刁 鵬 ，蘇軍德

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對物質(zhì)生活的要求越來越高[1]，人們的觀念從“吃得飽”向“吃得好”轉(zhuǎn)變。消費(fèi)者對飲食既要追求品類豐富多樣，又要求品質(zhì)優(yōu)良、新鮮，配送及時。為了達(dá)到這些要求，建立完整的高原夏菜冷鏈物流體系尤為關(guān)鍵。調(diào)查顯示，蔬菜在運(yùn)送過程中出現(xiàn)腐爛導(dǎo)致的浪費(fèi)量占運(yùn)輸總量的40%～50%[2]，這也是菜價雖高但菜農(nóng)收入依舊不高的原因之一。為了改變這一現(xiàn)象，解決蔬菜配送問題迫在眉睫，而配送車輛路徑的規(guī)劃則成為研究重點(diǎn)。此外，蔬菜在運(yùn)輸過程中多采用常溫保存和簡單加工，這是造成蔬菜損耗過大的另一原因。GIS可以深度挖掘時間與空間信息，為解決蔬菜配送問題提供了契機(jī)[3]。本研究基于GIS的高原夏菜冷鏈物流的配送，找出運(yùn)輸過程中存在的問題并給出解決方法，實(shí)現(xiàn)物流體系智能化管理。

1 冷鏈物流目前存在的問題

目前，冷鏈物流配送車輛路徑的研究是借助常溫物流配送方法來解決問題[4]，不僅增加運(yùn)輸成本，且難以實(shí)現(xiàn)智能化管理。因?yàn)槭卟吮４娴臏囟扰c常規(guī)食品的保存溫度大不相同，所以，以此來處理蔬菜冷鏈物流運(yùn)輸問題，存在許多問題。

1）貨損考慮不全。蔬菜屬于易腐產(chǎn)品，相較于常溫產(chǎn)品的運(yùn)輸要求，蔬菜的冷鏈物流運(yùn)輸更加嚴(yán)格。因?yàn)槔滏溛锪鞑粌H要求運(yùn)送及時，而且要保證新鮮，否則將會出現(xiàn)大量的損耗，導(dǎo)致成本增加，針對常規(guī)物流配送車輛的研究并沒有考慮這一因素。

2）額外費(fèi)用考慮不周。由于需要在常規(guī)的運(yùn)輸車輛上加裝制冷設(shè)備，所以額外成本增加，這也是過程配送車輛沒有顧及的。

3）耗能費(fèi)用考慮不夠。運(yùn)輸過程一般持續(xù)的時間較長，隨著溫度變化，要始終保證車內(nèi)的溫度恒定，在此過程中車輛的油耗也會增加，所以應(yīng)考慮由于溫度變化引起的能耗成本的變化。

4）外界環(huán)境存在隨機(jī)性。在運(yùn)輸過程中，可能遇到各種外界環(huán)境的影響，如突發(fā)交通事故、突遇陰雨天氣、交通堵塞等，這都會引起運(yùn)輸時間的不確定性，且發(fā)生概率較大。

2 研究內(nèi)容

2.1 蔬菜冷鏈物流及特點(diǎn)

冷鏈物流是指根據(jù)買賣雙方的需求，在運(yùn)輸車輛上加裝一定的制冷設(shè)備[5]，使易變質(zhì)的食品存放在低溫環(huán)境中運(yùn)輸，以保證其新鮮，要經(jīng)過產(chǎn)品加工、貯藏、運(yùn)輸、分銷和零售整個過程[6]。因此，其具有設(shè)備要求高、運(yùn)輸效率高、保鮮要求高等特點(diǎn)。商品的流通時間80%以上消耗在運(yùn)輸途中。合理規(guī)劃運(yùn)輸路線可以大大節(jié)省時間，降低運(yùn)輸時間和成本。

冷鏈物流適用商品種類繁多，不同商品對保存溫度要求也不相同，大致分為恒溫、冷藏、冷凍。本研究對高原夏菜的存儲溫度進(jìn)行調(diào)查研究，結(jié)果如表1所示。

表1 高原夏菜存放溫度

2.2 GIS在高原夏菜物流配送中的應(yīng)用

高原夏菜屬于夏季蔬菜，成熟時溫度較高，采摘以后很容易受高溫影響而腐爛，所以對運(yùn)輸時效性、運(yùn)輸設(shè)備和信息化程度要求較高[7-8]。以甘肅金昌地區(qū)為例，該地區(qū)運(yùn)輸設(shè)備與條件落后，物流體系不完善，隨著高原夏菜產(chǎn)量的增加，建立現(xiàn)代化的冷鏈物流體系已迫在眉睫。

