基于碳足跡的電商物流網(wǎng)點(diǎn)布局簡(jiǎn)易算法

張 浩，萬(wàn) 晗，全 慧

（1.南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)代物流研究中心，江蘇 南京 210037；3.南京林業(yè)大學(xué)環(huán)境與發(fā)展系統(tǒng)工程研究所，江蘇 南京 210037）

1 引言

中國(guó)電子商務(wù)發(fā)展迅猛，物流網(wǎng)點(diǎn)布局問(wèn)題的研究和應(yīng)用越來(lái)越得到重視。很多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了理論探索，比如：以降低總成本為目標(biāo)建立非線(xiàn)性混合整數(shù)規(guī)劃模型，用量子粒子群算法對(duì)該模型進(jìn)行求解[1]；考慮客戶(hù)的滿(mǎn)意度，建立距離懲罰成本函數(shù)求解[2]；針對(duì)物流網(wǎng)點(diǎn)的時(shí)效性，采用改進(jìn)PSO算法進(jìn)行分析[3]；根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)時(shí)空特征，建立空間自相關(guān)模型及匹配度模型等[4]。近年來(lái)加強(qiáng)了應(yīng)用研究，特別是基于GIS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析和網(wǎng)點(diǎn)布局優(yōu)化[5]。但在以下兩方面存在深入討論的必要：第一，現(xiàn)有模型算法非常復(fù)雜，很難在實(shí)踐中廣泛運(yùn)用，特別是對(duì)廣大中小電商企業(yè)幾乎是望塵莫及；第二，現(xiàn)有研究大多以提高效率、降低成本為目的，對(duì)于低碳環(huán)保問(wèn)題考慮不足。

目前低碳環(huán)保的理念已深入人心，相關(guān)研究倍受重視，其中碳足跡是主流研究理論之一[6]，并從不同的視角取得了很多突破。比如：從產(chǎn)品制造過(guò)程進(jìn)行碳足跡核算[7]；從產(chǎn)品生命周期視角的評(píng)價(jià)[8]；基于IPCC排放因子等方法對(duì)某地區(qū)進(jìn)行碳足跡估算等[9-10]。然而總體來(lái)講，方法論方面仍存在許多問(wèn)題，特別是計(jì)算過(guò)程非常復(fù)雜[11]，Laura等提出一種確定區(qū)域碳足跡的簡(jiǎn)化方法[12]，但由于數(shù)據(jù)獲取等問(wèn)題，在實(shí)際中直接運(yùn)用的難度仍很大，對(duì)于物流網(wǎng)點(diǎn)布局問(wèn)題的應(yīng)用研究有待探索。本文嘗試提出一種基于碳足跡的簡(jiǎn)易算法，可為中小電商企業(yè)所掌握，以便解決物流網(wǎng)點(diǎn)布局優(yōu)化問(wèn)題。

2 研究方法

2.1 調(diào)研方式和數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)習(xí)等方式，對(duì)某電商企業(yè)（MM化妝店）進(jìn)行調(diào)研。收集了以下幾方面的數(shù)據(jù)：過(guò)去一年內(nèi)各供貨點(diǎn)（生產(chǎn)商）的收貨情況、發(fā)往全國(guó)各地的快遞單有效數(shù)據(jù)、快遞包裝箱尺寸和包裝填充物等。

（2）通過(guò)實(shí)地考察的方式，收集了郵政EMS、順豐速運(yùn)和圓通快遞等公司使用的包裝箱和包裝物數(shù)據(jù)，以及常用車(chē)輛及載貨情況。

（3）通過(guò)參觀考察的方式，調(diào)研了蘇寧易購(gòu)某大型物流配送中心，收集了月均吞吐量、耗電量等數(shù)據(jù)。

2.2 物流網(wǎng)點(diǎn)布局的基本算法選擇

物流網(wǎng)點(diǎn)布局的模型和算法有很多，比如：位圖法、重心法、評(píng)分法等，多用于一元網(wǎng)點(diǎn)布局問(wèn)題，即選擇一個(gè)地點(diǎn)建設(shè)或租用倉(cāng)庫(kù)。目前許多中小電商企業(yè)面臨這一問(wèn)題，自己設(shè)立倉(cāng)庫(kù)，從多個(gè)供貨點(diǎn)（如生產(chǎn)商）進(jìn)貨，然后直接通過(guò)快遞發(fā)給最終消費(fèi)者，但從實(shí)際情況看，幾乎不需要上述算法，因?yàn)橹苯泳徒O(shè)倉(cāng)即可。

