基于系統(tǒng)動力學(xué)的物流園區(qū)節(jié)能系統(tǒng)仿真研究

尚 羽，董景峰，王立海

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和全球化的加劇，能源危機和環(huán)境污染已日益嚴(yán)峻，威脅著人類的生存和可持續(xù)發(fā)展。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》提出了“十二五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低16%左右，相較于“十一五”發(fā)展規(guī)劃更為艱巨［1］。這是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的必然選擇;是推進經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整，轉(zhuǎn)變增長方式的必由之路;是提高人民生活質(zhì)量，維護中華民族長遠利益的必然要求。因此節(jié)能減排物流系統(tǒng)的建立，正是以經(jīng)濟效益和生態(tài)效率的共同提高為目標(biāo)，對促進節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。而物流園區(qū)節(jié)能減排系統(tǒng)的建立對于節(jié)約能耗和降低物流成本有著重要的促進作用，建立節(jié)約化和專業(yè)化的物流園區(qū)是未來促進物流跨越性發(fā)展的重要因素。為了充分發(fā)揮物流園區(qū)的優(yōu)勢，并促進經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對物流園區(qū)節(jié)能系統(tǒng)進行系統(tǒng)地規(guī)劃。

1 物流園區(qū)能耗分析

1.1 物流業(yè)能源消耗現(xiàn)狀

近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，物流業(yè)已成國民經(jīng)濟發(fā)展重要支撐，其能源消耗量也逐漸攀升，從2005年的18391萬t標(biāo)準(zhǔn)煤到2009年23692萬t標(biāo)準(zhǔn)煤，能源消耗量增長了28.8%。如圖1所示。物流業(yè)能源消耗量約占全國能源消耗總量的7.8%左右，隨著物流業(yè)節(jié)能減排工作的進一步落實，其能源消耗比例略有下降，但節(jié)能減排工作任務(wù)依舊艱巨。

圖1 物流業(yè)能源消耗情況Fig.1 The energy consumption in logistics industry

1.2 物流園區(qū)能源消耗分析

物流園區(qū)是集合了多種物流設(shè)施，起到綜合功能和發(fā)揮基礎(chǔ)作用的特大物流結(jié)點，是集約化、大規(guī)模的物流設(shè)施集中地和多種物流線路的交匯地。它是集運輸、存儲、裝卸搬運、包裝、流通加工、配送和信息處理等功能為一體的規(guī)?；毩^(qū)域。因此在這樣龐大的系統(tǒng)里會消耗大量的能源，且物流園區(qū)的能源消耗不僅限于物流園區(qū)內(nèi)部，它包含園區(qū)物流活動輻射的所有區(qū)域。根據(jù)物流園區(qū)活動的特點和分類，將物流園區(qū)的能源消耗進行如下分析，如圖2所示。

圖2 物流園區(qū)能源消耗結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The energy consumption structure in a logistics park

1.2.1 運輸能源消耗

20世紀(jì)90年代以來，中國交通運輸業(yè)所消耗的能源，僅運行能源就占全國能源總消耗的5%，其中運載工具為主所消耗的油品在總消耗量中占有更大的比重，如汽油占總消耗量的30%以上［2］。根據(jù)貨物周轉(zhuǎn)量、運輸工具運行的里程數(shù)、運輸工具運行時所需要的電力和燃料消耗量等可測算出單位周轉(zhuǎn)量的能源消耗量。據(jù)統(tǒng)計，平均每千噸公里貨物周轉(zhuǎn)量的燃料 (標(biāo)準(zhǔn)煤)消耗，船舶運輸約為2 kg，鐵路運輸約為12 kg，公路運輸約為40 kg，航空運輸約為800 kg［3］。依據(jù)相關(guān)研究表明，機動車行駛速度在50～60 km/h時，能源消耗及污染物排放量遠比機動車行駛低，反之當(dāng)其速度達到某一水平以后，能源效率就隨著速度的提升而迅速降低［4］。

1.2.2 倉儲能源消耗

倉儲能源消耗主要是倉庫內(nèi)部設(shè)備運行所產(chǎn)生的能耗:自動識別和自動分揀設(shè)備，自動存取機器人、自動貨架、大型起重機和堆垛機等［5］。自動化程度較低的中小型倉庫主要消耗各種油品，而大型的自動化倉庫消耗的能源形式主要是電力。

