物流包装的绿色智能设计

文/彭国勋

中国物流与采购联合会日前提出，要大力推动物流包装向“绿色、标准、智能、共享”方向发展，这也成为物流包装行业需要关注的趋势。

物流包装的绿色智能设计，是降低物流费用和提升绿色指标指数的源头

根据国外资料显示，全球的所有物流相关包装材料支出，到2019年将达到2710亿美元（约合1.626万亿元人民币），组成见表1，再加上消费包装的包装总支出约为8200亿美元。其中，美国占全球物流包装需求的近24%，可达760亿美元；亚洲占全球运输包装需求的近46%，可达1457亿美元；而中国占到全球包装销售额的约1/5。

物流包装的绿色智能设计，是降低物流费用和提升绿色指标指数的源头。一般而言，物流运输包装设计可以归纳为七步法，其流程框图，如图1所示。

绿色包装指标，一般包括减量化（reduce）、重复使用(reuse)和循环再生(recycle)等3R原则。

表1：全球物流包装产值预测

图1：物流运输包装绿色智能设计流程框图

一、物流包装防护包装系统的绿色智能设计

物流包装智能设计，应该包括防护包装和包装容器两大部分。国家标准提到的防护标准有26种，其中缓冲包装应用最普遍。

下面以“三坐标测量机缓冲包装的智能包装设计”为例进行介绍。

物流包装智能设计软件中的缓冲智能设计模块，综合了国内外有关标准和文献介绍的算法，以重量为W=10吨的三坐标测量机为案例，进行了优化设计。缓冲包装缓冲垫材料选用希悦尔公司的CelluPlank®400 EPE，其跌落高度为12英寸的不同跌落次数、不同缓冲厚度t＝1"～4"的动态冲击缓冲性能曲线，如图2所示。图2中纵坐标为冲击加速度G（单位为重力加速度g的倍数），横坐标为缓冲垫的静应力σ（单位为psi）。根据ISTA3H，三坐标测量机的设计跌落高度取为h＝12英寸。

大数据显示，闭孔发泡塑料的动态冲击缓冲性能在等效冲击势能Y=hσ和单位厚度的等效动应力X=Gσ/t之间，存在式（1）所示的指数函数关系：

其中的系数A和B对应于特定型号的闭孔发泡塑料，例如图2曲线得到的第2～5次跌落的式（1）数据拟合结果为A＝19.958，B=0.0711。以三坐标测量机为案例，其脆值为40g和按ISTA-3H规定的跌落高度H=100 mm时，设计的缓冲垫选用厚度取t=60 mm，按图3所示《缓冲包装设计》软件可求得冲击加速度G=32.91，最佳缓冲垫总面积A=1103700 mm2，静应力σ=W/A=12.8869 psi。向下跌落时的冲击加速度为G=32.91g，略低于产品脆值Gc=40；在此静应力作用下的缓冲垫的压缩静变形约为1.2mm，仅是缓冲垫厚度60mm的2%，对缓冲的影响在预计的误差范围内。

图2：希悦尔公司的EPE的密度为400的典型动态冲击缓冲性能曲线

图3：三坐标测量机缓冲包装智能设计软件界面与结果

二、包装容器的智能设计

物流包装的外包装容器，主要包括瓦楞纸箱、托盘、木包装、塑料包装、金属包装等。选用需考虑的因素是内装物重量、尺寸、防护要求、一次性或循环包装、成本等。根据企业要求，已经开发出常用包装容器的智能设计模块。

下面以“标准木质平托盘的绿色智能设计”为例进行介绍。

物流绿色包装智能设计软件，专门开发多种木质平托盘结构的设计模块。GB/T 31148-2014推荐的中国标准木质平托盘，利用开发的智能设计软件，不仅可以得到如图4（a）所示川字式中标木质平托盘的结构尺寸三维模型、图纸，更重要的是可以给出常用4种载荷工况的应力、变形、和安全系数等分析，结果如4（b）所示。这些功能是国内现有软件所没有的，也超过了美国的PDS软件的现有功能，可以最大程度实现托盘的减量化，还有利于分析重复使用托盘的耐久性。软件采用直观的彩图显示：循环使用托盘的安全系数推荐处于绿色范围内，一次性托盘可以处于红色范围左端区域，处于灰色范围则表明过分安全，可以减少构件的尺寸。

三、物流包装系统的绿色评估

物流包装系统的绿色指数评估，主要是基于生命周期评价方法对物流包装系统进行研究，重点分析其“从摇篮到坟墓”全过程中的碳足迹。首先确定系统边界，详细阐述物流包装系统的整个生命周期过程；其次，从原材料生产以及运输阶段、框架木箱的生产加工及物流阶段、原材料的废弃阶段三个方面收集相关数据，并进行计算。

例如，将生命周期评价方法应用于绿色包装的评价，通过系统的、全生命周期的分析对某三坐标测量机框架木箱做出定量评价。其中，原材料生产以及运输阶段碳排放量所占百分比高达67%，框架木箱加工生产以及运输阶段为31%，原材料废弃阶段为2%；由图5可知，原材料生产阶段二氧化碳排放量在生命周期过程中占的比重最大，约为95754.524 kg，因为在采伐原材料木材的时候考虑到森林的碳吸存，即生长在森林中的木材本可以吸收一定的二氧化碳，但因采伐导致其不能吸收二氧化碳，所以这部分的二氧化碳量也包括在原材料的生产过程中。其次便是客户至用户运输阶段，产生较多的二氧化碳排放量，约为40511.99 kg，因为运输阶段二氧化碳的排放量与产品重量以及运输距离相关，所以相比于生命周期的其他阶段会产生更多二氧化碳。最后可以看出，加工阶段以及废弃阶段所排放的二氧化碳量是最少的，分别为5663.694 kg和3903.856 kg。

图4：川字式中标木质平托盘的智能设计结果

图5：生命周期过程二氧化碳排放量

四、未来展望

物流包装绿色智能设计涉及到开发适应大数据和云计算的优化设计算法研究，迫切需要包装材料生产企业规范质量标准，提供设计所需的各种材料测试统计分析出的性能数据，并建立相应的数据库，为包装绿色智能设计提供最可靠的数据基础。

物流包装系统的绿色智能设计，是绿色智能供应链和绿色智能制造的基础，对物流和供应链优化起着十分关键的作用，有待进行更深层次开发。