蔡鑒明，肖世斌 CAI Jianming,XIAO Shibin

（中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410075）

0 引言

生鮮冷鏈物流中心能將果蔬、畜肉等易腐食品進(jìn)行加工、貯存、配送，從而對食品的外觀、營養(yǎng)等起到很好的保鮮作用，幫助冷鏈物流提高效率，降低成本。布局是生鮮冷鏈物流中心建設(shè)最重要的環(huán)節(jié)之一，與整個中心的效率、成本和安全等都有著緊密聯(lián)系。通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對于生鮮冷鏈物流中心的研究，偏向于選址、保溫技術(shù)、發(fā)展對策等方面，單純針對生鮮冷鏈物流中心布局方面可供參考的研究成果相對較少，相關(guān)研究如下：Liu等[1]應(yīng)用SLP方法，根據(jù)物流中心工作單元的物流和非物流關(guān)系，確定了單元的位置，通過對移動線路和其他因素的進(jìn)一步修正和調(diào)整，提出了布局方案。Wu等[2]基于SLP方法，結(jié)合新產(chǎn)品物流的特殊性，改進(jìn)了傳統(tǒng)的物流要素分析方法，應(yīng)用于生鮮食品配送中心布局當(dāng)中，并通過實例驗證。Lei等[3]采用SLP方法設(shè)計物流設(shè)施，創(chuàng)新地介紹了物流設(shè)施布局規(guī)劃后的直觀模糊集（IFSs），對物流設(shè)施的布局進(jìn)行了全面的評價，提出了一種新的物流設(shè)施布局改進(jìn)方案。Zhang等[4]提出了基于直覺模糊TOPSIS理論的農(nóng)村物流中心位置模型，根據(jù)評價指標(biāo)體系的專家評分，使用熵權(quán)法來確定每個評價指標(biāo)的權(quán)重，利用直覺模糊TOPSIS方法對結(jié)果進(jìn)行排序，并進(jìn)行了實例驗證。Kundu等[5]提出關(guān)于元啟發(fā)式方法在設(shè)施布局問題中應(yīng)用的最新研究，以評估涉及新設(shè)計目標(biāo)、算法和方法的最新趨勢，并介紹了新的設(shè)計目標(biāo)、算法和方法。在這項研究中分析了新興布局研究的新進(jìn)展。郝斯琪等[6]運(yùn)用SLP方法，以設(shè)計綏芬河地區(qū)新建木材物流中心布局為例，對各作業(yè)單位間的物流和非物流關(guān)系進(jìn)行分析，形成綜合相關(guān)度圖，布局地區(qū)木材物流中心。李琴琴等[7]對物流配送中心的作業(yè)流程進(jìn)行闡述并劃分功能區(qū)，采用改進(jìn)的SLP方法，建立以物料搬運(yùn)成本最小、功能區(qū)間非物流關(guān)系最大為目標(biāo)函數(shù)，最后通過算例驗證。秦世杰等[8]以藍(lán)莓貯藏為例進(jìn)行了果蔬冷庫規(guī)劃設(shè)計研究，得到了作業(yè)區(qū)平面布置以及冷庫設(shè)備選用。石學(xué)剛等[9]通過對西北地區(qū)市場宏觀環(huán)境的分析及對冷庫的供需進(jìn)行預(yù)測，采用TOPSIS方法建模，對新疆、陜西、青海、甘肅、寧夏等地進(jìn)行實例分析，提出冷鏈物流企業(yè)在西北五省冷庫布局的路徑及建議。崔凱等[10]建立了冷鏈物流中心選址評價指標(biāo)體系，以灰色關(guān)聯(lián)度和理想解法為基礎(chǔ)建立冷鏈物流中心選址評價模型，并進(jìn)行實例分析，驗證模型的有效性。孫焰等[11]認(rèn)為物流園區(qū)內(nèi)部功能區(qū)布局和交通設(shè)計聯(lián)系緊密，因此對二者間的相互影響綜合分析，然后進(jìn)行功能區(qū)分區(qū)并結(jié)合物流園區(qū)內(nèi)部車輛行駛時間和交通網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建布局模型，利用遺傳算法進(jìn)行求解。

因此，結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，借助改進(jìn)的SLP方法和遺傳算法對生鮮冷鏈物流中心進(jìn)行布局優(yōu)化。