1.2.3 裝卸搬運能源消耗

裝卸搬運在物流活動中非常頻繁，任何貨物的轉(zhuǎn)移都離不開裝卸和搬運。常用的裝卸搬運機械有:起重機、連續(xù)運輸設(shè)備、裝卸搬運車輛和專用裝卸搬運機械，由于驅(qū)動方式和工作原理的不同，消耗的主要能源形式也不同，但大多以油品和電力為主。

1.2.4 流通加工能源消耗

為了提高物流速度和物品的利用率，在物品進入流通領(lǐng)域后，按客戶的要求進行的加工活動，即在物品從生產(chǎn)者向消費者流動的過程中，為了促進銷售、維護商品質(zhì)量和提高物流效率，對物品進行一定程度的加工。由于包裝和流通加工的對象不同，機械的種類繁多，因此消耗的能源形式也是多種多樣的。

1.2.5 信息處理和物流管理中的能源消耗

物流信息平臺運行和物流管理活動相當(dāng)于中樞神經(jīng)的作用，貫穿于物流活動的全過程，并對其他環(huán)節(jié)的能源消耗有直接影響［6］。在這環(huán)節(jié)中也要消耗能源，主要是電力能源［7］。

2 物流園區(qū)節(jié)能系統(tǒng)動力學(xué)分析

系統(tǒng)動力學(xué)的出現(xiàn)始于1956年，其創(chuàng)始人為美國馬上理工學(xué)院的福瑞斯特 (Jay W.Forrester)教授，它是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認(rèn)識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學(xué)科［8］。系統(tǒng)動力學(xué)研究解決問題的方法是一種定性與定量結(jié)合，系統(tǒng)、分析、綜合與推理的方法，以定性分析為先導(dǎo)，定量分析為支持?，F(xiàn)運用系統(tǒng)動力學(xué)的理論、原理與方法分析物流園區(qū)內(nèi)物流活動產(chǎn)生的能源消耗，主要以節(jié)約能耗的角度出發(fā)，降低物流成本提高物流園區(qū)的總產(chǎn)值，建立定量模型與概念模型一體化的系統(tǒng)動力學(xué)模型。

2.1 因果回路圖

因果回路圖 (Causal Loop Diagram，CLD)是表示系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)的重要工具，利用Vensim－PLE系統(tǒng)動態(tài)模擬軟件，迅速表達關(guān)于系統(tǒng)動態(tài)形成原因的假說［9］。通過對物流園區(qū)能源消耗的分析，利用Vensim－PLE軟件繪制了物流園區(qū)節(jié)能系統(tǒng)的因果回路圖，如圖3所示。

圖3 物流園區(qū)節(jié)能系統(tǒng)因果關(guān)系圖Fig.3 The cause-effect relationship chart of energy-saving and emission-reducing system in a logistics park

從圖3可以看出，區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展可以提高區(qū)域物流總額，進而促進物流園區(qū)周轉(zhuǎn)量增加，使得物流園區(qū)產(chǎn)值增長。區(qū)域物流總額的增長，同時也帶來了大量的能源消耗。在物流園區(qū)中，搬運裝卸、運輸、倉儲和流通加工等業(yè)務(wù)過程需要消耗能源，同時其日常運營也需要耗費大量的能源。因此，物流園區(qū)在高速發(fā)展的同時，也帶來了高消耗、高排放和高污染。而節(jié)能減排，低碳運營和綠色物流等也是國家發(fā)展的必然趨勢，也是響應(yīng)國家建設(shè)綠色環(huán)境、關(guān)注環(huán)保的號召。為了降低能源消耗，作為物流園區(qū)來說，可以通過二個途徑來實現(xiàn):一是通過環(huán)保投資，改進技術(shù)，降低設(shè)備能耗，并在日常工作中監(jiān)測能耗，節(jié)約成本;二是通過增加物流園區(qū)內(nèi)資源 (如包裝物、加工剩余物等)的再利用價值，減少最終廢棄物的數(shù)量，從而減少廢棄物處理過程中消耗的能源和產(chǎn)生的污染。而區(qū)域經(jīng)濟和物流園區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，也使得物流園區(qū)的環(huán)保投資提供了更多的可能，從而可以在一定程度上抑制物流園區(qū)的環(huán)境污染。而物流園區(qū)作為物流領(lǐng)域重要的節(jié)點和物流作業(yè)的集中地，其對抑制環(huán)境污染所起到的作用將是十分巨大的，對促進區(qū)域環(huán)境污染的降低有著至關(guān)重要的作用。