2.2.1 GIS概述

GIS即地理信息系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)對時間與空間信息的挖掘[9]。將GIS技術(shù)與GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)結(jié)合，可以對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行定位、采集、管理、運(yùn)算、分析。將其運(yùn)用在高原夏菜冷鏈物流體系中，可以對物流車輛進(jìn)行定位，對訂單信息進(jìn)行跟蹤查詢，可以實(shí)現(xiàn)對物流體系的信息化管理，提高冷鏈物流的運(yùn)輸效率，降低損耗[10]。

2.2.2 GIS作用

GIS發(fā)展之初是一款地學(xué)系統(tǒng)，配套開發(fā)的軟件多是地學(xué)類軟件，后來經(jīng)過不斷發(fā)展逐漸應(yīng)用于各個領(lǐng)域。冷鏈物流的含義實(shí)際上是賣家到買家之間的商品的轉(zhuǎn)移過程。傳統(tǒng)的物流方式對運(yùn)輸信息的要求不高，隨著時代的發(fā)展，人們對物流的信息化要求較高。因此，可以借助GIS強(qiáng)大的搜索、管理及分析數(shù)據(jù)的能力來解決現(xiàn)代冷鏈物流的信息化問題。GIS可解決物流的信息化問題，GIS技術(shù)在物流中的作用，如圖1所示。

圖1 GIS技術(shù)在物流中的作用

2.3 基于GIS的配送系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)開發(fā)

本研究以MapObjects（簡稱MO）為平臺，使用VB進(jìn)行再次開發(fā)。優(yōu)點(diǎn)是可以借助MO的圖層添加功能將地圖添加到應(yīng)用程序中，以此可以建立地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物流路徑的查詢功能[11]。

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時要考慮系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)的二次開發(fā)等，所以開發(fā)時要滿足以下要求：1）方便使用。系統(tǒng)要操作簡潔，更新快捷，管理方便，能夠達(dá)到進(jìn)行路徑優(yōu)化的要求。2）功能完整。系統(tǒng)必須具備完整的數(shù)據(jù)功能模塊，能夠提供數(shù)據(jù)屬性的查詢，能夠同時滿足用戶和管理人員的需求。3）維護(hù)簡單。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或需要升級時，一般的工作人員就可以完成工作。4）方便二次開發(fā)。當(dāng)需要添加新的數(shù)據(jù)或進(jìn)行功能添加時，可容易進(jìn)行。5）安全性好。系統(tǒng)數(shù)據(jù)涉及公司內(nèi)部信息，所以安全性要有保障，一般用戶只能瀏覽查詢，管理員才可以進(jìn)行維護(hù)與更新。

2.3.3 系統(tǒng)功能

本研究所設(shè)計(jì)的高原夏菜冷鏈物流配送路徑優(yōu)化系統(tǒng)，多用于城市與城市之間的物流配送。根據(jù)其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)工作流程如下：將城市地圖、供貨方和購貨方的信息錄入數(shù)據(jù)庫中，將供需雙方的地址進(jìn)行標(biāo)記，利用系統(tǒng)功能在電子地圖上將兩點(diǎn)之間的最短路徑規(guī)劃出來，將結(jié)果輸出到MATLAB數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過遺傳算法分析形成可視化結(jié)果，在MO平臺上顯示，系統(tǒng)功能流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能流程

2.3.4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對MO平臺的系統(tǒng)管理，包括對系統(tǒng)的平移、客戶與配送中心之間的位置標(biāo)記，供需雙方路線統(tǒng)計(jì)及最短路線設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊

2.3.5 系統(tǒng)預(yù)期效果

研究選取甘肅省永昌至金昌物流配送為例，在配送過程中主要有以下幾方面需求：

1）根據(jù)需求方提供的詳細(xì)地址信息，可以規(guī)劃出最佳的運(yùn)輸路線并能標(biāo)記出坐標(biāo)。

2）基于GIS系統(tǒng)可以滿足訂單的排序并實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸車輛的管理。

