董皎皎,馬瑞瑞,翟橋柱,衛(wèi)軍胡,賴菲,王虹,管曉宏,王智微

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安; 2.西安熱工研究院有限公司,710032,西安;3.西安交通大學(xué)智能網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

多類型煤炭海運(yùn)運(yùn)輸庫(kù)存管理一體化模型

董皎皎1,馬瑞瑞2,翟橋柱3,衛(wèi)軍胡1,賴菲2,王虹1,管曉宏3,王智微2

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安; 2.西安熱工研究院有限公司,710032,西安;3.西安交通大學(xué)智能網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

針對(duì)大型發(fā)電集團(tuán)煤炭采購(gòu)海運(yùn)總成本較高、庫(kù)存積壓嚴(yán)重的問(wèn)題,提出海運(yùn)運(yùn)輸庫(kù)存管理一體化的三層混合整數(shù)規(guī)劃模型。該模型基于多配送中心至多電廠碼頭的物流配送網(wǎng)絡(luò),考慮實(shí)際海運(yùn)中復(fù)雜的船舶構(gòu)成及電廠碼頭靠泊限制,采用混合整數(shù)規(guī)劃方法,以調(diào)度周期內(nèi)發(fā)電集團(tuán)總部煤炭采購(gòu)運(yùn)輸成本總和最小作為第一優(yōu)化目標(biāo),以船運(yùn)公司航次運(yùn)行總費(fèi)用最小為第二優(yōu)化目標(biāo),并考慮電廠碼頭庫(kù)存成本及庫(kù)存不平衡懲罰,采用分層序列優(yōu)化方法對(duì)該模型進(jìn)行求解?；趪?guó)內(nèi)某大型發(fā)電集團(tuán)及其下屬12個(gè)電廠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該模型在避免煤炭短缺及庫(kù)存爆倉(cāng)的同時(shí),降低供應(yīng)鏈系統(tǒng)總費(fèi)用800萬(wàn)元,減少由等待泊位引起的滯期費(fèi)用195萬(wàn)元,降低電廠碼頭平均庫(kù)存量30%;分層模型可有效降低由統(tǒng)一建模帶來(lái)的管理難度及求解復(fù)雜度,特別適用于多電廠碼頭的復(fù)雜煤炭海運(yùn)問(wèn)題。

海運(yùn)供應(yīng)鏈;庫(kù)存管理;煤炭運(yùn)輸;船舶調(diào)度計(jì)劃;三層混合整數(shù)規(guī)劃模型

大型發(fā)電集團(tuán)的煤炭采購(gòu)-海運(yùn)問(wèn)題具有供應(yīng)鏈關(guān)系復(fù)雜及海運(yùn)物流建模復(fù)雜等特點(diǎn)。應(yīng)用供應(yīng)鏈管理理論分析其供應(yīng)鏈特點(diǎn)及企業(yè)管理方式可有效降低供應(yīng)鏈總費(fèi)用,增強(qiáng)企業(yè)合作關(guān)系,但國(guó)內(nèi)外對(duì)海運(yùn)供應(yīng)鏈管理研究相對(duì)薄弱。大部分船舶調(diào)度仍然依靠調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)完成,以至運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高,因此,對(duì)煤炭采購(gòu)-海運(yùn)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行全面、系統(tǒng)的分析研究是十分必要的。

海洋運(yùn)輸研究分為3類:工業(yè)船運(yùn)、不定航線不定期船運(yùn)、班輪船運(yùn)[1]。工業(yè)船運(yùn)又包括工業(yè)船運(yùn)的船隊(duì)規(guī)劃、船隊(duì)定線及調(diào)度問(wèn)題[2]。文獻(xiàn)[3-4]建立了基本的多類型產(chǎn)品庫(kù)存路徑優(yōu)化問(wèn)題模型。文獻(xiàn)[5-7]分別從煤炭、糧食采購(gòu)-海運(yùn)問(wèn)題出發(fā),考慮成本最小化的煤炭、糧食采購(gòu)及運(yùn)輸計(jì)劃制定。文獻(xiàn)[8-10]分別研究了船隊(duì)規(guī)劃、班輪調(diào)度、不定期船運(yùn)問(wèn)題。文獻(xiàn)[11-12]分別研究了中國(guó)石化的煤炭庫(kù)存管理策略和煉油廠的庫(kù)存管理問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]研究了鐵路直達(dá)運(yùn)輸條件下煤炭采購(gòu)、運(yùn)輸問(wèn)題。文獻(xiàn)[14-15]構(gòu)建了煤炭物流網(wǎng)絡(luò)。

