湯余南

（浙江財(cái)經(jīng)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

GIS在物流分析活動(dòng)中的功能及模型探討

湯余南

（浙江財(cái)經(jīng)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

介紹了GIS的功能，并且研究了其在物流分析活動(dòng)中的應(yīng)用。另外還對(duì)GIS在物流分析中的應(yīng)用模型類型進(jìn)行了探討，比較了模型的運(yùn)用范圍和部分算法研究。

GIS；物流分析活動(dòng)；功能；模型

1 地理信息系統(tǒng)的定義

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System,簡(jiǎn)稱GIS）是在計(jì)算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)的支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中有關(guān)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、存儲(chǔ)、管理，運(yùn)用、分析、顯示以及描述的系統(tǒng)，是一種重要的空間信息系統(tǒng)。是一個(gè)邏輯縮小的、高度信息化的地理系統(tǒng)，它將現(xiàn)實(shí)世界抽象為相互連接不同特征的層面組合，解決了各種紛繁復(fù)雜的難題。

從GIS的定義可以看出，地理信息系統(tǒng)同一般信息系統(tǒng)的不同主要體現(xiàn)在其主要處理的信息類型上，GIS主要支持的是地理空間數(shù)據(jù)，這也就造成了它與一般信息系統(tǒng)在硬件設(shè)備、軟件環(huán)境、數(shù)據(jù)處理以及管理等方面的主要差別。在硬件設(shè)備上，由于外部環(huán)境是模擬形式的，而內(nèi)部數(shù)據(jù)是數(shù)字形式的，所以GIS的輸入設(shè)備要求具有從模型形式到數(shù)字形式的轉(zhuǎn)換功能；而且由于地理空間數(shù)據(jù)大部分需要以圖形的形式來(lái)顯示，所以輸出設(shè)備對(duì)于圖形顯示的要求較高。

2 地理信息系統(tǒng)的功能

如圖1，GIS就是通過(guò)對(duì)空間信息及其相關(guān)屬性信息的處理，將各種詳細(xì)的地理資料（包括和地理空間有關(guān)的圖形資料和屬性資料）整合成綜合性的地理信息資料庫(kù)，通過(guò)應(yīng)用軟件，將各種相關(guān)信息以文字、數(shù)字、圖表，聲音，圖形或配以地圖的形式，提供給決策者使用[1]。如圖2所示，GIS作為一個(gè)空間信息系統(tǒng)具有5項(xiàng)基本功能，即數(shù)據(jù)采集與輸入、數(shù)據(jù)編輯與更新、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、空間數(shù)據(jù)查詢與分析、數(shù)據(jù)輸出與表達(dá)。

（1）數(shù)據(jù)采集與輸入。數(shù)據(jù)采集與輸入是指在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中將系統(tǒng)外部的原始數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)內(nèi)部，并將這些數(shù)據(jù)從外部格式轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)便于處理的內(nèi)部格式。由于GIS可以有多種數(shù)據(jù)源，如地形數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，需要對(duì)不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，以保證數(shù)據(jù)格式的一致性。

GIS的數(shù)據(jù)通常抽象為不同的專題或?qū)?，如圖3。數(shù)據(jù)采集與輸入的功能就是保證各層實(shí)體的地理要素按順序轉(zhuǎn)化為x，y坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的代碼并輸入到計(jì)算機(jī)中。

（2）數(shù)據(jù)編輯與更新。數(shù)據(jù)編輯與更新是指把GIS的數(shù)據(jù)輸入過(guò)程中，各種輸入設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)難免會(huì)產(chǎn)生或輸入一些差錯(cuò)，如使用掃描儀得到的數(shù)據(jù)，可能會(huì)有一些噪聲斑塊或線條出現(xiàn)。所以一般要求對(duì)GIS中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和完善，使數(shù)據(jù)具有一定的意義。這里的數(shù)據(jù)編輯主要包括圖形編輯和屬性編輯。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。主要包括空間與非空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。目前，在GIS中對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理主要是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)完成的對(duì)于空間數(shù)據(jù)的管理，是將各種圖形或圖像信息以嚴(yán)密的邏輯結(jié)構(gòu)存放在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中；對(duì)于非空間的屬性數(shù)據(jù)管理，一般直接利用商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)軟件（如Oracle，SQL Sever等）進(jìn)行管理。

