具有环保意识的供应链网络长期设计规划.docx

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具有环保意识的供应链网络长期设计规划

Environmentallyconsciouslong-rangeplanninganddesignofsupplychainnetworks

具有环保意识的供应链网络长期设计规划

Abstract

Inthispaper,amathematicalprogramming-basedmethodologyispresentedfortheexplicitinclusionoflifecycleassessment（LCA）criteriaaspartofthestrategicinvestmentdecisionsrelatedtothedesignandplanningofsupplychainnetworks.Byconsideringthemultipleenvironmentalconcernstogetherwiththetraditionaleconomiccriteria,theplanningtaskisformulatedasamulti-objectiveoptimizationproblem.Overalong-rangeplanninghorizon,themethodologyutilizesmixedintegermodelingtechniquestoaddressstrategicdecisionsinvolvingtheselection,allocationandcapacityexpansionofprocessingtechnologiesandassignmentoftransportationlinksrequiredtosatisfythedemandsatthemarkets.Attheoperationallevel,optimalproductionprofilesandflowsofmaterialbetweenvariouscomponentswithinthesupplychainaredetermined.Assuch,theformulationpresentedherecombinestheelementsoftheclassicalplantlocationandcapacityexpansionproblemswiththeprinciplesofLCAtodevelopaquantitativedecision-supporttoolforenvironmentallyconsciousstrategicinvestmentplanning.

本文提出一种数学规划方法，明确纳入生命周期评估准则作为与设计规划供应链网络有关的战略投资决策的一部分。

通过将多环境问题和传统经济标准一起考虑，规划任务是一个多目标优化问题。

在长期规划中，利用混合整数建模技术解决战略决策问题，其包括选择，分配和扩容加工技术，及满足市场需求的运输。

在操作层面上，决定供应链内部各个组成部分的最优生产概况和物质流。

因此，这里提出的公式结合工厂定位和LCA原则的能力扩展问题来发展一个定量决策工具以支持具有环保意识的战略投资规划。

1.Introduction

Increasinglytherehasbeenanawarenessoftheimpactthatextendedchemicalproductionsystemshaveontheenvironment,resultinginenterprise-widemanagementstrategiessuchasproductstewardship,lifecycleassessment（LCA）andindustrialecology.However,despitetheconsensusabouttherelevanceandbenefitsofadoptingmoresustainablebusinesspracticesacrossentirechemicalproductvaluechains,thegreatestchallengestillliesinthepracticalapplicationoftheenvironmentalmanagementstrategiesinpursuitoftechnologicalinnovations.Overtheyears,theprocessengineeringcommunityhasrecognizedthischallengewiththeresultbeingavarietyofapproachesaimedattheplant-levelforenvironmentallyconsciouschemicalprocessdesign.Intheirextensivereviewofover180citationsrelatedtotheareaofenvironmentallyconsciouschemicalprocessdesign,Cano-RuizandMcRae[1]analyzevariousmethodologiesthatconsideravoidingenvironmentaldamageaspartoftheprocessdesignobjectives.Undoubtedly,themostimportantconclusionfromtheirreviewisthatbyadoptingastrategythatconsiderstheenvironmentasadesignobjectiveandnotmerelyasaconstraintonoperationscanleadtothediscoveryofnovelprocessingalternativesthatachievebothimprovedeconomicandenvironmentalperformance.

扩大化学生产系统对环境产生影响的意识已经被越来越多的人注意到，导致了企业范围的管理策略如产品管理，生命周期评估（LCA）和工业生态学。

然而，尽管在整个化学产品价值链中实施更多的可持续商业惯例的相关性和效益型已经达成了共识，最大的挑战始终是在追求技术革新时，环境管理策略的实际应用。

多年来，过程工程社区已经认识到这项挑战，这种挑战带有成为许多方法的结果，这种方法目的在与环保意识化工过程设计的工厂水平。

在他们的对180多个有关环保意识的化学工艺设计领域引文的广泛回顾后，Cano-RuizandMcRae[1]分析了各种研究方法，考虑将避免环境破坏作为工艺设计目标的一部分。

