Improving organizational and economic conditions for e-waste logistics support

Введение

Устойчивое экономическое развитие является стратегической задачей многих стран мира. Поэтому правительства стали уделять больше внимания проблеме загрязнения окружающей среды отходами, в том числе электронными, которые образуются в процессе жизнедеятельности человека. Под электронными бытовыми отходами (далее – ЭБО) понимается разновидность бытовых отходов, имеющих в своем составе электрические, а также электронные составляющие. ЭБО содержит в себе много токсичных компонентов, таких как свинец, ртуть, кадмий, барий и др. При неправильном обращении и переработке они представляет опасность для окружающей среды и здоровья человека [12, c. 174] (Nguyen, Larin, 2021, р. 174). Изучению проблемы утилизации ЭБО занимались такие ученые, как Тимофеев Г.П. [14] (Timofeev, Yushin, Prelikova, 2010), Удальцова Н.Л. [15] (Udaltsova, 2012), Петко О.В. [13] (Petko, Zhuravleva, 2013), Мезина Н.А. [8] (Mezina, 2011), Латыпова М.В. [6] (Latypova, 2018), Колычев Н.А. [4] (Kolychev, 2013), Букринская Э. [3] (Bukrinskaya, 2006), Любарская М.А. [7] (Lyubarskaya, 2005), Асеев А. Д. [1], Ho S.T., Tong D.Y.K., Ahmed E.M., Lee C.T. [17] (Ho, Tong, Ahmed, Lee, 2012), Babu B.R, Parande A.K, Basha C.A. [16] (Babu B., Parande A., Basha, 2007) и другие. Многочисленные исследования по данной теме показывают, что причинами существенного роста объемов ЭБО являются: расширение сфер использования электронного и электрического оборудования, отказы технического устройств, короткий жизненный цикл продукции и др. [9, 10, 11, c. 80] (Nguyen, 2020; Nguyen, Larin, 2021, р. 80).

Основные функции логистической поддержки процесса утилизации ЭБО состоят в: формировании иерархии территориальных образований (таксонов), в границах которых организуется логистическая поддержка процесса утилизации, и нормировании показателей генерации ЭБО для таксонов каждого уровня в иерархии; проектировании конфигурации сети ПНП для приемки и временного хранения ЭБО от ИГО в границах обслуживаемой территории; обосновании рациональной складской емкости ПНП и предельных сроков хранения ЭБО на таких пунктах; планировании вывоза ЭБО из ПНП на ПНО с минимальными затратами на работу транспорта.

Логистическая поддержка процесса утилизации ЭБО заключается в обеспечении своевременного и экономически эффективного перемещения отходов по всем звеньям возвратной логистической цепочки – от источников зарождения (генерации) потока отходов (ИГО), расположенных в границах определенных территориальных образований (таксонах), до пунктов их приемки и временного хранения (ПНП), вывоза из ПНП на пункты накопления и обработки (ПНО), откуда отходы подлежат дальнейшему перераспределению на пункты их утилизации (ПУО) в соответствии с установленной технологией использования (рециклинг, регенерация, рекуперация и др.).

Цель данной работы заключается в исследовании факторов и совершенствовании организационных и экономических условий эффективной логистической поддержки процесса утилизации ЭБО. Научная новизна исследования состоит в развитии теоретико-методических подходов к формированию организационно-экономического механизма логистической поддержки процесса утилизации электронных бытовых отходов (раскрывается в содержании понятия организационно-экономического механизма логистической поддержки процесса утилизации электронных бытовых отходов (далее – ОЭМЛП) и разработке методического инструментария, обеспечивающего повышение эффективности данного процесса. Под ОЭМЛП понимается совокупность административных, рыночных, финансовых (инвестиционных) форм и методов воздействия на деятельность участников возвратной (реверсивной) логистической цепочки электронных бытовых отходов в целях повышения уровня собираемости отходов и оптимизации затрат на логистические операции.

Организационная подсистема ОЭМЛП включает систему нормативного регулирования обращения ЭБО, лицензирования деятельности по утилизации таких отходов, институциональную среду рынка утилизации и модели взаимодействия участников утилизационной деятельности. Экономическая подсистема содействует эффективной утилизации ЭБО за счет применения мер тарифного регулирования в сфере утилизации ЭБО, экономического стимулирования повторного применения ЭБО и их сбора, инвестиций на развитие инфраструктуры для выполнения логистических операций (рис. 1).