上述相關(guān)研究已經(jīng)建立了較好的整體優(yōu)化模型框架,但僅考慮了單產(chǎn)品類型或單一卸港碼頭,且航運(yùn)部分和卸港碼頭物理限制考慮相對(duì)簡(jiǎn)單,這與實(shí)際復(fù)雜的產(chǎn)品需求、船舶構(gòu)成等有出入。此外,將采購(gòu)與海運(yùn)部分統(tǒng)一建模,求解效率較低,僅能求解小規(guī)模問(wèn)題。本文基于多配送中心至多電廠碼頭的物流配送網(wǎng)絡(luò),考慮實(shí)際海運(yùn)中復(fù)雜的船舶構(gòu)成及電廠碼頭靠泊限制,建立三層混合整數(shù)規(guī)劃模型,利用分層序列優(yōu)化方法分別求解煤炭訂購(gòu)計(jì)劃、航線用船計(jì)劃及船舶調(diào)度計(jì)劃,不僅減少了供應(yīng)系統(tǒng)總費(fèi)用,而且有效降低了由統(tǒng)一建模帶來(lái)的管理難度及求解復(fù)雜度。

1 問(wèn)題背景及特點(diǎn)

1.1 問(wèn)題背景

本文以某發(fā)電集團(tuán)為背景,該集團(tuán)與多家船運(yùn)公司簽訂期租船合同,負(fù)責(zé)海運(yùn)煤炭運(yùn)輸。在每一調(diào)度月末,各電廠根據(jù)預(yù)測(cè)需求上報(bào)下一調(diào)度月用煤量計(jì)劃,集團(tuán)燃料部根據(jù)各用煤量計(jì)劃制定煤炭訂購(gòu)計(jì)劃,并根據(jù)各電廠煤炭庫(kù)存情況安排船舶調(diào)度計(jì)劃,如圖1所示。以上計(jì)劃由集團(tuán)總部、船運(yùn)公司和電廠三方會(huì)談制定。

圖1 煤炭采購(gòu)及海運(yùn)物流系統(tǒng)

1.2 問(wèn)題特點(diǎn)

分析圖1問(wèn)題并抽象其供應(yīng)鏈系統(tǒng)如圖2所示。在該供應(yīng)鏈中,分別研究核心企業(yè)(集團(tuán)總部)的訂購(gòu)管理及庫(kù)存管理問(wèn)題。根據(jù)供應(yīng)鏈關(guān)系分析,該問(wèn)題為多階段多目標(biāo)決策問(wèn)題,具有煤炭耗量大、種類多、電廠分散的特點(diǎn),與傳統(tǒng)的庫(kù)存路徑問(wèn)題相比,物流配送結(jié)構(gòu)和運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,且需要考慮更多的實(shí)際物理限制。

圖2 供應(yīng)鏈中物流及信息流

1.2.1 訂購(gòu)管理 集團(tuán)總部以月或季度為訂購(gòu)周期,向多家供應(yīng)商采購(gòu)以保障煤炭質(zhì)量和煤炭?jī)r(jià)格,降低缺貨風(fēng)險(xiǎn),保障各電廠碼頭的煤炭供給。其成本主要包括購(gòu)買成本、訂購(gòu)成本、物流成本及庫(kù)存持有成本。

1.2.2 第三方物流 由于自建物流體系費(fèi)用較高,集團(tuán)總部通常與第三方物流即船運(yùn)公司長(zhǎng)期合作。與傳統(tǒng)按照電廠碼頭庫(kù)存需求隨時(shí)租船的方式不同,本文提出新的管理模式,即在每一調(diào)度周期初,提前足夠時(shí)間計(jì)劃各航線用船數(shù)目,并反饋給船運(yùn)公司。該管理方式使得船運(yùn)公司有更大的業(yè)務(wù)自由度,可以保障雙方的長(zhǎng)期合作關(guān)系。

