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地下物流末端配送网络优化探究

作者/整理:http://www.voez.net/ 来源:http://www.voez.net/ 日期:2018-11-19

以地下物流末端网络运营成本最小为目标函数,以管道的运输容量、节点容量为约束,构建运营成本最小优化模型。借助 MATLAB编程求解,寻求最优末端网络。最后通过案例实算,找到最优的网络布局方案,验证了优化模型的可行有效性。
0.引言
由于城市的快速发展和人员不断流向城市,为了满足城市的 正常运转,越来越多的货物流向城市。城市的发展与城市货物运 输密切相关,城市货物运输是城市经济发展的保障。城市对于物 资的流动需求不断增加,导致城市交通中的货车数量不断增多, 极大地占用道路资源,这是导致城市交通拥堵的重要原因。交通 拥堵造成了巨大的经济损失、能源消耗和环境污染,是城市发展 面临的瓶颈问题,单纯增加交通道路供给,只会导致交通拥堵陷 入恶性循环怪圈,无法解决城市日益严重的交通问题。
地下物流系统指采用自动导向载具,通过地下管道或者隧道 进行货物运输的新型运输和供应系统,它高度自动化、智能化和 无人化,采用清洁能源无污染,解决交通拥堵并减少交通事故,运 输效率高不受外界干扰1。发展城市地下物流系统,是解决交通 拥堵的新思路,受到国内外的广泛关注。
地下物流网络是地下物流系统的载体,优化地下物流网络, 提高货物运输的综合效益是地下物流网络设计的关键。目前对 于地下物流网络的研究比较少,还需进一步研究。
Arjan van Binsbergen 和 Johan Visser 2 研究了地下物流优化 布局的网络优化方法,认为模拟植物生长算法具有较强的准确性 和全局搜索能力。Delft和Texas3通过比较连通性和经济分析, 构建Houston地下物流网络评估模型,并确定最优的网络布局结 构。Johan Visser H分析了典型网络形式的特点,对地下物流网络 的建设提出了建议。
李彤和王众托H基于Steiner最小树建立了适用于大城市的 地下物流网络优化模型,设计模拟植物生长算法求解方法。李琦 琦H构建了基于树形网络的地下物流网络优化决策模型,开发了 模拟植物生长算法求解方法。周婷和周爱莲H,以地下物流配送 线路的总成本最小为目标,考虑投资费用和配送时间费用,建立 了地下物流配送路线优化模型。
1.地下物流网络
地下物流网络由网络节点和网络路线构成。网络节点是物 流网络的中枢,分为物流园区、一级节点和二级节点。网络路线 是连接物流节点或地面交通线的线路。物流园区只与一级节点 相连,货物经一级节点中转配送至二级节点。物流园区至一级节 点、一级节点之间的网络称为骨干网络,负责货物干线运输及转 运;一级节点至二级节点、二级节点间的网络称为末端网络,负责将物流园区的货物配送至终端。
地下物流网络是管理控制、运输配送、维护保障等地下物流 文献标识码:A
系统功能的载体,网络布局关乎整个系统的物流成本、效率和收 益等。地下物流末端网络负责物流末端配送,末端网络节点较骨 干网络节点多,没有物流园区的限制,末端网络节点连接灵活性 大,优化空间大是网络优化的重点,但目前基本没有针对末端网 络优化的研究。
为了合理规划地下物流网络并促进ULS的发展,本文采用 0-1规划,考虑运输管道和节点容量,构建地下物流末端网络运营 成本最小优化模型,对地下物流末端网络进行优化研究。
2.地下物流末端配送网络优化数学模型
2. 1模型假设
已知骨干网络、网络节点OD流量矩阵、各节点坐标;
各物流节点和地下物流管道建设成本、节点和物流管道容 量限制已知;
末端网络路线均采用二级运输管道,运输管道均为双向运 输,单向运输能力相同;
各类货物均可通过管道运输,单位货物运输价格已知,各 级管道的运价一致。
2.2模型建立
设一级节点集合h = {1,2,二级节点集合为(= {1, •…,/,*,-,/}且J#; 二级节点的建设成本为c2亿元,二级节 点容量为Q, 二级运输管道容量为Q, 二级管道造价为^ ;单位 货物运输价格为b0,折旧率为任意两点a ~ b (不特指)之间货 运量Qa = (qab + qba),线路长度为:



