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        基于蟻群算法的甩箱運(yùn)輸

        2020-07-20 03:57:06王寶遠(yuǎn)趙魯華管德勇竇新宇
        物流技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:運(yùn)輸車貨物運(yùn)輸

        王寶遠(yuǎn),趙魯華,管德勇,李 洋,竇新宇

        (山東科技大學(xué) 交通學(xué)院,山東 青島 266590)

        1 引言

        與國外相比,國內(nèi)使用甩箱運(yùn)輸方式比較晚。交換箱在國內(nèi)20世紀(jì)90年代開始使用,比甩掛運(yùn)輸推廣的時(shí)間要早,但是甩箱運(yùn)輸方式的推廣極其緩慢。隨著中國電子商務(wù)的快速發(fā)展,物流行業(yè)也飛速發(fā)展,貨運(yùn)量迅速增長,對(duì)物流配送的時(shí)效性和貨物的完好性等方面提出更高的要求。但目前國內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善,普通倉庫功能簡單,立體自動(dòng)化倉庫成本高,人工操作仍較為普遍。而甩箱運(yùn)輸在提高貨物周轉(zhuǎn)率、縮減裝卸搬運(yùn)時(shí)間以及降低貨損率方面比傳統(tǒng)運(yùn)輸方式更有優(yōu)勢(shì)。本文綜合考慮甩箱運(yùn)輸效益因素,建立配送成本核算模型,然后搜集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,以驗(yàn)證甩箱運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。

        2 甩箱運(yùn)輸模式分析

        2.1 甩箱運(yùn)輸概念

        甩箱運(yùn)輸在國內(nèi)發(fā)展較緩慢,目前針對(duì)甩箱運(yùn)輸?shù)难芯枯^少,概念性的認(rèn)知仍在不斷完善。綜合其它文獻(xiàn)以及查找資料的基礎(chǔ)上對(duì)甩箱運(yùn)輸做以下總結(jié),甩箱運(yùn)輸(Swap Body)是指使用具有舉升功能的載貨汽車,將具有活動(dòng)支腿的交換箱從起始地按照預(yù)定的路線運(yùn)輸?shù)侥康牡豙1]。到目的地后,將交換箱直接卸載,換上新的交換箱運(yùn)往下一個(gè)目的地的運(yùn)輸組織方式,如圖1所示。甩箱運(yùn)輸利用一個(gè)運(yùn)輸車搭載多個(gè)同標(biāo)準(zhǔn)箱體,并且不用將貨物裝卸,在一定程度上縮短了貨運(yùn)汽車停駛和貨物待轉(zhuǎn)環(huán)節(jié),進(jìn)而提高了整個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的效率。

        圖1 甩箱運(yùn)輸示意圖

        一般較長距離、運(yùn)輸量大采用甩掛運(yùn)輸,而較短距離、多批次運(yùn)輸適合采用短小靈活的甩箱運(yùn)輸,甩箱運(yùn)輸可以成為甩掛運(yùn)輸?shù)挠辛ρa(bǔ)充方式。

        2.2 甩箱運(yùn)作模式分析

        (1)物流配送甩箱組織模式。選擇物流分揀中心或物流配送中心作為甩箱運(yùn)輸?shù)膱稣?,選擇帶有小型交換箱的甩箱運(yùn)輸車進(jìn)行貨物運(yùn)輸。具體應(yīng)用為甩箱運(yùn)輸車在配送中心裝上小型交換箱,送往目的地。在目的地附近的空地利用車輛內(nèi)部的舉升裝置將小型交換箱抬高,把交換箱支腿放下,然后裝上其他交換箱或空車返回。配送車輛可以攜帶一個(gè)或多個(gè)全掛交換箱,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)地區(qū)多個(gè)地方的批量配送[2]。物流配送甩箱模式如圖2所示。

        圖2 物流配送甩箱模式

        (2)多式聯(lián)運(yùn)甩箱組織模式。多式聯(lián)運(yùn)甩箱模式是使用標(biāo)準(zhǔn)交換箱,依托聯(lián)運(yùn)樞紐,利用鐵路平車運(yùn)輸以及海洋船運(yùn),實(shí)現(xiàn)公鐵、公水等交通方式的聯(lián)運(yùn)。集裝箱公路運(yùn)輸時(shí)需要使用裝卸搬運(yùn)裝置將集裝箱從掛車上卸下,設(shè)備成本較高且程序繁瑣。甩箱運(yùn)輸在多式聯(lián)運(yùn)中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在交換箱具有容積優(yōu)勢(shì),三種交通方式之間的對(duì)接更加順暢,可以大大提高多式聯(lián)運(yùn)的效率,降低成本[3]。

