考虑自贸区的再制造物流网络多目标优化设计

赵晓敏,杨　斌,朱小林

(上海海事大学 科学研究院,上海　201306)



考虑自贸区的再制造物流网络多目标优化设计

赵晓敏,杨斌,朱小林

(上海海事大学 科学研究院,上海201306)

摘要:文章考虑了自贸区在进口关税、通关效率等方面对再制造产业的影响,站在跨国企业的角度,针对废旧家电产品初始回收点、回收处理中心和再制造中心3种物流设施的多级逆向物流选址问题,以物流网络运作成本和物流绩效指数(LPI)为目标,构建了一个多周期多目标的非线性混合整数规划模型。最后以美国加州的废旧家电回收为例,通过算例验证了模型的有效性。

关键词:再制造;自贸区;物流绩效指数;跨国企业;物流网络优化

0引言

废旧家电的处理和利用问题已经成为世界性环境问题。例如,美国每年就有约100×104t的电器垃圾,仅淘汰的电脑就达到(3～6)×108台;欧洲每年也有约600×104t的电器垃圾充斥垃圾场[1]。与此同时,产品更新换代加快,必然导致大量废旧家电被弃置。同时废旧家电具有极高的经济价值[2],其含有大量可回收的有色金属、塑料、玻璃及零部件等,回收利用前景广阔,如不妥善处理,势必造成严重的环境污染和资源浪费。但是废旧家电的回收处理难度较高,只有走规模化、产业化道路,提高回收处理技术,才能有效降低污染,节约资源。因此有必要对废旧家电的再制造物流网络开展深入的研究。

2013年9月29日上海自贸区正式成立,建立在自贸区内的再制造中心也因自贸区的政策实施获益颇多。在经济方面,区内再制造中心享受进口设备免关税,废旧产品入区保税的政策[3];在效率方面,自贸区实行一线进境货物“先进区、后报关”的特殊海关监管方式,进出口产品享受“快检快放”、“即查即放”等便捷化措施,可为区内企业节省物流时间并增加盈利。此外,区内对再利用产品以“一次核准、多次使用、有效期内核放”方式,实施简易备案程序。总之,上海自贸区相关政策的实施可以使进口平均通关时间比区外减少41.3%,出口平均通关时间比区外减少36.8%,大大提高企业的生产物流效率。

对于将在中国投资的跨国公司来说,较高的物流成本、低水平的物流服务是一道巨大的障碍,而自贸区的各项优惠政策则可以一定程度上弥补中国物流水平的不足。然而中国上海自贸区对再制造产业也有一定的限制,其中对跨国企业在自贸区内开展加工贸易影响最大的是“两头在外”政策,即再制造企业的废旧零部件采购清洗、再制造产品销售都在国外,只有加工环节在区内[3]。在“两头在外”现实政策环境下,对跨国企业再制造逆向物流网络的设计合理性从根本上决定了该网络的效率和效益,因此值得深入研究。

1逆向物流网络的研究现状

目前,国内外相当多的文献从定量或定性的角度研究了逆向物流网络结构的设计。文献[4]分析了一个美国电气制造厂商的逆向物流网络,提出了混合整数规划模型来确定电子产品的回收再制造工厂的位置和数量;文献[5]考虑了基于回收价格的再制造逆向物流系统,将传统的库存模型和回收定价问题相结合,利用回收价格控制回收率;文献[6]提出一个线性整数规划模型,解决了针对多种不同废弃电子产品的逆向回收处理问题;文献[7]从产生者、回收者和材料处理者的角度分别构造了废旧电器回收的数学规划模型,模型把拆解和材料回收决策整合起来,可以供回收者和处理者回收运作决策之用;文献[8]研究了运输费用为分段线性函数的逆向物流网络设计问题,因考虑存储而提出一个非线性整数规划模型,并设计遗传算法求解；文献[9]讨论了逆向物流系统的结构特征、设计原则及设施的选址定位问题;文献[10]建立了废旧电脑逆向物流的优化模型并应用于珠江三角洲地区,计算结果表明在没有政府补贴下废旧电脑的逆向物流运营是亏损的;文献[11]考虑了企业和顾客有不同的利益,通过双层规划建模来描述物流网络设计问题,并设计了多目标进化算法求得Pareto解构成的效率边界,通过分析效率边界,确定企业的物流网络结构;文献[12]以多周期内总运营成本和对环境的有害影响最小为设计目标，考虑物流设施的能力限制和正逆向物流的集成运作,构建了再制造集成物流网络的多周期多目标优化设计模型。