式(1)表示目标函数;式(2)表示折旧成本,从左往右分别 是二级节点、一级节点到二级节点的运输管道和二级节点到二 级节点的运输管道建设费用;式(3)表示运输成本,从左往右分 别是一级节点到二级节点和二级节点到二级节点的运输费用; 式(4)表示至少有_个_级节点;式(5)表示至少有一个二级节 点;式(6)表示二级管道容量限制;式(7)表示二级节点容量 限制。
2. 3模型求解
使用Matlab求解,求解步骤如下:
Stepl:依二级节点到一级节点距离进行聚类,将所有二级节 点划分为若干区域,_个_级节点服务一片区域。
Step2:各区域内网络连接互不影响,分别对各个区域进行网 络优化,单独考虑服务区域下一级节点是否与二级节点相连,二 级节点之间是否连接。由于原目标函数是整个末端网络运营成 本,不是单个服务区域运营成本,为方便求解调整设立子目标函 数,对单独服务区域,用0表示一级节点、1 - n表示二级节点,用 集合13 = {0,1,…,n}表示单服务区域的节点集合,令g,h e I3,
g妾h。
1

式(9)是决策变量,式(10)表示节点容量约束,式(11)表示 二级管道容量约束。
Step3 :令最优成本minf = F0, = 1, F0是_个极大值;
Step4:用0~1变量表示两点是否连接,构建邻接矩阵;根 据OD流量矩阵得出各个服务区域内节点间OD流量矩阵;用最 短路径法求出各点间的最短路径,得到最短路径矩阵,两点之间 的货物流量走最短路径,计算该区域的运营成本。
Step5:节点的货运量满足节点容量,Fk = Fk,反之匕=+
F0 ;
Step6:管道实际运量符合管道容量,Fk = Fk,反之Fk = ^ +
F0 ;
Step7:若Fk < minF,则minF = Fk,反之最优解不变;
Step8:k = k + 1,进行0~1扰动,任意改变两点之间、的连接 状态;
Step9:如果 k > kmax =10 000 转入 Step10,否则转入 Step4 ; Step10:若满足终止条件,则输出该区域最优解minF;
Step11:对下一个区域网络进行优化,返回至步骤2;
Step12:若所有服务区域网络优化完成后,计算末端网络的运 营成本,得出运营成本最优末端网络结构。
3.实证研究
某地区经济发展迅速,同时交通拥堵问题突显,计划建设地 下物流系统。如图1所示,该地区一共有2个物流园区(a1, a2), 该地区所需物资绝大部分由物流园区提供,依据城市物流需求区域和道路拥堵情况划分为19个二级节点,计划构建4个一级节点 (M,b2,b3,b4),负责将货物转运至其他一级节点或者配送至二 级节点,每个节点通过地下运输管道连接。骨干网络已知,物流 园区与最近的一级节点连接,一级节点间采用环形网络。末端网 络采用二级运输管道,二级运输管道建设费用q = 0.438亿兀/km;单位运输费用、=1兀/t ?km, 二级节点的建设 成本q =0.2亿元/km; 二级节点处理容量仏=7 000 t; 二级管道 运输能力Q =4 000 t;折旧率r = 17365 x100。

部分节点之间的货运量如表1所示,未优化的初始末端网络 如图2所示。
采用本文上述数学模型和求解方法进行末端网络优化,一共 有4个一级节点,聚类划分为4个区域:{b1,1,2,3,4}, {b2,5,6, 7,8,9}, ,b3,10,11,12,13,14} , ,b4,15,16,17,18,19},优化后的 末端网络布局如图3所示。

为了进一步验证该模型,本文根据聚类结果,建立了如图4 所示的星状末端网络,并计算网络的运营成本。
未优化、优化后和星状三种末端网络布局的各项成本对比如 表2所示。实例表明优化模型可行有效,具有较好的优化结果.

4.结语
本文对地下物流系统网络优化进行了探究,引入04规划,以 各级管道、节点容量为约束条件,构建运营成本最小地下物流末 端网络优化模型,通过算例验证了该模型的可行性和有效性,对 地下物流末端网络优化具有积极的意义。