На основе результатов анализа процесса утилизации ЭБО во Вьетнаме установлены характерные причины низкой эффективности данного процесса: не регулируется доступ коммерческих структур к утилизационной деятельности и не контролируется результативность ее осуществления, не предпринимаются меры по развитию инфраструктуры для сбора отходов, не используются меры экономического стимулирования участников данного процесса утилизации увеличивать собираемость отходов и снижать затраты на логистические операции по перемещению отходов на объекты их утилизации.

Для планирования логистической поддержки процесса утилизации ЭБО и повышения ее эффективности административным структурам Вьетнама необходимо организовать взаимодействие между участниками ОЭМЛП на системной основе, с четким распределением полномочий, прав и обязанностей всех участников. Модель взаимодействия участников ОЭМЛП должна предусматривать распределение полномочий между структурами подсистемы административного регулирования, организацию движения информационных и финансовых потоков (рис. 1).

Рисунок 1. Модель взаимодействия участников ОЭМЛП

Источник: составлено авторами.

Основными параметрами, необходимыми для планирования логистической поддержки, являются среднесуточные объемы генерации ЭБО в районах Q_RD и на их участках Q_PD. Однако на практике не всегда могут быть известны достоверные данные об объемах генерации. На основе результатов статистического анализа данных об объемах генерации ЭБО в различных территориальных образованиях выявлены статистические зависимости между объемами в таксонах смежных уровней в иерархии. На основе результатов корреляционного анализа зависимости объемов генерации отходов по Ханою и его районам от площади, численности и плотности жителей соответствующих территориальных образований обоснована возможность использования расчетных значений среднесуточного объема генерации ЭБО таксономического образования (например, города Q_СD) для определения среднесуточного объема генерации ЭБО каждого нижележащего (входящего в его структуру) таксономического образования (например, района Q_RD) с учетом численности проживающего там населения. Для этого данные о среднесуточных объемах в городах Q_СD (тонны/день) преобразуются в удельные показатели, учитывающие численность жителей. Таким удельным показателем является среднесуточная интенсивность генерации отходов W_CD для городской территории, которая рассчитывается через отношение среднедневного объема генерации отходов в городе к количеству проживающих там жителей N_C (тыс. чел.):

кг / чел.∙дн. (1)

На основе сравнительного анализа статистических характеристик показателей генерации отходов по Ханою и его районам обоснована возможность использования значения показателей интенсивности генерации отходов вышележащих в иерархии таксонов для определения объемов генерации в территориальных образованиях, относящихся к смежному нижележащему таксономическому уровню. Например, расчетное значение интенсивности в городе W_СD для оценки объема в районе Q_RD, расчетное значение интенсивности в районе W_RD для оценки объема на участке Q_РD. Формулы для таких случаев приведены ниже:

тонн /∙дн., (2)

тонн /∙дн., (3)

где F_R или F_P – площадь соответствующих района и участка, кв. км; P_R или P_P – плотность населения района и участка соответственно, чел./кв. км.

Основное требование к организации сети ПНП заключается в обеспечении высокого уровня доступности данных объектов для населения, которая характеризуется расположением ПНП в пределах допустимого значения показателя их удаленности L_P от мест нахождения потенциальных ИГО – жителей населенных и домохозяйств. Значение показателя L_P определяется с учетом различных факторов, преимущественно социальной природы (в том числе возрастной состав населения, образ жизни, бюджет свободного времени и пр.). Для оценки предпочтительного значения L_P целесообразно проводить непосредственный опрос населения. Значение L_P определяет границы участка (УОП) D_i (i Î P), который будет обслуживаться одним пунктом сбора отходов.

Каждый УОП является квадратной ячейкой с одинаковыми шириной L_B и высотой L_H и площадью участка F_P:

кв. км. (4)

Для формирования сети ПНП населенный пункт разбивается на множество R «характерных районов» таким образом, чтобы все входящие в состав района участки имели одинаковые значения плотности населения P_Ri (i Î R). Термин «характерный район» говорит о том, что в границах административного района может быть создано несколько «характерных районов». Границы «характерных районов» могут быть установлены по границам административных районов города. Районирование позволяет повысить точность оценки объемов накопления ЭБО на отдельных ПНП, что важно для планирования параметров вывоза отходов на ПНО.

Плановое количество УОП в границах территориального объекта (M_P) рассчитывается по формуле:

– для городов M_PC:

ед., (5)

– для района M_PR:

ед. (6)

Плановое количество УОП для района ХоангМай составляет:

(ед.), (7)

при L_P = 0,9 км, которое было определено на основе данных опроса ИГО, в котором предусматривались варианты с экономическими стимулами.