        圖3 多式聯(lián)運(yùn)甩箱模式

        (3)甩掛與甩箱相結(jié)合模式。較長距離、運(yùn)輸量較大適合采用甩掛運(yùn)輸,而較短距離、多批次運(yùn)輸適合采用短小靈活的甩箱運(yùn)輸。有些情況下,需要將甩掛甩箱方式相結(jié)合。使用甩掛運(yùn)輸運(yùn)送重量大、運(yùn)距長、用時(shí)久的貨物,在各個(gè)城市之間或城市內(nèi)部運(yùn)送則使用甩箱運(yùn)輸方式。規(guī)模較小的場站,不一定具有滿足甩掛運(yùn)輸?shù)臈l件,甩箱運(yùn)輸容量小,操作靈活,對(duì)場地的要求比較低,適合做末端運(yùn)輸。甩掛甩箱結(jié)合模式如圖4所示。

        圖4 甩掛甩箱結(jié)合模式

        2.3 甩掛運(yùn)輸、甩箱運(yùn)輸與集裝箱運(yùn)輸?shù)谋容^

        甩掛運(yùn)輸、甩箱運(yùn)輸與集裝箱運(yùn)輸都具有組織效率高、標(biāo)準(zhǔn)化要求高和降低運(yùn)營成本等特點(diǎn),在歐美許多國家已經(jīng)大范圍的應(yīng)用,在我國這三種運(yùn)輸方式開始應(yīng)用的時(shí)間與發(fā)展速度各不相同。其中,集裝箱運(yùn)輸發(fā)展最早,發(fā)展速度最快,規(guī)模最大。甩箱運(yùn)輸要比甩掛運(yùn)輸起步早,但發(fā)展極其緩慢。隨著中國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,國內(nèi)外貨運(yùn)量進(jìn)一步提升,政策制度進(jìn)一步改善,貨運(yùn)企業(yè)規(guī)?;l(fā)展,這三種運(yùn)輸方式必然會(huì)更加的普遍[4]。這三種運(yùn)輸方式在某些方面比較相似,為區(qū)別不同,對(duì)比分析三種運(yùn)輸方式,具體見表1。

        表1 三種運(yùn)輸方式對(duì)比表

        3 配送模型構(gòu)建

        甩箱運(yùn)輸在提高貨物周轉(zhuǎn)率、縮減裝卸搬運(yùn)時(shí)間以及降低貨損率方面與傳統(tǒng)運(yùn)輸方式相比更具優(yōu)勢(shì),所以構(gòu)建甩箱運(yùn)輸?shù)呐渌湍P鸵紤]時(shí)間性、貨損等因素。在成本分析中,汽車油耗往往容易統(tǒng)計(jì),但裝卸過程中的時(shí)間成本與貨物損耗受環(huán)境、人為等因素影響,難以量化。在模型的構(gòu)建過程中,將各輛車單位里程的運(yùn)輸成本、裝卸場所的時(shí)間成本作為反映具體車輛的差異的因子,假設(shè)所構(gòu)建模型中每輛車的兩個(gè)評(píng)估系數(shù)值一致,即配送車技術(shù)參數(shù)、裝卸點(diǎn)水平等外部條件一致,以甩箱運(yùn)輸?shù)呐渌统杀咀钚閮?yōu)化目標(biāo),所構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)成本中包含配送車運(yùn)輸成本、時(shí)間成本等兩個(gè)主要部分,可構(gòu)建以下模型[5]。

        3.1 模型的假設(shè)

        假定該模型只有1個(gè)配送中心,并且配送中心的位置可以用坐標(biāo)表示;配送中心有滿足配送需求的車輛,每輛車型號(hào)、最大裝載量一致,車輛有里程限制;配送中心和配送點(diǎn)的坐標(biāo)已知,配送點(diǎn)的需求量及配送要求時(shí)間已知并不變;每輛配送車在配送過程中成本可以計(jì)算[6]。

        3.2 配送成本目標(biāo)函數(shù)

        假定配送中心擁有的車輛數(shù)為m,客戶需求點(diǎn)的數(shù)量為n,k表示車輛k∈[1,m],Vk表示第k輛車的額定載質(zhì)量,Lk為第k輛車的最大配送里程,a,b分別是需求點(diǎn),a,b∈[1,n];每一個(gè)配送點(diǎn)的需求量為[7]。