1.2.3 庫(kù)存管理 由于電能不能大規(guī)模經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ),各電廠碼頭均存在一定安全庫(kù)存以應(yīng)對(duì)電量需求的意外變化。由于各電廠屬于發(fā)電集團(tuán)總部,且各自獨(dú)立核算,因此,可以將其看作是信息完全共享的利益整體,采取供應(yīng)商管理庫(kù)存策略(VMI)可有效降低供應(yīng)鏈整體費(fèi)用。庫(kù)存成本主要包括物流成本和庫(kù)存持有成本。本文主要研究海運(yùn)形式的物流配送。

2 數(shù)學(xué)模型

傳統(tǒng)研究[6-8,12-14]通常采用統(tǒng)一建模思路,但在變量規(guī)模較大時(shí),較難在可接受時(shí)間內(nèi)得到問(wèn)題的可行解。經(jīng)調(diào)研分析,單位采購(gòu)成本遠(yuǎn)大于單位運(yùn)輸成本及單位庫(kù)存成本,因此,本文從實(shí)際應(yīng)用角度建立煤炭訂購(gòu)、航線用船、庫(kù)存管理三層混合整數(shù)規(guī)劃模型,分別求解煤炭訂購(gòu)計(jì)劃、航線用船計(jì)劃和船舶調(diào)度計(jì)劃。

2.1 煤炭訂購(gòu)計(jì)劃模型

在調(diào)度月初,集團(tuán)燃料部根據(jù)各電廠碼頭煤炭需求及各供應(yīng)商信息,決策訂購(gòu)計(jì)劃及各航線運(yùn)量計(jì)劃,以實(shí)現(xiàn)總支付成本最小。總支付成本主要包括采購(gòu)費(fèi)用、鐵路物流費(fèi)用及海運(yùn)物流費(fèi)用。

集團(tuán)燃料部煤炭訂購(gòu)問(wèn)題可表述為式(1)～式(7)所示的數(shù)學(xué)模型。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 航線用船計(jì)劃模型

在已知運(yùn)量計(jì)劃及各噸位船型可用數(shù)目的基礎(chǔ)上,集團(tuán)燃料部為各航線分配船舶運(yùn)輸煤炭,以實(shí)現(xiàn)總航次運(yùn)行費(fèi)用最小。

各航線用船問(wèn)題可表友誼賽為式(8)～式(14)所求援?dāng)?shù)學(xué)模型。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Xm,n,v為整型量

(13)

(14)

2.3 庫(kù)存管理模型

在已知運(yùn)量計(jì)劃、航線用船計(jì)劃及單位時(shí)段各電廠碼頭煤炭消耗量的基礎(chǔ)上,集團(tuán)燃料部制定船舶調(diào)度計(jì)劃,以實(shí)現(xiàn)所有電廠碼頭的庫(kù)存持有費(fèi)用及懲罰費(fèi)用最小。

各電廠碼頭庫(kù)存管理問(wèn)題可表述為式(15)～式(27)所示的數(shù)學(xué)模型。

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

xt,m,n,v為整型量

(24)

(25)

(26)

(27)

2.4 模型求解

式(1)～式(27)為混合整數(shù)規(guī)劃模型,求解流程如圖3所示。由于該實(shí)際問(wèn)題中各層成本間存在數(shù)量級(jí)上的顯著差異,如表1所示,迭代算法對(duì)總成本改變并不明顯,且會(huì)增加問(wèn)題的求解時(shí)間。因此,本文采用順序求解算法,自上而下求解三層混合整數(shù)規(guī)劃模型。

圖3 三層模型求解流程

表1 各層成本優(yōu)化結(jié)果

3 算例分析

以某集團(tuán)下屬電廠為例。為降低算例規(guī)模,分別對(duì)煤炭、港口、船舶分類,其中煤種為14類,港口為2類,船舶為11類。式(1)～式(27)為混合整數(shù)規(guī)劃模型,利用lingo 11.0軟件求解。由于各計(jì)劃表數(shù)據(jù)量較大,因此選擇其中某一電廠分析計(jì)算結(jié)果。

