基于供給側(cè)視角的煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型及應(yīng)用

彭紅軍，周梅華，馬靜麗

(1. 南京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

基于供給側(cè)視角的煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型及應(yīng)用

彭紅軍1，周梅華2，馬靜麗2

(1. 南京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和去產(chǎn)能化要求迫在眉睫，本文從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化的視角研究煤炭產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。在對煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析的基礎(chǔ)上，分析了煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)的決策目標(biāo)和約束條件，建立了煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化的0-1混合整數(shù)優(yōu)化模型。該模型以產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)整體利潤最大化為目標(biāo)，具有以下功能：優(yōu)化煤炭板塊的商品煤生產(chǎn)數(shù)量、結(jié)構(gòu)以及商品煤銷售去向；優(yōu)化電力板塊的生產(chǎn)規(guī)模和銷售去向；優(yōu)化鋁板塊的各類鋁產(chǎn)品的產(chǎn)量和結(jié)構(gòu)；優(yōu)化鋁板塊的供給側(cè)能力結(jié)構(gòu)。最后應(yīng)用模型進(jìn)行了實(shí)證分析，研究表明該模型具有科學(xué)性、系統(tǒng)性和有效性的特點(diǎn)。

煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；混合整數(shù)優(yōu)化模型；供給側(cè)改革

煤炭產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和去產(chǎn)能化要求迫在眉睫，如何從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度科學(xué)推動供給側(cè)改革，成為需要研究的重要問題。越來越多的研究表明,現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)競爭已不是單個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和單獨(dú)產(chǎn)品的競爭,而更多地體現(xiàn)在整個產(chǎn)業(yè)鏈之間的競爭。首先在產(chǎn)業(yè)鏈研究方面，Henri提出了產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)歉鱾€產(chǎn)業(yè)部門之間基于一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián),并依據(jù)特定的邏輯關(guān)系和時空布局關(guān)系客觀形成的鏈條式關(guān)聯(lián)關(guān)系形態(tài)的概念[1]，賀軒提出產(chǎn)業(yè)鏈有廣義和狹義之分[2]。廣義的產(chǎn)業(yè)鏈包括滿足特定需求或進(jìn)行特定產(chǎn)品生產(chǎn)(及提供服務(wù))的所有企業(yè)集合，涉及相關(guān)產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)系；狹義的產(chǎn)業(yè)鏈則重點(diǎn)考慮直接滿足特定需求或進(jìn)行特定產(chǎn)品生產(chǎn) (及提供服務(wù))的企業(yè)集合，主要關(guān)注產(chǎn)業(yè)內(nèi)各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系。芮明杰等[3]提出了產(chǎn)業(yè)鏈的知識整合，將產(chǎn)業(yè)鏈理解為一個知識整體，從知識角度研究了產(chǎn)業(yè)鏈分化整合的機(jī)理。李心芹等[4]在界定產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,對產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行理論探析。卜慶軍等[5]從產(chǎn)業(yè)鏈的整合基礎(chǔ)和目標(biāo)入手，提出了三種產(chǎn)業(yè)鏈整合模式。路正南等[6]提出光伏產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同管理的概念。

在產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化決策相關(guān)研究中，梁玲等[7]主要提出了煤電產(chǎn)業(yè)供需與合作的不均衡、煤炭企業(yè)較弱的盈利能力、較短的煤炭產(chǎn)業(yè)鏈等問題。袁學(xué)良[8]提出了縱向延長,其中包括產(chǎn)業(yè)鏈的組裝、補(bǔ)充及延伸和橫向聯(lián)合的兩種產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化方式。趙緒福[9]在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的基礎(chǔ)上分析農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化的具體內(nèi)涵并說明產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化的內(nèi)容與途徑。趙曉煜等[10-11]對供應(yīng)鏈的設(shè)計(jì)和優(yōu)化問題進(jìn)行了系列的富有成效的研究。彭紅軍等[12]建立了一個多目標(biāo)的大型煤炭供應(yīng)鏈集成模型。呂濤等[13]采用產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)分析的方法確定了煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的類型，運(yùn)用DEA方法，構(gòu)造出區(qū)域產(chǎn)業(yè)鏈效率評價的一般模型，并對各省區(qū)煤炭產(chǎn)業(yè)鏈的整體經(jīng)濟(jì)效率、技術(shù)效率及規(guī)模效率進(jìn)行評價和比較分析。

