在不确定性环境下为钢铁行业设计一种共生式的循环可持续供应链网络：一种鲁棒的确定性规划方法

《Journal of Industrial Information Integration》：Designing a symbiotic circular sustainable supply chain network for steel industry under uncertainty: A Robust Possibilistic Programming Approach

　　• 提出了一种新颖的鋼鐵行業雙目標SCSSCN設計模型。• 考虑了水資源短缺危機和高能源消耗問題。• 通過魯棒的概然規劃方法處理認知數據的不确定性。• 通過一個真实的鋼鐵案例研究验证了模型的性能和實用性。

引言
鋼作爲現代世界的基本支柱，是世界上最重要和最廣泛使用的工程和建築原材料之一，應用於人類生活的方方面面[5]。其無與倫比的性能，包括卓越的強度、耐用性和多功能性，使其成爲不可或缺的資源。2021年全球粗鋼產量達到1.905億噸，伊朗作為該金屬的第十一大生產國，產量達到3103萬噸（“世界鋼鐵協會”，https://worldsteel.org/steel-topics/statistics/world-steel-in-figures-2022//2023）。根據伊朗國家鋼鐵公司（NISCO）批准的伊朗鋼鐵總體計劃，伊朗目標在2024年生產3500萬噸粗鋼[47]。另一方面，作為一個能源密集型產業，能源消耗和嚴重污染在鐵鋼業的擴展中成為普遍問題。此外，在全球水資源危機的背景下，鋼鐵生產過程中对水的大量需求也是該行業面临的重要問題[13,68]。高能源消耗、鋼鐵需求的增長以及環境問題使得鋼鐵業採用循環經濟（CE）和工業共生的原則变得必不可少，以降低成本、增加價值並最小化環境影響[20,71]。在能源密集型領域向循環經濟轉型需要先進的優化技術來應對現實世界中的不确定性[23]。特別是，當前的研究強調了在高度不確定的環境和靈活的約束條件下，使用魯棒規劃和模糊規劃等複雜數學建模方法在設計循環和閉環供應鏈網絡中的關鍵作用[3,15]。因此，採用這些現代模式不再是可選擇的，而是確保鋼鐵業長期可持續性和經濟可行性的戰略要求。

循環經濟（CE）是傳統線性經濟（即“採購-製造-處理”的生產-消費模式）的替代經濟模式，後者依賴於無限制的能源和原材料消耗[41]。CE旨在平衡經濟、環境和社会成果[9,61]。其主要目标是在這三個維度上實現價值最大化，同時改變不可持續的發展模式並促進長期繁榮[1,8,24]。鋼鐵業作為一個需要大量能源和水資源進行生產的廣泛使用的行業，可以在循環經濟和工業共生原則下降低成本和環境污染。作為工業生態學的一個分支，工業共生為各行業提供了共享材料、能源、水或副產品的合作框架，創造互利關係[12,49]。CE和工業共生的主要目標是減少原材料、污染物和污染物的消耗，同時促進經濟增長[10]。

鋼鐵生產有兩種方法：基於鐵礦的鍛鋼和基於廢鋼的鍛鋼。全球約70%的產量來自第一種方法，該方法使用高爐和基本氧氣爐（BOF）技術。相反，第二種方法使用電弧爐（EAF）技術，約佔全球產量的30%。根據統計數據，每生產一噸鋼，基於廢鋼的鍛鋼平均產生200公斤副產物，而基於鐵礦的鍛鋼產生400公斤副產物[7]。采用EAF技術的環境合理性在於其能夠最小化水和電力的使用以及排放量。此外，考慮到伊朗巨大的天然氣儲量，這種技術還具有經濟效益。EAF產生的渣約佔所生產鋼總重量的15%，這一比例明显高於鋼鐵生產過程中產生的其他副產物[70]。

資源提取的減少，加上對廢鋼和EAF產生副產物的日益利用，促成了向循環經濟的轉變，并促进了資源共享[22]。

供應鏈和物流運作在經濟中起着關鍵作用，對企業保持競爭力至关重要[27,64]。可持續性是指在不損害後代滿足自身需求能力的前提下滿足當前需求[21,38]。可持續發展的概念早已成為人類文化的一部分[44]。由於與複雜商業環境中的長期決策相關，可持續供應鏈網絡設計是一個重要的規劃問題[29,60]。循環供應鏈（CSC）在促進循環經濟方面發揮着重要作用，它通過利用再生自然過程來減少廢物產生並提高資源回收率[26,48,58]。鋼鐵作爲對經濟有重大影響的關鍵原材料，其供應鏈需要考慮社會、环境和經濟因素[19,53]。通過融入循環經濟原則，鋼鐵供應鏈網絡可以解決廢鋼資源不足、原材料和能源高消耗、副產物過量產生以及二氧化碳排放增加等问题，同時提高整體系統收益。此外，通過創造就業機會，進一步提升了社會方面的影響。

鋼鐵業面臨由關鍵參數信息不完整或不精確引起的重大認知不确定性，如需求、資源可用性和轉換率。雖然模糊集理論提供了捕捉這類不确定性的有效框架，但僅依靠模糊建模可能导致解決方案對參數偏差敏感[46]。為了解決這一問題，將魯棒規劃與概然規劃相结合，使模型能夠生成在處理不精确數據時具有靈活性，在不利條件下保持穩定性[25,28]。針對這些問題，本研究的主要研究目標如下：
RO1：通過整合循環經濟和工業共生原則，設計一個鋼鐵業的共生理息供應鏈網絡。
RO2：在所开发的網絡中平衡經濟、環境和社会維度。
RO3：開發一種魯棒的概然規劃方法來處理認知不确定性。

