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汽车再制造闭环供应链物流工程网络优化研究

论文编号:lw201707052055455584 所属栏目:物流工程论文 发布日期:2018年02月01日 论文作者:无忧论文网
第一章  绪论 

1.1 研究背景及意义 
二十世纪九十年代以来,可持续发展战略在世界范围内广泛推行,循环经济( Circular  Economy) 也由此 兴起 , 其基本原则[1]是减量化(reduce)、再使用(reuse)、再循环(recycle)、再制造(remanufacturing)。循环经济最大的特点是将物质充分循环利用,可以极大的减少地球资源的消耗和对环境的影响。由此,再制造行业在循环经济的发展下开始兴起。2015 年,中国整体经济发展步入以增长速度放缓、经济结构优化升级、从要素驱动和投资驱动转变为创新驱动的“新常态”模式。在“新常态”的经济模式下,制造业受到了严重的冲击,尤以与整体经济形式密切相关的汽车行业受到了冲击最为明显。以重卡行业为例,2015 年全国重卡销量为 53 万辆,同比 2014 年下降 28%(数据来源:中国卡车网)。在销量大幅度下滑的背后,则是各项原材料、人力成本等成本费用的显著增长。在“新常态”的经济大环境下,降低成本成为企业能否在竞争如此激烈的市场上生存下去的“门票”。而再制造以其在降低成本、节约资源方面的巨大优势被社会各界所关注。据公安部交管局公布的最新数据,截止 2015 年年底,全国机动车保有量达 2.79 亿辆,其中汽车保有量 1.72 亿辆,位居世界第二。汽车保有量的跨越式增加一方面反映了我国改革开放以来经济高速发展的成果,另一方面则带来了快速增长的报废汽车数量。同时随着我国对汽车尾气排放管控的严格化,“国三”、“国四”、“国五”等标准的逐步推行,提前报废的“黄标车”等尾气排放不合格的车辆也开始逐步增加。有数据显示每年有 5%-10%的在用汽车报废,如此多的报废车辆,拆解后作为废品堆放的零部件一方面占用了大量的土地资源,另一方面,轮胎、蓄电池、润滑油、冷却液等会造成巨大的土壤污染、地下水污染、大气污染等问题。此外,随着地球上资源的日益匮乏,若能将报废车辆中的有效资源进行合理利用,将大大减少资源的消耗,缓解矛盾。 
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1.2 国内外研究现状 
自二十一世纪以来,伴随着环境污染和资源匮乏问题突显,再制造工程的研究也逐渐增多,主要涉及制造业、电子产品等领域。综合研究国内外的文献发现,早期对汽车产品的再制造研究主要集中在工程技术方面以及汽车再制造技术支撑研究[3-4],近年来则扩展到再制造供应网络设计、再制造生产计划研究、再制造产品库存控制研究、再制造产品检测及评价研究等。技术支撑及产品检测均属于汽车相关专业的研究范畴,网络设计、生产、库存控制等属于物流工程的研究范畴。郭伟等[5]在 2011 年对再制造闭环供应链的研究现状及发展情况进行分析,认为再制造闭环供应链的研究主要集中在网络优化问题、产品回收的渠道、再制造产品的定价与协调、库存管理这四个方面。本节就再制造闭环供应链的网络设计研究现状进行分析。国外针对再制造网络设计的研究起步较早,早期的研究主要集中在逆向物流领域,1997 年 Fleischmann   M 等[6]首次对逆向物流进行全面的回顾,经过研究各文献中的数学模型,将逆向物流的研究大致分为三个方向:网络优化、库存控制和生产计划。文章重点比较了正逆向物流的差别和相似之处。1998 年,Barros  A.I.等[7]研究了荷兰建筑废弃物的逆向物流网络,并提出了双层网络选址模型,最后设计了模型求解的启发式方法。2006 年,Hokey Min 等[8]研究了已知消费点和回收中心,待选设备加工厂的网络设计问题,采用了两阶段容量离散设施选址模型。2008 年,Aras  N.和 Aksen[9]提出了一个混合整数非线性规划模型来解决在逆向供应链网络中回收中心的选址问题。该研究的创新之处在于它有能力去确定所用产品最大化利润膜表的最优购买价格。Nikolaidis  Y.  [10] 在 2009 年提出了单周期的数学模型,能优化采购和回收再制造的逆向供应链规划决策。Nenes 和 Nikolaidis Y.  [11]在 2012 年将该模型扩展为多周期的模型。最近,环境影响最小化的关注导致了研究废物管理的学者增多。2015 年,Wenyi  Chen等[12]构建了随机条件下两阶段供应链模型,其中包括市场需求的不确定性、从市场返回产品及质量的不确定性。文章通过集成样本整数  L-shaped 法,并采用德国的家用电器生产案例进行模型的验证,结果表明逆向网络配置的稳定性。 
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第二章  汽车再制造闭环供应链网络优化相关概述 

