摘 要

城市配送是物流“最后一公里”的关键环节，也是支撑城市经济正常运行的重要支撑基础性服务。目前，在城市建设和交通管制的情况下，城市之中的路况日益复杂，准时配送的难度加大。另一方面，电子商务发展迅速并逐渐趋向个性化服务，由此带来的城市配送需求巨大，城市交通拥堵、环境污染等问题也愈加突出。在整个社会实施低碳经济和节能减排的大环境下，配送企业也有必要基于碳排放进行城市配送系统的规划与管理。

本文即要从企业角度研究基于碳排放的城市车辆路径优化问题，首先总结现有研究成果，分析整理出城市配送系统中影响碳排放的因素，在此基础上合理简化，选取合适的碳排放量计算标准及方法，然后通过碳税政策将碳排放量转化为碳税成本，加入到VRP基础模型中，使用最优化方法构建以配送总成本为目标函数的优化模型，最后基于Solomon标准测试算例运用LINGO软件对模型进行求解，分别获得考虑和未考虑碳排放时的最佳车辆配送方案，并分析碳排放和碳税政策对企业车辆配置方案、路径优化和配送成本的影响，从而对企业的城市配送路径提出优化建议。

关键词：城市配送；车辆路径优化；碳排放

Abstract

Urban distribution is the key link in the “last mile” of logistics and a basic service to support the normal operation of the city's economy. At present, in the case of urban construction and traffic control, the road conditions in the city are increasingly complicated, and the difficulty of timely delivery is increased. On the other hand, e-commerce has developed rapidly and gradually turned to personalized services, so urban distribution demand is huge, which will aggravate the congestion of urban traffic and environmental pollution. In the context of the implementation of low-carbon economy and energy conservation and emission reduction, it is also necessary for distribution enterprises to plan and manage urban distribution systems based on carbon emissions.

The urban vehicle routing optimization problem based on carbon emissions from the perspective of enterprises is studied in this paper. Firstly, based on the exist research results, the factors affecting carbon emissions in the urban distribution system is analyzed. And appropriate carbon emission calculation standards and methods is established. Then, introduce the carbon tax policy, which turned carbon emissions into the carbon tax cost. On this basis, an optimization model of the total cost of distribution as the objective function is constructed by optimization method. Finally, based on the Solomon standard calculation example, models which consider the carbon emission factors and do not consider the carbon emission factors are solved by the LINGO software. The impact of carbon emission and carbon tax policy on the enterprise vehicle configuration plan, path optimization and distribution cost is analyzed. And Suggestions is provided for enterprise urban distribution.

Key Words：urban distribution; vehicle Routing optimization; carbon emissions

目录

摘要 i

Abstract ii

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.2.1 车辆路径问题的研究现状 1

1.2.2 城市配送系统中碳排放影响因素的研究现状 4

1.2.3 碳排放政策的研究现状 4

1.3 研究内容及技术路线 6

1.3.1 研究内容 6

1.3.2 研究方法及技术路线 6

第二章 基于碳排放的城市配送分析 8

2.1 城市配送系统碳排放影响分析 8

2.2 碳排放计算标准及方法的选择 9

2.2.1 确定组织边界 9

2.2.2 确定服务边界 9

2.2.3 选择量化方法 10

2.2.4 计算并形成报告 11

第三章 基于碳排放的城市配送车辆路径优化模型 12

3.1 问题描述与符号说明 12

3.2 成本分析 13

3.2.1 车辆固定成本 13

3.2.2 运输成本 13

3.2.3 碳排放成本 14

3.3 数学模型 14

第四章 算例求解及分析 16

4.1 算例数据 16

4.2 算例参数设置 17

4.3 求解结果及分析 18

第五章 结论与展望 21

5.1 研究结论 21

5.2 经济性分析 21

5.3 研究展望 21

参考文献 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

城市配送是物流“最后一公里”的关键环节，也是支撑城市经济正常运行的基础性服务。目前，因城市建设和道路限行限排等管理措施，城市之中的路况复杂，准时配送的难度加大。同时，城市规模的不断扩大，大量人口的涌入，电子商务的迅速发展和网购行为的日益普遍，都使得城市配送需求量不断上升，对物流配送效率和服务质量提出了更高的要求和挑战。