根據 these 目標，本研究旨在回答以下研究問題（RQs）：
RQ1：如何基於循環經濟和工業共生原則設計和發展一個共生理息鋼鐵供應鏈網絡以实现可持續性目標？
RQ2：可以採用哪些策略來改善鋼鐵供應鏈的決策過程？
RQ3：鋼鐵供應鏈中的經濟、環境和社会目標之間存在哪些相互作用，如何采用適當的方法來實現這些目標之間的有效平衡？
RQ4：如何通過整合概然規劃和魯棒規劃有效地處理鋼鐵供應鏈中的認知不确定性，同时實現穩健的設計？

為了解決這些問題，本研究探索了在鋼鐵領域建立循環供應鏈（CSC），並識別了鋼鐵業与其他行業之间的工業共生關係。因此，設計了一個共生理息循環可持續供應鏈網絡（SCSSCN），以實現鋼鐵業的循環經濟目標。為了促進經濟增長，考慮到了提高盈利能力。同時，為了解決與大量副產物相關的困難（这些副產物的數量可能達到數百萬噸），有必要最大化其利用（即遵循循環經濟的再利用原則）。此外，考慮到伊朗大量的水和能源消耗以及使用限制、高二氧化碳排放量以及對社會維度的關注不足，我们在鋼鐵生產過程中共同考慮了这些目標。另一方面，使用本文开发的數學模型做出了多項戰略和戰術決策，如設施 ??、物料流、庫存水平以及所需不同類型車輛的数量。

通過解決上述研究空白，本研究的主要貢獻和方面总结如下：
• 开發了一種新型的共生理息循環可持續供應鏈網絡（SCSSCN）：為鋼鐵業設計了一個綜合框架，无缝整合了循環經濟原則和工業共生原則，以促進不同行業間的資源回收和副產物利用。
• 涵蓋所有可持續性維度：在專為鋼鐵業定制的統一數學模型中，同時優化經濟（盈利能力）、環境（水和能源消耗及二氧化碳排放）和社会目標。
• 在認知不確定性下提升決策制定：建立了一個雙目標模型，將概然規劃與魯棒優化技術結合，有效處理現實鋼鐵供應鏈參數中的固有深度不确定性（如需求、資源可用性和轉換率）。
• 集成戰略和戰術規劃：將關鍵決策——如設施位置、物料流、庫存管理和車隊規模——整合到單一的魯棒數學框架中，以應對波動的需求。
• 現實世界適用性：通過在伊朗鋼鐵業進行的全面實際案例研究驗證了所提出的模型，為實踐者提供了可行的管理洞察。

本研究的剩餘部分組織如下。下一節將提供相關工作的文獻回顧、研究空白和貢獻。第3節介紹了描述和提出的數學模型。第4節詳述了本研究采用的解決方法。第5節展示了案例研究、敏感性分析和數值結果。第6節提供了管理洞察和全面討論。最後，第7節總結了結論並提出了未來研究的方向。

## 文獻回顧和研究結構
本節分为五个小節。前三個小節分別檢視了與三個關鍵研究領域相關的先前研究：金屬廠優化、金屬SCND和金屬供應鏈中的反向物流，每個領域都涉及效率、結構和循環性的關鍵方面。第四個小節突出了所提出模型的研究空白和貢獻，最後一小節闡明了研究結構。

## 問題描述
所提出的模型是在循環經濟和工業共生原則下開發的，旨在設計一個共生理息鋼鐵供應鏈網絡。該供應鏈模型包括多個供應商、球團製造商、直接還原鐵（DRI）製造商、鋼鐵制造廠、倉庫、收集中心、處理點和客戶。本研究采用EAF技術，與使用基本氧氣爐（BOF）的技術相比，EAF技術消耗的能源更少，建設成本更低。

## 解決方法
許多現實世界問題都具有多個相互矛盾的目標，需要同時優化這些目標[6,32]。ε-約束方法是應用廣泛的多目標規劃方法。在这种方法中，一個目標被優先作為優化的主要目標，而其他目標則被移入模型的約束中[33]。然后，通過調整受限目標的閾值向量（通常用ε表示），可以……

## 模型實施
为了评估所提出模型的有效性和性能，解決了多個中小型問題。隨後進行了一項案例研究，以評估該模型在現實世界中的適用性。所提出的數學模型被歸類為MINLP問題，使用GAMS 24.1.2軟件環境中的BARON求解器進行求解。值得注意的是，所有計算都是在配備Intel? Core? i7-8550U處理器、12 GB RAM和Windows 10操作系統的筆電上完成的。

## 討論和洞察
解決與特定行業特徵相符合的現實世界問題可以為專業人员和學術研究人員提供有價值的洞察和實際成果。在这方面，本研究的洞察從理論和操作兩個角度進行了分類。

## 结論
本研究提出了一種雙目標概然模型，用於設計SCSSCN，該模型同時考慮了盈利能力和可持續性目標。特別是，在可持續性目標函数中，通過水、能源消耗和碳排放的標準化值以及創造的就業機會來優化環境和社會影響。遵循循環經濟和工業共生的原則，該模型還考慮了鋼鐵廢料的收集和利用。

## 未引用參考文献
[37,67]

## 作者貢獻聲明
Benyamin Moghaddasi：撰寫——原始草案、可视化、驗證、軟件、方法論、調查、形式分析、數據管理、概念化。
S. Ali Torabi：撰寫——審查與編輯、驗證、監督、資源管理、項目管理、方法論、調查、資金籌集、概念化。
S. Ali Adeli：調查、方法論、驗證、撰寫——原始草案。
Amir Ghasemi：撰寫——審查與編輯、驗證、概念化。

## 競爭利益聲明
作者聲明沒有已知的競爭財務利益或可能影響本文工作的個人關係。