前人研究中大多從定性方面描述了產(chǎn)業(yè)鏈定義、整合及優(yōu)化方法，涉及產(chǎn)業(yè)鏈尤其是煤炭方面定量模型相對較少，部分研究僅是從煤炭供應(yīng)鏈方面介紹，并沒有進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈的延伸。隨著市場動態(tài)變化，龐大的產(chǎn)業(yè)鏈依照經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)已經(jīng)明顯不足，科學(xué)的決策必不可少。因此本文在借鑒煤炭供應(yīng)鏈方面相關(guān)優(yōu)化模型建立了煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化模型，其特點(diǎn)如下：①建立了以煤炭為基礎(chǔ)的煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，以產(chǎn)業(yè)鏈總利潤最大為目標(biāo)進(jìn)行動態(tài)決策；②模型集成了煤電鋁產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)鏈的煤電鋁企業(yè)供應(yīng)、生產(chǎn)、訂購決策等問題。

1 煤電鋁企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

煤電鋁企業(yè)鏈?zhǔn)怯纱嬖谔囟P(guān)系而形成的鏈條。煤電鋁三板塊結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖1中第一部分為煤炭板塊，包含原煤開采、煤炭洗選加工、煤炭銷售等節(jié)點(diǎn)，虛線表示原煤礦井生產(chǎn)的原煤能不經(jīng)過洗選加工直接作為商品煤,經(jīng)由煤炭銷售環(huán)節(jié)銷售給顧客。其中在部分煤炭銷售給電廠發(fā)電使用。第二部分電力板塊，發(fā)電量部分供給鋁廠電量供鋁液生產(chǎn)使用，剩余部分上網(wǎng)及其他用途。第三部分為鋁板塊，鋁廠生產(chǎn)鋁液及其他鋁產(chǎn)品。生產(chǎn)鋁液電量由電廠提供。虛線部分表示鋁錠生產(chǎn)需要鋁液作為原材料。

圖1 煤電鋁企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)框架

2 模型建立

2.1 符號說明與假設(shè)

考慮一個典型的煤炭產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，包含煤炭板塊、電力板塊和鋁板塊。煤炭板塊包含多個礦井和多個洗煤廠；電力板塊包含一個發(fā)電廠，發(fā)電廠的產(chǎn)品可以直供鋁廠、輸送電網(wǎng)，并有部分為企業(yè)自用；鋁板塊產(chǎn)品包括鋁液、鋁錠等。由于市場變化，鋁產(chǎn)品的市場需求量持續(xù)下滑，價格持續(xù)走低，需要決策是否停產(chǎn)。

假設(shè)下標(biāo)i表示礦井,i=1,2,…,I；下標(biāo)j表示洗煤廠,j=1,2,…,J；下標(biāo)n表示商品煤煤種,n=1,2,…,N，并且假設(shè)n=1表示主要精煤，n=2表示洗混煤，n=N表示原煤；下標(biāo)k表示發(fā)電去向，k=1,2,…,K,不妨設(shè)當(dāng)k=1表示直供鋁廠用電，k=K表示上網(wǎng)電力；m表示鋁類產(chǎn)品，m=1,2,…,M，并假設(shè)m=1表示鋁液。

假設(shè)Ai表示礦井i的生產(chǎn)能力；Bj表示洗煤廠j的洗煤能力；F表示發(fā)電廠的發(fā)電能力；Nm表示鋁類產(chǎn)品m的生產(chǎn)能力。

Ci0表示礦井i生產(chǎn)成本；Cj1表示洗煤廠j的生產(chǎn)成本；Cm2表示鋁產(chǎn)品固定成本；Cm3表示鋁產(chǎn)品可變成本；Cm4表示鋁產(chǎn)品停產(chǎn)成本；C0表示電廠燃料費(fèi)成本；C1表示電廠固定成本；C2表示電廠發(fā)電水費(fèi)成本。