Для запланированных ПНП определяется показатель Q_PD среднесуточного объема генерации ЭБО в границах участка по формуле (3). Полученные значения Q_PD присваиваются всем ПНП, созданным в границах «характерного района». Величина Q_PD показывает, какой потенциальный объем ЭБО может быть собран на одном ПНП в течение суток при условии, что все ИГО будут направлять отходы на утилизацию через сеть официальных ПНП.

На основе показателя Q_PD определяется требуемая складская Q_PB емкость ПНП для временного хранения принимаемых от населения ЭБО. Минимальная емкость ПНП соответствует среднесуточному объему генерации (Q_PBmin = Q_PD) и устанавливается при ежедневном вывозе ЭБО, что соответствует величине периода накопления Т_W в один день.

Так как каждодневный вывоз небольших партий отходов сопровождается высокими затратами на перевозку S_TB, то в целях их снижения можно устанавливать интервалы для вывоза ЭБО с большей продолжительностью (Т_Wm ³1). Однако в этом случае потребуется нарастить складскую емкость пункта Q_PB для хранения запаса ЭБО до размера:

тонн, (8)

что приведет к увеличению затрат S_CB на содержание ПНП.

Расходы S_CB на содержание всех инфраструктурных объектов напрямую зависят от их емкости Q_PB, а расходы на вывоз S_TB снижаются по мере увеличения данной емкости, поэтому может быть найдено такое значение Q^*_PB, при котором суммарные затраты S_CBТ будут минимальными, а величина емкости Q^*_PB будет определяться на основе оптимальной продолжительности периода Т^*_W.

Затраты S_CB на содержание сети ПНП зависят от общей емкости пунктов S_CB и рассчитываются по формуле:

руб., (9)

где U_PB – норма затрат на содержание единичной емкости ПНП, руб./т∙дн.

Затраты S_CT на вывоз ЭБО из ПНП на ПНО рассчитываются по формуле:

руб., (10)

где Q_CT – объем транспортной работы, выполняемой при вывозе планового Q_CY количества ЭБО, т∙км/год; U_T – норма затрат на единицу выполненной транспортной работы, руб./т∙км.

Объем Q_Mj вывозимых ЭБО по каждому отдельному маршруту устанавливается с учетом грузоподъемности специализированного подвижного состава q_A, используемого на линии. При полном использовании грузоподъемности подвижного состава: Q_Mj = q_A.

Формула для расчета суммарных затрат на логистическую поддержку процесса утилизации S_CBT имеет вид:

руб., (11)

где R – количество районов; L_Di – самый протяженный путь внутри границ i-го района, км.

Анализ выражения (11) показывает, все показатели, кроме Т_W, являются постоянными величинами. Поэтому можно найти такое значение Т^*_W, при котором функция затрат на логистическую поддержку S_CBT будет минимальна:

(12)

Продифференцируем функцию S_CBT (11) по Т_W, приравняем к полученному выражению ноль и найдем Т^*_W:

, дн. (13)

i = 1, 2, …, R.

С использованием исходных данных по району ХоангМай определим оптимальный период накопления Т^*_W для всех ПНП района:

(дн).

В расчетах использовались следующие значения показателей: T_Y = 365 дн.; L_P = 0,9 км; q_A = 5 т; U_T = 560 руб./т∙км; M_PR = 13 ед.; U_PB = 790 руб./т∙дн.; Q_PD = 0,25 т/дн.

По формуле (11) суммарные затраты на логистическую поддержку S_CBT при L_D = 8,1 км для расчетного (оптимального) значения Т^*_W = 5,05 дн. составят: S_CBT = 13 653 238 руб./год., для округленного значения Т_W = 5 дн., составят: S_CBT = 13 653 738 руб./год.

Под маршрутом вывоза ЭБО понимается схема движения транспортного средства по улично-дорожной сети населенного пункта, образованная при последовательном посещении всех входящих в маршрут ПНП. Система маршрутов должна быть оптимальной по критерию минимального общего пробега транспортных средств L_M. Графики движения транспортных средств по маршруту разрабатываются с учетом затрат времени на технологические операции (движение между ПНП, приемка отходов и пр.).

Типовая процедура планирования вывоза ЭБО в населенных пунктах предусматривает определение следующих параметров: периодичности (интервалов) вывоза отходов с учетом циклического характера их накопления; кратчайших маршрутов движения транспортных средств между пунктами приемки и накопления (утилизации) отходов, что обеспечит минимизацию затрат на перевозки; расчет потребного количества подвижного состава A_M, достаточного для полного вывоза отходов в объеме Q_PBi из каждого ПНП, накопленных в течение оптимального периода Т^*_W.