毫无疑问，最重要的结论是通过采取将环境作为设计目标之一而不仅仅是操作限制的策略可以导致新加工方案的发现，这种方案可以同时提高经济业绩和减小环境影响。

However,formulatingtheprocessdesignproblemsuchthatenvironmentalconcernsaretreatedasdecision-makingobjectivesinsteadofconstraintsrequires（a）quantifyingsuitableenvironmentalperformancemeasures,and（b）balancingtheenvironmentalcriteriaagainstthetraditionalcostincentives.Especially,theselectionofappropriateperformanceindicatorshasproventoposeasignificantobstacleindevelopingadesignstrategydrivenbyanenvironmentalobjective.Effortshave,therefore,focussedondevelopingindicesthatcanbeusedwithinaquantitativeprocessdecisionmakingframework[2,3].Inthisrespect,LCA[4]hasalsoproventofacilitatetheenvironmentalimpactassessmentofachemicalprocessdesign[5].

然而，规划工艺设计问题如环境问题时，将其作为决策目标而不是作为适当的环境绩效指标量化的限制规定，并且在环境标准和传统的成本激励中寻求平衡。

特别是，合适的绩效指标的选择证明在环境目标驱动下制定设计策略有重大障碍。

因此，重点提出定量过程的决策框架使用的指标。

在这方面，LCA使化学工艺设计的环境影响评估变得方便。

Onceasuitableimpactassessmenttechniquehasbeenapplied,theresultingenvironmentalperformancemeasurescanbetraded-offagainsttheeconomicobjectiveseaswellasagainsteachother-togenerateandevaluatealternatives.Anumberofdesignmethodologiesaimedattheplant-levelhaveincorporatedmultiplecriteriadecision-making（MCDM）techniquesaspartoftheprocessdesigntask[3,6-11].Multi-objectiveoptimization,beingoneparticularMCDMapproach,triestoidentifythesetofnon-inferioralternativesolutionsbeforetheyareexplicitlyevaluated[12].Assuch,thefeasiblealternativesarenotexplicitlyknowninadvanceanditisacknowledgedthataninfinitenumberofsolutionspotentiallyexist.Inasimilarspirit,theMethodologyforEnvironmentalImpactMinimizationwasdevelopedwiththeaimofcapturingdiverseenvironmentalconcernsasobjectiveswithinaformalquantitativeprocessdesignandoptimizationframework[13,14].

一旦一个合适的影响评估技术被应用，由此产生的环境性能措施可以在经济目标之间权衡，也可以在产生和评估方案中权衡。

许多设计方法目的是工厂纳入多准则决策目标（MCDM）技术作为工艺设计任务的一部分[3,6-11]。

作为一个特定的MCDM方法的多目标优化，试图在被明确的评估之前找出非劣势解决方案的解集[12]。

因此，不会明确地事先知道可行的替代方案，而且一个无穷的解决方案是可能存在的。

类似的，设计环境影响最小化的方法，其目的是在定量工艺设计和优化框架中将不同的环境问题作为目标[13,14]。

Whilethesepreviousapplicationshavesuccessfullyincludedenvironmentalconsiderationswithinaprocessdesigncontext,limitedworktodatehasbeenconductedontheextensionofthesametrade-offanalysismethodologytoassistthestrategicplanninganddesignofextendedsupplychainnetworks.Theopportunitynaturallyexiststoexpandtheprocesssystemsboundarytoallowthestructureofthesupplychainnetworktobeadesigndecisionwithintheoverallprocessoptimizationframework.