近年來(lái)物流寶等倉(cāng)儲(chǔ)配送一體化網(wǎng)絡(luò)模式發(fā)展迅猛，從共同配送的原理可知，這種模式的效率高、成本低。許多企業(yè)自己不再設(shè)倉(cāng)，而在不同地區(qū)租用倉(cāng)庫(kù)，貨物直接從多個(gè)供貨點(diǎn)發(fā)往多個(gè)倉(cāng)庫(kù)（收貨點(diǎn)），再?gòu)膫}(cāng)庫(kù)發(fā)給消費(fèi)者。這就形成了多個(gè)發(fā)貨點(diǎn)和多個(gè)收貨點(diǎn)的地址選擇和運(yùn)量?jī)?yōu)化問(wèn)題，最小元素法是處理此類(lèi)問(wèn)題最簡(jiǎn)單有效的方法，本文以此作為基本模型。

模型可表示為：一定時(shí)期內(nèi)（如一個(gè)月），從m個(gè)供貨點(diǎn)（產(chǎn)地）A1，A2，···，Am直接向n個(gè)收貨點(diǎn)（倉(cāng)庫(kù)）B1，B2，···，Bn供貨，各供貨點(diǎn)的發(fā)貨量分別是a1，a2，···，am，各倉(cāng)庫(kù)的收貨量分別為b1，b2，···，bn。產(chǎn)地Ai到倉(cāng)庫(kù)Bj的單位物品運(yùn)價(jià)為cij，求總運(yùn)費(fèi)最小的調(diào)運(yùn)方案。

但是該模型從應(yīng)用的角度存在以下兩點(diǎn)改進(jìn)必要：（1）物流量的度量，基本算法是以t·km為單位，然而電商的物流方式以快遞為主，因此改為以“件”為單位；（2）目標(biāo)的選擇，基本算法是成本最低并以元為計(jì)量單位，如果以低碳環(huán)保為目標(biāo)，可以用碳排放量（kg）為計(jì)量單位，事實(shí)上這兩個(gè)目標(biāo)是不矛盾的[13]。如果用碳排放量為計(jì)量單位，則涉及碳足跡的算法選擇。

2.3 基于碳足跡的算法改進(jìn)

（1）基本算法及改進(jìn)原理。計(jì)算碳排放量有很多方法，但從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，最簡(jiǎn)單方便的是采用計(jì)算器。根據(jù)碳排放的定義及基本原理，很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些計(jì)算軟件或平臺(tái)，這些被統(tǒng)稱(chēng)為碳足跡計(jì)算器。其中山水自然保護(hù)中心設(shè)計(jì)的碳足跡計(jì)算器是典型的代表[14]，本文采用此計(jì)算器（以下稱(chēng)原計(jì)算器）的基本算法原理，計(jì)算依據(jù)主要有兩方面：①使用的物資，即不同材料、不同用量的背后有不同的碳排放量；②發(fā)生的行為，特別是出行，即選用不同的交通工具和里程會(huì)產(chǎn)生不同的碳排放量，可用下式表示：

式中，C為總碳排放量，Wi為第i種物資（如紙）或能源（如電）的消耗量，αi為該物資或能源的碳排放系數(shù)；Hj為第j種行為的度量（如乘地鐵的公里數(shù)），βj為該行為的碳排放系數(shù)。

然而該計(jì)算器主要針對(duì)家庭生活、工作及出行等方面的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于物流過(guò)程的碳排放很難直接形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，很多物資和行為沒(méi)有出現(xiàn)在計(jì)算器中，因此有必要加以改進(jìn)。改進(jìn)思路是在計(jì)算依據(jù)不變的前提下，將快遞使用的物資和物流全過(guò)程中發(fā)生的行為進(jìn)行換算，從而與原計(jì)算器中的統(tǒng)計(jì)口徑形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（2）使用物資的碳排放計(jì)算。對(duì)于快遞而言，最主要的物資是包裝箱，計(jì)算碳排放時(shí)，先換算為原計(jì)算器中的相同物質(zhì)，再按使用的重量或個(gè)數(shù)直接進(jìn)行計(jì)算。按照材質(zhì)的相似性，將包裝物分為兩類(lèi)：①紙類(lèi)，并按重量計(jì)算，包裝箱多為紙箱，并以瓦楞紙為主，不妨直接換算成紙計(jì)算；②塑料袋，包裝物中的其他部分主要有：塑料袋、膠帶、泡沫等填充物，其材質(zhì)屬性相似，均為石化產(chǎn)品，可按重量換算成塑料袋計(jì)算。但經(jīng)實(shí)際測(cè)算，每個(gè)包裝箱中這些物資的碳排放量很小，因此以下計(jì)算中忽略之。