При планировании вывоза ЭБО первый параметр имеет особое значение, так как неправильно назначенные интервалы вывоза могут привести к дефициту свободной емкости ПНП и, как следствие, к снижению уровня утилизации отходов. В зависимости от учета параметра цикличности образования отходов выделяется два базовых подхода (методических принципа) организации их вывоза: 1) «с установленной периодичностью»; 2) «по фактическому заполнению».

Свойство цикличности присуще накоплению для всех видов отходов. Например, в городах ТКО накапливаются регулярно и, как правило, равномерно во всех ПНП, что обусловлено особенностями потребления населением товаров повседневного спроса. Поэтому вывоз ТКО, особенно в крупных городах, осуществляется по принципу «с установленной периодичностью», как правило, ежедневно с охватом маршрутной сетью всех ПНП каждого района.

Однако для ЭБО характерна цикличность с менее выраженными регулярностью и равномерностью накопления объема. Фактические значения параметров генерации ЭБО определяются надежностью функционирования электронных изделий, отказы которых происходят, как правило, случайным образом. Поэтому даже при известных значениях интенсивности генерации ЭБО сложно прогнозировать момент выхода каждого электронного изделия из строя и поступления в конкретный ПНП. Данное обстоятельство означает, что если планировать вывоз ЭБО по принципу «с установленной периодичностью» с интервалами Т^*_W, то складская емкость у отдельных ПНП может быть исчерпана досрочно. Тогда при исчерпании складской емкости ПНП не смогут принимать ЭБО, что недопустимо.

Для исключения подобных нежелательных ситуаций предлагается планировать вывоз ЭБО «по фактическому заполнению» складской емкости ПНП. Данный методический принцип допускает формирование маршрутов вывоза отходов для отдельных дней внутри периода Т^*_W, когда фактически накопленный объем отходов Q_PW в отдельных ПНП достигнет установленной нормы Q_PB вывоза (предельной емкости пункта), рассчитанной по формуле (8) с учетом продолжительности Т^*_W:

Q_PW = Q_PB. (14)

Предлагается следующий алгоритм планирования вывоза ЭБО «по фактическому заполнению» емкости ПНП с минимальным общим пробегом транспортных средств L_M:

1) формирование перечня ПНП для предстоящего планового вывоза ЭБО;

2) формирование матрицы кратчайших расстояний между всеми ПНП и ПНО;

3) формирование системы оптимальных маршрутов по критерию минимального суммарного пробега;

4) расчет необходимого количества единиц подвижного состава для обслуживания всех маршрутов в течение суток.

Для своевременного вывоза отходов в каждом ПНП должен осуществляться мониторинг текущего уровня заполнения складской емкости. Пункты, для которых выполняется условие (14), включаются в план для предстоящего вывоза. Для реализации данного подхода проведен численный эксперимент для ПНП в районе ХоангМай, которые будут размещены на D_i участках (один участок – один ПНП). При среднесуточном объеме генерации отходов Q_PDj = 0,25 т/дн. и оптимальном периоде накопления T^*_W = 5 дней складская емкость каждого пункта составит Q_PW = 1,25 т. При помощи программного модуля «генерация случайных чисел» MS Excel для каждого t-го дня планового периода T_D = T^*_W смоделировано распределение ПНП, в которых фактической уровень Q_PWt накопленных отходов достигает установленной предельной Q_PB емкости пунктов. План вывоза отходов по всем участкам D_i для каждого t-го дня периода T_D, а также количество N_PDt участков, из которых будет осуществляться вывоз ЭБО в t-й день планового периода T_D, показаны в таблице 1.

Объем накопленных отходов Q_PWt в каждый T_Dt день составит:

тонн, t Î T_D (15)

а за весь период T_D совокупный объем вывоза Q_PW по всем участкам района составит:

тонн, n = 1, 2, … T_D. (16)

Таблица 1

План вывоза отходов из участков D_i по дням периода T_D

Матрица кратчайших расстояний между всеми ПНП и ПНО разрабатывается с учетом фактических данных ГИС-систем о местах размещения этих объектов и конфигурации транспортной сети. Для формирования оптимальных маршрутов использовались стандартные математические методы, разработанные для «задачи коммивояжера» (Travelling salesman problem), например эволюционный алгоритм, который реализован в программном модуле «Поиск решения» MS Excel.

