黑龍江省農(nóng)作物生物質(zhì)能能值分析與物流網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化

任永泰，孫慧偉，郗通通，孫阿夢

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

黑龍江省農(nóng)作物生物質(zhì)能能值分析與物流網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化

任永泰1，孫慧偉2，郗通通2，孫阿夢2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

面對傳統(tǒng)能源儲量減少、能源需求量越來越多、環(huán)境污染日益加劇的問題，開發(fā)利用新能源已成為全世界共同關(guān)注的焦點。通過引入生命周期法對傳統(tǒng)能值分析法加以改進，對生物質(zhì)能系統(tǒng)做能值分析，以實際定量結(jié)果反映出植物生長過程中每種能值的貢獻，為生產(chǎn)勞作提供建議。對建三江區(qū)域農(nóng)作物秸稈的生物質(zhì)原料物流網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)劃設(shè)計，以重心法結(jié)合層次分析法優(yōu)化原料收儲點。并以典型月份的原料運輸為例，基于ArcGIS優(yōu)化得到最優(yōu)車輛路徑和原料運輸方案，結(jié)果顯示優(yōu)化后的方案減少了車輛投入、降低了運輸成本。

能值分析；生命周期分析；物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；黑龍江；農(nóng)作物

1 引言

能源植物是生物質(zhì)能的重要來源之一[1]，傳統(tǒng)化石能源儲量日益減少，環(huán)境污染問題越來越嚴重，開發(fā)生物質(zhì)能已成為各國政府關(guān)注的焦點，植物生物質(zhì)能不僅可以帶來顯而易見的經(jīng)濟效益[2]，還具有緩解能源危機、減少溫室氣體排放量等環(huán)境效益。國外對生物質(zhì)能的研究起步較早，1996年Mitchell和Bridgwater[3]通過建立生物質(zhì)能供應(yīng)鏈系統(tǒng)，第一次將生物質(zhì)原料和能源作為系統(tǒng)的輸入和輸出。2001年Debarata Das,T.NegatVeziroglu[4]提出將植物產(chǎn)生的氫蒸汽重組作為能源的來源。2007年Lynch[5]提出發(fā)展“可再生能源+生物質(zhì)能源”的路線。2008年Rubo Leng[6]將生命周期應(yīng)用于評價環(huán)境影響、能量消耗以及能量效率。相比國外生物質(zhì)能領(lǐng)域的發(fā)展研究，我國對生物質(zhì)能源的研究與開發(fā)應(yīng)用相對較晚，不過目前我國生物質(zhì)能源已步入商業(yè)化階段。我國北方農(nóng)村“四位一體”能源生態(tài)模式已經(jīng)取得了顯著的效益[7]，實現(xiàn)了產(chǎn)氣、積肥同步，種植、養(yǎng)殖并舉，能流、物流良性循環(huán)的生態(tài)目標。張永、陳曉嬌等[8]運用系統(tǒng)動力學(xué)原理對生物質(zhì)能供應(yīng)鏈的運行進行模擬，通過構(gòu)建模型，完善農(nóng)戶、政府與企業(yè)的三方協(xié)調(diào)機制，優(yōu)化了生物質(zhì)能供應(yīng)鏈，降低了成本，提高了供應(yīng)鏈的運行效率。張宗蘭、劉輝利等人[9]基于我國生物質(zhì)能的發(fā)展現(xiàn)狀，對生物質(zhì)能的利用與開發(fā)路線與技術(shù)提出建議，并積極倡導(dǎo)開展國際合作與交流，引進國外先進技術(shù)。劉志雄，何曉嵐[10]將技術(shù)水平和政府支持等方面與國外相比較，認為我國應(yīng)加強政策支持，引進先進技術(shù)，鼓勵自我研發(fā)，積極發(fā)展低碳技術(shù)[11]。

已有研究在對植物進行能值分析時往往忽略了植物本身的生長周期，為了準確計算植物生物質(zhì)能的能量投入，本文引入生長周期對傳統(tǒng)能值分析加以改進，定量的給出植物生長過程中每種能值的貢獻，并對原料運輸物流網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計優(yōu)化，為生產(chǎn)勞作提出更合理的意見。

2 基本理論與模型構(gòu)建

2.1 能值分析法及改進

能值分析可以將系統(tǒng)內(nèi)各生態(tài)流都轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的單位[12]，其提供了衡量和比較各種類別能值投入的統(tǒng)一標準，開辟了定量研究的新方法。能值分析基本指標的計算公式如下：

