摘 要

本文旨在研究，企业在管理库存成本时若考虑产品运输和变质过程中的碳排放，应当进行怎样的优化调整，生产交付时有什么不同。现有的一些研究在考虑碳排放时大多着重于供应商的库存管理过程。但事实上，供应商与购买方之间的交付与运输理应考虑双方。因此，本研究以单一供应商单一购买方为背景建立了一个联合双方的库存管理总成本模型。此模型考虑到库存管理过程中碳排放的两大重要来源：产品变质和产品运输。再使用线性规划、灵敏度测试等手段对结果进行处理分析。得出结论，设立碳限额机制会使两级供应链中的生产商控制订单的交货频率，并迫使双方对产品的仓储过程进行优化改良。此外本文还对一些特殊行业的碳排进行了分析，得到了模型的变式，以提高其适用性。

关键词：库存成本、碳排放、碳限额、变质

Abstract

The purpose of this paper is to study how to optimize and adjust the production process if consider the carbon emissions in the process of product transportation and deterioration when managing inventory costs, and what are the differences in production delivery. This study establishes a joint total inventory management cost model with one supplier and one purchaser as the background. This model considers two important parts of carbon emissions in inventory management: deterioration of products and transportation of products. Then the results are processed and analyzed by means of linear programming and sensitivity test. It is concluded that the establishment of carbon quota mechanism will enable producers in two-echelon supply chains to control the delivery frequency of orders and force both sides to optimize and improve the warehousing process of products. In addition, the carbon emissions of some special industries are analyzed, and the variants of the model are obtained to improve its applicability

Key Words:Inventory cost;Carbon emission;Carbon limit;Deterioration

目录

第1章 绪论 2

1.1本论文的背景和目的 2

1.3本论文的主要方法和研究进展 4

1.4本论文的主要内容 4

第2章 文献综述 5

2.1思考与方向 5

2.2研究现状 6

第3章 数学模型的建立 7

3.1库存成本的构成与分析 7

3.11库存获得成本： 7

3.12库存持有成本： 8

3.13运输成本： 8

3.14筛选成本： 8

3.2碳排放影响因素分析 8

3.3模型建立分析 9

3.4条件假设 9

3.5符号标记 10

3.6买方库存管理总成本模型 11

3.7供应商库存管理总成本模型 13

3.8联合库存管理总成本函数模型： 15

第4章 数值案例与模型求解 15

4.1数值案例 15

4.2求解方案： 16

4.3求解与分析 16

4.4灵敏度测试 19

4.5灵敏度测试结果分析 21

第5章 模型拓展与延伸 21

5.1供应决策 21

5.2特殊行业 23

第6章 结论与展望 24

6.1总结 25

6.2缺陷陈述 25

6.3今后的研究发展方向 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1本论文的背景和目的

背景介绍 在21世纪的今天，随着人们对生产生活环境的要求越发提高，“节能减排”早已成为当今时代的主题之一。为此，多年来各个国家和地区也相继的出台了相关政策或法案来进行碳排放的宏观控制。在1992年，150多个国家在联合国环境与发展大会上制定了《联合国气候变化框架公约》，这也是国际上对碳排放观点达成一致所颁布的第一份相关规定。此后在1997年12月，第三次会议缔约方在日本京都再次通过《京都协议书》，建立了绿色发展机制（CDM）。2009年12月，第15次缔约方会议在丹麦哥本哈根召开峰会，商讨2012年至2020年的全球减排方案。至此，国际上大部分国家对碳减排这个问题达成一致。为了切合实际的履行承诺进行碳减排，一些国家逐渐实行具体的碳约束政策。其中使用较广的一种就是碳限额与碳交易权。它给予相应企业一个碳排放总量上限，并允许国家和企业通过指定的平台交易碳排放权。然而，碳限额机制意味着许多企业不得不重新考量生产库存运输等存在大量碳排的过程。国内外现有的一些研究在考虑碳排放时大多着重于供应商的库存管理过程。也有的研究建立了库存管理过程中碳排放总量的模型，并对其最小化进行求解。但从企业的角度来看，企业应该如何保证碳限额与交易权下的生产运行能获取最大的利益？决策者在库存管理上又要做出哪些调整？这些正是本文所需要研究探讨的。