При планировании вывоза «по фактическому заполнению» разрабатывается система «локальных» маршрутов, которые соединяют ПНО только с теми ПНП, в которых фактический объем накопления Q_PW достиг предельного значения по условию (14). Общее количество N_MZ «локальных» маршрутов находится в диапазоне от 1 до T_D и соответствует числу дней, в которые осуществляется вывоз ЭБО. На основе данных о днях фактического накопления отходов (см. табл. 1) разработаны пять «локальных маршрутов». Последовательность посещения ПНП определялась по кратчайшим расстояниям.

Далее оценивается необходимость дробления локальных маршрутов на несколько N_MS «субмаршрутов», когда общий объем накопленных отходов по какому-либо «локальному» маршруту превышает грузоподъемность транспортного средства (Q_PWt > q_A). Для рассматриваемого случая «субмаршруты» создавать не потребуется.

Объем транспортной работы Q_TZ на вывоз ЭБО по z-му количеству локальных маршрутов (z = 1, 2, … N_MZ) с протяженностью L_Mz и с объемами вывоза Q_PWz при общем количестве циклов N_MT объезда всех маршрутов в течение года определяется по формуле:

т∙км, (17)

В формуле (17) объем транспортной работы определяется как произведение суммарного объема вывозимых отходов из всех ПНП каждого маршрута на длину маршрута, а не как сумма произведений объемов, вывозимых из отдельных ПНП, на длину соответствующих участков маршрута, так как работа транспортного средства оплачивается независимо от степени его заполнения.

Затраты S_RTz на вывоз вычисляются по формуле:

руб. (18)

Объем транспортной работы на вывоз ЭБО по пяти локальным маршрутам составит Q_TZ = 42 549,9 т∙км, а затраты на вывоз – S_TZ = 23 827 930 руб.

Количество A_Mt транспортных средств, необходимых для вывоза отходов в каждый t-й день, определяется с учетом грузоподъемности машин, ежедневной продолжительности их работы T_H на маршрутах, протяженности локальных маршрутов L_Mz, средней эксплуатационной скорости V_E движения (с задержками, остановками и простоями). Если общее время работы транспорта T_Mt на обслуживание всех локальных маршрутов в t-й день превышает допустимую продолжительность T_H, то потребуется использовать несколько единиц A_Mt подвижного состава:

ед. (19)

Для расчетов значения эксплуатационных показателей установлены на основе данных транспортных компаний, осуществляющих вывоз бытовых ТКО в Ханое: V_E = 18 км/ч; T_H = 9,5 час. Для обслуживания всех «локальных» маршрутов в границах района ХоангМай в течение каждого дня периода T_D будет достаточно одного транспортного средства.

Заключение

Повышение эффективности логистической поддержки заключается в увеличении объемов ЭБО, поступающих на утилизацию по официальным каналам, а также в снижении затрат на сбор и вывоз ЭБО на специальные объекты для утилизации. Процесс утилизации электронных бытовых отходов сопровождается активным взаимодействием органов публичной власти (государственных и муниципальных), коммерческих структур и населения. Для высокой эффективности и безопасности процесса утилизации такое взаимодействие должно предусматривать процедуры установления мер экономического стимулирования участников данного процесса, конкурентного отбора логистических компаний для организации сбора и вывоза отходов, контролирования объемов и качества выполненных услуг.

Для планирования объемов логистической поддержки необходимо использовать данные об объемах генерации электронных бытовых отходов в границах соответствующих административно-территориальных образований. Для случая, когда для районов городов и участков районов статистические сведения о таких объемах отсутствуют, предлагается определять объемы генерации расчетным путем с использованием показателей интенсивности генерации отходов и численности проживающего в районе или на участке населения. Данное предложение основано на установленных зависимостях между указанными показателями.

Методика планирования вывоза электронных бытовых отходов из ПНП по фактическому уровню заполнения их складской емкости предусматривает включение в маршруты для заезда транспортных средств только тех пунктов, в которых накопленный объем отходов достиг предельного объема хранения. Использование методики обеспечивает снижение затрат на работу транспорта при посещении пунктов с незаполненной емкостью, а также позволяет исключить ситуации отказа в приеме отходов в переполненных пунктах.

Результаты исследования рекомендуется использовать для совершенствования организационно-экономических механизмов логистической поддержки процесса утилизации ЭБО, в том числе для корректировки системы и структуры участников и выполняемых ими функций, уточнения полномочий компетентных государственных органов по нормированию расходов на сбор и вывоз ЭБО.