YHj表示洗煤廠j入洗原煤的灰分；LYjn表示洗煤廠j洗出的煤種n的產(chǎn)率；Qk2表示各種渠道銷售的電量；H表示發(fā)電煤耗；α表示煤耗中原煤所占比例；β表示煤耗中洗混煤比例；H1表示鋁液單位耗電量。

Pn1表示煤種n的市場價格；Pk2表示電價；Pm3表示鋁產(chǎn)品價格；Dn1表示煤種n訂單數(shù)量；Dm3表示第m種鋁產(chǎn)品市場需求量；E表示煤電鋁供應(yīng)鏈總利潤；E1表示煤炭板塊利潤；E2表示電板塊利潤；E3表示鋁板塊總利潤。

決策變量：Yj表示洗煤廠j的入洗原煤量；YN1表示銷售給客戶的原煤量；YN2表示供給電廠原煤量；Ljn表示洗煤廠j的洗出煤種n的數(shù)量；Q表示電廠總發(fā)電量；Qm 3表示鋁產(chǎn)品產(chǎn)量；Im表示第m種鋁產(chǎn)品是否生產(chǎn)的0-1決策變量。

2.2 煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈利潤分析

煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈總利潤為煤炭板塊、電力板塊和鋁板塊利潤之和，其中煤炭板塊的利潤計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：第一項(xiàng)為煤炭的銷售收入；第二項(xiàng)為礦井的生產(chǎn)成本；第三項(xiàng)為洗煤廠的生產(chǎn)成本。

電力板塊的利潤計(jì)算見式(2)。

(2)

式中，第一項(xiàng)表示電力銷售收入，第二項(xiàng)表示發(fā)電廠的發(fā)電成本。

鋁板塊的利潤計(jì)算見式(3)。

(3)

式中：第一項(xiàng)為鋁產(chǎn)品的銷售收入；第二項(xiàng)為鋁產(chǎn)品的固定生產(chǎn)成本與變動成本之和；第三項(xiàng)為停產(chǎn)成本。

綜上所述，得到煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈的總利潤(式(4))。

E=E1+E2+E3

(4)

2.3 約束條件

根據(jù)各洗煤廠的歷史投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)，構(gòu)建各主要商品煤的投入產(chǎn)出的計(jì)量模型[12]，見式(5)。

Lj1=f(Yj,YHj,Lj2,Lj3,…,Lj(N-1)),j=1,2,…,J

(5)

洗煤廠洗選能力約束模型見式(6)。

Yj≤Bj,j=1,2,…,J

(6)

發(fā)電能力約束模型見式(7)。

Q≤F

(7)

鋁產(chǎn)品生產(chǎn)能力約束模型見式(8)。

Qm3≤Mm,m=1,2,…,M

(8)

商品煤銷售量約束模型見式(9)。

(9)

鋁產(chǎn)品的銷售量約束模型見式(10)。

Qm3≤Dm3,m=1,2,…,M

(10)

鋁產(chǎn)品產(chǎn)量與0-1變量的關(guān)系模型見式(11)。

Qm3≤RIm,m=1,2,…,M

(11)

其中R為一個相對較大的數(shù)，式(11)的作用是使得當(dāng)Im=0時，Qm3=0。

原煤產(chǎn)量與去向平衡公式見式(12)。

(12)

發(fā)電燃料費(fèi)包括發(fā)電原煤消耗與洗混煤消耗的成本之和,計(jì)算見式(13)。

C0=H×(α×Pn1+β×P2)

(13)

直供鋁廠電量等于鋁液的產(chǎn)量與單位耗電量之積，計(jì)算見式(14)。

Q12=Q13×H1

(14)