研究目的与简要分析 上述即是本文的相关背景介绍，而在此背景下，本研究考虑了一个二阶供应链库存管理模型，在此模型之中只存在一家供应商和一家购买方。同时供应商的生产方式为订单式生产，即在收到订单后开始生产直至达到预期生产总量。整个订单在总订单周期内均分为整数次进行交付，并且每次的交付数量、运输距离以及能耗固定且已知。供应商按订单生产，并分批次进行交付。买方收货后进行筛选，筛选后所有不良品被排除反库进行抢修。具体联合生产-供应流程如图1。买卖双方均严格遵守上述的碳限额机制。两方的库存中都存在变质损耗，而且变质品为废品无法使用，对变质品的处理过程会产生碳排。本文所研究的问题则是企业在进行库存成本管理时如若考虑碳排放的情况下，应当做出怎样的改动来优化生产，又该如何平衡库存成本与碳排放。因为我们可以预见，企业在碳限额机制下进行库存管理时，由于这个“上限”的存在，进行管理网优化的范围会受到一定的限制。可供企业优化的选择变少，一些对碳排放量影响优先级较大的数值不再能随意调整或变动。为此，需要对库存成本和碳排放量进行具体分析，根据其构成以及影响因素来进行模型的建立与求解。从而，达到本研究的目的，了解碳排放因素对相关企业在库存管理过程中的实际影响。

图1：生产供应流程

1.3本论文的主要方法和研究进展

本研究以单一供应商单一购买方且供应商按订单进行生产为背景条件建立了一个联合双方的库存管理总成本模型。此模型的建立考虑到了库存管理过程中所产生碳排放的两大重要来源：产品变质和产品运输。以碳限额上限机制为约束条件对模型进行求解，从而得出单次订单期间交付产品次数n的最优解。在保证碳排合理的前提下使库存管理的总成本降到最低。此后，同时对总成本模型和碳排放总量模型进行灵敏度测试来得出各个数据的影响优先级，从而结合模型求解结果来制定相应的优化选择和方案。接着，针对不同的角度不同的行业对模型以及本文的问题进行特殊化分析和补充，将模型进行变式以提高其泛用性。

1.4本论文的主要内容

本研究在明确了背景框架和条件后，对问题由许多方面逐个展开较为详细的分析，包括生产供应流程的分析、库存成本的分析、碳排放因素的分析以及模型建立的一些分析。之后，再根据问题分析的据以结果来进行一些数据符号的设定和相应的假设。然后分别对买方和供应商的库存管理总成本进行数学模型的建立。接着整合两者来得出联合库存管理总成本的模型，与此同时建立联合碳排放总量的函数模型。在碳排总量严格遵守碳限额上限标准的前提下，于案例中带入相应的具体数据进行运算，从而求得单次订单全部完成所需要的交付次数n的最优解n*。此外,也求出在无碳限额约束条件下n的最优解N。在得到结果后对比两者来了解碳限额机制的实际影响。之后在对联合总成本函数和碳排总量函数分别进行灵敏度测试分析后，考虑不同数据的敏感度来得出实际的生产优化目标和方案，以及是否需要买卖碳排放权。最后再针对一些特殊行业的实际情况进行考虑，模型的变化与改进。综合全部的分析过程，进行总结得出一些具体有效的结论，来给予当今企业在碳排处理和库存管理上的部分建议。

第2章 文献综述

2.1思考与方向

作为全球碳排放的重要来源之一，企业的碳排放主要包括生产过程中的碳排放和库存管理（供应链管理）过程中的碳排放。目前来说，需要考虑和确定的方向主要有碳约束种类、碳排构成、供应链模型以及主要研究对象。除了已经确定的几项外，由于生产过程中的碳排放大多与设备运作以及生产有关，直接会影响到企业的生产效率。所以要想进行较大幅度的碳减排不太现实，只能利用5S进行生产现场的细节优化或者更换设备，故而在研究平生产过程中的碳减排时较为不易或者不具成效。与之相比，库存管理过程中的碳排放则主要表现为运输配送中的碳排放和存储过程中维持持产品质量所产生的碳排放，相对来说更加易于测量和管控。至于供应链模型，考虑到后续需要进行数据的分析，本研究选择了单产品单目标的供应链模型而非传统的三级供应链或者是多产品多目标模型。研究对象的种类十分繁多，现有的每篇相关文献所选取的研究对象都有所不同，包括运输装填方面、生产方面、库存方面以及交付订单反面等。具体的选择需在进行库存成本分析和碳排放分析后得出。

