馬華偉，梁泰鵬，劉 彬，盛 巧

（合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，安徽 合肥 230002）

基于3D打印技術(shù)的物流運輸體系研究

馬華偉，梁泰鵬，劉 彬，盛 巧

（合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，安徽 合肥 230002）

基于3D打印技術(shù)，在物流運輸配送體系中引入3D打印服務(wù)商，利用信息傳遞替代了傳統(tǒng)模式中生產(chǎn)商運輸商品到配送中心的環(huán)節(jié)，建立以運輸配送成本最小化為目標(biāo)并且考慮運輸損耗的新型物流運輸配送模型。結(jié)合具體算例，利用Lingo精準(zhǔn)求解運輸配送成本，與傳統(tǒng)模式下的成本進行比較，證明新模式具有成本優(yōu)勢。

3D打印；物流配送；運輸體系；線性規(guī)劃

1 引言

3D打印技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的增材制造技術(shù)。3D打印技術(shù)憑借傳遞數(shù)字文件以代替實物運輸?shù)膬?yōu)點，將對物流行業(yè)產(chǎn)生沖擊，例如，3D打印技術(shù)僅需用兩個小時即可制作完成傳統(tǒng)國際物流需要一周才能運達的物品。引入3D打印技術(shù)是未來物流行業(yè)提高運輸速度與降低配送成本的一條可行之路[1]。

3D打印技術(shù)國內(nèi)外的研究主要集中在教育、醫(yī)學(xué)、工業(yè)設(shè)計、航空航天等領(lǐng)域。3D打印技術(shù)憑借其高效、精準(zhǔn)的特點打印骨骼、模具、零件等相關(guān)物品用以醫(yī)療、制造及應(yīng)用[2-5]。除此之外，也有一些人對3D打印材料[6]、3D打印技術(shù)應(yīng)用于圖書館[7]及3D打印技術(shù)專利侵權(quán)問題[8]進行了研究。在探究3D打印技術(shù)對物流行業(yè)發(fā)展的影響方面，除物流技術(shù)編輯部（2013）進行過零散解讀以及喬益民[9]對3D打印在包裝容器成型中的研究外，金玉然[1]和馬國偉[10]從宏觀局面上就3D打印技術(shù)對全球物流戰(zhàn)略性影響和對供應(yīng)鏈的影響分別進行了分析。

現(xiàn)有的3D打印技術(shù)對物流行業(yè)影響的研究均為宏觀上的定性分析，缺乏定量研究的數(shù)據(jù)支撐。為探究引入3D打印技術(shù)后能否降低運輸成本，筆者在此提出了一種基于3D打印技術(shù)的新型物流運輸配送模式，并構(gòu)建物流成本模型，利用混合整數(shù)規(guī)劃求解模型，設(shè)立算例并與傳統(tǒng)物流配送模式進行定量比較，體現(xiàn)新模式下物流成本的優(yōu)越性。

2 問題描述及模型構(gòu)建

傳統(tǒng)路徑優(yōu)化問題方面的研究都是通過改進算法或適當(dāng)選址來降低運輸配送成本[11-12]，然而引進3D打印技術(shù)后，利用其可以通過電子數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问教娲鷮嵨镞\輸?shù)奶攸c，直接改變物流運輸配送的模式，兩種模式對比如圖1、圖2所示。

當(dāng)確認(rèn)顧客訂單后，圖1中傳統(tǒng)的物流運輸配送模式將從生產(chǎn)企業(yè)運輸商品至配送中心，經(jīng)揀選分裝后配送至各顧客手中。而應(yīng)用圖2中的新型物流運輸配送模式，企業(yè)只需確定距離顧客最近的3D打印服務(wù)商并向其發(fā)送打印資料，由3D打印服務(wù)商制作完成后配送至相應(yīng)的顧客手中即可，減少了諸多的中間環(huán)節(jié)，從而降低了成本。

由上述分析可知，新型的物流配送模式去除了企業(yè)運輸商品到配送中心的環(huán)節(jié)，而是直接傳輸電子信息文件給靠近買家的3D打印服務(wù)商，由3D打印服務(wù)商進行打印并配送給顧客。因此該問題可描述如下：某一企業(yè)通過3D打印服務(wù)商向多位顧客提供商品，已知所有3D打印服務(wù)商和每位顧客的位置及兩者間單位運費，已知每位顧客的需求量和3D打印服務(wù)商供應(yīng)量，已知單位距離物品損耗率。要求確定進行生產(chǎn)配送的3D服務(wù)商使得運輸配送成本最小化。