虽然这些以前的应用在工艺设计中成功包含环境因素，迄今为止有限的工作是进行权衡分析方法的扩展，以协助战略规划和供应链网络的设计。

机会自然存在以扩大流程系统的边界，使供应链网络结构在整个流程优化框架中成为一个设计决策。

Incontrasttotheprocessdesigntask,supplychainmanagementisconcernedwithactivitiesrelatedtoabroaderrangeofbusinesspractices,suchasprocurement,processing,marketing,distributionandretail.Itadoptsafundamentalsystems-basedapproachwherebyextendedenterprisesareseenasanintegratednetworkofcooperatingcompaniesinsteadofisolatedhierarchialones.Decisionsgenerallycorrespondtofouractivities-scheduling,operational,tacticalandstrategic[15].Traditionally,thegoalofresearchintosupplychainactivitieshasbeentoachievegreatercorporatecompetitivenessthroughenterpriseefficiencybydeliveringanincreasingnumberofproducts,ingreaterquantities,atthetimeofproductdemand.Inordertoachievethesegoals,quantitativeanalysis,modelling,optimizationanddesignofthesupplychainshavebeenrecognizedasinvaluabletoolsforsupportingthedecision-makingprocess[16].Despitethesignificantadvancesinthedevelopmentofsupplychaindecision-supporttools,limitedattentionhasbeengiventoincorporatingquantitativeenvironmentalperformancemodelling[17].Thisissurprising,especiallyifoneconsidersthemanysimilaritiesbetweenemergingenvironmentalmanagementstrategiesandtraditionalsupplychainresearchactivities[18].Forexample,totalqualitymanagement,aimingatreducingoverallcostacrosstheenterprise,requiresjustaslifecycleassessmentandproductstewardshipknowledgeoftheentireintegratedvaluechain.Furthermore,manypressuresresultingfromsupplychaindynamicsbetweenbuyersandsupplierscanofteninitiateenvironmentalchange[19].

与流程设计任务相比，供应链管理与更广泛的商业行为有关，比如采购、加工、市场配送和零售。

它采用了基本系统基础方法，将企业扩大看做合作公司的综合网络而不是孤立的。

决策一般与计划、运营、战术和战略四个活动相对应[15]。

传统上，供应链的研究目标是，通过在有需求时提供越来越多的产品使企业具有更大的竞争力。

为了达到这个目标，供应链的定量分析、建模、优化和设计已经被确认为宝贵的工具，以支持决策过程[16]。

尽管供应链决策支持工具的开发有了很大的进展，纳入定量环境绩效模型的的研究很有限[17]。

这是令人惊讶的，尤其如果考虑到新兴的环境管理策略和传统的供应链研究活动间的许多共同点[18]。

例如，以减少整个企业的成本为目标的全面质量管理，需要整个价值链集成的生命周期评估和产品管理知识。

此外，由买方和供应商在之间的动态供应链导致的压力常来自环境的变化[19]。

AnindustrialapplicationofenvironmentallyconscioussupplychainmanagementcanbefoundinUnilever,whereanecometricapproachtoassessandquantifytheoveralleffectthatabusinesshasontheenvironmenthasbeendeveloped[20].Applicationofthisecometricapproachhasbeenusedtoillustratetherelationshipbetweenaddedvalueandenvironmentalimpactalongthesupplychainofmobiletelephones[21].Recently,theindustrialecologyconceptwasextendedbymodellingmacrolevelwasteexchangenetworksusingGeographicInformationSystems（GIS）data[22].OperationsResearch（OR）hasalsosuccessfullyaddressedavarietyofenvironmentalproblemsoutsidethetraditionalsupplychainmanagementarea,suchaswaterresourcemanagement,solidwastedisposaloperationsandairqualitymanagement[23].

一种具环保意识的供应链管理的工业应用可以在联合利华中找到，一种评估和量化企业在环境方面整体效果的生态测量方法已经开发[20]。

这种生态测量方法的应用已经被用于证明移动电话供应链的附加价值和环境影响之间的关系[21]。

近来，工业生态学的概念已经被宏观的废物交换网络建模扩展，其利用了地理信息系统数据（GIS）。

运筹学（OR）已经成功解决了传统供应链管理区域以外许多的环境问题，比如水资源管理、固体废物处理和空气质量管理[23]

Multi-objectiveoptimizationmodelswhereenvironmentalconcernsareincludedhavealsobeenproposedtodeterminetheoptimalstructureofthepetrochemicalindustry[24].Trade-offanalysistechniqueswereusedtoestablishtherelationshipbetweentoxicityandcostofmanufacturingchemicalsinthestrategicdesignoftheoptimumindustrialstructure.Similarly,themethodofsumofweightedobjectivefunctionswasusedtogeneratetheefficientsetofpossibleconfigurationsfor297manufacturingprocesses[25].Theinherentassumptioninboththeseexamplesisthatthetoxicityofthemainproductmanufacturedrepresentsthepotentialenvironmentaldamageofthemanufacturingprocess.Amorerigorousanalysiswouldalsoincludetheenvironmentalimpactsresultingfromthedischargeofthebyproducts,wastesandemissionsofboththemainmanufacturingprocessaswellasitsoff-siteutilityandmaterialsuppliers.

环境问题的多目标优化模型已经被提出，来确定石化工业的优化结构[24]。

在优化工业结构的战略性设计中，权