（1）能值產(chǎn)出率：

（2）環(huán)境負荷率：

（3）能值投資率：

（4）可持續(xù)發(fā)展指數(shù)：

其中，R—可再生能值；N—不可再生能值；F—人類經(jīng)濟社會反饋投入的能值；FN—不可更新資源能值；FR—可更新資源能值；Y—產(chǎn)出的能值。

能值分析的與眾不同之處在于考慮了自然環(huán)境資源對生態(tài)系統(tǒng)的能值投入。各種環(huán)境資源的能量計算公式如下：

其中，S—太陽光能，A—土地面積，I—年均太陽輻射量。

其中,RC是雨水化學(xué)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為雨水重力勢能，E為平均海拔高度，g為重力加速度。

其中，W為風能，r為空氣密度，c為風阻系數(shù)，vg為地轉(zhuǎn)風速度，G為風速梯度。其中，vg=v·10/6，v為年均風速。

其中，N為表土凈損失，E為風蝕速率，O為土壤有機質(zhì)含量,EO為土壤有機質(zhì)的能量。

為了準確計算植物生物質(zhì)能的能量投入，應(yīng)考慮植物的生長周期。生命周期分析是分析產(chǎn)品“從誕生到消亡”全過程的一種監(jiān)督管理方法，也是衡量制品在它的一生中對環(huán)境造成的負荷大小的一種評價方法。不同的植物有不同的生命生長周期，同時，要考慮太陽光反射率和雨水蒸發(fā)率，以便更準確地計算能量投入。此時各種環(huán)境資源投入植物中的能量計算公式應(yīng)為：

其中，α為太陽光反射率。

其中，β為雨水蒸發(fā)率。

其中各種能源的轉(zhuǎn)化率均可知。

2.2 重心法的收儲點選址模型

重心法就是將物流系統(tǒng)中需求點和資源點看成是一個物體系統(tǒng)分布在平面上，各個點的供需量作為物體的重量，則此物流系統(tǒng)的最佳設(shè)施點就是物體系統(tǒng)的重心。

使用重心法構(gòu)建模型如下：

設(shè)有n個供應(yīng)點，坐標表示為(xi,yi)(i=1,…，2n)待定物流設(shè)施的地址坐標(x0,y0)，總運輸費用為C：

化簡得到最佳位置坐標：

2.3 層次分析法

層次分析法是指將一個復(fù)雜的多目標決策問題作為一個系統(tǒng)，把單個目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標（或準則、約束）的若干層次，通過定性指標量化算出層次單排序（權(quán)數(shù)）和總排序，以作為目標（多指標）、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。層次分析法是將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則直至具體的備選方案的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重，最后再用加權(quán)和的方法求得最終權(quán)重，最終權(quán)重最大者即為最優(yōu)方案。

備選收儲點的選取，主要由原料、運輸及相關(guān)費用這三種因素決定。由此將備選收儲點分為三個層次結(jié)構(gòu)：目標層、標準層和決策方案層，并引入相對重要性的標度以便比較各備選收儲點的重要性。

運用規(guī)范列平均法，在收儲點影響因素兩兩比較矩陣的基礎(chǔ)上求各因素的權(quán)重。

2.4 物流網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化模型構(gòu)建

模型基本參數(shù)為：C—總成本；C1—運輸成本；C2—庫存成本；C3—運營成本；q—運輸量；K—庫存總量；k'—階段庫存新增量；x—表示工廠的階段消耗量。

生物質(zhì)原料物流網(wǎng)絡(luò)模型即：

（1）運輸成本模型為：

約束為：

（2）階段運輸成本模型為：

約束為：

（3）庫存成本模型為：

3 案例分析

3.1 能值分析

根據(jù)建三江農(nóng)墾統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)，運用改進后的能值分析計算公式，可以得到玉米秸稈的各項能值指標，見表1。

表1 玉米秸稈的能值指標

運用同樣的方法對大豆和水稻秸稈生產(chǎn)系統(tǒng)進行能值分析。

表2顯示，建三江農(nóng)墾管理局轄下農(nóng)場的幾種主要農(nóng)作物中，相比玉米和水稻，大豆的能值轉(zhuǎn)換率較高，也就是說每單位的大豆蘊含較多的能量。我們可以通過提高產(chǎn)量和減少種植過程中的能值投入兩種方法來降低其能值轉(zhuǎn)換率。通過對主要農(nóng)作物能值指標的分析可以看出：三種農(nóng)作物的ELR值適中，在未來的生產(chǎn)種植過程中，要適當控制能值投資率EIR，以達到既不依賴環(huán)境資源又不會影響經(jīng)濟發(fā)展的目的。水稻的可持續(xù)發(fā)展系數(shù)高于其他兩種農(nóng)作物，黑龍江作為全國糧食主產(chǎn)地，水稻種植系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性良好，適合生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展。