為使得所建模型構(gòu)建更加方便，現(xiàn)條件假設(shè)如下：（1）運輸路線考慮為兩點之間直線距離。（2）3D打印服務(wù)商生產(chǎn)能力滿足其所服務(wù)區(qū)域的需求量。

圖1 傳統(tǒng)物流配送模式

圖2 引入3D打印服務(wù)商后的新型配送模式

2.1 變量假設(shè)

商品價值為P；顧客商品需求量為Dj；；生產(chǎn)廠商a，各3D打印服務(wù)商地址為 Ii,i=1,2,3,…,n，各顧客位置為Jj,j=1,2,…,m，Ii距離Jj運程為dij，Ii與Jj之間單位貨物單位距離平均運費成本為Cij；Xi為邏輯變量，3D打印服務(wù)商供應(yīng)量為Si；商品單位路程損耗率為P，則運輸成本如下：

式（1）為模式設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，即運輸配送成本最小化；式（2）表示3D打印服務(wù)商供應(yīng)能力滿足顧客總需求量；式（3）表示任一顧客訂單由一個3D打印服務(wù)商生產(chǎn)配送；式（4）表示3D打印服務(wù)商選用決策；式（5）表示參數(shù)限制。

2.2 模型求解

優(yōu)化后的運輸成本最優(yōu)化問題都為帶約束的整數(shù)線性規(guī)劃模型，可以利用Lingo編程求解模型，得到精確最優(yōu)解。

3 算例分析

現(xiàn)有一個飾品加工企業(yè)，單個商品價值1 000元，生產(chǎn)廠房位于B地，現(xiàn)向A地的20名顧客發(fā)送商品，商品單位路程損耗率為0.000 1，負(fù)責(zé)A地范圍服務(wù)的有3個3D打印服務(wù)商（注：為增強可比性，3D打印服務(wù)商與配送中心地理位置信息及運費價格一致，為方便起見，表2、表3未同時標(biāo)注配送中心和3D打印服務(wù)商）。生產(chǎn)廠商與配送中心間的距離及運費、3D打印服務(wù)商距經(jīng)顧客距離及運費、顧客需求量見表1-表4。

表1 配送中心到廠商之間距離及運費表

表2 配送中心（或3D打印服務(wù)商）到顧客間運費表（元/km·件）

表3 配送中心（或3D打印服務(wù)商）到顧客間距離表（km）

表4 顧客需求量表（件）

新型物流運輸配送模式3D打印服務(wù)商選擇結(jié)果見表5，成本計算結(jié)果如下：運輸總成本為18 465元，商品價值損耗總成本為314.5元。新模式最終成本為18 779.5元。

表5 新模式下邏輯變量X選擇表

傳統(tǒng)物流運輸配送模式配送中心選擇結(jié)果見表6，成本計算結(jié)果如下：3個配送中心接收商品數(shù)分別為150、25、323件，廠商到配送中心運輸成本為40 660元，配送中心到顧客配送成本為21 609元，商品損耗成本為3 508.3元。最終總成本為65 777.3元。

表6 傳統(tǒng)模式下邏輯變量X選擇表

由此可見新型模式下的物流成本較傳統(tǒng)模式有極大的縮減。

此外，為探究需求量增長對新舊模式成本的影響，筆者以100為單位將各地區(qū)需求量區(qū)間從100-200逐步增加至900-100 0，分別求得其成本，計算較上一區(qū)間的成本增長率，并在各區(qū)間隨機選出5組需求量數(shù)據(jù)并取平均，折線圖如圖3、圖4所示。

由圖4可知，兩模式下成本增長率隨著需求量增長逐漸降低，兩模式成本增長率趨于重合，但是由圖3可知傳統(tǒng)模式下的成本初始值遠(yuǎn)高于新型模式，所以傳統(tǒng)模式的成本隨著需求量的增多，會遠(yuǎn)高于新型模式的成本。