尽管国内外对再制造逆向物流网络的研究已经取得不少成果,但大部分文献在分析时会假定各个地区废旧品回收量、废旧品需求量已知[3,5-6,9-11],然而不确定性是废旧品回收物流网络的基本特性,故本文的研究考虑了废旧品回收过程中回收数量、质量等不确定性,同时鉴于物流网络的构建大多从静态、单一阶段角度考虑,故本文选取动态、多阶段的角度设计再制造物流网络。

再制造物流是以再制造生产为目的,为重新获取产品价值,产品从其消费地至再制造加工点并重新回到销售市场的流动过程。在已有研究中从第三方物流企业的角度出发设计独立的再制造逆向物流网络的研究较少,第三方物流企业不同于企业自身的逆向物流,它以服务制造企业、物流企业、分销商等整个产品生命周期中出现的各种行业企业为目的[13]。采用这种合同化的方式为再制造企业服务可实现集约化、规模化、专业化等目标。对再制造逆向物流网络的不合理设计,将直接对整个逆向物流网络的管理效率和效益产生重大影响。

当涉及跨国再制造逆向物流网络的设计时,还应考虑到海关效率、物流服务质量等因素。物流绩效指数(LPI)是由世界银行提出的用以衡量世界各地物流发展水平的指标体系,该指数较全面描述了被调查国家或地区的贸易物流情况,反映出各地清关过程的效率、贸易和货物运输相关的基础设施水平、国际运输便利性、物流服务的质量、追踪货物的能力以及货物运输的及时性。LPI指数范围为1～5,数值越高说明绩效越好。而产品在运输过程中会产生废气、噪音等影响生活环境的不利因素,并且跨国物流网络的海关政策、物流服务质量等也会影响整个物流网络的效益,所以定义再制造物流网络系统的贸易负效用来衡量以上影响因素,即

其中,q为贸易负效用;φ为单位产品在单位距离上因运输对环境产生的负效用;x为运输产品的数量;d为运输距离;LPI为整个再制造物流网络的物流绩效;Θ为进出口关系。

本文在考虑自贸区的前提下,站在跨国企业的角度,针对废旧家电产品回收再制造问题,提出了一个多周期、多目标的独立逆向物流网络多层设施选址模型(即顾客对回收点、回收点对回收中心、回收中心对再制造中心的网络结构)。模型考虑了居民废旧家电数量在不同时期发生随机变化时,逆向物流网络的回收点将相应进行调整,但回收处理中心保持不变的设施选址方法。在“两头在外”模式下,以再制造物流网络的总运作成本最小和该网络系统的贸易负效用最小为目标,建立了非线性混合整数规划模型。所得结果可为跨国公司进行再制造物流设施选址提供理论支持。

2数学模型的建立

2.1问题描述

假设一个专门进行废旧家电回收再制造业务的第三方跨国物流公司(简称RM),该公司回收美国加利福尼亚州的废旧家电,再将这些废旧家电运往东南亚的再制造中心进行再制造。考虑到在较长的一段时间内居民废弃的废旧家电数量是变化的,回收点在不同时期内也应是变动的。从回收点收集的废旧产品应在一定时间内运送到回收处理中心,并在回收处理中心对这些废旧产品进行检测、分类、分解,将可能修理或恢复的产品分拣出来运往再制造中心,其余的产品运往废弃物处理中心进行最终处理。回收点可以根据用户分布情况考虑租赁类似零售店、药店等代为回收,租用这些回收点只考虑各种变动成本;而回收处理中心和再制造中心是由RM公司建立和运营的,由于较高的建设成本,这里假设不同的运营期内回收处理中心和再制造中心是固定不变的。其中回收处理中心产生的垃圾处理是属于政府环保部门的工作,不考虑产品拆解所得废弃物的处理。再制造中心节点概念图如图1所示。