全球气候变暖、环境污染的负面影响使各国都意识到了经济发展和环境保护的协调问题，并开始尝试通过行政手段或市场机制鼓励企业降低经营过程中的碳排放，如制订相应的碳税政策和碳排放交易机制，以促进经济的可持续发展。目前世界上共有四个国际性的碳交易所，我国也在北京、上海等七个省市开展碳排放权交易试点建设。政策方面，北欧发达国家早于上世纪率先展开了碳税实践，2018年，我国的《环境保护税法》也正式实施，大气污染物就是征收税目之一。全球约25%的碳排放都来源于交通运输，物流行业作为能源消耗和碳排放的主要部门，能耗成本占到了总运营成本的40%，温室气体排放量占全球总排放量的14%^[14]，无论从控制成本，提高竞争力，还是响应国家政策，承担社会责任的角度来看，物流企业进行节能减排和低碳研究都已成为大势所趋。

1.1.2 研究目的及意义

本文将研究讨论基于碳排放的城市车辆路径优化问题，分析影响城市配送中碳排放量的因素，选取合理的碳排放计量方法和转化方式以建立考虑碳排放因素的车辆路径优化模型。再应用标准算例和软件工具求解，分析出碳排放对车辆配置方案、路径优化和配送成本的影响，从而对企业的城市配送路径提出优化建议。

对于配送企业来说，进行城市配送系统的综合规划与管理，尤其是基于碳排放进行合理的路径规划，可实现以较低的成本满足巨大的城市配送需求，同时减少车辆能耗和碳排放，缓解城市的环境压力，故本文的研究课题对于提高企业的经济效益和社会效益都具有重要的理论价值和实践意义。

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 车辆路径问题的研究现状

1959年，国外学者Dantzig和Rasmer首次提出车辆路径问题（Vehicle Routing Problem），其可以描述为：配送中心在实际约束条件下，安排车辆以合理的路线行驶，在满足客户配送需求的同时实现行驶路线最短、配送成本最低等目标。VRP问题的研究可分为问题组成要素和求解算法两个方面。组成要素有配送中心、车辆、道路、客户、时间窗、优化目标等，不同要素的组合变化可衍生出庞杂的子问题和研究方向，具体归纳如表2.1所示。

在选取组成要素构建模型方面，杨柳^[1]、孙雪杰^[2]、肖建华^[5]、张如云^[8]、苏江萍^[17]、李进^[18]均构建了以配送总成本最小为目标函数的优化模型，其中杨柳、张如云、苏江萍针对的是单车型动态网络带时间窗VRP问题，孙雪杰、肖建华和李进旨在解决多车型带时间窗VRP问题，肖建华还加入了限行政策和多能源因素。陈俊宇^[3]和李珍萍^[7]构建了以碳排放成本最小为目标函数的优化模型，其中陈俊宇针对多车型VRP问题，李珍萍研究了单车型VRP问题。朱长征^[4]研究了单车型VRP问题，构建了以碳排量最小为目标函数的优化模型。李顺勇^[13]研究了多通路时变网络下以油耗量最小为优化目标的单车型VRP问题。唐金环^[15]和岳美思^[16]研究了时变网络下的单车型多目标VRP问题，构建了以旅行时间最短，碳排量最小为优化目标的数学模型。

求解VRP问题的算法分为精确算法和启发式算法两类。精确算法如分支定界法、分支切割法、生成列法、动态规划法、网络流算法等。启发式算法中的传统算法包括节约法、插入法等，可以解决节点数较少的VRP问题，但对于多节点、高精度的VRP问题，实现难度很大；现代启发式算法包括遗传算法、蚁群算法、禁忌搜索算法、模拟退火算法等，这些都可以通过计算机实现，其求解性能和运行效率都更高。

禁忌搜索算法是在局部邻域内进行搜索并采用禁忌记录表的方式来回避在前一阶段刚搜索得到的最优解，从而避免陷入局部最优，该算法的原理简单，运算速度也较快，但不能保证得到最优解。模拟退火算法用于局部寻优，它是模仿金属加工中的退火过程，以温度函数为目标函数，求其最小值。遗传算法是一种全局寻优并行算法，它的原理是模拟自然界中的生物进化规律，通过种群的繁殖变异来逐步获得性能更优越的个体，其特点是收敛速度快，可靠性高。蚁群算法也可以实现全局寻优，原理是通过设置一个权函数来模仿自然界中蚂蚁在觅食途中洒下信息素的过程，来比较追踪较优的路线，再反复迭代得到最优解。