1 生鮮冷鏈物流中心功能區(qū)布局

1.1 生鮮冷鏈物流中心功能區(qū)劃分

生鮮冷鏈物流中心集低溫存儲、產(chǎn)品預(yù)處理、加工、配送等功能于一體，結(jié)合功能分析，可將冷鏈物流中心分為收貨區(qū)、預(yù)處理加工區(qū)、儲存區(qū)、集配區(qū)、發(fā)貨區(qū)、退貨處理區(qū)、綜合辦公區(qū)、生活服務(wù)區(qū)、交易展示區(qū)、停車區(qū)，如表1所示：

表1 冷鏈物流中心內(nèi)部功能區(qū)劃分

1.2 冷鏈物流中心作業(yè)流程和作業(yè)動線模式分析

根據(jù)冷鏈物流中心功能區(qū)特點，設(shè)計作業(yè)流程圖，如圖1所示。根據(jù)冷庫實際情況，從基本的物流動線模式中選取L形、I型、U型布置方案分析，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、空間適用性、作業(yè)流暢性等8項因素（見表2） 對布局的影響，將影響因子分為A、E、I、O、U五個等級。設(shè)定A=4分，E=3分，I=2分，O=1分，U=0分[12]。表2中各因素的權(quán)數(shù)是根據(jù)冷庫作業(yè)需求和實際情況分析得到，據(jù)表2可知，L型動線模式綜合得分最高，因此選取L型布局方案更為合適。

1.3 功能區(qū)綜合相關(guān)度分析

圖1 作業(yè)流程

表2 作業(yè)運(yùn)線分析

（1）功能區(qū)之間物流和非物流相關(guān)關(guān)系分析

SLP中將物流強(qiáng)度分為五個等級，分別用A,E,I,O,U表示，按物流量和線路比例確定強(qiáng)度級別，如表3所示，同時，作業(yè)流暢度、人員安全性、便捷性管理、環(huán)境等多方面因素均考慮在內(nèi)，即非物流關(guān)系，如表4所示，將其按照密切程度進(jìn)行分級，如表5所示。

表3 物流強(qiáng)度等級

表4 非物流相關(guān)關(guān)系影響等級

（2）功能區(qū)綜合相關(guān)度

在分析確定物流關(guān)系和非物流關(guān)系后，再將兩者進(jìn)行綜合，得到各功能區(qū)的綜合相關(guān)度情況，并且量化以便后續(xù)布局模型求解，量化步驟如下：①對先前給定的物流與非物流關(guān)系“密切程度”進(jìn)行賦值，設(shè)A=4，E=3，I=2，O=1，U=0，X=-1。②將物流與非物流關(guān)系的計算比例和重要程度確定，即功能區(qū)受物流和非物流關(guān)系的影響權(quán)重。根據(jù)冷鏈物流中心情況，取物流與非物流關(guān)系的權(quán)重比例m∶n=3∶1。③得到功能區(qū)之間綜合相關(guān)度計算式為：R=3M+N，式中M,N分別是物流和非物流關(guān)系的密切關(guān)系值；R為綜合相關(guān)度值，不同等級對應(yīng)取值區(qū)間：A為16～19，E為12～15，I為8～11，O為4～7，U為0～3。④計算得到綜合相關(guān)度值如表6所示:

表5 功能區(qū)物流（上半?yún)^(qū)）和非物流（下半?yún)^(qū)）相關(guān)關(guān)系

表6 功能區(qū)綜合相關(guān)度

1.4 功能區(qū)面積估算

將貨運(yùn)量數(shù)據(jù)與功能區(qū)內(nèi)部功能設(shè)計相結(jié)合，結(jié)合冷鏈物流中心內(nèi)部功能區(qū)設(shè)計，參考倉儲用地規(guī)劃相關(guān)文獻(xiàn)資料，得出冷鏈物流中心內(nèi)部各功能區(qū)估算面積。對于收貨、預(yù)處理加工、儲存、集配、發(fā)貨、退貨六個基本功能區(qū)與冷鏈中心貨運(yùn)量相關(guān)性極高；對于綜合辦公、生活服務(wù)、交易展示、停車區(qū)四個增值和輔助功能區(qū)，按國內(nèi)現(xiàn)有冷鏈中心的占比得出面積設(shè)計占比，因此功能區(qū)面積估算如下：

收貨/發(fā)貨1貨量 （t/m）2。

儲貨3月周轉(zhuǎn)次數(shù)（次/年），λ為不平衡系數(shù)（受貨物種類和季節(jié)影響）。

集配貨4揀集配量 （t/m）2。

退貨5

（6）其他功能區(qū)面積，通過對國內(nèi)相關(guān)冷鏈物流中心的研究，總結(jié)出綜合辦公區(qū)面積占物流中心總面積約為8%，生活服務(wù)區(qū)占比約為8%，交易展示區(qū)占比約為8%，停車區(qū)占比約為8%。