图1　再制造中心节点概念图

RM公司面临的问题是:选取哪些备选点作为初始回收点,建立哪些回收处理中心,选取哪个备选地作为再制造中心以及设施间的流量及其回收量。RM公司的目标是最大程度地节约该逆向物流网络设施选址所引起的总运作成本,并且最大程度地减小物流网络设施的贸易负效用。为方便求解,假设废旧家电由美国的回收处理中心运往加州的自贸区港口,再经航运至再制造中心,忽略回收处理中心到加州自贸区港口的运输费用。

在家电产品的运输过程中作出如下假设:在同一地区(国家)内,货物在自贸区内部(外部)设施之间转运、货物由非自贸区区域运往自贸区不产生进出口关系,货物由自贸区运往非自贸区区域产生出口关系;在不同地区(国家)间,货物在自贸区之间转运不产生进出口关系,货物由自贸区运往非自贸区区域产生进口关系并交纳相应的进口关税,货物由非自贸区区域运往自贸区产生出口关系,货物在非自贸区区域之间转运同时产生进出口关系并缴纳相应进口关税。

根据问题描述,作出以下假设:① 所有顾客的废旧家电产品都通过初始回收点集中到回收处理中心,不会出现客户直接把废旧品送到回收处理中心的情况；② 所有顾客都能被初始回收点覆盖,且初始回收点回收的废旧家电产品都具有残余价值；③ 由于距离小费用小,故从客户到初始回收点的运输费用忽略不计；④ 由于单个顾客废旧产品的数量不大,并且初始回收点经过一段时间即一个周期就把废旧产品送到回收处理中心,如果回收量增大则可以缩短一个周期的时间,因此把初始回收点视为无容量限制；⑤ 为简化计算,假定需求是确定的,且考虑当期需求量为当期可以回收的最大量；⑥ 在备选地点考虑拆解中心、再制造中心的选址。鉴于当前的制度限制,暂不考虑在自贸区内进行保税拆解；⑦ 只考虑对进口回收产品征收关税,不考虑出口退税因素。

2.2模型参数和决策变量

其中,E1为从初始回收点j到回收处理中心k的单位产品运费率;α为折扣率,由回收点j与回收处理中心k之间的运输量Xtjk确定,随着运输量Xtjk处于不同的范围,α的取值不同;β为惩罚率,由回收点j与回收处理中心k之间的距离djk确定,随着运输距离djk处于不同的范围,β的取值不同[8],即

其中,α2<α1<1,p1

其中,E2为从回收处理中心k到再制造中心n的单位产品运费率;ξ为折扣率,由回收处理中心k与再制造中心n之间的运输量Stkn确定,随着运输量Stkn处于不同的范围,ξ的取值不同;θ为惩罚率,由回收处理中心k与再制造中心n之间的距离dkn确定,随着运输距离dkn处于不同的范围,θ的取值不同,即

其中,ξ2<ξ1<1,g1

(2)模型的决策变量。设Ttj为第t运营期内回收点j的回收期,以天表示,不同的回收点可以具有不同的回收期。回收期是一个时间段,在这段时间内,回收点接受顾客的退回产品,并在时间段结束时将所有废旧产品运送到回收处理中心,这样回收期也表示了回收点到回收处理中心的运送频率,如回收期为6 d,表示6 d一次运送的频率;Wt为第t期的运营周期(以天计算);Xtjk为第t运营期内回收点j在每一回收期结束时运送到回收处理中心k的产品回收量;Stkn为第t运营期内回收处理中心k在每一回收期结束时运送到再制造中心n的产品回收量。假设：

2.3数学模型

根据上述对问题的描述以及相关的参数和假设说明,可以得到如下的数学模型:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

