可持续藏红花供应链网络的循环经济优化：整合生命周期评价与资源增值

《Computers & Operations Research》：Circular economy optimization of sustainable saffron supply network: integrating life cycle assessment and resource valorization

　　

# 摘要

藏红花被誉为全球最有价值的香料，由于其生产劳动密集、成本高以及环境影响，面临重大供应链挑战。本研究开发了一个可持续的藏红花供应链框架，整合了循环经济原则、生命周期评估和可持续供应商选择，共同改善经济、环境和社会绩效。提出了一个多目标混合整数线性规划模型来确定设施选址、规划正向和逆向物流流程以及实现副产品增值。通过多准则决策分析方法纳入可持续采购，优先考虑具有优异水效率、更低排放和更强本地发展成果的供应商。为了解决该模型，开发了一种稳定化多割Benders分解结合割引导邻域搜索的方法，其中违反的割指导搜索。计算实验证明与AUGMECON2和NSGA-II相比，该方法具有更好的收敛性和可扩展性。伊朗呼罗珊地区的案例研究表明，该框架使总供应链成本降低8-12%，用水量及排放降低20-25%，废弃物减少30%以上，同时社会绩效提升15-18%。结果表明，整合循环经济、生命周期评估和决策分析对于设计可持续且可扩展的农食品供应链是有效的。

# 引言

人口快速增长和食品需求增加强化了食品部门的战略角色，尤其是在发展中经济体。农业食品供应链协调生产、加工和分销活动，对确保粮食安全至关重要。在香料供应链中，产品质量取决于挥发性油脂和生物活性化合物，而运营仍然是劳动密集型且环境要求高的。近期研究强调了日益增长的可持续挑战，包括资源效率低下、排放以及在严格法规和中介主导结构下农民利润下降。藏红花，常被称为"红色黄金"，是一种高价值、低产量的香料，以其劳动密集型种植和对气候和经济条件的强敏感性为特征。它主要在干旱和温带地区生产，伊朗占全球产量的约96%。尽管其经济重要性以及国际贸易的扩展，藏红花供应链仍然运营欠发达，缺乏先进的基于优化的决策支持工具。此外，藏红花生产产生大量副产品，如花瓣和花残余物，尽管它们具有增值应用的潜力，但往往被未充分利用。

从可持续性角度来看，现代供应链网络设计必须超越成本最小化，纳入环境和社会目标，包括减排、资源效率、就业创造和本地发展。在此背景下，循环经济和生命周期评估提供了互补框架，以改善资源利用并量化各供应链阶段的环境影响。然而，在大多数现有研究中，这些概念被视为外部评估工具，而不是集成的决策组件。为了解决这些局限性，本研究提出了一个稳健且可持续的藏红花供应链网络框架，将循环经济原则、基于生命周期评估的环境影响和可持续供应商选择整合到一个统一的优化模型中。供应商选择使用多准则决策分析方法执行，该方法结合层次分析法和与理想解相似偏好 Technique，评估经济、环境和社会准则，包括成本、排放、水强度和本地发展。与传统应用不同，由此产生的可持续性评分直接嵌入优化模型中作为决策驱动参数，影响网络配置和供应商选择。

提出的模型被公式化为多时期、多产品混合整数线性规划问题，共同优化经济、环境和社会目标。循环经济策略，包括副产品增值、可重复使用的包装和基于堆肥的营养物质回收，被明确建模为影响物质流、设施利用和环境绩效的内生决策。同时，基于生命周期评估的系数量化了种植、加工、包装和分销各阶段的级别影响，使目标性的减排和资源消耗减少成为可能。藏红花供应链由于短收获窗口、资源限制和复杂物流而呈现出重大规划挑战。现有研究仍然是碎片化的，通常优化单个维度如成本、能源或排放，同时忽略集成的循环流和社会结果。此外，大规模多时期循环供应链网络的可扩展解决方案方法仍然有限。本研究通过提出一个集成框架来解决这些差距，在该框架中，网络设计、循环资源流和可持续性驱动的决策被共同优化。

为了应对已识别的研究差距并建立研究目标与后续分析之间的明确联系，本研究受以下研究问题指导：
- 如何将循环经济策略、基于生命周期评估的环境评估和可持续供应商选择整合到一个统一的藏红花供应链网络优化框架中？
- 副产品增值、逆向物流、可重复使用的包装和堆肥回收如何影响藏红花供应链网络的经济、环境和社会绩效？
- 如何有效地解决由此产生的大规模多目标混合整数线性规划，同时保持解决方案质量和可扩展性？
- 将所提出的框架应用于真实世界的藏红花供应链案例研究时，可以得出哪些管理决策和政策见解？