2 建立布局?jǐn)?shù)學(xué)模型

2.1 改進(jìn)SLP方法

SLP—系統(tǒng)布置設(shè)計法，為布局研究所廣泛使用，本文在傳統(tǒng)SLP方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下兩點改進(jìn)：①增加考慮功能區(qū)之間非物流因素，同時考慮方案經(jīng)濟(jì)性，在建立布局模型時將物資搬運(yùn)成本加入目標(biāo)函數(shù)。②計算得出綜合相互度值后，采用遺傳算法替代手工方法進(jìn)行計算求解，極大減輕了工作量。

2.2 模型建立及參數(shù)假設(shè)

根據(jù)改進(jìn)的SLP方法，以生鮮冷鏈物流中心功能區(qū)之間綜合相關(guān)度總值最大和物料搬運(yùn)費(fèi)用最少為目標(biāo)，考慮大型冷鏈物流中心功能區(qū)布局相關(guān)限制條件，構(gòu)建冷鏈物流中心功能區(qū)平面布局模型。為便于研究和模型的建立，對冷鏈物流中心進(jìn)行部分假設(shè)和參數(shù)設(shè)計如下：（1）假設(shè)冷鏈物流中心各功能區(qū)建設(shè)在同一平面。（2）冷鏈物流中心各功能區(qū)均簡化為矩形，且功能區(qū)的邊與總布局坐標(biāo)圖的X、Y軸分別平行，矩形區(qū)域左下角定點設(shè)為直角坐標(biāo)系原點。設(shè) （Xi,Yi）和 （Xj,Yj）分別為功能區(qū)域i和j的中心點坐標(biāo)；功能區(qū)沿x軸長度記為h，y軸長度記為s；（3）根據(jù)實際需要，可將部分閑置區(qū)域做綠化區(qū)和通道。

2.3 確定目標(biāo)函數(shù)

分別建立物流中心功能區(qū)之間綜合相關(guān)度總值最大和物料搬運(yùn)費(fèi)用最少的目標(biāo)函數(shù)：

物資搬運(yùn)成本函數(shù)（Z1）：

綜合相互關(guān)系函數(shù)（Z2）：

上式中：i和j為功能區(qū)的編號，且i≠j；n為功能區(qū)數(shù)量，cij為由功能區(qū)i到j(luò)的單位距離搬運(yùn)成本，fij為功能區(qū)i和j之間的日均物流量，dij為功能區(qū)i與j之間的矩形距離，即為功能區(qū)i和j間的綜合相關(guān)度值，由功能區(qū)i與j之間物流與非物流關(guān)系值綜合所得，bij為功能區(qū)i與j之間的鄰接度，由dij按區(qū)間轉(zhuǎn)換得出，但在實際布局規(guī)劃中各功能區(qū)不一定靠近和自己綜合相關(guān)度最大的功能區(qū)，所以在計算時，要考慮實際布局位置對功能區(qū)綜合相關(guān)度的影響，因此引入鄰接度bij。其取值如表7所示：

表7 功能區(qū)間距與鄰接度關(guān)聯(lián)值

為使布局模型便于計算，將上述多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)。由于公式（1）和公式（2）量綱不同，故應(yīng)歸一化處理，加入μ1與μ2作為歸一化因子，可得到單目標(biāo)函數(shù)為：

式中：ω1為物料搬運(yùn)費(fèi)用項權(quán)值，ω2為綜合相關(guān)關(guān)系值項權(quán)值，由專家評分得到，且ω1＋ω2＝1；dmax為冷鏈物流中心布局區(qū)域長與寬之和。

2.4 相關(guān)參數(shù)與約束條件

功能區(qū)橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)求解公式：

為使布局模型更貼近實際，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足以下約束條件。

（1）邊界約束。要保證各功能區(qū)均在冷庫設(shè)定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行布局，則功能區(qū)i的中心點坐標(biāo) （Xi,Yi）須滿足：

（2）不重疊約束。同一行兩相鄰的功能區(qū)不得相互重疊，假設(shè)功能區(qū)橫向最小間距為hij，則目標(biāo)函數(shù)需滿足

（3）收發(fā)貨功能區(qū)約束。對于冷鏈物流中心的收發(fā)貨功能區(qū)，布局時應(yīng)當(dāng)靠近物流中心區(qū)域的邊界，因此在選取最優(yōu)解時應(yīng)考慮進(jìn)來。

