碳政策对主要零售商供应链设计和物流的影响外文翻译资料

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碳政策对主要零售商供应链设计和物流的影响

Mingzhou Jin, Nelson A. Granda-Marulanda, Ian Down

摘要：2010年，用于运输货物的能源约占美国所有能源消耗的17％，尽管燃油效率在此期间逐渐提高，但这一比例仍然高于1970年的8.7％。 造成这一现象的一个主要原因是由于全球化导致的许多行业的供应链延长了货运流动。 欧盟一些工业部门已经讨论并实施了各种碳政策，以减少碳排放。 但是，地面运输的排放还没有得到很好的研究。 本文调查了三个最常见的碳政策：碳排放税，不可上限和限额与交易。 对公司的影响可能包括重新设计其供应链和不同的交通方式（卡车，铁路或水路）。 本文提出了为货运运动作出巨大贡献的主要零售商提供优化模型，设计各种碳政策下的供应链。 模型的结果可以帮助政策制定者预测政策对货运业整体排放的影响。 该模型也可以纳入气候变化分析综合评估模型。 此外，还进行敏感性分析，研究政策参数对碳排放和物流成本的影响。本研究利用美国主要零售商（即沃尔玛）的供应链来演示如何使用模型并进行敏感性分析。为了实现重大减排目标，重大零售商供应链的重新设计是必要的，只有高碳税率，高碳价格或非常严格的碳上限才能触发，这可能涉及高社会和/或经济复杂性。 数值实验表明，不同的政策对减排的成本和效益有不同的影响。 如何选择政策参数对碳政策的有效性至关重要。 不同的敏感性也意味着在政策实施过程中面临不同的挑战，例如，高成本阻止零售商接受任何碳税，以及零售商和政策制定者之间达成碳封顶协议的困难。

关键词：碳政策，货物运输，供应链设计，零售业

1.介绍

2011年美国运输消耗27.6万亿英热单位能源，占全国能源消耗总量的27.8％运输统计局，2012）。 2010年用于搬运货物的能源约占美国消耗的能源总量的17％戴维斯等人，2012年）。 这个比例是从1970年的8.7％上升的。此外，2011年运输消耗的能源（95.6％）大部分来自石油或天然气，远远高于工业部门（53.4％），住宅部门29.6％）和商业界（21.6％）（美国能源部，2012年）。 因此，与其他能源需求相比，货运对环境的影响也是巨大的。 2010年运输活动（不包括国际船用燃料）占化石燃料燃烧产生的CO2排放量的33％环保署，2012年）。 从1990年到2010年，美国的交通排放量增长了17.5％，尽管汽车的效率逐渐提高环保署，2012年）。 欧盟也出现了类似的现象，1990年至2007年间其他部门的温室气体排放量下降了15％，但同期运输排放量上升了36％欧盟委员会，2011a）。 过去几十年来货运燃料消耗和碳排放量增加的一个主要原因是由于发展中国家的运输和通讯成本降低以及劳动力成本降低，许多行业的供应链已经变得高度全球化。 因此，时间更长供应链增加了国际和国内的货运流动。

政府间气候变化专门委员会（IPCC）建议到2050年全球碳排放量应至少减少50％Parry等人，2007）。 为了达到目标，必须减少运输排放。 欧盟在减排方面一直是世界领先的，而美国的碳政策主要是在讨论阶段，尽管美国排放的碳2多于欧盟戴维斯等人，2012年）。 欧盟排放交易体系（ETS）于2005年启动，是欧盟气候政策的主要支柱。 在欧盟排放交易体系下，大排放国要求每年监测和报告一氧化碳排放量2。 在2007年的第一阶段，ETS涵盖了主要的能源活动，黑色金属的生产和加工，矿物工业和纸浆，纸和纸板生产（欧盟委员会，2008a）。 在2012年，ETS开始包括航空部门，并希望最终包括海运和林业（欧盟委员会， 2008b）。 然而，个别汽车数量庞大，增加了一般运输部门的复杂性，因此欧盟可能会试图通过燃料供应商和汽车制造商减少地面运输的排放。 欧盟委员会在2007年提出，到2020年，运输燃料供应商需要从2010年的水平每年将单位能源的碳排放量减少1％欧盟委员会，2011b）。 然而，历史证明，如果运输人和货物的运输方式保持不变，那么单纯的燃料和车辆的效率提高就不会显着降低交通的高排放和能源消耗。