3.1 訂購(gòu)情況分析

由式(1)～式(8)制定采購(gòu)計(jì)劃,如表2所示?？梢钥闯?①考慮供應(yīng)商最大購(gòu)買量,各供應(yīng)商購(gòu)買量不大于最大供應(yīng)能力,可有效降低缺貨風(fēng)險(xiǎn);②經(jīng)驗(yàn)證明所有供應(yīng)商的煤炭購(gòu)買量可以滿足各電廠需求。

表2 訂購(gòu)計(jì)劃表

定義到廠煤炭單價(jià)為采購(gòu)單價(jià)與運(yùn)輸單價(jià)的總和。在不考慮管理意志約束時(shí),計(jì)算各港口各供應(yīng)商到廠煤炭單價(jià),可有效指導(dǎo)訂購(gòu)計(jì)劃的制定。

3.2 航線用船情況分析

由式(9)～式(16)可得航線用船方案,如表3所示。調(diào)度周期內(nèi)船舶使用數(shù)目為3,船舶載重量利用率為94.6%?？梢钥闯?①通過(guò)該方式制定的航次計(jì)劃可以在調(diào)度周期內(nèi)完成計(jì)劃運(yùn)量且滿足各船型可用數(shù)目限制;②與表4歷史計(jì)劃相比,船舶利用率差異不大,但減少了船舶使用數(shù)目,降低了總航次運(yùn)行費(fèi)用;③考慮泊位約束,船運(yùn)計(jì)劃更加貼近實(shí)際。因此,計(jì)算結(jié)果滿足船舶適載原則,即用合適的船型運(yùn)輸合適的貨物。

表3 航線用船計(jì)劃表

表4 歷史航線用船計(jì)劃表

3.3 電廠碼頭情況分析

由式(17)～式(26)可得航運(yùn)計(jì)劃表,如表5所示,其歷史數(shù)據(jù)如表6所示。根據(jù)各航線的航行時(shí)間、卸港時(shí)間可畫出任務(wù)時(shí)間圖,如圖4所示。其中,橫軸表示調(diào)度時(shí)段;縱軸表示各任務(wù);灰色部分表示由各港口至電廠碼頭n1的各航行任務(wù);黑色部分表示電廠碼頭n1的各卸港任務(wù)。

各電廠庫(kù)存變化情況如圖5所示,可以看出:①該調(diào)度方案可使電廠碼頭n1在滿足生產(chǎn)的前提下降低煤炭庫(kù)存量;②電廠碼頭n1的泊位數(shù)目為1,因此第2次運(yùn)輸任務(wù)與第3次運(yùn)輸任務(wù)錯(cuò)開卸港時(shí)間,可保障第3次到達(dá)電廠碼頭的船舶在無(wú)需等待的情況下安全卸港;③對(duì)比表6所示歷史航運(yùn)計(jì)劃可以看出,由于人工方式較難考慮各時(shí)段的煤炭庫(kù)存平衡,可能造成煤炭庫(kù)存量較高。

表5 船舶調(diào)度計(jì)劃表

表6 歷史船舶調(diào)度計(jì)劃表

圖4 電廠碼頭n1任務(wù)時(shí)間圖

圖5 電廠碼頭n1庫(kù)存量變化

上述問(wèn)題的難度隨電廠碼頭數(shù)目、船舶類型、煤炭類型的增加而增加。當(dāng)問(wèn)題規(guī)模較大時(shí),憑借人工經(jīng)驗(yàn)制定各調(diào)度計(jì)劃很難同時(shí)滿足供應(yīng)鏈中各方需求,而本文提出的三層混合整數(shù)規(guī)劃模型仍可得到該問(wèn)題的滿意結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文以某集團(tuán)為例,研究集團(tuán)總部通過(guò)海運(yùn)方式向其子公司運(yùn)送煤炭的供應(yīng)鏈管理問(wèn)題。通過(guò)分析供應(yīng)鏈管理模式,提出集團(tuán)總部與第三方物流公司合作新的管理方式;結(jié)合海運(yùn)物流的基本特點(diǎn),將供應(yīng)鏈管理問(wèn)題推廣至海運(yùn)領(lǐng)域;提出三層模型,有效降低了由統(tǒng)一建模帶來(lái)的管理難度及求解復(fù)雜度;考慮電廠碼頭泊位數(shù)目,使得船舶調(diào)度計(jì)劃的制定更加貼近實(shí)際。