表2 農(nóng)作物秸稈的能值指標

生物質(zhì)資源供應(yīng)具有季節(jié)性，只在每年農(nóng)作物收獲期有豐富的生物質(zhì)資源，這就導(dǎo)致高額的收購和運輸費用。且農(nóng)作物種植區(qū)域呈分散分布，擴大了收購范圍，使企業(yè)投入較大的人力、財力和物力。依據(jù)能值分析結(jié)果規(guī)劃不同種類農(nóng)作物的種植面積，得到每個農(nóng)場的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量，為生物質(zhì)原料收儲點的選擇與優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2 收儲點選址

根據(jù)各農(nóng)場的地理位置坐標和每個農(nóng)場向生產(chǎn)工廠提供原料的數(shù)量，由重心法模型計算得到四個備選收儲點A、B、C、D，四個收儲點的地理位置分別在前進農(nóng)場管理區(qū)、富興東部、勝利農(nóng)場三隊以及七星農(nóng)場第八管理區(qū)附近。在考慮收儲點建設(shè)的固定費用、經(jīng)濟管理變動費用以及實際情況是否允許的情況下，應(yīng)用層次分析法得到各收儲點間的兩兩比較矩陣，并計算各個因素的實際貢獻權(quán)重及評價指標。評價指標越高，越適于建立收儲點，為生產(chǎn)工廠供應(yīng)原料。評價結(jié)果見表3。

表3 各備選收儲點各個因素的實際貢獻權(quán)重及評價指標

由表3知各收儲點評價指標排名為A、C、D、B，對比各個收儲點的地理位置、交通情況可知：

（1）建三江農(nóng)墾管理局的收儲點遍布在生產(chǎn)工廠的周圍，有利于及時供應(yīng)生物質(zhì)原料。

（2）由于鴨綠河農(nóng)場和前哨農(nóng)場的原料供應(yīng)量相對較少，B收儲點到生產(chǎn)工廠的路程較長，所以B的收儲點廠房建設(shè)投入資金可以適當減少。

（3）將收儲點C作為戰(zhàn)略儲備收儲點，以保證生產(chǎn)工廠在遇到緊急情況時可以迅速做出應(yīng)對。

3.3 制定典型月份運輸方案

工廠從7月開始正式投入使用，為了達到年產(chǎn)量10萬t的目標，每日生產(chǎn)需要的原料量為980t，自然月以30d進行計算。各個收儲點初始庫存量均為10 000t，7月份在收貨期內(nèi)，收購量為12 300t/月，各收儲點分別收購4 800t/月，則7月的約束條件為：

月末各收儲點的原料存儲量表示為：

各收儲點的庫存成本和運營成本是已知的，分別為45元/t、4.08元/t，則c'=45+4.08=49.08元/t也是常量，則為常量。為達到成本最小化，就要使最小。表示為函數(shù)即：minf=12.15×x1+

將約束條件代入運籌學(xué)軟件中進行計算，得出7月份最少運輸費用為473 156元。同時可以得到每個收儲點的原料送出量以及月底的原料庫存量，見表4。

表4 7月底各收儲點的原料送出量及原料庫存量

3.4 全年運輸方案制定

以7月份為初始月份制定全年運輸方案。根據(jù)各階段運輸成本模型以及每個收儲點每個月份的原料收儲范圍，運用線性規(guī)劃模型可求得全年原料的運輸方案以及每個月的最優(yōu)運輸成本，結(jié)果見表5。

表5 全年原料運輸安排

3.5 車輛路徑優(yōu)化

運輸路徑不同決定了各個收儲點車輛工作時間的不同，為了使運營成本最低，且盡量減少貨車裝載時的等待時間，現(xiàn)對貨車的運輸時間做詳細合理的規(guī)劃安排。

收儲點A：對運送原料的12輛貨車進行排號，且每周依次輪換。工作時間貨車依次裝載，每輛車裝載時間為10min，全部裝載完成需要用時120min，貨車從收儲點A到工廠往返需用時2h，可知在第一輛出發(fā)的貨車回來時可以全部完成裝載。同理，其他收儲點也是一樣的情況。假設(shè)各收儲點貨車統(tǒng)一時間開始運輸工作，用甘特圖表述各貨車到達工廠的時間，便于對工廠卸載機器進行合理安排。由圖1可以看出，同一時間上班，貨車運送原料到工廠的時候，在一定的時段會出現(xiàn)3輛貨車同時到達的情況，因此造成擁堵，且需要3臺卸載車同時工作才可以保證物流暢通。