虽然监测单个乘用车很困难，有可能使用各种碳政策来影响运输部门的大部分排放。 为了预测碳政策的有效性并为政策决定正确的参数，了解货运承运人对碳政策的反应非常重要。 碳政策对公司的影响可能包括对其供应链进行重新设计，不同的运输方式（卡车，铁路或水路）以及更好的物流管理（如订单尺寸和频率）。 文献综述部分2 虽然有一篇文章讨论了几个碳政策下的排序决策，但没有对各种碳政策对供应链设计和模式选择的影响进行研究Benjaafar等，2013)。

本文将调查文献中三种最常见的碳政策对货运的影响，特别是主要零售商的供应网络设计和模式选择，这些零售商的产品移动对货运有显着的贡献。 提出了各种碳政策下主要零售商决策的优化模型。 将根据对美国主要零售商沃尔玛全球供应链的评估，根据公开获得的信息提出案例研究。 沃尔玛在2011年被评为美国第一大进口公司（UBM全球贸易，2012年）。 沃尔玛共进口了71万个标准货柜单位（20英尺标准货柜单位），其次是另一个在美国的大型零售商目标，达到472,400标准箱。 如果我们看看美国东海岸一家典型的沃尔玛商店，大部分产品都是在亚洲生产，通过蒸汽船穿越太平洋，然后通过铁路和/或卡车穿越大陆到达商店。 大量货物的漫长旅途涉及能源消耗和碳排放。 预计本文所开发的分析有助于更好地理解建议的政策如何影响零售商的总体供应网络设计和模式选择。 相信对零售商对各种碳政策的反应有一个很好的理解，将有助于决策者预测政策对政策的影响。货运部门的整体排放量。 此外，IPCC正在使用综合评估模型（IAMs）来了解各种社会经济条件下的未来气候变化。 本文提出的模型可以纳入IAM预测各种碳政策下的经济活动，从而促进假设分析。 除了上述的实际意义之外，本文还可以利用模型和分析程序对各种碳政策下的货运模式进行分析。

本文的目的是通过两个具体的手段来实现的：1）在各种碳政策下建立全球零售商供应链设计和物流运作的优化模型; 2）进行敏感性分析，研究政策参数对碳排放的影响，物流成本。 遵循文献中的练习和其他论文（Dinan，2008; 豪泽， 2008; Diabat和Simichi-Levi，2010; Benjaafar等，2013），本文调查了三个最常见的碳政策：碳排放税，不可上限和限额与交易。

在本文的其余部分安排如下。 部分2 回顾相关文献。 部分3 为各个碳策略下的全球零售商设计供应链网络和选择运输方式提供优化方案。 部分4 提出了一个全面的案例研究，对政策参数进行敏感性分 案例研究表明，研究的政策对物流成本和减排有不同的影响。 部分4 从案例分析的角度，对政策执行过程中遇到的挑战进行了探讨。 部分5 总结本文并提供未来的研究方向。

2.文献综述

本文涉及文献研究，碳政策研究和供应链设计研究，特别是绿色供应链设计。 大部分关于碳政策的工作是在国家或地区的宏观层面进行的，比如研究中国煤炭年消耗量，总污染和年排放量目标之间的关系。为英国的排放交易市场建立了类似的模式（Caacute;rdenas等人，2011年）。 有几项研究着重于碳政策对制造业的影响。Ho等人（2008年）研究了碳价格政策对美国各行业的影响。Bassi等人（2009年）得出的结论是任何碳价格都可能显着影响美国能源密集型制造商。Wansart等人（2008年）根据德国排放法规研究了汽车产品设计和生产的决策。Anand等人（2006年） 开发了一个系统动态模型来估计印度水泥行业的CO₂排放量。 交通方式的选择决定是许多与交通有关的研究的重点。建议开发更多的铁路和减少从高速公路到铁路的交通，以控制中国客运的排放Han和Hayashi（2008年）调查了两个碳政策，碳税和上限与交易对单一运输方式选择决策的影响。 他们得出的结论是，通过直接排放税或现行碳排放配额价格的市场机制，货运排放成本不可能导致运输方式发生重大变化，排放量略有下降。Piattelli等人（2002年）提出了一个宏观模型来研究碳税政策下可能的替代交通模式。 与大多数现有的研究不同，本文将重点讨论个别主要零售商对各种碳政策的微观反应了解这些政策对零售行业成本和货运流向的影响。 除模式选择外，本文主要研究碳政策对供应网络设计的影响。 在微观层面，最近的一篇论文Benjaafar等人（2013）提出了几个碳政策下的供应链运营决策优化模型：严格的碳上限，碳税，碳上限和交易，碳抵消。 他们的文件中的操作决策主要是关于库存管理决策，比如何时下单和订单数量。 本文中的模型处理战略决策，如供应网络设计和模式选择，每年或每季度进行。 虽然类似的碳政策研究了Benjaafar等人（2013）由于涉及到不同的决策，本文中的模型是完全不同的。 我们认为战略供应链决策比运营决策对减排的影响更大。