因目标函数C1和C2均取最小值,用归一法将多目标转化为单目标函数C,即

其中，取σ1=0.7,σ2=0.3。

3算例分析

RM公司要规划加利福尼亚州废旧家电产品的再制造物流网络,划分16个客户区、6个备选初始回收点、4个备选回收处理中心和4个备选再制造中心。客户区产品回收量和回收处理中心的处理率分别服从正态分布N(200,20)和N(0.7,1)。相关参数见表1、表2所列。参考有关文献,网络设施所在地的物流绩效指数如下:美国3.92,中国3.53,越南3.15,马来西亚3.59。其他参数设定如下:单位产品日存储成本b为1元;运营期总工作日W为30 d;初始回收点的单位处理成本h为0.000 01元;初始回收点的覆盖范围Lm为400 km;由回收点到处理中心的单位产品运输成本E1为1;由处理中心到再制造中心的单位产品运输成本E2为2;回收处理率为λ∈N(0.7,12);单位产品再制造成本g为0.001万元;单位产品回收价格pk为0.000 5万元;贸易负效用指数φ为45;由初始回收点到回收处理中心途中不同运输量对应的折扣率α1为0.8,α2为0.6,p1为180件,p2为220件;由初始回收点到回收处理中心途中不同运输距离对应的惩罚率β1为1.1,β2为1.2,q1为200 km,q2为400 km;由回收处理中心到再制造中心途中不同运输量对应的折扣率ξ1为0.8,ξ2为0.6,g1为2 000件,g2为3 000件;由回收处理中心到再制造中心途中不同距离对应的惩罚率θ1为1.2,θ2为1.3,b1为9 000 km,b2为10 000 km。4个备选回收处理中心最大容量(件)分别为:长滩25 000,奥克兰20 000,斯托克顿20 000,贝克斯菲尔德22 000。4个备选再制造中心的最大容量(件)分别为:上海区外20 000,越南25 000,马来西亚20 000,上海自贸区内18 000;其所在地进口关税税率分别为20%、25%、25%、20%。

表1　客户区、回收点、处理中心和再制造中心的坐标

表2　进出口关系表

注:1代表既没有产生出口关系也没有进口关系;2代表没有产生出口关系但产生进口关系;3代表产生出口关系但没有产生进口关系;4代表既产生出口关系也产生进口关系。

使用lingo11.0进行算例求解,结果如下:

第1周期选择洛杉矶、旧金山作为初始回收点,其每一回收期结束时运送到回收处理中心的产品回收量分别为1 267、1 933件。

第2周期选择洛杉矶、萨克拉门托、弗雷斯诺作为初始回收点,其每一回收期结束时运送到回收处理中心的产品回收量分别为460、1 795、1 016件。

第3周期选择洛杉矶、萨克拉门托作为初始回收点,其每一回收期结束时运送到回收处理中心的产品回收量分别为954、2 038件。

3个周期都选择贝克斯菲尔德作为回收处理中心,上海自贸区作为再制造中心,3个周期内由回收处理中心运送到再制造中心的产品回收量分别为3 200、3 271、3 214。

具体网络设施选址如图2所示,见表3所列。

图2　客户区、回收处理中心位置示意图

周期初始回收中心序号123456T11,2,3,12,13,144,5,6,7,8,9,10,11,15,16T21,24,5,6,8,9,10,11,15,163,7,12,13,14T324,5,6,7,8,9,10,11,15,16

为了揭示关税变化对模型结果的影响并验证模型求解方法的有效性,进行关税波动分析,结果如图3所示。

图3　中国关税的灵敏度分析

当关税在0.19～0.21区间内变化时,目标函数的解在关税为0.2时所求的最优解附近震荡，各配套设施的选址没有改变,证明了此模型在关税微调时的稳定性以及结果的可靠性。

本次计算的最优值为0.306 262 2E-02,为了与单周期进行对比,用常值W代替Wt并做相应变动,可得到单周期结果最优值为0.596 063 0E-02,由此看出,多周期的结果有了很大提升。客户区在初始回收点的分配方案上多周期与单周期有很大不同,为进一步证实这种情况,进行10次数值实验,也可得出多周期动态模型的总目标要低于单周期模型,结果如图4所示。因此,多周期动态模型在进行逆向物流网络优化时,由于综合考虑了各时期、各回收点输入的不确定性及产品在回收点等待所引起的库存成本,能够更好地反映生产实际情况,且比单周期模型具有更强的鲁棒性。