圖1 貨車到達工廠的時間甘特圖

各收儲點貨車工作時間相同，為了更快更合理的運送原料到工廠，避免不同收儲點貨車同時到達造成卸載擁擠，可以采取不同時間上班制。通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，得出：收儲點A的貨車工作開始時間較收儲點B的貨車開始工作時間推遲120min，B、C是同一時間開始工作；B收儲點的送貨車往返一次后休息110min；收儲點C完成兩次往返之后休息40min。工作時間重新安排規(guī)劃后，各收儲點的運貨車到達工廠后，卸載原料所用時間用甘特圖表示，如圖2所示。

圖2 各收儲點貨車在工廠的卸載時間

由圖2可以看出，采用不同工作時間制度，可以一定程度的減少等待，而且只需要配備2輛卸載車即可完成卸載工作，節(jié)約了設(shè)備購置的費用。

4 結(jié)論

應(yīng)用改進后的能值分析定量化得出建三江墾區(qū)水稻、玉米、大豆的能值指標，由此得出大豆的能值轉(zhuǎn)換率最高，通過提高產(chǎn)量和減少種植過程的能值投入來降低其能值轉(zhuǎn)換率，提高經(jīng)濟效益。水稻在三種作物中的可持續(xù)發(fā)展系數(shù)最高，其種植系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性良好，有利于大力發(fā)展生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)。玉米的可持續(xù)性發(fā)展指數(shù)較低。根據(jù)研究結(jié)果，為生產(chǎn)勞作提供合理的意見，降低成本投入，提高經(jīng)濟效益。并對生物質(zhì)企業(yè)的原料供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計和優(yōu)化。計算得到四個最佳收儲點，并選定原料供應(yīng)量最大、交通運輸便利、地理位置優(yōu)勢明顯和各方面條件成熟的C（即勝利農(nóng)場）收儲點作為戰(zhàn)略儲備收儲點。并優(yōu)化車輛運輸路徑，減少了車輛的投入數(shù)量和等待時間，制定了全年的運輸方案，節(jié)約了企業(yè)的資金投入。

[1]吳創(chuàng)之,周肇秋,陰秀麗,等.我國生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,(1):91-99.

[2]丁建勛.我國能源強度的最優(yōu)規(guī)模實證研究[J].天津財經(jīng)大學(xué)學(xué)報,2007,(2):50-54.

[3]Mitchell C P,Bridgewater A V,Mackie K L.Bioenergy systems[A]. In:Bridgewater A V,Boocock D G B,eds.Developments in Thermochemical Biomass Conversion[C].London:Chapman& Hall, 1996.

[4]郭昌倫.乙醇汽油汽車燃料消耗量的計算[J].機械工業(yè)標準化與質(zhì)量,2011,(457):27-28.

[5]Lynch J.Copenhagen Biofuel Assessment Conference[J].Bioenergy Policy Analysis,2007,(6):45.

[6]胡志遠,譚丕強,樓狄明,等.不同原料制備生物柴油生命周期能耗和排放評價[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,(11).

[7]Laurent Lardon,Arnaud Helias,Breno Sialve,et al.Life-Cycle Assessment of Biodiesel production from Microalgae[J].Environ Sci Technol,2009,43:6 475-6 481.

[8]張永,陳曉嬌,景月明.生物質(zhì)能供應(yīng)鏈的系統(tǒng)動力學(xué)建模研究[J].物流技術(shù),2009,(10):114-116.

[9]張永,陳曉嬌,景月明.生物質(zhì)能供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)機制研究[J].物流技術(shù),2009,(3):119-122.

[10]張宗蘭,劉輝利,朱義年.我國生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀與展望[J].中外能源,2009,(4):27-32.

[11]劉志熊,何曉嵐.低碳經(jīng)濟背景下我國生物質(zhì)能發(fā)展分析及比較[J].生態(tài)經(jīng)濟,2012,(1):117-121.

[12]石惠春,孫宏山,甘世民.西北干旱區(qū)能值分析理論及應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,(15):8 125-8 127,8 199.

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

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目“黑龍江省農(nóng)作物生物質(zhì)能物流能流分析與循環(huán)利用功能評價”（12541038）

任永泰（1973-），通訊作者，男，黑龍江安達人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：水資源優(yōu)化與利用、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程理論與方法、應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)等；孫慧偉，男，黑龍江鶴崗人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：工業(yè)系統(tǒng)分析方法與優(yōu)化技術(shù)；郗通通，男，山東濟寧人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：物流工程；孫阿夢，女，山東煙臺人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：物流工程。