表2.1 VRP问题的具体分类

在求解算法方面，朱长征、张如云、苏江萍和谭柏川^[14]采用了遗传算法，谭柏川还利用聚类分析和扫描算法对传统的遗传算法加以改进。陈俊宇、孙雪杰和李进采用禁忌搜索算法，孙雪杰对其加以改进：以碳交易成本为权重设计惩罚系数，结合超载的惩罚成本设计适应度函数。杨柳则混合使用遗传算法和禁忌搜索算法，以获得综合的全局寻优能力和局部寻优能力。肖建华和岳美思采用的是变邻域搜索算法，在搜索过程中通过“抖动”过程改变当前解得邻域结构，扩大搜索范围，再利用模拟退火接收准则以避免在局部搜索中陷入最优。

1.2.2 城市配送系统中碳排放影响因素的研究现状

在碳排放量的影响因素方面，杨柳、孙雪杰和李珍萍认为包括能源类型、燃油消耗量和行驶里程。但在单位里程燃油消耗量的影响因素方面，杨柳认为实际影响因素有车速、车辆载重、实际路况和司机驾驶习惯；孙雪杰认为影响因素有车辆性能、车型、能源类型、道路性能、交通状况、车辆总重量、行驶阻力；朱长征、肖建华和李珍萍则仅考虑载货量。

在碳排放成本的计量方法方面，杨柳、孙雪杰和李珍萍基于碳税政策，将碳排放成本表示为单位碳税成本、单位能源的碳排放系数、单位里程燃油消耗量和行驶里程的乘积。但对于单位里程燃油消耗量的计算，杨柳将其表示为行驶速度和变动载重量的函数；孙雪杰将其表示为车辆自重、滚动阻力系数、装载量、能源能量和能源转化率的函数；李珍萍将其表示为关于载货量的线性函数。肖建华和苏江萍在单位里程燃油消耗量的计算上则采用Xiao等人提出的公式，表示为车辆自重和载重量的函数。陈俊宇和肖建华基于碳交易机制，将碳排放成本表示为单位碳交易成本和碳排放量的乘积。另外，陈俊宇、李顺勇、谭柏川和李进应用综合排放模型（CMEM），将碳排放量表示为变动车速、变动载重量、距离和车型的函数。张如云^[8]则参考流程英国交通研究所的车辆碳排放计算公式。

1.2.3 碳排放政策的研究现状

进入21世纪，世界人口和经济规模的持续增长使得全球气候变暖、环境污染等问题日益凸显，成为各国不得不面对的制约经济可持续发展的严重瓶颈。1997年的《京都议定书》中表明，大气中二氧化碳含量的增高是全球变暖的主要原因。2003年，英国的《能源白皮书》首次提出了低碳经济的概念，低碳经济是指发展绿色生态经济，在保证经济良好运行的同时注重社会效益，努力实现低能耗、低排放、低污染。在低碳经济的背景下，许多国家都制订了相应的碳税政策和碳排放交易机制。

碳排放交易机制是《京都议定书》中倡议的减排方式之一，这是一种市场机制，就是政府依据一定标准分配给企业一定量的碳配额，如果企业在实际经营中产生的碳排放量低于自身持有的碳配额，则可以在碳交易市场上出售其剩余额度的碳排放许可权，获得额外收入。如果企业在经营过程中产生的碳排放量超过了原先获得的碳配额，则需要在碳交易市场上购买相应的额度，避免因超额排放带来的经济处罚和不良社会影响。目前世界上共有四个国际性的碳交易所，分别是欧盟排放权交易所、英国排放权交易所、芝加哥气候交易所和澳大利亚国家信托。^[14]2011年，我国正式在北京、上海等七个省市开展碳排放权交易试点建设，目前建立的几个碳交易市场中的交易价格差异较大，且出于经济发展和社会接受度的考虑，当前的碳交易价格相对于发达国家的价格偏低。

关于碳税的理论研究最早起源于英国经济学家庇古提出的“庇古税”，碳税政策就是政府利用行政手段管控碳排放，对企业经营过程中产生的碳排放征税。征税对象包括煤、石油、天然气等天然能源和电力、汽油、柴油等加工能源。上世纪90年代，北欧发达国家，如芬兰、瑞典、挪威、丹麦和荷兰等率先展开碳税实践，随后英国、美国、加拿大等都开始全面或部分地实践碳税政策。在税率上，各个国家各有不同，分为按照碳排放量和按照消耗能源的一定比例收取两种情况。^[17]2018年，我国的《环境保护税法》正式实施，其中规定应税大气污染物按照污染物排放量折合的污染当量数确定，每污染当量的税额为1.2元。