表1：研究方向与类别

2.2研究现状

现阶段国内外关于库存管理过程与碳排放相关研究的主要类别或者说研究方向见表1。事实上，碳排放的选择上以运输配送方面为主，许多学者已经尝试通过合理的规划企业生产、库存与配送，来尽可能的减少运输配送过程中所产生的碳排放；但也有学者如张明伟，屈晓龙，李波^[1]就考虑的较为复杂，想对涵盖多种产品、多个运输配送路线和时间的供应链模型进行优化，来使企业在最佳生产时间进行生产、用最佳运输路径进行产品配送，以此来达到库存成本的最小化。他们还在配送过程中对碳排放量关于运输速度进行建模研究。无独有偶，KELAREVA E,TIERNEY K,KILBY P.^[10]在使用了线性规划的方法对随配送时间改变而变化的配送路径模型进行求解之后，也指出配送车辆的行驶速度和碳排放量密切相关。尤其是在城市配送范围内，由于交通高峰期的道路状况不良所导致的频繁启动和刹车会对运输过程中的碳排放量产生很大影响；此外ZHANG J,ZHAO Y,XUE W.也研究了考虑运输过程中的燃料消耗与碳排放量关系的配送车辆路线规划的问题，建立了问题模型后求解得出相对低碳的运输配送路线，同时又从成本的角度来证实模型中的运输路线规划既具有经济性还保证了环保性；也有学者在研究时则不仅仅涉及了供应链的运输与配送环节，将供应链中的生产、库存与配送进行了集成优化，这相对于单方面的局部优化更加的具有说服力。易东波，张雄，胡超，谢达胜^[2]从企业的运作层面考虑两级供应链在三种主流碳排放约束（碳税、碳限额、碳交易权）下的生产订货优化问题，他们从订单方面对运输配送的具体流程进行了基于碳约束的优化处理。GEISMAR H N,MURTHY N M.以成本、时间为主要目标，分别建立了生产、库存与配送的协同优化调度模型，并给出了相应的求解算法，得到了最优的生产库存调度方案。DEVAPRIYA P,FERRELL W,GEISMAR N.则研究了易腐产品在进行供应时的实际模型,在使用多台配送车辆的情况下还考虑了生产计划和分配顺序,与此同时以库存的最小化为目标,提出了一种混合整数规划模型来解决此问题。此外，扎诺尼等，（2014）研究了考虑到生产环境质量的供应商-买方协调具有价格和环境敏感需求的库存模型。乔哈里等，（2014）对模型进行了扩展，考虑项目质量不完全保证的不等量装运。巴赞等，（2017）研究了碳排放和能源对闭环供应链的影响。王沙（2017）做了碳排放检测，从工业和运输活动的角度看其成本，该模型考虑了政府的碳减排措施。晓斌，崔又文，陈喜雪，苏利亚则选择在较为传统的三级供应链模型之中进行分析，以碳限额与碳交易机制为对企业的约束条件，全面分析了此种机制对企业生产运营以及供应链运作模式的各方面影响，在使用混合整数规划建立优化模型后，从买方、卖方和生产方这三个角度对结果进行了对比分析。Kai Kang,Wei Pu,Yanfang Ma,Xiaoyu Wang创造性地提出了碳信用的概念，以碳信用和碳限额上限来表现碳排放对库存分配成本的影响，并通过对模型结果进行比较分析得到结论，整个库存分配网络的优化目标会随着碳限额上限和碳信用价值的变化而变化。

第3章 数学模型的建立

本章简要阐述了本研究的相关分析和各个模型建立的过程，其中包括库存成本分析、碳排放分析、模型建立分析、条件假设、符号标记以及模型的建立整合。

3.1库存成本的构成与分析

在联合库存管理过程中的成本主要包括：库存获得成本、库存持有成本、运输成本以及筛选成本。

3.11库存获得成本：

买方在下订单的过程中所产生的信息、系统以及时间上的成本，这一部分也称为订货成本。此外，库存获得成本还包括供应商的生产启动成本，即在准备生产时进行设备调试、工具安装、人员配备以及产线调整所产生的费用。在库存获得成本中，几乎没有什么碳排放因素。