（4）空間數(shù)據(jù)查詢與分析?？臻g數(shù)據(jù)查詢與分析是GIS最重要的功能。也是GIS區(qū)別于其他信息系統(tǒng)的本質(zhì)特征。它主要包括數(shù)據(jù)操作運(yùn)算、空間數(shù)據(jù)查詢檢索與中間數(shù)據(jù)綜合分析。GIS有豐富的查詢功能，既具有屬性查詢功能也有圖形查詢功能，還可以實(shí)現(xiàn)圖形與屬性之間的交叉查詢，如從數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫(kù)或存儲(chǔ)設(shè)備中查找和選取所需的數(shù)據(jù)；還可以為了滿足各種可能的查詢條件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)操作，如數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、矢量數(shù)據(jù)疊合、柵格數(shù)據(jù)疊加等操作以及按一定模式關(guān)系進(jìn)行的各種數(shù)據(jù)運(yùn)算。

（5）數(shù)據(jù)輸出與表達(dá)。GIS的數(shù)據(jù)輸出與表達(dá)是指借助一定的設(shè)備和介質(zhì)，將GIS的分析或查詢檢索結(jié)果表示為某種用戶需要的可以理解的形式的過(guò)程。GIS通常以人機(jī)交互方式來(lái)選擇現(xiàn)實(shí)的對(duì)象與形式。對(duì)于圖形數(shù)據(jù)，根據(jù)要素的信息密集程度，可選擇放大或縮小顯示；可以輸出全要素地圖，或根據(jù)用戶需要分層輸出各種專題圖、統(tǒng)計(jì)圖、圖表以及數(shù)據(jù)等。

3 GIS在物流分析中的模型類型

GIS應(yīng)用于物流分析。主要就是指利用GIS這種特有的強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)處理功能來(lái)完善物流分析技術(shù)中的“軟技術(shù)”。這里的“軟技術(shù)”就是指在物流規(guī)劃、物流設(shè)計(jì)、物流評(píng)價(jià)等過(guò)程中采用的物流策略和決策技術(shù)等。

事實(shí)上，完整的GIS物流分析軟件中都包含高級(jí)的模型建模分析工具，如車輛路線模型，最短路徑模型、網(wǎng)絡(luò)物流模型、分配集合模型、設(shè)施定位模型等，這些模型既可以單獨(dú)使用，解決某些實(shí)際問(wèn)題，也可以作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適合不同需要的應(yīng)用程序。這些模型也較有代表性地說(shuō)明GIS在物流分析中的應(yīng)用水平。

3.1 車輛路線模型

車輛路徑問(wèn)題（Vehicle Routing Problem,VRP），也稱為車輛調(diào)度問(wèn)題（Vehicle Scheduling Problem,VSP），是運(yùn)輸組織優(yōu)化中的核心問(wèn)題，它通過(guò)對(duì)貨物的運(yùn)輸路線進(jìn)行優(yōu)化，在滿足客戶需求的前提下，盡量以最低的運(yùn)輸成本將貨物送達(dá)目的地[2],一般用在一個(gè)起點(diǎn)，多個(gè)終點(diǎn)的運(yùn)輸問(wèn)題中。問(wèn)題的關(guān)鍵是在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，怎么減少操作費(fèi)用。這就涉及到了怎么使用車輛以及車輛的路徑選擇問(wèn)題。在物流分析活動(dòng)中，當(dāng)收、發(fā)貨點(diǎn)之間為一對(duì)多的情況時(shí)，應(yīng)該以運(yùn)輸?shù)唾M(fèi)用、及時(shí)、安全為目標(biāo)。從全局上選擇合理的運(yùn)輸方式并使得費(fèi)用最低的最優(yōu)車輛路徑模型。

VRP問(wèn)題中一般約束有：

（1）行程距離約束：每輛車的最大行程距離不得大于預(yù)先給定的大小。

（2）容量約束：每條路線總供應(yīng)量和需求量不得超過(guò)車輛的容量。

（3）時(shí)間窗約束：時(shí)間窗包括軟時(shí)間窗和硬時(shí)間窗。硬時(shí)間窗的VRP為帶時(shí)間窗的車輛路徑問(wèn)題 （Vehicle Routing problems with Time Windows，VRPTW），指運(yùn)行的車輛必須在用戶規(guī)定的時(shí)間限制內(nèi)沿路線提供服務(wù)；而軟時(shí)間窗的VRP為帶軟時(shí)間窗的車輛路徑問(wèn)題 （Vehicle Routing Problem swith softTime windows，VRPSTW），是指車輛可不在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沿路線提供服務(wù)，但會(huì)有懲罰費(fèi)用。