3）可以使用不同的圖標(biāo)標(biāo)記出不同的客戶信息，且要求能反映在地圖上。

4）系統(tǒng)中的圖標(biāo)或查詢等功能點(diǎn)擊后可以響應(yīng)，另外可以實(shí)現(xiàn)用戶信息的編輯與查看。

5）可以通過企業(yè)系統(tǒng)隨時調(diào)用GIS，以方便對系統(tǒng)進(jìn)行管理。

6）系統(tǒng)具備對配送區(qū)域的管理功能，如拆分、合并等。

3 基于GIS的冷鏈物流配送車輛路徑優(yōu)化

物流配送的實(shí)質(zhì)是根據(jù)需求方要求，對貨物進(jìn)行分揀、配貨，并將貨物配送至客戶手中的物流活動。其中，配送作為最后環(huán)節(jié)尤為重要[12]。物流配送優(yōu)化問題的實(shí)質(zhì)就是對車輛路線的合理規(guī)劃[13]，目前對此類問題的研究也比較多[14]。它是指在收發(fā)貨方之間，通過對車輛的路線規(guī)劃，在滿足客戶需求的前提下，盡可能減少物流企業(yè)的運(yùn)營成本，使物流企業(yè)獲得最佳的收益。通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，遺傳算法可以很好地解決此類問題。

3.1 物流配送路徑優(yōu)化研究方案

物流配送的關(guān)鍵在于車輛路徑規(guī)劃，其實(shí)質(zhì)是以低廉的成本、高質(zhì)量的服務(wù)來完成貨物的運(yùn)輸。車輛路徑問題一直是基于GIS研究的一項(xiàng)熱點(diǎn)問題，也是一個難題。國內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行了此類問題的研究。例如國外的分支定界法、K——樹狀算法、Column generation（列生成）算法等。國內(nèi)有姜大立等[14]的禁忌搜索求解多路徑運(yùn)輸問題、鄧連波等[15]的3-opt和禁忌搜索解決多路徑運(yùn)輸問題、張潛等[16]的啟發(fā)式序列優(yōu)化算法計(jì)算運(yùn)輸調(diào)度問題。

3.1.1 冷鏈車輛路徑影響因素

影響物流車輛路徑的主要因素有目的地、運(yùn)輸車輛、貨物中心、貨物種類、客戶需求。

1）目的地。即運(yùn)輸終點(diǎn)，目的地將直接影響運(yùn)輸車輛的路徑，可以根據(jù)目的地對運(yùn)輸路徑進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃，得出最優(yōu)路線。

2）運(yùn)輸車輛。即運(yùn)輸貨物的載體，可以根據(jù)客戶需求和運(yùn)輸路線選擇合適的車輛，節(jié)約運(yùn)送成本。

3）貨物中心。即產(chǎn)品所在地，從產(chǎn)品所在地對貨物進(jìn)行加工、選擇、裝車、集貨等工作，并組織將貨物送達(dá)客戶手中。

4）貨物種類。即配送物，可以根據(jù)商家的需求將貨物分門別類，包括名稱、外包裝、大小、質(zhì)量、運(yùn)輸要求等。

5）客戶需求。即客戶的需求貨物時間，是指要求貨物送達(dá)的時間。

3.1.2 帶時間窗的車輛路徑問題

時間窗車輛路徑問題是指有n位有貨物需求的客戶，一個始發(fā)地，K臺貨車，已知：始發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)，各客戶坐標(biāo)，貨物需求量，許可服務(wù)時間窗，各汽車最大載重。通常時間窗分為硬時間窗和軟時間窗兩種，硬時間窗是指在客戶要求的時間范圍內(nèi)完成貨物運(yùn)送，超過該時間范圍后，客戶將不再有需求。此時，得到的解是無法執(zhí)行的解。軟時間窗是指如果沒有在規(guī)定時間內(nèi)完成某項(xiàng)任務(wù)[17]，將通過懲罰的手段來處理問題。如果車輛最終在規(guī)定時間的最晚情況下到達(dá)，服務(wù)不及時，需要繳納罰金。所有車輛的路線要滿足以下條件：

1）各路線的始發(fā)地必須是貨物中心，完成所有配送任務(wù)后返回終點(diǎn)，即貨物中心。

2）各條路線上的貨物重量必須在允許范圍內(nèi)，不得超載。

3）各指定客戶只需服務(wù)一次。

4）每個客戶必須在其規(guī)定的時間窗限制范圍內(nèi)提供服務(wù)，卡車提前到達(dá)客戶接收點(diǎn)后，必須等待客戶批準(zhǔn)服務(wù)。

隨著客戶需求的不斷增加，對配送時間的要求也變得嚴(yán)格，這樣將會出現(xiàn)多方原因?qū)е仑浳锍霈F(xiàn)損失[18]。所以，在配送運(yùn)輸中時間窗就變得尤為重要。帶時間窗車輛路徑優(yōu)化問題由于其時間限制的嚴(yán)格性，通常情況下，軟時間窗出現(xiàn)的問題更多，也更符合實(shí)際，因此研究將重點(diǎn)放在軟時間窗口上。一般來說，有兩個目標(biāo)：一是最少的車輛數(shù)量，二是最低的運(yùn)輸成本。時間窗是雙向的，即客戶應(yīng)該在規(guī)定時間內(nèi)享受服務(wù)，不能出現(xiàn)早到或延誤。