3.12库存持有成本：

库存持有成本由四部分组成，第一部分是由于库存商品和仓库的建设占用了可用于其他投资的资金以及土地而产生的投资成本；第二部分是企业在进行仓储时由于相关的服务如安保、税金以及运作过程之中相应的能耗以及人工费用所产生的库存运行与服务成本；第三部分则是由于产品的损耗、丢失或是进行移仓时的附加费用而产生的库存风险成本；最后一部分的库存空间成本是由于库存产品的堆放和保存条件特殊而产生，这部分成本直接与实时库存水平的高低有关。在库存持有成本之中，碳排放因素较多，主要体现在仓储管理过程和处理废品表面。仓储管理过程中，碳排由仓库的固定能耗以及维持库存产品质量的额外能耗而产生；处理废品（变质品）过程中的碳排则是处理过程（回炉/金工）的燃料消耗所致。

3.13运输成本：

顾名思义，运输成本是供应商在向买方配送产品的过程中所产生的成本的统称。其包括每次配送的固定运输成本、可变运输成本以及返程成本。第一部分是产品出（入）仓、装（卸）车、车辆折旧与维修以及人员工资的费用，是指每次运输相对固定的费用总和；第二部分则是此次运输过程中的燃料费用以及产品风险成本的总和，可以用单位产品单位距离的附加成本来度量；第三部分是运输车辆在配送完毕后返回生产商的费用。运输成本中的碳排放元素主要存在于车辆运输过程中的燃料排放。

3.14筛选成本：

本研究考虑到不良品以及产品的变质（质量改变）。这种情况需要对产品进行100%的检选才能体现。由于产品的使用者为购买方，则筛选过程由买方在使用前实施。而筛选每个产品所产生的工具、人工费用即筛选成本。同时，此过程中不考虑碳排放因素。所以，本研究中供应商与买方的库存总成本构成如下：

供应商库存管理总成本=生产启动成本 持有成本 运输成本

买方库存管理总成本=订货成本 筛选成本 持有成本

3.2碳排放影响因素分析

国际上，企业在考虑生产库存管理时，所受到碳排放的影响的具体表现形式主要有三种：碳税、碳限额、碳交易。其中碳交易是碳限额机制下的延伸和补充。目前，国内尚且没有征收碳税的相关机制，不过已经在一些高碳排城市开放了碳限额与碳交易试点。本研究选择以碳限额机制为对企业库存管理影响的表现形式，要求企业的相关碳排放量不能超过设定的碳限额上线。通过对库存管理过程的分析我们已经可以知道碳排放总量的构成为：

碳排放总量=双方处理变质品中的碳排 运输过程中的碳排 仓储过程中的碳排

在碳排放总量构成中，运输过程中的碳排放与单次交付的数量以及单个订单中的交货次数有关；仓储过程中的碳排则与库存水平有关，而库存水平也与订单的交付频率和交货量有关。所以，与碳排放关系最大或者说碳排对其影响最大的量就是订单的交货频率。于是，本研究在模型建立时就以订单交货次数为主要变量。

3.3模型建立分析

目前来说，由于将碳排放定量分析的手段主要为碳税、碳限额上限和碳交易三种，围绕这三种手段进行关于库存管理成本的模型建立的方法也不是很多。第一种，可以先以碳税或者碳排处理的方式将碳排放转化为库存管理过程中的附加成本，然后再作为总成车函数中的一项。第二种则是在将总碳排放量的模型建立完成之后，是的其小于碳限额上限，并以此作为库存总成本函数的约束条件之一。本文所使用的是第二种方法。那么我们就需要先对买方以及供应商的库存总成本进行建模。根据对库存成本的分析，可以确定模型建立的基础或者说重点是双方实时库存水平的函数表达。在进行相关的文献阅读后，选择引用Lee和Kim（2014）^[11]的方法，即根据稳定的库存变化率以及变化节点来求得实时库存。