VRP問(wèn)題常用的求解方法主要有：

（1）經(jīng)典啟發(fā)式方法。主要有Solomon的插入法、多庫(kù)房用戶的分配方法、循環(huán)法。

（2）遺傳算法。遺傳算法（Genetic Algorithms，GA）是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法，最初由美國(guó)Michigan大學(xué)J.Holland教授于1975年首先提出來(lái)的?；舅枷胧恰皟?yōu)勝劣汰”和“適者生存”，從優(yōu)化的角度從一個(gè)種群（一組可行解）開(kāi)始優(yōu)化出越來(lái)越好的種群（新的可行解），在優(yōu)化過(guò)程中，根據(jù)種群（可行解）適應(yīng)度的大小選擇優(yōu)良個(gè)體繁殖（復(fù)制）到下一代，進(jìn)化成更優(yōu)的種群（可行解）。遺傳算法是解決VRP問(wèn)題的經(jīng)典方法，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)該和改進(jìn)，改進(jìn)的GA主要有：雙倍體的、雙種群的、自適應(yīng)的、分層的、CHC算法的、messy的、基于小生境的、并行的GA等。

（3）禁忌搜索法。禁忌搜索（Tabu Search,TS）是一種模擬智能過(guò)程的、擁有記憶功能的全局逐步優(yōu)化算法，由Glover在1989年提出。它是對(duì)局部鄰域搜索的一種改進(jìn)和發(fā)展，己經(jīng)成功應(yīng)用于許多VRP問(wèn)題中。

局部領(lǐng)域搜索是基于貪婪思想持續(xù)地在當(dāng)前解的領(lǐng)域中進(jìn)行搜索，雖然算法通用易實(shí)現(xiàn)，且容易理解，但其搜索性能完全依賴于領(lǐng)域結(jié)構(gòu)和初解，尤其易陷入局部極小而無(wú)法保證全局優(yōu)化性。TS算法通過(guò)引入一個(gè)靈活的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的禁忌準(zhǔn)則來(lái)避免迂回搜索，并通過(guò)藐視準(zhǔn)則來(lái)赦免一些被禁忌的優(yōu)良狀態(tài)，進(jìn)而保證多樣化的有效探索以最終實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。相對(duì)于模擬退火和遺傳算法，TS是又一種搜索特點(diǎn)不同的meta-heuristic算法。

（5）增強(qiáng)學(xué)習(xí)。增強(qiáng)學(xué)習(xí)（Reinforcement Learning，RL）是最近機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，在人工智能問(wèn)題求解、優(yōu)化調(diào)度、機(jī)器人控制等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。增強(qiáng)學(xué)習(xí)是一類基于馬爾可夫決策過(guò)程，解決復(fù)雜多階段決策問(wèn)題方法。

3.2 設(shè)施定位模型

設(shè)施定位也叫做設(shè)施選址，研究的對(duì)象是在事先規(guī)劃的區(qū)域中選擇一個(gè)或者多個(gè)設(shè)施的地點(diǎn)，使得設(shè)施運(yùn)行之后達(dá)到最優(yōu)效果。它在物流領(lǐng)域中主要用于物流中心、物流園區(qū)、停車場(chǎng)、堆場(chǎng)、碼頭、車站、配送中心等方面。

在某個(gè)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)，具有多個(gè)資源點(diǎn)及需求點(diǎn)，那么物流資源就需要通過(guò)某一設(shè)施點(diǎn)的中轉(zhuǎn)和分發(fā)才能供應(yīng)所有的需求點(diǎn)，因此，根據(jù)區(qū)域內(nèi)實(shí)際的需要，結(jié)果經(jīng)濟(jì)條件、服務(wù)質(zhì)量、地域條件的約束，對(duì)設(shè)施定位進(jìn)行合理、準(zhǔn)確的選址就變得非常重要。而這個(gè)問(wèn)題運(yùn)用設(shè)施定位模型就能較為容易地實(shí)現(xiàn)。

選址問(wèn)題的目標(biāo)有多種，可能會(huì)對(duì)設(shè)施定位結(jié)果有較大的影響，一般把設(shè)施定位問(wèn)題的目標(biāo)分為四類:費(fèi)用最小、利潤(rùn)（率）最大、需求型目標(biāo)、環(huán)境目標(biāo)，這四個(gè)目標(biāo)可能會(huì)重疊[3]。

設(shè)施定位問(wèn)題按研究對(duì)象的離散程度可以分為連續(xù)選址模型（Continuous Location Models）和離散選址模型（Discrete Location Models）。

