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

　　摘要：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。

　　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.Negat Veziroglu[4]提出將植物產(chǎn)生的氫蒸汽重組作為能源的來源。2007年Lyncht[5]提出發(fā)展“可再生能源+生物質(zhì)能源”的路線。2008年Rubo Len[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：

　　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。

　　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

　　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。

　　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。

　　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)投人較大的人力、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。

　　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10000t，7月份在收貨期內(nèi)，收購量為12300t／月，各收儲點分別收購4800t／月，則7月的約束條件為：

　　將約束條件代入運籌學軟件中進行計算，得出7月份最少運輸費用為473156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。

　　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。

　　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。工作時問貨車依次裝載，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。

　　各收儲點貨車工作時問相同，為了更快更合理的運送原料到丁廠，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。

　　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)進行沒計和優(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，減少了車輛的投人數(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。