由于来自多时期设施选址决策和高维正向/逆向物流的组合复杂性，直接用精确方法解决模型在规模上变得具有计算挑战性。为了解决由此产生的大规模模型，开发了一种逻辑稳定化多割Benders分解结合割引导邻域搜索的方法。与传统的分解方法不同，所提出的方法使用违反的Benders割既作为可行性约束又作为邻域探索的指导，建立了一种对偶-原始反馈结构，改善了收敛性和解决方案质量。本研究的主要贡献如下：(i) 在统一的供应链网络优化框架内将循环经济策略、生命周期评估影响和基于多准则决策分析的供应商选择作为相互依赖的决策组件进行集成；(ii) 将副产品增值和逆向物流明确建模为影响网络设计的内生变量；以及(iii) 开发了一种混合Benders解决方案方法，该方法纳入了割引导搜索以增强计算性能。与传统的Benders分解框架不同，所提出的LSMC-B-CGNS算法重用违反的Benders割作为搜索方向信号，主动指导邻域探索并恢复可行性。因此，方法论上的贡献在于结构化地集成分解方法中的对偶信息与原始搜索，而不是单个算法组件本身。从决策支持角度来看，所提出的框架帮助集中式规划者在藏红花供应链的网络设计和可持续性投资方面做出集成决策。

本文的其余部分组织如下。第2节回顾相关文献。第3节呈现模型公式化。第4节描述解决方案方法论。第5节报告计算结果和真实世界案例研究。第6节总结本文。

# 部分片段：可持续的农业食品供应链

可持续供应链管理，定义为协调运营、财务和资源以增强盈利能力，同时改善社会福利和最小化环境危害，在农业领域变得必不可少，农业支持粮食安全和农村就业，但仍是一个重要的温室气体排放者和环境退化源。根植于世界环境与发展委员会

# 问题描述

本研究考虑了一个集中式决策框架，在该框架中，一个协调实体（例如政府机构、出口联盟或集成的农业食品供应链经理）在一个多时期规划期内设计藏红花供应链网络。决策者确定设施选址、生产和加工分配、正向和逆向物流流以及循环经济策略的采用。目标是设计一个可持续且具有经济可行性的供应链网络，该网络共同优化经济成本。

# 符号说明

集合
- ??∈{??1,?,??14} 产品集合（主要产品=??1：Sargol（最优质），??2：Negin（银针），??3：Poshal（二级），??4：Bunch（整株），??5：Style（柱头）；副产品=??6：Petal（花瓣），??7：Stamen（花丝），??8：Tea and Extracts（茶和提取物），??9：Pharmaceutical（药品），??10：Cosmetic（化妆品），??11：Dyeing（染料），??12：Leaves and Agricultural Residues（叶子和农业残留物），??13：Compost（堆肥）；??14：Corm（球茎））
- ??∈{1,...,??} 球茎供应商集合
- ??∈{1,...,??} 农田集合
- ??∈{1,...,??} 堆肥处理和加工中心集合
- ??∈{1,...,??} 本地分离和配送中心集合
- ??∈{1,...,??} 可重复使用包装和配送

# 解决方案方法：LSMC-B-CGNS

本节呈现了所提出的LSMC-B-CGNS框架，该框架建立在经典Benders分解结构的基础上，并进行了协调的增强以提高大规模实例的收敛性和鲁棒性。该方法利用模型的可分解性质，将二元战略决策与运营物流决策分离开来。它集成了基于逻辑的稳定化机制（通过信任区域机制）、紧凑的多割生成和割引导邻域搜索

# 结果与讨论

本节呈现了数值实验和真实世界案例研究以验证所提出的模型。LSMC-B-CGNS启发式算法的性能与AUGMECON2和NSGA-II进行了基准测试，随后通过案例研究评估其实际效率和鲁棒性。进行了敏感性分析以评估关键参数的影响。精确方法和启发式方法在GAMS（版本24.1.2）中实现，而元启发式算法在MATLAB（R2015b）上开发，运行在AMD Ryzen 7处理器上

# 结论与未来展望

核心启示是农业供应链网络中的循环性应被视为网络设计原则，而不是在运营决策完成后应用的环境评估。在呼罗珊应用中，循环效益来自于协调回收和处理能力、可持续性导向的采购以及正向和逆向物质流。因此，相关问题从"单个循环实践是否有益"转变为

# CRediT作者贡献声明

Omid Abdolazimi：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿撰写，可视化，验证，软件，形式分析，数据管理，概念化。Davood Shishebori：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资金获取，数据管理。

Omid Abdolazimi|Davood Shishebori
密西西比州立大学工业与系统工程系，密西西比州，美国