3.2.1 連續(xù)點(diǎn)選址模型。連續(xù)點(diǎn)選址問(wèn)題是指在某個(gè)路線或某個(gè)區(qū)域內(nèi)的任何地點(diǎn)都可作為選址選擇的模型。包括交叉中值模型、精確重心模型。

3.2.2 離散點(diǎn)選址模型。離散點(diǎn)選址模型中，不能以任何一點(diǎn)為選址方案，而是在有限的候選方案中，選擇最優(yōu)的一個(gè)或多個(gè)方案，這叫做離散點(diǎn)選址模型。主要有覆蓋模型和P-中值模型。

（1）覆蓋模型。覆蓋模型是針對(duì)需求已知的需求點(diǎn)而研究相應(yīng)的服務(wù)設(shè)施來(lái)滿足需求的選址模型。在物流分析中，它適用于商業(yè)物流活動(dòng)，例如配送中心選址、加油站選址、零售點(diǎn)選址。

（2）P-中值模型。P—中值模型指在給定數(shù)量和位置的需求集合和包含有n個(gè)候選設(shè)施位置的集合中，分別為P個(gè)設(shè)施找到合適的位置并指派每個(gè)需求點(diǎn)到一個(gè)特定設(shè)施，使之達(dá)到在設(shè)施和需求點(diǎn)之間的費(fèi)用最低。

3.3 網(wǎng)絡(luò)物流模型

網(wǎng)絡(luò)物流研究的是在物流配送過(guò)程中相關(guān)聯(lián)的組織、設(shè)施、線路的集成，在滿足服務(wù)水平的前提下，使得效益和效率最大化的問(wèn)題。物流設(shè)施包括物流中心、配送中、倉(cāng)庫(kù)、碼頭、工廠等能夠進(jìn)行物流作業(yè)的結(jié)點(diǎn)以及零售店。網(wǎng)絡(luò)物流模型是TQ、VRP、設(shè)施選址問(wèn)題的集成，是基于供應(yīng)鏈角度的對(duì)物流活動(dòng)的綜合、高效、長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略問(wèn)題。

3.4 分配集合模型

分配集合模型可以根據(jù)各個(gè)要素的相似點(diǎn)把同一層上的所有或部分要素分成幾組，用于解決確定服務(wù)范圍、銷售市場(chǎng)范圍等問(wèn)題。

在很多物流問(wèn)題中都涉及分配集合模型。如，某公司要設(shè)立12個(gè)分銷點(diǎn)，要求這些分銷點(diǎn)覆蓋整個(gè)地區(qū)，且每個(gè)分銷點(diǎn)的顧客數(shù)目大致相等。在某既定經(jīng)濟(jì)區(qū)域（可大至一個(gè)國(guó)家，小至某一地區(qū)、城市）內(nèi)，考慮各個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)網(wǎng)點(diǎn)的規(guī)模及地理位置等因素，合理劃分配送中心的服務(wù)范圍，確定其供應(yīng)半徑，實(shí)現(xiàn)宏觀供需平衡。這就是分配集合模型解決的問(wèn)題。

4 小結(jié)

GIS在物流活動(dòng)中扮演著越來(lái)越重要的角色，對(duì)物流活動(dòng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)起了非常大的積極作用?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)的GIS技術(shù)及軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的重視，并且出現(xiàn)了一大批的研究和應(yīng)用成果，例如國(guó)家建成了基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1:100萬(wàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。但是不可否認(rèn)的是，我們的GIS開(kāi)發(fā)與國(guó)外相比還比較落后，對(duì)GIS的應(yīng)用研究也不夠，需要社會(huì)和政府更加重視和著力發(fā)展GIS技術(shù)。

[1]李波,王謙.物流信息系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

[2]劉霞.車輛路徑問(wèn)題的研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2007.

[3]盧曉珊.設(shè)施選址問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.

Discussion on the Function and Model of GIS in Logistics Analytical Activities

TANG Yu-nan
（Zhe jiang University of Finance&Economics,Hangzhou 310018,China）

The paper introduces the function of GIS and its application in logistics analytical activities.In addition,it also investigates its models of application,compares the scope of application of each of them,and studies some of the algorithm involved.

GIS;logistics analytical activities;function;model

F252

A

1005-152X（2010）16-0097-03

10.3969/j.issn.1005-152X.2010.16.030

2010-07-30

湯余南，男，浙江金華人，浙江財(cái)經(jīng)學(xué)院東方學(xué)院學(xué)生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。