图4　多周期模型与单周期模型实验结果比较

4结束语

本文从第三方逆向物流企业的角度,设计了跨国再制造物流网络,考虑到海关效率、物流服务质量等因素,结合自贸区构建了在回收量和回收质量不确定的环境下,多周期、单产品的再制造物流网络优化模型,并通过算例验证了模型的有效性。考虑自贸区的全球再制造物流网络设计属于较新的研究领域,大量重要的研究问题仍待解决,今后将结合实际应用,对网络优化模型作进一步的完善,如在模型中考虑时间价值、社会价值等因素。此外,自贸区再制造一般针对高端业务,与维修有很大的关联,本文没有考虑自贸区再制造与维修的产业集聚。尽管如此,本文考虑的多周期动态结构和“两头在外”模式存在现实性,具有一定的理论价值和意义。

[参考文献]

[1]陈严东,刘光富,宋守许,等.基于家电回收的逆向物流网络模型研究[J].价值工程,2007(3):72-75.

[2]丁于思,李雪,高阳.多周期多目标再制造物流网络设施动态选址研究[J].管理学报,2014,11(3):428-433.

[3]王圣池,杨斌,许波桅,等.考虑自贸区内设施配套的再制造物流网络优化[J].科技管理研究,2015(10):216-221.

[4]Jayaraman V,GuideV D R,Jr,Srivastava R.A closed-loop logistics model for remanufacturing[J].Journal of the Operational Research Society,1999,50(5):497-508.

[5]杨爱峰,王晓.基于回收价格的再制造系统策略研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2011,34(4):593-597,608.

[6]Dat L Q,Linh D T T,Chou S Y,et al.Optimizing reverse logistics costs for recycling end-of-life electrical and electronic products[J].Expert Systems with Application,2012,39:6380-6387.

[7]Manbir S,Reimer B.Models of recycling electronics end-of-life products[J].OR Spectrum,2003,23:97-115.

[8]Hokey M,Hyun J,Chang S.A genetic algorithm approach to developing the multi-echelon reverse logistics network for product returns[J].Omega,2006,34(1):56-69.

[9]达庆利,黄祖庆,张钦.逆向物流系统结构研究的现状及展望[J].中国管理科学,2004,12(1):131-138.

[10]曾敏刚,周明剑.废旧电脑的逆向物流优化模型与应用研究[J].工业工程,2006(6):55-60.

[11]何波,孟卫东.考虑顾客选择行为的逆向物流网络设计问题研究[J].中国管理科学,2009(6):104-108.

[12]伍星华,王旭,林云.废旧产品回收再制造物流网络的优化设计模型[J].计算机工程与应用,2010(26):22-24.

[13]Carter C R,Ellram L M.Reverse logistics:a review of the literature and framework for future investigation[J].Journal of Business Logistics,1998,19(1):85-102.

(责任编辑张镅)

Multi-objective optimization design of remanufacturing logistics network based on FTZ

ZHAO Xiao-min,YANG Bin,ZHU Xiao-lin

(Scientific Research Academy,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

Abstract:Considering the influence of Free Trade Zone(FTZ)on the remanufacturing industry,such as import tariff,customs performance and timeliness of shipments,in view of the multinational enterprises,and taking the minimum logistics network operation costs and the highest logistics performance index(LPI)as multi-objective,a mixed integer nonlinear programming(MINP)model is proposed to optimize the location and size of facilities and service centers in reverse streams under uncertainty,including initial collecting point,recycling and processing center and remanufacturing center of waste household appliances.And the effectiveness of the proposed model is verified by a real case study of California,USA.

Key words:remanufacturing;Free Trade Zone(FTZ);logistics performance index(LPI);multinational enterprise;logistics network optimization

收稿日期：2015-07-25；修回日期：2015-11-24

基金项目：国家自然科学基金资助项目(71171129);上海市科委科研计划资助项目(12510501600;14DZ2280200;14511107402)

作者简介：赵晓敏(1991-),女,河南焦作人,上海海事大学硕士生;

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.027

中图分类号:F752.8;F252;U115

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)04-0570-07

杨斌(1975-),男,山东青岛人,博士，上海海事大学教授,硕士生导师.