3.1.3 物流車輛配送的工作流程

一個優(yōu)秀的配送方案應(yīng)該包括設(shè)計(jì)配送方案、配送任務(wù)下達(dá)、按照方案確定商品數(shù)量、分貨、裝載、運(yùn)輸、財(cái)務(wù)部門下發(fā)任務(wù)、配送開始、送達(dá)等，車輛配送工作流程如圖4所示。

圖4 車輛配送工作流程

3.2 冷鏈物流配送路徑優(yōu)化案例分析

3.2.1 節(jié)約成本法

節(jié)約成本法是指利用GIS系統(tǒng)首先在供需雙方之間建立多條運(yùn)輸路線，然后選出一個最優(yōu)的車輛運(yùn)動軌跡，只有一個起點(diǎn)與終點(diǎn)，并添加溫度控制與時間窗口來進(jìn)行約束，通過計(jì)算運(yùn)營成本來評價路線好壞。該方法采用極限思想來求解最佳運(yùn)輸路徑，操作簡單，結(jié)果準(zhǔn)確，而且可以兼顧各類影響因素，所以有較大的優(yōu)勢。計(jì)算流程如下：1）在規(guī)定時間內(nèi)下達(dá)運(yùn)輸任務(wù)；2）選擇最短運(yùn)輸路徑為第一配送點(diǎn)，然后根據(jù)路徑由短到長依次配送，直至車輛載重與時間上限最大為止；3）合理安排所有運(yùn)輸任務(wù)，避免重復(fù)運(yùn)送。

3.2.2 案例分析

本研究通過案例來驗(yàn)證方法的合理性。選取6個配送點(diǎn)，用阿拉伯?dāng)?shù)字來進(jìn)行編號，距離以“km”為單位，用Si表示；時間以“h”為單位；產(chǎn)品價格以“元”為單位；重量以“t”為單位。每個客戶的貨物需求總量用di表示，每個客戶的配貨時間取值范圍為[Ai，Bi]。對客戶要求配送時間賦值為Ai=0，Bi=2.5，規(guī)定貨車在運(yùn)輸時的速度為40 km/h，貨車的最大載重為4 t，產(chǎn)品價格為8 000 元/t，時間窗成本系數(shù)設(shè)為α=0.02，β=0.04，貨物損失系數(shù)&取值為0.2%和0.4%。貨物運(yùn)輸途中的制冷成本為12元/h，由于車輛內(nèi)外溫差產(chǎn)生的費(fèi)用為2.5元/h?？蛻粜畔⑷绫?所示。

結(jié)合表2的內(nèi)容，關(guān)于上述問題進(jìn)行計(jì)算，求出最優(yōu)運(yùn)輸路徑x，公式如下：

表2 客戶信息

依據(jù)成本節(jié)約法，通過計(jì)算得出最佳路徑：

0→6→4 →1→0 0→3→5→0 0→2→0

代入公式計(jì)算出配送總路程為161 km，費(fèi)用為1 327.4元。

假如以最短路徑的方案進(jìn)行配送，最優(yōu)方案為：

0→6→4 →0 0→3→5→1→0 0→2→0

代入公式計(jì)算出配送總路程為139 km，費(fèi)用為1 316元。

通過對比兩種運(yùn)輸方案可得，優(yōu)化前的路徑方案時間成本較高，客戶體驗(yàn)較差。

改進(jìn)后的方法在時間窗口滿足要求的前提下，成本可以大大降低，配送更高效。具體數(shù)值如表3所示。

4 結(jié)論

本研究分析了高原夏菜冷鏈物流存在的問題、GIS系統(tǒng)在高原夏菜運(yùn)輸路徑規(guī)劃的可行性、GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能介紹。研究分析影響物流車輛運(yùn)輸效率的因素，從冷鏈物流流程出發(fā)探究了基于時間窗的路徑優(yōu)化辦法。在此基礎(chǔ)上，以案例為樣本，提出了基于GIS系統(tǒng)的路徑優(yōu)化算法——節(jié)約成本法，通過與常規(guī)方法對比發(fā)現(xiàn)，該方法可以大大節(jié)約成本，提高運(yùn)輸效率。

表3 路徑優(yōu)化前后指標(biāo)對比表