2.2 存量流量圖

存量流量圖是在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上進一步區(qū)分變量性質(zhì)，用更加直觀的符號刻畫系統(tǒng)要素之間的邏輯關(guān)系，明確系統(tǒng)的反饋形式和控制規(guī)律，為深入研究系統(tǒng)打基礎(chǔ)的圖形表示法。在分析物流園區(qū)內(nèi)部能源消耗的因果聯(lián)系基礎(chǔ)之上，建立節(jié)能系統(tǒng)存量流量圖，如圖4所示。

圖4 物流園區(qū)節(jié)能減排系統(tǒng)流量存量圖Fig.4 The flow-stock chart of energy-saving and emission-reducing system in a logistics park

由圖4可以看出，模型中包括3條回路:

(1)回路1。物流園區(qū)總產(chǎn)值與資源再利用關(guān)系，反映了國家循環(huán)經(jīng)濟政策與物流園區(qū)自身追逐增值效應(yīng)的程度對物流園區(qū)的影響。

(2)回路2。物流園區(qū)總產(chǎn)值與節(jié)能減排關(guān)系，反映了國家節(jié)能減排政策和相關(guān)能源供給政策對物流園區(qū)總產(chǎn)值的影響。

(3)回路3。物流園區(qū)能源消耗與排放之間的關(guān)系，旨在反映物流園區(qū)設(shè)備選擇及排放治理方面的執(zhí)行力度對節(jié)能減排的推動效應(yīng)。

2.3 主要模型參數(shù)及含義

本文包括2個狀態(tài)變量，4個速率變量和43個輔助變量，結(jié)合節(jié)能減排系統(tǒng)的運作機理，確定11個主要參數(shù)，見表1，之后在此基礎(chǔ)上再確定其它參數(shù)及其取值。在參數(shù)估計過程中，由于部分物流數(shù)據(jù)難以獲得，本文利用數(shù)學(xué)方法計算得出，并在適當(dāng)范圍內(nèi)采用相關(guān)數(shù)據(jù)予以代替。

表1 狀態(tài)變量、速率變量和主要輔助變量Tab.1 State variables，rate variables and major auxiliary variables

(1)科技投入:物流園區(qū)對科技方面的資金投入。

(2)環(huán)保投入:物流園區(qū)對環(huán)保方面的資金投入。

(3)資源再利用投入:物流園區(qū)對資源再利用方面投入的金額。

(4)政策影響因子:反映了國家政策對物流能源消耗的影響程度。

(5)抑制因子:當(dāng)物流園區(qū)氮氧化物污染總量超過一定限額而采取的抑制率。

(6)廢棄物總量:物流園區(qū)運營過程中產(chǎn)生的非氣體污染物的總量。

(7)污染物總量:物流園區(qū)運營過程中產(chǎn)生的污染物總量，包括氣體污染物、液體污染物和固體廢棄物。

(8)氮氧化物污染總量:物流園區(qū)運營過程中產(chǎn)生的氣體污染量，本文以氮氧化物為主要研究對象。

(9)投資效果:用于對環(huán)保和科技兩方面投入資金而產(chǎn)生的實際效果。

(10)資源再利用收入:指物流園區(qū)在拿出部分資金進行資源再利用所獲得收入。

(11)物流差異:理想物流費用與實際物流費用的差值，體現(xiàn)了物流短缺狀況的指標(biāo)。

3 系統(tǒng)仿真模擬

3.1 模型檢驗

在應(yīng)用物流園區(qū)節(jié)能系統(tǒng)動力學(xué)模型對物流園區(qū)的產(chǎn)值和能耗等狀況進行仿真研究之前，應(yīng)該對模型進行穩(wěn)定性和有效性等的檢驗，以確保仿真結(jié)果可以更真實可靠，更為接近現(xiàn)實生產(chǎn)實際，以便于可以為物流園區(qū)決策提供強有力的支撐。

3.1.1 穩(wěn)定性檢驗

穩(wěn)定性檢驗主要是指系統(tǒng)對時間的穩(wěn)定性，是為了使得模型中參數(shù)的時間變化，即在不同時間間隔下應(yīng)該可以產(chǎn)生近似的預(yù)測結(jié)果，降低其對于時間的不穩(wěn)定性。圖5中，模型的輸入時間步長分別為2 a、1 a和0.5 a，通過物流園區(qū)總產(chǎn)值在不同步長時的輸出狀態(tài)相對值，可以看出模型基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以進行物流園區(qū)節(jié)能系統(tǒng)的模擬，較接近真實情境。

