基于系统动力学的低碳城市配送优化
[摘要]采用系统动力学的方法对低碳城市配送系统进行了研究。首先根据低碳城市配送系统中各个变量的关系，利用Vensim软件绘制因果关系图和存量流量图；接着结合广州市城市配送系统2001—2013年历年实际数据和系统自身的结构特点，界定模型中的各项参数，并对模型进行检验；然后通过对各个方案进行仿真模拟，预测广州市2020年低碳城市配送系统的相关指标，对比分析减排效果；最后根据仿真结果提出广州市低碳城市配送系统的优化方案，以降低城市配送带来的碳排放。
[关键词]低碳；城市配送系统；系统动力学；Vensim；优化
[中图分类号]F252.14 [文献标识码]A [文章编号]1005—152X（2017）03—0078—06
1引言
在低碳经济备受关注的今天，实现各行业的低碳化运作已成为社会大众所追求的共同目标。物流业作为我国国民经济发展的复合型服务产业，其活动总量的提升会增加燃油消耗，造成大气污染，同时物流运输车辆的增加会带来城市交通堵塞等问题。因而对物流相关活动进行低碳化的改善成为必然的发展趋势。同时随着我国城市化步伐的加快，城市规模迅速扩张，城市经济高速发展，人口数量急剧增长，引起了城市货运需求的急速增加；加上电子商务的快速发展，网购的频次越来越高，快递配送以及搬家公司等流通领域对货运的需求也大幅攀升。为了应对城市配送需求量的增加，更多的配送车辆将会投入到系统中，而这势必会加剧城市的交通堵塞，减慢通行速度，降低燃料利用率，从而导致更多的碳排放。因此，为了实现城市配送的可持续发展，本文针对城市配送的特点和各种相关因素，利用系统动力学的方法，对城市配送的低碳化进行系统性的研究，降低城市配送所带来的碳排放。
2研究现状
在碳排放影响因素研究方面，日本学者KAYA Yoichi认为一个国家或地区碳排放的推动力有4大因素，即人口、人均GDP、单位GDP的能源用量、单位能源用量的碳排放量，提出了著名的Kaya公式。TIAN等研究发现，经济增长对拉动中国人均碳排放的贡献率呈指数增长，经济增长因素对碳排放变动的贡献率为42.9%。张雷认为能源消费结构的多元化有利于国家从高碳燃料为主向低碳为主的转变。WANG等研究认为降低能源强度是中国减少碳排放的主要因素，调整能源结构对减少碳排放有重要的促进作用。
在配送低碳化研究方面，Maja根据不同的物流决策水平下货物运输需求、汽车燃料消耗和相关二氧化碳排放的影响，对2020年公路货物运输的碳足迹进行了预测。Yan Mu研究了二氧化碳捕获、运输和存储限制和处理运输和排放业务等环境因素对物流选址决策的影响。Balan将碳排放问题融入到整个配送网络各个节点的运作环节，构建了考虑碳排放量的物流配送网络优化模型。孙曦从农产品流通领域的运输配送环节分析了不同运输方式中的能耗和碳排放情况，从理论上提出了我国农产品运输配送低碳减排发展的合理化建议。
在低碳城市配送系统的研究方法上，陶冶等采用系统动力学的方法，对能源的可持续发展进行了研究，具体考虑了能源价格、能源税率、边际成本等因素对能源消耗量的影响。Yong-Ju采用模型研究的方法，将碳排放交易机制考虑在内研究多车型的低碳路径优化问题，以车辆使用成本和碳排放成本之和最小作为优化目标建立了一个混合型整数规划模型，并用禁忌搜索算法进行求解。McKinnon A.C.用实证研究法，根据国际上公路货物运输碳链的计算方法对不同公路运输方式估计碳的排放量，并采用相关实例进行验证分析。
可以看出，关于城市配送的研究，国内外学者的研究主要侧重于配送选址、路径优化等微观应用研究方面，相比之下，从低碳、绿色化、碳排放计量的角度研究城市配送系统的文献却很少。同样，对于低碳城市的研究，虽然国内外学者对低碳经济、绿色物流、交通配送等相关领域也进行了大量的研究，但大部分仅局限于国家政策、评价指标以及管理体系等，对低碳物流尤其是低碳城市配送的研究很少，并且利用系统动力学方法对低碳城市配送进行系统性研究就更少。因而本文将利用系统动力学的方法对城市配送的低碳化进行研究。