此外，物流實(shí)踐中每件貨的尺寸可能各不相同，很難用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)度量，但郵政EMS的標(biāo)準(zhǔn)已為國(guó)內(nèi)外廣大用戶(hù)認(rèn)可，因此以此為基準(zhǔn)。在調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)工作人員的認(rèn)知和操作習(xí)慣，可分為大、中、小三類(lèi)，再按用量大小用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法歸類(lèi)，具體尺寸范圍見(jiàn)表1，以此作為實(shí)際操作的參考。

（3）物流過(guò)程的碳排放計(jì)算。每件快遞都要經(jīng)歷一個(gè)完整的物流過(guò)程，但該過(guò)程十分復(fù)雜且很多指標(biāo)難以精準(zhǔn)測(cè)度，因此僅考慮最主要的物流活動(dòng)，不考慮途中轉(zhuǎn)運(yùn)和末端配送等環(huán)節(jié)。最主要的物流活動(dòng)發(fā)生在路途和節(jié)點(diǎn)上，路途中最主要的是運(yùn)輸，節(jié)點(diǎn)上最主要的活動(dòng)是裝卸、搬運(yùn)、分揀等。

對(duì)于運(yùn)輸，以公路和鐵路運(yùn)輸為主，其中公路運(yùn)輸工具以貨車(chē)為主，但在原計(jì)算器中沒(méi)有此交通工具選項(xiàng)，根據(jù)碳排放的基本原理，應(yīng)按油耗進(jìn)行選擇和換算。經(jīng)調(diào)研分析，最接近交通工具的是公共汽車(chē)。此外，原計(jì)算器計(jì)算出來(lái)的是以人為單位的碳排放量，即每人每公里的碳耗量，因此需要從運(yùn)載量的角度進(jìn)行換算，即換算成每件貨每百公里的碳耗量，這與包裝箱的大小有關(guān)。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)的物流活動(dòng)，主要有裝卸、搬運(yùn)、分揀等多個(gè)環(huán)節(jié)，很難具體測(cè)量計(jì)算，但從碳排放的角度看以用電為主，因此選擇原計(jì)算器中的電耗作為計(jì)量單位?？紤]到物流自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越普及，能夠用一個(gè)系統(tǒng)完成上述所有作業(yè)，因此可簡(jiǎn)易地用系統(tǒng)耗電量除以吞吐量計(jì)。由于在節(jié)點(diǎn)作業(yè)中，無(wú)論貨物大小，每個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)一個(gè)都不能少，且要均攤公共的電耗，因此區(qū)分包裝箱大小的意義不大。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不妨用物流中心的月均總耗電量除以月均總吞吐量。

為方便實(shí)際操作，給出不同類(lèi)別包裝箱碳排放計(jì)算的參考標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1），表1中每類(lèi)的計(jì)算參考值以均值計(jì)。具體計(jì)算時(shí)參考表中帶*行中的數(shù)值，只要知道公路或鐵路的里程數(shù)即可簡(jiǎn)易計(jì)算。例如，每件中等包裝的碳排放量=0.88+0.34+0.13×公路運(yùn)輸里程（100km）+0.09×鐵路運(yùn)輸里程（100km）。

表1 三類(lèi)包裝箱碳排放的參考計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

2.4 計(jì)算步驟

第一步，確定m個(gè)供貨點(diǎn)和n個(gè)收貨點(diǎn)的數(shù)量和具體地點(diǎn)。通常供貨點(diǎn)的數(shù)量和地址可直接根據(jù)生產(chǎn)廠(chǎng)家確定，因此主要是確定收貨點(diǎn)的數(shù)量和地址。由于每筆訂單都有收貨地點(diǎn)，因此可根據(jù)歷史銷(xiāo)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測(cè)，建立銷(xiāo)量與地區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)聚類(lèi)的方法，找到最合適的類(lèi)別數(shù)，該數(shù)量即為n。然后對(duì)每一類(lèi)別，根據(jù)實(shí)際情況確定一個(gè)合適的地點(diǎn)。例如無(wú)錫、南京、鎮(zhèn)江、馬鞍山為同一類(lèi)別，再根據(jù)交通和其他情況確定倉(cāng)庫(kù)具體地址，如南京某倉(cāng)庫(kù)。

第二步，確定各供貨點(diǎn)的發(fā)貨量a1，a2，···，am，以及各倉(cāng)庫(kù)的收貨量b1，b2，···，bn，這里的發(fā)貨量和收貨量均以“件”計(jì)，具體應(yīng)根據(jù)企業(yè)的收發(fā)貨業(yè)務(wù)量確定。

第三步，給出每個(gè)供貨點(diǎn)到每個(gè)收貨點(diǎn)的公路和鐵路運(yùn)輸里程，可從網(wǎng)上方便查詢(xún)，實(shí)際操作中可能只出現(xiàn)公路運(yùn)輸一種情況。