除了传统的成本，服务和质量问题之外，环境因素也被考虑在供应链管理的权衡中Butner等人（2008），这导致了绿色供应链的概念（Sarkis，2006). 斯里瓦斯塔瓦 (2007) 全面回顾了绿色供应链管理。李等人（2011）展示了如何测量关键供应商零部件的碳足迹，以便汽车制造商更好地测量总排放量。Sundarakani等人 （2010年） 调查了整个供应链的碳足迹。 在各种供应链决策中，供应链网络设计决定了设施的位置，作用和能力，以及供应链文献中的众多优化模型，以成本度量为基础设计供应链网络，服务和质量（Chopra和Meindl， 2012）。 很少关注定量考虑供应链网络设计中的环境问题（Bloemhof-Ruwaard等人，1995）除了下面两个努力。Hugo和Pistikopoulos（2005） 提出了包含供应链网络设计生命周期评估标准的数学规划模型。 他们除了考虑经济价值（净现值）之外，还考虑了潜在环境影响的第二个目标 - 单一的生态指标99，但是他们没有考虑任何公共政策的影响。Diabat 和Simichi-Levi（2010）制定了一个混合整数计划（MIP），为公司设计最佳的供应链网络，同时满足其碳上限。与我们研究不同政策下零售商的供应网络设计和货运运动的文章不同，他们只考虑一个碳政策，没有考虑交通方式的选择。总之，根据我们的最佳知识，我们的论文是定量研究各种碳政策下零售商供应网络设计决策的第一步，因此可以帮助决策者更好地理解货运和碳政策的有效性。

图1 供应链结构图

3.各种碳政策下主要零售商供应链网络设计的优化模型

本文考虑一个主要零售商的供应链网络。 该网络由三层资源，配送中心（DC）和商店组成。假定配送中心和商店的位置与每个配送中心的容量和每个商店的需求量一起是已知的。配送中心和商店的位置决策通常是不能经常改变的长期决策，主要由顾客分配决定。零售商所面临的问题是通过制定采购和运输决策来确定满足所有需求的最低成本解决方案。层间货物可能是多式联运，可能涉及水路，铁路和高速公路。因此，连接源节点和配送中心的链路可能有多个运输选择，一种选择可能涉及多种运输方式。 通常情况下，只有卡车被用来在配送中心和商店之间运送物品，因为它们之间的距离很短。 从货源到商场的大批量供应链，不仅造成重大的物流成本，而且造成巨大的碳排放量。

本文研究基于最优化模型的采购和运输决策，以最大限度地减少各种碳政策下的总成本。 碳政策可能会显着改变零售商面临的成本结构或对决策空间造成限制。以下参数（已知信息）用于模拟各种碳政策下的供应网络设计和运输选择问题。

I：商店的数量，我是它的指数;

J：配送中心的数量，j是其指标;

S：来源数量，S是其指标;

M_SJ：从源头到配送中心j的运输方式的数量;

d_i：商店i的吨位日需求;

g_j：配送中心j吨位日吞吐量; cs：来源地吨位日运量;

u_m：采购和运输成本从一吨到一吨，

运输方式m;

v：从配送中心j运送一吨到存放i的成本与卡车;

em：单位为千吨（kg），单位为吨，单位为吨，单位为吨，运输方式为m，单位为吨;

f：从配送中心j运送一吨的碳排放量，以卡车存储吨每公斤碳税率;

E：零售商以千克计的碳盖; 和

pthorn;（p-）：碳市场中每公斤碳的销售（购买）价格。

在这里，最后三个参数与碳政策相关联。 供应网络设计涉及以下三个决策变量。

x_m：从发货到发货j的吨数

与运输模式m;

y：从配送中心j运到卡车的货物吨数; 和

bthorn;（b-）：在碳交易市场上出售（或购买）的碳量。

本文首先考虑忽略碳排放的情况。 换句话说，在下面的成本模型中，就有没有碳政策，零售商只根据经济表现做出采购和运输决策。

表1 各种碳政策下的四种模型的总结