减少。

（3）将收储点C作为战略储备收储点，以保证生产工厂在遇到紧急情况时可以迅速做出应对。

3.3 制定典型月份运输方案

工厂从7月开始正式投入使用，为了达到年产量10万t的目标，每日生产需要的原料量为980t，自然月以30d进行计算。各个收储点初始库存量均为10 000t，7月份在收货期内，收购量为12 300t/月，各收储点分别收购4 800t/月，则7月的约束条件为：

月末各收储点的原料存储量表示为：

各收储点的库存成本和运营成本是已知的，分别为45元/t、4.08元/t，则c'=45+4.08=49.08元/t也是常量，则为常量。为达到成本最小化，就要使最小。表示为函数即：minf=12.15×x1+

将约束条件代入运筹学软件中进行计算，得出7月份最少运输费用为473 156元。同时可以得到每个收储点的原料送出量以及月底的原料库存量，见表4。

表4 7月底各收储点的原料送出量及原料库存量

3.4 全年运输方案制定

以7月份为初始月份制定全年运输方案。根据各阶段运输成本模型以及每个收储点每个月份的原料收储范围，运用线性规划模型可求得全年原料的运输方案以及每个月的最优运输成本，结果见表5。

表5 全年原料运输安排

3.5 车辆路径优化

运输路径不同决定了各个收储点车辆工作时间的不同，为了使运营成本最低，且尽量减少货车装载时的等待时间，现对货车的运输时间做详细合理的规划安排。

收储点A：对运送原料的12辆货车进行排号，且每周依次轮换。工作时间货车依次装载，每辆车装载时间为10min，全部装载完成需要用时120min，货车从收储点A到工厂往返需用时2h，可知在第一辆出发的货车回来时可以全部完成装载。同理，其他收储点也是一样的情况。假设各收储点货车统一时间开始运输工作，用甘特图表述各货车到达工厂的时间，便于对工厂卸载机器进行合理安排。由图1可以看出，同一时间上班，货车运送原料到工厂的时候，在一定的时段会出现3辆货车同时到达的情况，因此造成拥堵，且需要3台卸载车同时工作才可以保证物流畅通。

图1 货车到达工厂的时间甘特图

各收储点货车工作时间相同，为了更快更合理的运送原料到工厂，避免不同收储点货车同时到达造成卸载拥挤，可以采取不同时间上班制。通过网络优化，得出：收储点A的货车工作开始时间较收储点B的货车开始工作时间推迟120min，B、C是同一时间开始工作；B收储点的送货车往返一次后休息110min；收储点C完成两次往返之后休息40min。工作时间重新安排规划后，各收储点的运货车到达工厂后，卸载原料所用时间用甘特图表示，如图2所示。

图2 各收储点货车在工厂的卸载时间

由图2可以看出，采用不同工作时间制度，可以一定程度的减少等待，而且只需要配备2辆卸载车即可完成卸载工作，节约了设备购置的费用。

4 结论

应用改进后的能值分析定量化得出建三江垦区水稻、玉米、大豆的能值指标，由此得出大豆的能值转换率最高，通过提高产量和减少种植过程的能值投入来降低其能值转换率，提高经济效益。水稻在三种作物中的可持续发展系数最高，其种植系统可持续发展性良好，有利于大力发展生物质能产业。玉米的可持续性发展指数较低。根据研究结果，为生产劳作提供合理的意见，降低成本投入，提高经济效益。并对生物质企业的原料供应网络进行设计和优化。计算得到四个最佳收储点，并选定原料供应量最大、交通运输便利、地理位置优势明显和各方面条件成熟的C（即胜利农场）收储点作为战略储备收储点。并优化车辆运输路径，减少了车辆的投入数量和等待时间，制定了全年的运输方案，节约了企业的资金投入。

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Emergy Analysis and Logistics Network Routing Optimization of Agricultural Biomass in Heilongjiang

Ren Yongtai1,Sun Huiwei2,Xi Tongtong2,Sun Ameng2
(1.School of Science,Northeast University of Forestry,Harbin 150030; 2.School of Engineering,Northeast University of Forestry,Harbin 150030,China)

In this paper,we introduced the life circle method to improve the traditional emergy analysis process in its application with the biomass energy to quantitatively reflect every emergy contribution in the growth circle of the plant.Then we designed and programmed the biomass raw material logistics network for the Three-river Area,optimized the location of the raw material purchasing outlets using the gravity-AHP method and at the end,with the raw material transportation in a typical month as the example,obtained the optimal vehicle routing and raw material transportation plan based on ArcGIS.

emergy analysis;life circle analysis;logistics network optimization;Heilongjiang;agricultural product

TK6

A

1005-152X(2016)12-0055-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.12.014

2016-10-28

黑龙江省教育厅科学技术研究项目“黑龙江省农作物生物质能物流能流分析与循环利用功能评价”（12541038）

任永泰（1973-），通讯作者，男，黑龙江安达人，东北农业大学理学院教授，硕士生导师，研究方向：水资源优化与利用、农业系统工程理论与方法、应用统计学等；孙慧伟，男，黑龙江鹤岗人，东北农业大学工业工程专业硕士研究生，研究方向：工业系统分析方法与优化技术；郗通通，男，山东济宁人，东北农业大学工业工程专业硕士研究生，研究方向：物流工程；孙阿梦，女，山东烟台人，东北农业大学工业工程专业硕士研究生，研究方向：物流工程。