2.1 汽车再制造行业概述 
再制造,就是针对旧的机器设备,运用专业的技术和工艺使之在功能上或质量方面能够重新发挥其作用。针对汽车产品来说,再制造就是将报废车辆通过技术状况检查与性能鉴定后,针对可再利用的零部件进行拆解、修复、再处理等操作,使之恢复原有的功能或发挥新的功能。上世纪 90 年代初,伴随着工业革命的成熟,世界发达国家的汽车保有量迅速增加,由此产生的报废车辆也就越来越多,非法丢弃、汽车拆解或破碎产生的废弃物等对环境保护造成极大的压力。法国和荷兰政府为确保报废汽车的有效回收和再利用,率先和机动车工业界签订回收协议。日本在 2000 年成立了机动车回收利用促进中心,负责对机动车回收处理所涉及的资金、信息以及生产商实施废弃物回收处置的技术等进行支持和规范。20 世纪 80 年代,美国在全国范围内涌现了一大批汽车再制厂、零部件再制厂、旧车拆解厂等,且再制造的零部件在汽车修理中的应用比例很高。表 2.1 为当时美国公用汽车维修企业修理中所用再制件的比例。
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2.2 闭环供应链概述 
传统供应链,即正向流的供应链,主要包括原材料、半成品和产成品从生产地向消费地的一系列物流环节。但随着环境问题的日益严重,废旧产品的回收和再利用更多的受到社会各界的关注,越来越多的废旧产品从消费地向生产地流动,逆向供应链由此出现。传统的正向供应链和逆向供应链的有机结合,形成了一个闭环系统,又称闭环供应链。闭环供应链(Closed  Loop Supply  Chains,简称 CLSC)是指企业从原材料的采购到最终产成品销售的完整供应链循环,其中不仅包括了产品的生产、销售,更包含了产品的回收和再加工等逆向环节。 从系统的角度看,闭环供应链是由若干个不同角色的企业构成的,这些企业之间相互影响、相互制约,形成有机整体。同时,闭环供应链作为一个复杂的开放系统,从系统外部获得网络运作必须的物质、信息等,经过系统内部的加工,形成新的物质或信息而输出[45]。采用系统理论对闭环供应链进行管理既可以减少废弃物对环境的影响,还可以变废为宝,减少有限资源的消耗。 
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第三章  汽车再制造闭环供应链数学模型构建 ..... 20 
3.1 问题描述 .... 20 
3.2 基本假设 .... 22 
3.3 供应链成本构成分析 .... 23 
3.4 符号及参数说明 ............. 24 
3.5 数学模型 ..... 27 
3.6 多目标规划简介 ............. 31 
3.7 模型验证及结果 ............. 32 
3.8 本章小结 ..... 39 
第四章  汽车再制造闭环供应链数学模型的求解算法设计 ...... 40 
4.1 闭环供应链网络优化问题常见求解方法 ............. 40 
4.2 遗传算法概述 ....... 43
4.3 多目标优化问题概述 ..... 45 
4.4 基于 Pareto 优化的多目标遗传算法 ........... 46
4.5 汽车再制造闭环供应链模型 NSGA-II 算法设计 .......... 47
4.6 本章小结 ..... 51 
第五章  算例分析 .... 52 

第五章  算例分析 

5.1 算例运行条件 

针对本文构建的汽车再制造闭环供应链数学模型以及设计的带精英策略的快速非支配排序遗传算法,为验证模型的正确性和算法的有效性,本章分别采用第三章中的12 个物流设施点的小规模算例和 24 个物流设施点的算例,对模型进行求解,并对算法结果对比分析。 对多目标、多周期、多阶段、多产品特征的汽车再制造闭环供应链数学模型,本文采用 MATLAB  R2014a 软件在 AMD A6-3400M 处理器、1.40GHz,2GB 内存、32 位操作系统以及 Windows7 系统的计算机上运行。 在运用快速非支配排序遗传算法求解过程中,其参数的选择是通过对不同参数的不同数值搭配进行试验计算,最终取结果最优的参数取值。其中染色体的长度是根据物流设施备选点的数量和需求市场的数量决定的,交叉概率取值 0.7~0.9,变异概率取值 0.08~0.2,种群规模和终止进化代数是结合算例的规模和多次求解结果进行选择的。 

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结论 

为了有效推动汽车再制造行业的发展,本文主要针对汽车产品再制造的闭环供应链网络优化问题进行了研究,在传统的正向流供应链网络中增加报废车辆和废旧汽车零部件的回收,即汽车相关产品的逆向物流,形成闭环供应链网络,并构建了多目标、多周期、多阶段、多产