圖5 模型穩(wěn)定性檢驗Fig.5 Stability test on the model

3.1.2 有效性檢驗

模型有效性檢驗主要的任務(wù)是從統(tǒng)計學(xué)的角度檢驗?zāi)Ｐ偷哪M結(jié)果是否與實際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相符合。本文主要針對狀態(tài)變量進行有效性檢驗，即通過物流園區(qū)總產(chǎn)值和能源消耗量作為檢驗變量。在驗證過程中，設(shè)定檢驗期間為2006～2010年，設(shè)定的誤差范圍為3%，選用案例——哈爾濱某物流園區(qū)進行檢驗。物流園區(qū)總產(chǎn)值和物流園區(qū)能源消耗量的模擬值和真實值見表2和表3，表中模擬值與真實值的誤差，其皆在事先設(shè)定的3%以內(nèi)。此結(jié)果說明模擬值較好的反映了真實值，其與歷史數(shù)據(jù)擬合的較好。

3.1.3 靈敏度檢驗

參數(shù)靈敏度檢驗主要是分析參數(shù)變動對模型結(jié)果是否有著顯著的影響。如果靈敏度檢驗的結(jié)果使得模型輸出結(jié)果發(fā)生顯著變化，則模型相對于參數(shù)敏感，因此不適合用于政策模擬。本文將用“物流園區(qū)能源消耗增長系數(shù)”的參數(shù)靈敏度進行分析。將變量設(shè)為常數(shù)10%進行模擬，以物流園區(qū)總產(chǎn)值和能源消耗量作為輸出，結(jié)果如圖6和圖7所示。根據(jù)仿真結(jié)果對比可以看出，修改物流園區(qū)能源消耗增長系數(shù)，對變量影響較小。因此認(rèn)為模型靈敏度較高，可以使用其進行物流園區(qū)節(jié)能減排系統(tǒng)的仿真實驗。

表2 物流園區(qū)總產(chǎn)值模擬值與實際值的誤差統(tǒng)計Tab.2 Differences between simulated and actual total production values in the logistic park

圖6 物流園區(qū)總產(chǎn)值量靈敏度檢驗Fig.6 Sensitivity test of total production value in the logistic park

圖7 物流園區(qū)能源消耗量靈敏度檢驗Fig.7 Sensitivity test of energy consumption in the logistic park

3.2 模擬分析

本文選擇物流園區(qū)總產(chǎn)值存量和能源消耗總量存量為指代性指標(biāo)，將物流園區(qū)環(huán)保投入系數(shù)作為政策變量，物流園區(qū)的投資政策可以直接影響相關(guān)政策變量的值，因此，可以說系統(tǒng)動力學(xué)模型是物流園區(qū)的政策實驗室。本文收集的物流園區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，參考了《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國物流年鑒》，另有部分?jǐn)?shù)據(jù)取自國研統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、中國大物流網(wǎng)等官方統(tǒng)計信息網(wǎng)，以及具體物流園區(qū)企業(yè)內(nèi)部統(tǒng)計資料［10－13］。

通過計算機模擬，將環(huán)保投入系數(shù)由0調(diào)至2%，物流園區(qū)總產(chǎn)值增長略有下降，而物流園區(qū)能源消耗量也呈現(xiàn)大幅回落 (如圖8和圖9所示)。

如圖8所示，“十一五”以來，國民經(jīng)濟穩(wěn)步增長，國家和地方政府鼓勵物流業(yè)發(fā)展，除2008年受經(jīng)濟危機影響，增長速度放緩?fù)?，物流園區(qū)的總產(chǎn)值呈現(xiàn)上升的趨勢。當(dāng)環(huán)保投入系數(shù)為0，即園區(qū)在環(huán)境保護方面不做任何資金投入，不采取任何環(huán)保措施，物流園區(qū)總產(chǎn)值如曲線1變化。當(dāng)環(huán)保投入系數(shù)為2%，物流園區(qū)總產(chǎn)值變化曲線如曲線2所示，略低于曲線1。這說明在環(huán)境保護方面進行資金投入，對物流園區(qū)的總產(chǎn)值存在一定影響，表面上看，投資抑制了物流園區(qū)總產(chǎn)值的增長。