2.4 煤炭產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

以煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈總體利潤最大化為目標(biāo)，即以式(4)為目標(biāo)函數(shù)，以式(5)～(14)為約束條件的煤炭產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化的0-1混合整數(shù)優(yōu)化模型，該模型具有以下功能:①優(yōu)化煤炭板塊的商品煤生產(chǎn)數(shù)量和結(jié)構(gòu)，優(yōu)化商品煤銷售去向；②優(yōu)化電力板塊的生產(chǎn)規(guī)模和銷售去向;③優(yōu)化鋁板塊的各類鋁產(chǎn)品的產(chǎn)量和結(jié)構(gòu);④優(yōu)化鋁板塊的供給側(cè)生產(chǎn)能力結(jié)構(gòu)。

3 模型應(yīng)用

3.1 參數(shù)說明

某煤電集團(tuán)公司經(jīng)過近40年的開發(fā)建設(shè)，已形成集煤炭、電力、鋁業(yè)一體化綜合經(jīng)營的產(chǎn)業(yè)鏈，擁有四對煤炭生產(chǎn)礦井、四座選煤廠、一座發(fā)電廠、一座電解鋁廠、兩座鋁加工廠。煤炭板塊情況見表1，電力板塊生產(chǎn)情況見表2，鋁板塊生產(chǎn)情況見表3。

表1 煤炭板塊參數(shù)表

表2 電力板塊參數(shù)表

表3 鋁板塊參數(shù)表

五級精煤價格為787元/t，六級精煤價格為793元/t，原煤價格為522元/t。上網(wǎng)電價為0.439元/kW·h。

在電廠發(fā)電所用主要煤種中，原煤比例α為0.171，洗混煤比例β為0.554。根據(jù)煤炭企業(yè)各洗煤廠2010～2013年按月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，擬合出各洗煤廠主要精煤產(chǎn)出率的多元線性回歸模型，如表4所示，各模型整體顯著性檢驗(yàn)和變量顯著性檢驗(yàn)均顯著。

3.2 模型求解結(jié)果

通過煤炭產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化的0-1混合整數(shù)優(yōu)化模型的求解, 得到煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈總利潤及各版塊利潤結(jié)果如表5所示。

煤炭板塊決策如表6所示，電力板塊和鋁板塊決策如表7所示。

表4 某煤電公司各洗煤廠洗煤回歸模型

表5 煤炭產(chǎn)業(yè)鏈利潤情況表/萬元

表6 煤炭板塊決策情況表

表7 電力、鋁板塊決策情況表

3.3 模型動態(tài)情境分析

以下對鋁板塊進(jìn)行情境分析，分別以鋁液和冷軋卷為例，鋁錠和鋁板帶箔類推。情境分析分為兩種情況。

1)當(dāng)產(chǎn)量一定時，可根據(jù)利潤公式及0-1變量變化得到是否停產(chǎn)的價格臨界值。

2)當(dāng)價格一定時，可根據(jù)利潤公式及0-1變量變化得到是否停產(chǎn)的產(chǎn)量臨界值。

以下分析中產(chǎn)量和價格取值均是以公司實(shí)際生產(chǎn)情況和市場實(shí)際需求情況進(jìn)行設(shè)定。價格單位均為元/t，產(chǎn)量單位為萬t。

表8 產(chǎn)量固定時鋁液生產(chǎn)與否的情境分析

表9 鋁液價格固定時生產(chǎn)與否的情境分析

根據(jù)表8，當(dāng)產(chǎn)量為2.8萬t時，生產(chǎn)的價格臨界值為14751萬元/萬t。即當(dāng)價格在[0,12278]之間，企業(yè)停產(chǎn)。價格在[12278,14751]生產(chǎn)，利潤仍為負(fù)值，為企業(yè)減虧階段。當(dāng)價格大于24780萬元/萬t時，企業(yè)開始生產(chǎn)盈利。

根據(jù)表9，當(dāng)價格為14390萬元/萬t時，生產(chǎn)的產(chǎn)量臨界值為0.32萬t。即產(chǎn)量在小于0.32之間停產(chǎn)。產(chǎn)量在[0.32,3.2]萬t之間，利潤仍為負(fù)值，企業(yè)減虧階段。當(dāng)產(chǎn)量大于3.2萬t時，企業(yè)開始生產(chǎn)盈利。