下一步工作主要是設(shè)計(jì)啟發(fā)式算法,以求解卸港碼頭較多的大規(guī)模海運(yùn)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題。在問(wèn)題規(guī)模較大時(shí),本文所提出的模型及算法求解時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),因此如何設(shè)計(jì)啟發(fā)式算法以降低問(wèn)題求解時(shí)間,提高模型求解效率是下一步研究的主要方向。

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李健,黃慶佳,劉一陽(yáng),等.云計(jì)算環(huán)境下基于粒子群優(yōu)化的大規(guī)模圖處理任務(wù)調(diào)度算法.2012,46(12):116-122.[doi:10.7652/xjtuxb201212020]

代亮,許宏科,陳婷.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可分負(fù)載調(diào)度算法.2012,46(6):23-28.[doi:10.7652/xjtuxb201206005]

徐健,景明利,齊春,等.采用遺傳算法的分層貪婪字典訓(xùn)練算法.2012,46(4):18-23.[doi:10.7652/xjtuxb201204004]

薛峰,周亞?wèn)|,高峰,等.一種突發(fā)性熱點(diǎn)話題在線發(fā)現(xiàn)與跟蹤方法.2011,45(12):64-69.[doi:10.7652/xjtuxb201112 012]

李黎,管曉宏,趙千川,等.網(wǎng)絡(luò)生存適應(yīng)性的多目標(biāo)評(píng)估.2010,44(10):1-7.[doi:10.7652/xjtuxb201010001]

劉小民,張文斌.采用遺傳算法的離心葉輪多目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì).2010,44(1):31-35.[doi:10.7652/xjtuxb201001008]

顏秉珩,錢德沛.一種支持負(fù)載均衡的存儲(chǔ)調(diào)度算法.2009,43(10):61-65.[doi:10.7652/xjtuxb200910013]

康雨,閆相國(guó),鄭崇勛,等.任意可分負(fù)載的多輪調(diào)度算法.2009,43(8):125-129.[doi:10.7652/xjtuxb200908025]

(編輯 武紅江)

IntegrationModelofInventoryandTransportationDecisionsforMultipleCoalShipping

DONG Jiaojiao1,MA Ruirui2,ZHAI Qiaozhu3,WEI Junhu1,LAI Fei2,WANG Hong1,GUAN Xiaohong3,WANG Zhiwei2

(1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China;2.Thermal Power Research Institute Corporation Limited,Xi’an 710032,China; 3.Ministry of Education Key Lab for Intelligent Networks and Network Security,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

A three-level mixed integer programming model is proposed to reduce the cost of coal purchase and transportation in large-scale power generation groups,and to decrease the inventory levels of coal in group’s subsidiaries.Mixed integer liner programming is used to establish the model,and the logistic distribution networks among multi-loading ports and multi-unloading ports,vessel capacities and physical constrains of subsidiaries are considered in the model.The first level object of the model is to minimize the purchase and transportation costs of power generation groups in the entire scheduling cycle.The second level object is to minimize the voyage operating expenses,and the third level object is to minimize the inventory and penalty costs of all subsidiaries.Sequential optimization method is used to solve the model.Numerical tests are performed for a power generation group with 12 subsidiaries and the results show that the cost of the overall supply chain system is saved by 800million RMB,the demurrage cost is reduced by 195 million RMB,and the inventories of all subsidiaries are reduced by 30%.The three-level model has competitive performance in terms of solution efficiency against traditional consolidated models,especially for complex coal shipping problems of multiple subsidiaries.

maritime supply chain; inventory management; coal transportation; ship routing strategy; three-phrase mixed-integer programming model

2013-11-30。

董皎皎(1989—),女,博士生;高峰(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

華能集團(tuán)重點(diǎn)科技項(xiàng)目(HNKJ12-H61);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61174146,61221063)。

時(shí)間:2014-04-16

10.7652/xjtuxb201406007

F274

:A

:0253-987X(2014)06-0037-06

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