        (1)運(yùn)輸成本。甩箱運(yùn)輸成本構(gòu)成是指在一定時(shí)間段內(nèi),物流企業(yè)使用甩箱運(yùn)輸方式運(yùn)送貨物過程中與運(yùn)輸、裝卸等環(huán)節(jié)直接相關(guān)的各項(xiàng)費(fèi)用,具體可以分為固定成本和變動(dòng)成本。固定成本包括場站投資力度、車輛購置費(fèi)、人力成本(工資)、保險(xiǎn)費(fèi)用、折舊費(fèi)用、信息化程度、甩箱運(yùn)輸管理成本等。變動(dòng)成本包括燃油成本、高速收費(fèi)、裝卸搬運(yùn)成本、維修保養(yǎng)[8]。公式如下:

        式(1)中Q為甩箱運(yùn)輸車的數(shù)量;p1j為第j類甩箱運(yùn)輸車購置費(fèi);p2j為增加的第j類掛車購置費(fèi);N為駕駛司機(jī)工資;I為甩箱運(yùn)輸車保險(xiǎn)年檢費(fèi)用;x為車輛使用年限;b為場站投資成本;pj為j類車輛及掛車總的購置費(fèi)用;c為物流技術(shù)提升成本。

        式(2)中cij為第i次第j類甩箱運(yùn)輸車高速公路收費(fèi);di為第i次高速公路行駛里程;fj為第j類甩箱運(yùn)輸車每公里油耗;li為甩箱運(yùn)輸行駛里程;zj為油的單價(jià);e為車輛燃油稅;hj為第j類甩箱運(yùn)輸車每公里維修保養(yǎng)費(fèi);mj為第j類甩箱運(yùn)輸車每公里裝卸搬運(yùn)費(fèi)用[9]。

        (2)時(shí)間窗懲罰成本。甩箱運(yùn)輸所運(yùn)貨物一般是對(duì)時(shí)間要求較高的貨物,超出運(yùn)輸時(shí)間則收取一些懲罰費(fèi)用。其懲罰成本可表示為:

        式(3)中:R為貨物的單價(jià);te為軟時(shí)間窗的下界;t1為軟時(shí)間窗的上界;G為需求點(diǎn)客戶可以接受的時(shí)間上限;ta為到達(dá)a點(diǎn)的時(shí)間;qa為第a個(gè)點(diǎn)的需求量;L為需求點(diǎn)客戶可以接受的時(shí)間下限;U(ta)為一次時(shí)間窗懲罰成本;λ為懲罰系數(shù)[10]。

        3.3 基于蟻群算法的配送成本模型構(gòu)建

        以運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)配送成本最小為目標(biāo),通過考察配送車運(yùn)輸成本、時(shí)間窗懲罰成本等,對(duì)配送路徑進(jìn)行優(yōu)化,安排合理的配送路線。為較好描述配送車輛的最低目標(biāo)成本模型,需考慮模型的各類前提條件,如配送中心配送量大,能滿足各個(gè)需求點(diǎn)的需求量;每個(gè)需求點(diǎn)只能由1輛車配送;每輛車規(guī)劃配送路徑上需求點(diǎn)的需求量總和不超過車輛額定載質(zhì)量;配送車結(jié)束配送任務(wù)后返回配送中心;車輛配送里程不超過其最大配送里程[11];貨物需在規(guī)定的時(shí)間窗內(nèi)送到,則模型構(gòu)建如下所示:

        式(5)為總成本目標(biāo)函數(shù),可求得目標(biāo)函數(shù)最小值;式(6)表示每輛車的載質(zhì)量不超過額定載質(zhì)量;式(7)表示每個(gè)需求點(diǎn)只配送1次,不重復(fù)配送;式(8)表示每個(gè)需求網(wǎng)點(diǎn)都配送;式(9)表示每個(gè)需求點(diǎn)只被1輛車服務(wù);式(10)表示配送車輛不能超過車自身的最大配送里程;式(11)表示車的配送時(shí)間窗需滿足客戶可接受的時(shí)間范圍[12]。

        4 算法設(shè)計(jì)

        利用MATLAB軟件,基于蟻群算法,在運(yùn)行過程中增加裝載量以及時(shí)間約束,優(yōu)化配送成本模型并求解。目標(biāo)函數(shù)中對(duì)車輛的載重和需求點(diǎn)運(yùn)達(dá)時(shí)間有限制,所以在選擇allowed集合的時(shí)候需要配送車的載質(zhì)量不大于車輛的最大載重量以及配送車在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)到達(dá)需求點(diǎn)[13]。其一般步驟如下:

        (1)初始化變量和系數(shù),計(jì)算各城市之間的距離。

        (2)把螞蟻放到配送中心,每只螞蟻從配送中心出發(fā),直到達(dá)到最大迭代次數(shù)。

        (3)NP只螞蟻按照要求的方法選擇客戶,并完成周游。以一定概率的貪婪方法選擇城市,輪盤賭法選擇下一個(gè)城市,計(jì)算汽車行駛距離,如果超載或超程回到配送中心。保證每輛車都返回配送中心。

        (4)計(jì)算路徑長度并更新信息素。

        (5)到達(dá)迭代次數(shù),輸出計(jì)算結(jié)果。

        5 算例分析

        設(shè)有1個(gè)配送中心和16個(gè)配送站,配送中心有甩箱運(yùn)輸車20輛,每輛車的最大載質(zhì)量為1.49t,車輛行駛速度平均為每小時(shí)60km。經(jīng)測(cè)算,裝卸1m3普通貨物大約需要4.5min。以一輛廂式貨車裝載22m3貨物計(jì)算,裝卸時(shí)間大約需要90min。由于貨物可以“先裝后卸”,交換時(shí)間可以縮短至15min。為了簡化起見,設(shè)定各輛車及裝卸點(diǎn)技術(shù)裝備水平一致且僅考慮線路的優(yōu)化。配送中心與配送點(diǎn)的坐標(biāo)、需求量、時(shí)間窗以及裝卸所用時(shí)間見表2[14]。

        表2 配送中心、配送點(diǎn)坐標(biāo)客戶的需求量、滿意服務(wù)時(shí)間窗和裝卸時(shí)間

        利用MATLAB軟件進(jìn)行算法編程,對(duì)算例進(jìn)行求解,運(yùn)行結(jié)果如圖5所示,可求得運(yùn)輸車的最佳路徑以及行駛距離。

        圖5 運(yùn)輸路線圖

        經(jīng)過算法求解,為完成此次任務(wù)共需要5輛運(yùn)輸車,甩箱運(yùn)輸車與普通運(yùn)輸車采用相同的車型,躍進(jìn)牌超越c500plus-33型。

        為驗(yàn)證甩箱運(yùn)輸?shù)母咝约敖?jīng)濟(jì)性,將此次甩箱運(yùn)輸車與普通貨車運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析,見表3。普通貨車運(yùn)輸成本計(jì)算方式與甩箱運(yùn)輸車計(jì)算方式一樣,基本數(shù)據(jù)都由網(wǎng)絡(luò)搜集得到,在MATLAB中用同樣的算法編程進(jìn)行求解。

        表3 普通貨車運(yùn)輸與甩箱運(yùn)輸車對(duì)比

        搜集資料結(jié)合算例表明,對(duì)比傳統(tǒng)運(yùn)輸方式,甩箱運(yùn)輸在購置一輛甩箱運(yùn)輸車、提高管理水平和信息化水平以及駕駛費(fèi)等方面的成本提高,但甩箱運(yùn)輸?shù)淖儎?dòng)成本相較于傳統(tǒng)模式降低。甩箱運(yùn)輸模式還可以獲得時(shí)間效益,物流企業(yè)在保證有充足的貨源、資金的條件下,要想提高貨物到達(dá)的時(shí)效性并降低運(yùn)營成本,可以使用甩箱運(yùn)輸方式。

        6 結(jié)論

        甩箱運(yùn)輸發(fā)展在我國尚處于起步階段,甩箱運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用范圍與應(yīng)用方式應(yīng)符合我國物流市場發(fā)展的實(shí)際需要,不斷創(chuàng)新與改變。甩箱運(yùn)輸具有容量較小、能耗較低、對(duì)場地要求低、組織方式靈活的優(yōu)點(diǎn),可以作為小運(yùn)量、多批次的城際物流運(yùn)輸?shù)膬?yōu)選方式,但甩箱運(yùn)輸?shù)墓潭ǔ杀?、管理成本較高,對(duì)信息化、標(biāo)準(zhǔn)化要求高。甩箱運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用及推廣對(duì)于降低運(yùn)營成本、加快貨物周轉(zhuǎn)、節(jié)省人力成本、發(fā)展現(xiàn)代物流等具有積極意義。

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