如圖9所示，物流園區(qū)能源消耗量隨園區(qū)的總產(chǎn)值的增加而增加，當(dāng)園區(qū)總產(chǎn)值增長緩慢時，園區(qū)的能源消耗量也沒有大幅度增長，說明物流園區(qū)產(chǎn)值和園區(qū)能源消耗量存在正比的關(guān)系。對園區(qū)環(huán)保投入系數(shù)為0，如曲線1所示，園區(qū)的能源消耗量隨著時間的推移逐漸增長。當(dāng)環(huán)保投入系數(shù)為2%時，物流園區(qū)能源消耗量也呈增長的趨勢，但曲線2明顯位于曲線1的下方，說明環(huán)保投入對控制能源消耗量起到了積極作用。

圖8 不同環(huán)保投入系數(shù)的物流園區(qū)總產(chǎn)值對比Fig.8 The total production value of the logistic park with different ratios of environment protection investment

圖9 不同環(huán)保投入系數(shù)的物流園區(qū)能源消耗量對比Fig.9 The energy consumption of the logistic park with different ratios of environment protection investment

由圖8和圖9仿真模擬結(jié)果可以看出，如果物流園區(qū)對環(huán)保方面不采取任何措施，即環(huán)保投入系數(shù)為0，物流園區(qū)能源正常消耗，那么不可能完成國家在“十二五”期間制定的單位GDP能耗量下降16%的目標(biāo)。因此，地方政府需要引起高度重視，有必要針對物流園區(qū)節(jié)能減排問題成立專項資金進行治理。將環(huán)保投入系數(shù)設(shè)置為0.02，即將物流園區(qū)總產(chǎn)值的2%作為環(huán)保投入，物流園區(qū)能源消耗量得到了良好的控制，并較資金投入前大幅度降低，但環(huán)保資金的投入也影響了園區(qū)的產(chǎn)值，貌似違背了本文以經(jīng)濟和環(huán)境作為雙重目標(biāo)的出發(fā)點，但是其單位產(chǎn)值的能耗量是降低，如圖10所示。截止“十二五”期末2015年，物流園區(qū)單位能源消耗量比“十一五”期間降低了12.7%，說明通過對環(huán)保投入系數(shù)的設(shè)定已經(jīng)非常接近國家的政策目標(biāo)。

圖10 單位產(chǎn)值能耗量比較Fig.10 Comparison of energy consumption per total production

4 結(jié)束語

通過物流園區(qū)節(jié)能減排系統(tǒng)的構(gòu)建，對物流園區(qū)節(jié)能減排系統(tǒng)的因果關(guān)系和運行機理進行了探索，建立了物流園區(qū)節(jié)能減排系統(tǒng)SD模型，模型通過各項檢驗，能夠客觀真實的描繪出物流園區(qū)節(jié)能減排系統(tǒng)的運作機理，并根據(jù)仿真模擬的運行結(jié)果對物流園區(qū)節(jié)能減排系統(tǒng)進行了分析。模擬結(jié)果表明，加大環(huán)保投入能夠雖對物流園區(qū)總產(chǎn)值有一定影響，但是卻能夠有效降低園區(qū)能源消耗量，其單位總產(chǎn)值的能源消耗量大幅降低。

［1］ 溫家寶.政府工作報告［N］.光明日報，2008－3－20(2).

［2］胡思繼.交通運輸學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］胡榮博.物流能源消耗系統(tǒng)分析與評價［D］.鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

［4］張衛(wèi)華，王 煒，胡 剛.基于低交通能源消耗的城市發(fā)展策略［J］.公路交通科技，2003(20):83.

［5］鄧愛民，張國方.物流系統(tǒng)工程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［6］李亭亭，王立海.物聯(lián)網(wǎng)在林產(chǎn)品物流中的應(yīng)用［J］.森林工程，2011，27(3):85 －88.

［7］謝 非.黑龍江省物流中心選址的研究［J］.林業(yè)機械與木工設(shè)備，2004，32(11):33 －35.

［8］王其藩.系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1994.

［9］鐘永光，賈曉菁，李 旭.系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2008.

［10］國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒［M/CD］.北京:中國統(tǒng)計出版社，2007－2011.

［11］中國物流與采購聯(lián)合會.中國物流年鑒［M］.北京:中國物資出版社，2007－2011.

［12］ 國研統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫［EB/OL］.http://data.drcnet.com.cn/web/default.aspx.

［13］ 中國大物流網(wǎng)［EB/OL］.http://www.all56.com/index.html.