2.5 遺傳算法求解過程

（1）編碼，結(jié)合實際將要分析的對象與遺傳算法問題匹配，為更精確地描述各功能區(qū)位置，以功能區(qū)號與功能區(qū)相鄰功能區(qū)間距相結(jié)合的形式來設(shè)計基因，mi功能區(qū)編號，Δi表示第i個功能區(qū)和第（i-1）個功能區(qū)的凈間距，染色體的形式可表示為并且使用自動換行的方略，如果同一行內(nèi)功能區(qū)長度相加間距之和超過邊界，本行最后一個功能區(qū)則進(jìn)入下一行排列。

懲罰項：由于采用自動換行策略，功能區(qū)排列在X方向不會超過邊界，只需看Y軸方向情況。

其中：P為懲罰項，T為大數(shù)懲罰值，據(jù)情況而定。

（2）初始代的產(chǎn)生，隨機(jī)生成初始種群，各初始解必定滿足功能區(qū)邊界與區(qū)位不重疊約束限制，隨機(jī)生成數(shù)量為N的初始種群，即隨機(jī)產(chǎn)生N種布置方案。

（3）確定適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度值用以評定個體的優(yōu)劣，值越大說明質(zhì)量越高，因此通過適應(yīng)度值進(jìn)行個體選擇，來保障適應(yīng)度高的個體有更大的概率繁衍后代，遺傳優(yōu)良基因。適應(yīng)度函數(shù)定為：

式中：Z為目標(biāo)函數(shù)值，P為懲罰函值。

（4）選擇，交叉，變異。采用輪盤賭方法進(jìn)行選擇，個體生存的概率與它的適應(yīng)度值大小成正比，適應(yīng)度值大的有更多的機(jī)會成為父代繁殖下一代。對功能區(qū)序列排列交叉采用部分匹配交叉法，對凈間距序列采用算數(shù)交叉法。變異：只對設(shè)備間凈間距進(jìn)行變異操作，根據(jù)變異概率指定變異點Δi，給定整數(shù)r和凈間距區(qū)間 ［Umin,Umax］，此區(qū)間里能產(chǎn)生r個凈間距，分別用這r個凈間距去代替變異點，最后從產(chǎn)生的r個新染色體中選一個最好的。

3 算例驗證

3.1 擬在某地建設(shè)1個大型生鮮冷鏈物流中心，計劃建設(shè)面積為78000m2，設(shè)計為矩形，長H=300m，寬S=260m，預(yù)計月儲運(yùn)貨量為Q=200w噸。參考前述功能區(qū)面積設(shè)計規(guī)則，可計算得到各功能區(qū)面積及長寬如下：

上式中相關(guān)參數(shù)取值如表8所示：

表8 功能區(qū)面積

3.2 通過遺傳算法求解布局，設(shè)算法相關(guān)參數(shù)如表9所示：

表9 遺傳算法參數(shù)

根據(jù)模型、約束條件、相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行遺傳算法設(shè)計求解，由于遺傳算法的隨機(jī)性，多次運(yùn)行程序，運(yùn)行到第288代收斂，目標(biāo)函數(shù)值Z=0.08208，求解得一條最優(yōu)染色體值 （如圖 2所示）：

按自動換行策略，上述最優(yōu)染色體所得到的功能區(qū)布局方案即：第一行：10,9,1；第二行：5,4,6,2；第三行：8,7,3，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果繪制布局圖形如圖3所示：

4 總結(jié)

（1）將SLP方法改進(jìn)，結(jié)合遺傳算法，應(yīng)用于生鮮冷鏈物流中心布局，考慮了布局的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約了物流成本，也減少了計算的工作量。

圖2 最優(yōu)函數(shù)進(jìn)化

圖3 遺傳算法布局（灰色區(qū)域為內(nèi)部通道）

（2）建立模型時考慮了實際情況，將收發(fā)貨功能區(qū)限定靠近邊界，考慮到鄰接度因素，并留出部分閑置區(qū)域做綠化區(qū)和內(nèi)部通道，令布局更為科學(xué)。

（3）算例仿真結(jié)果表明，用改進(jìn)的SLP方法對生鮮冷鏈物流中心布局是高效可行的，不僅滿足低搬運(yùn)成本，高綜合相關(guān)度的要求，同時也符合當(dāng)前企業(yè)對于物流動線的選擇。

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