第四步，按表1根據(jù)企業(yè)最常用的包裝箱確定類(lèi)別，并計(jì)算每個(gè)供貨點(diǎn)到每個(gè)收貨點(diǎn)的碳排放量（kg/件），從而得到物流量和碳排放量表。

第五步，進(jìn)行初始調(diào)運(yùn)分析，得到暫時(shí)的優(yōu)化方案。具體計(jì)算時(shí)，方法步驟和最小元素法相同，限于篇幅，不再給出。

第六步，初始結(jié)果的檢驗(yàn)與調(diào)整，最常用的方法是位勢(shì)法和逆回路法，直至得到最優(yōu)方案，根據(jù)企業(yè)其他情況也可適當(dāng)再進(jìn)行調(diào)整。

第七步，上述計(jì)算結(jié)果可為具體的物流安排提供參考，從而產(chǎn)生直接應(yīng)用。比如：倉(cāng)容設(shè)計(jì)或倉(cāng)庫(kù)租用面積分析、運(yùn)量合理安排、運(yùn)輸工具和承運(yùn)公司選擇等。

3 實(shí)例分析

下面以調(diào)研企業(yè)（MM化妝店）為例進(jìn)行分析，并給出主要步驟的結(jié)果。該電商企業(yè)只進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)銷(xiāo)售，不涉及生產(chǎn)，原有的物流模式如圖1所示，連云港既是供貨點(diǎn)又是自己的倉(cāng)庫(kù)，另兩個(gè)供貨點(diǎn)為：鄭州和汕頭，發(fā)貨至連云港后通過(guò)快遞向全國(guó)發(fā)貨。

根據(jù)企業(yè)的業(yè)務(wù)量，運(yùn)用SPSS20.0對(duì)銷(xiāo)售量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)銷(xiāo)售地點(diǎn)的城市、省份等數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)合其他因素分析得到的收貨點(diǎn)為南京、哈爾濱、株州和太原，即擬在此租用倉(cāng)庫(kù)（物流寶倉(cāng)庫(kù)）。

確定包裝箱的類(lèi)別，從方便操作的角度，這里選擇用量最大的包裝箱，其尺寸為300mm×250mm×200mm，根據(jù)表1確定為中等包裝箱。經(jīng)前四步計(jì)算后得到物流量和碳排放量表（見(jiàn)表2），表中的物流量供需平衡并以“件”為單位，任意兩地點(diǎn)間的碳排放量以kg為單位。

圖1 原物流模式

表2 物流量與碳排放量表

經(jīng)第五、六步計(jì)算可得總碳排放量最小的最優(yōu)調(diào)運(yùn)方案（見(jiàn)表3），單位均為“件”，例如汕頭平均每月發(fā)給株州3 840件貨。

表3 最優(yōu)的調(diào)運(yùn)方案表

根據(jù)表3，MM化妝店優(yōu)化后的物流模式和具體運(yùn)量如圖2所示，結(jié)合其他因素和實(shí)際情況，也可適當(dāng)微調(diào)，如每月汕頭只發(fā)南京40件貨，運(yùn)量太小，可考慮取消此線(xiàn)路，協(xié)商讓連云港增加相應(yīng)的供貨量。

4 結(jié)論與展望

目前低碳環(huán)保理念已成全球共識(shí)，碳足跡是主流理論和方法之一，物流網(wǎng)點(diǎn)布局優(yōu)化等也是大勢(shì)所趨，但是算法的復(fù)雜性限制了在實(shí)踐中的應(yīng)用。針對(duì)目前中小電商企業(yè)的物流現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，選擇了簡(jiǎn)單易用的最小元素法作為基本模型并加以改進(jìn)。從方便實(shí)際操作的角度，采用碳足跡計(jì)算器作為計(jì)算工具，對(duì)包裝箱分成3類(lèi)，分別給出了以件為單位的物流全過(guò)程的碳排放計(jì)算參考標(biāo)準(zhǔn)。以MM化妝店為案例，對(duì)物流網(wǎng)點(diǎn)布局的調(diào)運(yùn)方案進(jìn)行優(yōu)化，從而證明了本文算法的簡(jiǎn)易性和可行性。這有助于開(kāi)發(fā)出簡(jiǎn)單適用的快遞物流碳排放計(jì)算器、物流網(wǎng)點(diǎn)布局優(yōu)化計(jì)算器等工具，在網(wǎng)絡(luò)上共享以便讓更多的人使用。由于調(diào)研的數(shù)據(jù)量有限，如果結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，本文給出的計(jì)算參考值有待進(jìn)一步完善。

圖2 優(yōu)化后的物流模式