4 結(jié)束語

本文研究了基于3D打印技術(shù)的新型物流運輸配送體系，以運輸配送成本最小化為目標(biāo)，通過引入3D打印服務(wù)商優(yōu)化模式，去除了傳統(tǒng)物流運輸配送模式下產(chǎn)品由生產(chǎn)地運輸至配送中心的環(huán)節(jié)，從而降低了總體物流運輸配送成本，同時考慮商品運輸途中的價值損耗，更加貼近實際。通過算例中求出的新模式下精確解與傳統(tǒng)模式相比較，新模式下的成本有顯著降低。但本文建模沒有考慮3D打印的諸多限制因素，且算例直接利用Lingo編程求出精確解，不適用于節(jié)點大于等于30的情況。

本文為企業(yè)運輸配送商品的模式提供了理論性的借鑒，進一步的研究可以從以下方面進行考慮：考慮加入3D打印相關(guān)限制因素如打印時間、打印尺寸后，對運輸配送成本的相關(guān)影響；研究3D打印服務(wù)商加入產(chǎn)量限制下的配送路徑優(yōu)化。

圖3 新模式與傳統(tǒng)模式成本隨需求量變化圖

圖4 新模式與傳統(tǒng)模式成本增長率隨需求量變化圖

[1]金玉然,戢守峰,李天柱,等.3D打印對物流產(chǎn)業(yè)的影響及對策創(chuàng)新[J].技術(shù)經(jīng)濟與管理研究,2014,(8):105-108.

[2]王萍.3D打印及其教育應(yīng)用初探[J].中國遠(yuǎn)程教育,2013,(8):83-87.

[3]王鎵垠,柴磊,劉利彪,等.人體器官3D打印的最新進展[J].機械工程學(xué)報,2014,50(23):119-127.

[4]張楠，李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對未來產(chǎn)品設(shè)計的影響[J].機械設(shè)計,2013,30(7):97-99.

[5]楊恩泉.3D打印技術(shù)對航空制造業(yè)發(fā)展的影響[J].航空科學(xué)技術(shù), 2013,(1):13-17.

[6]姚妮娜,彭雄厚.3D打印金屬粉末的制備方法[J].四川有色金屬,2013, (4):48-51.

[7]劉奇扉.探析國外圖書館3D打印服務(wù)[J].圖書館論壇,2014,(6):112-115.

[8]劉強.3D打印技術(shù)專利侵權(quán)問題研究[J].武陵學(xué)刊,2014,39(1):55-60.

[9]喬益民,王家民.3D打印技術(shù)在包裝容器成型中的應(yīng)用[J].包裝工程, 2012,(22):68-72.

[10]馬國偉.3D打印對供應(yīng)鏈的影響[J].科技廣場,2014,(1):175-180.

[11]王恒偉，趙振民.供應(yīng)鏈運作模式設(shè)計中物流配送中心和轉(zhuǎn)運中心選址研究[J].物流技術(shù),2013,32(10):140-142.

[12]郎茂祥，胡思繼.用混合遺傳算法求解物流配送路徑優(yōu)化問題的研究[J].中國管理科學(xué),2002,10(5):51-56.

Study on Logistics Transportation System Based on 3D Printing Technology

Ma Huawei,Liang Taipeng,Liu Bin,Sheng Qiao
(School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230002,China)

In this paper,we introduced the 3D printing service provider into the logistics distribution system,used information transmission to replace the transportation of the producer goods to the distribution center,built the innovative logistics distribution model that aimed at minimizing the logistics distribution cost and considered the in-transit loss,and at the end,through a numerical example,proved the cost advantage of the model.

3D printing;logistics distribution;transportation system;linear programming

F259.2

A

1005-152X(2015)10-0072-03

2015-08-05

國家自然科學(xué)基金項目“基于物聯(lián)網(wǎng)的集裝箱甩掛運輸協(xié)同機制與動態(tài)調(diào)度方法”（71472058）

馬華偉（1977-），男，安徽滁州人，合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，副教授，博士，研究方向：物流與供應(yīng)鏈；梁泰鵬（1995-），男，山西運城人，合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院學(xué)生，研究方向：物流管理；劉彬（1994-），男，安徽人，合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院學(xué)生，研究方向：物流管理；盛巧（1994-），女，安徽六安人，合肥工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院學(xué)生，研究方向：會計學(xué)。

10.3969/j.issn.1005-152X.2015.10.021