表10 冷軋卷產(chǎn)量固定時生產(chǎn)與否的情境分析

表11 冷軋卷價格固定時生產(chǎn)與否的情境分析

根據(jù)表10，當(dāng)冷軋卷產(chǎn)量為3.9萬t時，生產(chǎn)的價格臨界為25396萬元/萬t時。即價格在[0,25396]停產(chǎn)。在[25396,27933.7]之間，企業(yè)生產(chǎn)，利潤為負(fù)值，企業(yè)減虧階段。當(dāng)價格大于27933.7萬元/萬t時，企業(yè)生產(chǎn)盈利。

根據(jù)表11，冷軋卷虧損比較嚴(yán)重。當(dāng)冷軋卷市場價格為14466萬元/萬t，生產(chǎn)越多虧損越多，應(yīng)立即停產(chǎn)。

4 結(jié)論

本文從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度探索煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈供給側(cè)結(jié)構(gòu)性優(yōu)化的模型與應(yīng)用。通過建立煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化的0-1混合整數(shù)優(yōu)化模型，優(yōu)化煤炭板塊的商品煤生產(chǎn)數(shù)量、結(jié)構(gòu)以及商品煤銷售去向；優(yōu)化電力板塊的生產(chǎn)規(guī)模和銷售去向；優(yōu)化鋁板塊的各類鋁產(chǎn)品的產(chǎn)量和結(jié)構(gòu)；優(yōu)化鋁板塊的供給側(cè)能力結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有煤炭供應(yīng)鏈優(yōu)化領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)相比，本文研究具有以下方面的創(chuàng)新：①建立了以產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)利潤最大化為目標(biāo)的煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型；②模型集成了煤電鋁產(chǎn)業(yè)鏈供給側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、煤電鋁企業(yè)供應(yīng)、生產(chǎn)、訂購決策等問題；③對模型進(jìn)行了應(yīng)用和分析，從模型實(shí)證分析的決策結(jié)果和情境分析可以看出, 該模型能夠從產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)優(yōu)化的角度有效優(yōu)化煤炭板塊、電力板塊和鋁板塊的供給結(jié)構(gòu)，并對部分板塊的去產(chǎn)能決策提供理論支持，模型具有科學(xué)性、系統(tǒng)性和有效性的特點(diǎn)。

本文研究對于完善煤炭供應(yīng)鏈系統(tǒng)優(yōu)化的理論和方法體系具有一定的理論價值，對于推動煤炭產(chǎn)業(yè)進(jìn)行供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和去產(chǎn)能決策提供了研究視角和方法借鑒。

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Decision model for the coal-electricity-aluminum industry chain and its application based on the aspect of supply-side

PENG Hongjun1, ZHOU Meihua2, MA Jingli2

(1.College of Economics and Management, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China； 2.School of Management, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

The structural reform of supply-side aspect and reducing the production capacity is urgent tasks for coal industry chain. This paper tries to study the problems of the structural optimization of the supply side in the perspective of industry structural optimization. Based on analyzing the structure of the coal-electricity-aluminum industry chain, we analyze the decision objective and the constraint conditions and establish a 0-1 mixed integer optimization model of the coal-electricity-aluminum industry chain. This model is designed to achieve maximization of total profit for the coal-electricity-aluminum industry chain. The model has the functions as following: optimizing the production quantity, structure and sales for the coal sector; optimizing the production quantity and sales for the electricity sector; optimizing the production quantity and structure for the aluminum sector; optimizing the production capacity for the aluminum sector. Finally, the model is analyzed by examples.Results show that the model has the characteristics of scientific, systemic and effective.

coal-electricity-aluminum industry chain; structure optimization; mixed integer optimized model; supply-side reform

2016-08-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號：71201164)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號：2014M561658)

彭紅軍(1980-)，男，安徽池州人，博士，副教授，從事供應(yīng)鏈管理、系統(tǒng)工程等研究，E-mail: penghj@njfu.edu.cn。

F407.1

A

1004-4051(2017)01-0029-05