3低碳城市配送系统的系统动力学模型
3.1系统边界
低碳城市配送系统起源于国民经济（如图1）。国民经济的发展推动了城市配送业的发展；城市配送业在发展过程中由于众多的物流活动会产生大量的能源消耗和碳排放，在一定程度上加重了环境污染；环境污染会制约经济的可持续发展，从而也制约了城市配送业的可持續发展；但随着社会经济转型环保意识的增强以及环保投资的增加，一定程度上缓解了碳排放和能源消耗的压力。
3.2系统因果关系分析
结合上文对低碳城市配送系统的边界分析，利用Vensim软件对该系统进行了因果关系分析，各个因素间的关系及反馈回路如图2所示，可知低碳城市配送系统模型共有三条回路：
回路1：GDP→+城市配送货物周转量→+能源消耗总量→+能源消耗成本→+城市配送成本→+城市物流业配送增加值→+GDP
回路2：GDP→+城市配送货物周转量→+能源消耗总量→+二氧化碳排放量→+二氧化碳污染量→+碳污染损失→+GDP
回路3：GDP→+环保投资→+城市配送二氧化碳治理费→+二氧化碳减少量→+二氧化碳污染量→+碳污染损失→+GDP
3.3存量流量图
通过对低碳城市配送系统的各个影响因素的分析，结合不同变量间的因果关系，利用Vensim软件绘制出了低碳城市配送系统的存量流量图，如图3所示。
国民经济的发展可以促进城市配送业的发展，带来城市配送需求增加，使得城市货物周转量也相应增加。货物周转量的增加会导致汽油车、天然气车、柴油车等运输车辆在配送过程中的能源消耗增加，使得城市配送的成本相应增加，实现的行业总产值也相应增加，从而带来城市物流配送业增加值的提高，进一步促进了国民经济的增长。但是，国民经济的快速发展会带来能源消耗的增加和碳排放的增多，为了抑制这一现象，需要进行环保投资和治理以改善能源和大气状况，国民经济的发展为资金的投入提供了可能，使得环境污染能够得到有效治理和控制。
3.4广州市低碳城市配送系统分析
3.4.1城市配送。广州市2001-2013年交通系统公路货运量见表1（数据来自广州市统计局统计年鉴，表2，表3同），包括运输车辆数、货物运输量及货物周转量。从表中数据可以看出近些年广州市城市配送业发展迅猛，货物周转量持续快速增长。
3.4.2经济发展。广州市2001-2013年各项经济指标见表2，包括了地区生产总值（GDP）及各产业产值。可以看出，近些年广州市城市经济发展迅猛，GDP持续快速增长，由此带来了社會消费品零售总额的增长，促进了城市配送的需求。
3.4.3能源消费。广州市2001-2013年各产业能源消费总量见表3。可以看出，随着广州经济的不断发展，近年来广州市能源消耗量逐年增加，各产业对能源的需求不断增长。
3.4.4碳排放。目前广州市投入城市配送运输的车辆包括汽油车、柴油车和天然气车。见表4，不同种类能源消费的碳排放系数不同，其中柴油的碳排放系数最高，天然气的碳排放系数最低。因而，可以通过对运输车进行改造，发展清洁可再生能源作为燃料，降低能耗高的运输车的比重，从而降低单位能源的污染物排放，以降低整体的碳排放量。
3.5广州市低碳城市配送模型参数界定
模型的预测范围为2001到2020年，2001到2013年为该模型的检验年。模型中涉及到各种参数，参数值的确定采用了系统动力学常用的确定方法，如经验法、估计法和拟合法等。
对于GDP与货物周转量的关系，根据前文中广州市2001-2013年的GDP与货物周转量数据统计，利用SPSS对数据进行回归分析，确定了GDP与货物周转量的关系表达式：y=0.000 086x+0.502。其中，y表示货物周转量（亿t·km），x表示GDP（亿元），R2=0.887，线性拟合程度好。
对于单位能源消耗的确定，由于城市配送中使用的运输车类型不同，使用的能源种类不同，因而将不同车的能源消耗转换成标准煤（见表5），以便于计算。
模型中其他已知参数有：各运输车的排放系数、各运输车的货物周转量比、治理效率、污染损失系数等，这些已知的数据均来源于中国统计年鉴、中国能源年鉴等。其中，污染损失系数是由环保部根据治理成本法计算得出的（见表6）。
3.6模型检验
3.6.1运行检验。为了检验模型的稳定性，选取不同的时间仿真步长进行了仿真分析，分别选取1年、0.5年、0.25年进行运行仿真，结果显示，模型的系统结构和系统行为基本稳定。同时采用灵敏性测试，对模型中某些参数进行估计和测试。将环保投资增加20%，即环保投资系数从0.015 9增加至0.019 08，可以看到两种情况下的二氧化碳污染量对比（如图4所示），可以看到其变化规律符合模拟需求。
3.6.2历史检验。为了检验仿真模拟数据与实际数据是否一致，选取sD模型中的2个主要变量“GDP”、“城市配送货物周转量”，将2001-2013年仿真运行的结果与实际数据相对比，从表7可知，误差绝对值在10%以内，考虑到社会政策、经济环境的随机性和变动性，该模型运行结果的可靠性比较高。
4模拟仿真分析
4.1增加治理投资
在增加治理投资方面，一方面可以增加环保投资，使得城市配送业的投资增加；另一方面是增加二氧化碳治理投资系数。如图5、6所示，利用Vensim软件进行模拟实验，方法一是增加环保投资20%和40%，方法二是增加治理投资20%和40%。从表8数据对比可以看出到2020年两种方法均达到了一定的减排效果。
4.2降低运输车单位能耗
利用Vensim软件进行模拟实验，将柴油车单位能耗与汽油车单位能耗同时降低10%、20%和30%，模拟运行的2020年二氧化碳污染量和能源消耗总量结果如图7、8所示，从表9数据可知，单位能耗的降低能够有效减少能源消耗量，并且能够带来碳排放量的降低。
4.3降低排放系数
运输车辆在进行配送作业时，汽油、柴油等化石燃料会不断消耗产生大量C02等大气污染物。利用Ven-sim软件将以化石能源作为燃料的柴油车和汽油车排放系数分别降低10%、20%、30%进行模拟，观察2020年的运行结果，如图9、10所示。通过表10和表11的数据可以发现，降低柴油和汽油的排放系数均能有效地降低碳排量。
通过以上各种方案的模拟，可以看出，在低碳城市配送系统中，通过加大环保相关的治理投资、降低运输车辆的单位能耗以及降低化石能源的排放系数均可对二氧化碳减排起到一定的效果。
通过仿真模拟结果可知，降低配送车辆的单位能源消耗值对碳减排的贡献可达到50%以上，对节能的贡献可达到30%以上。因而，实现配送车辆单位能耗的减少可以有效促进节能减排，具体的措施包括改进车辆的发动机、增加燃油效率、构建更便捷的公路设施系统、加快节能技术的开发和推广等。同时在城市配送中，柴油车和汽油车是目前使用最多的配送运输工具，天然气车的应用量很少，但相较柴油和汽油，天然气的碳排放系数是最低的，并且天然气是可再生能源，因而可以通过增加天然气车的比重来减少碳的排放。与此同时，增加环保方面的投资也是很有必要的，通过对节能环保技术的开发研究、对大气环境进行监控和防治以及对已污染区进行治理均对环境有利。
5结语
2012年以来我国先后启动了两批共42个低碳省区和低碳城市试点。广州市作为我国第二批低碳试点城市，在实行低碳城市配送方面，需要立足于本地情况，积极探索有效的措施。本文在对广州市低碳城市配送系统进行分析的基础上，建立了系统动力学模型，并通过仿真分析探寻到了优化措施。在增加治理投资方面，一方面加大对大气环境进行监控和防治，对已污染区进行治理；另一方面需要推动低碳技术在运输工具中的应用，加快低能耗、低排放量运输车辆的发展，并为企业提供一定的补贴或减免税等优惠政策。在降低运输车单位能耗方面，可以从多个方面人手，比如改进车辆的发动机、增加燃油效率、构建更便捷的公路设施系统、加快节能技术的开发和推广等，这些均是比较可行且效果显著的方法。在降低排放系数方面，由于城市配送业的能源消耗较大，造成了大量的碳排放，一方面可以对现有以化石能源作为燃料的运输车辆进行引擎改良、加装尾气净化装置等来降低碳排放系数；另一方面可以逐步推广新型可替代燃料在配送车辆中的应用，加大低碳节能技术的研发和推广，从源头解决碳排放的问题，推进广州低碳城市建设。
