鐵路物流中心功能區(qū)布局方法分析

韓 琨

（蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 研究現(xiàn)狀

我國(guó)的物流業(yè)起步較晚，在物流中心內(nèi)部的布局問(wèn)題上更是沒(méi)有像發(fā)達(dá)國(guó)家那樣有較多的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。在國(guó)外，解決布局問(wèn)題的方法具有較長(zhǎng)的歷史，從最傳統(tǒng)的圖解法到數(shù)學(xué)模型法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法以及系統(tǒng)布置規(guī)劃法（Systematic Layout Planning，SLP）等。在這眾多的方法當(dāng)中，SLP方法以其能充分考慮定性因素和定量因素的優(yōu)點(diǎn)而多被采用。由于求解布局問(wèn)題是非線性的NP難題，目前，多用于求解的方法有啟發(fā)式算法、智能算法（遺傳算法、模擬退火算法，蟻群算法等）、計(jì)算機(jī)模擬等。

在充分考慮特路物流中心特點(diǎn)及功能的條件下，本文采用改進(jìn)SLP方法解決功能區(qū)布局問(wèn)題。首先，應(yīng)用現(xiàn)有資料分析物流園區(qū)內(nèi)各功能區(qū)之間的綜合關(guān)系；其次，以各功能區(qū)之間相互關(guān)系最大和整個(gè)物流中心成本最優(yōu)兩個(gè)目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型；最后，采用遺傳算法求解該模型，得出最優(yōu)布局方案。

2 布局方法

2.1 鐵路物流中心功能區(qū)的劃分

物流中心作為一種專業(yè)化的物流組織，不僅需要具備一般的物流服務(wù)功能，還應(yīng)該具備提供適合不同需要的高附加值和定制化服務(wù)的增值功能。因此，一般的物流中心功能區(qū)都分為物流功能區(qū)和非物流功能區(qū)兩大類。在鐵路物流中心，更是應(yīng)該把鐵路作為影響物流功能區(qū)的主要因素考慮進(jìn)去。通過(guò)分析鐵路物流中心的作業(yè)流程及各項(xiàng)作業(yè)的特點(diǎn)，可將物流功能區(qū)和非物流功能區(qū)更細(xì)致的劃分為10個(gè)功能區(qū)。

2.1.1 物流功能區(qū)的劃分

分析物流中心內(nèi)相關(guān)的物流作業(yè)項(xiàng)目、物流作業(yè)流程與物流中心功能的關(guān)系以及物流活動(dòng)之間的關(guān)系，我們可將物流功能區(qū)分為理貨區(qū)、流通加工區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)、退貨區(qū)。

1）理貨區(qū)。主要承擔(dān)理貨、點(diǎn)貨、揀貨、分類、集貨、驗(yàn)貨、配貨等職能。該功能區(qū)負(fù)責(zé)進(jìn)行貨物到達(dá)物流中心進(jìn)入后續(xù)流程的前期處理和貨物即將從物流中心出去之前的前期處理工作。

2）流通加工區(qū)。主要承擔(dān)對(duì)一些初級(jí)產(chǎn)品的二次加工、零配件組裝為成品的加工作業(yè)，以及產(chǎn)品包轉(zhuǎn)、運(yùn)輸包裝、流通包裝打印條碼等職能。

3）倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)。主要承擔(dān)貨物的倉(cāng)儲(chǔ)保管的職能。根據(jù)貨物的種類、運(yùn)輸形式及存儲(chǔ)條件，可將倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)細(xì)分為普通倉(cāng)庫(kù)、特殊倉(cāng)庫(kù)（包括鮮活貨物、立體倉(cāng)庫(kù)、保稅倉(cāng)庫(kù)等）、集裝箱堆放場(chǎng)、散貨堆場(chǎng)及長(zhǎng)達(dá)笨重貨物堆放區(qū)等。

4）逆向物流作業(yè)區(qū)。主要承擔(dān)對(duì)退貨、瑕疵品及廢品進(jìn)行處理的職能?？梢约?xì)分為退貨退貨卸貨區(qū)、退貨處理區(qū)、換貨區(qū)、瑕疵品暫存區(qū)等。

2.1.2 非物流功能區(qū)

物流中心除了是貨物的集散中心外，還是客戶的交易中心。故物流中心還應(yīng)該為客戶提供產(chǎn)品的展示、卡車停放、商檢、金融保險(xiǎn)等各種增值功能的服務(wù)。

1）交易展示區(qū)。主要是為供需雙方提供產(chǎn)品交易和展示的平臺(tái)，并且可以隨時(shí)更新市場(chǎng)供求信息。

2）停車場(chǎng)。主要用于配送貨物的車輛?？?。利用即時(shí)信息功能，為貨主和貨車司機(jī)提供運(yùn)輸供需的信息。

3）管理辦公區(qū)。主要為物流中心的行政辦公、業(yè)務(wù)辦理和招商引資的區(qū)域。本功能區(qū)提供物流調(diào)度和物流咨詢，以及一關(guān)三檢、工商、海關(guān)、稅收、銀行和保險(xiǎn)等配套業(yè)務(wù)。

4）生活服務(wù)區(qū)。主要是為客戶及物流中心工作人員提供休息和餐飲的區(qū)塊。同時(shí)，可以對(duì)外提供車輛的加油、維修等服務(wù)。

5）虛擬功能區(qū)。主要是針對(duì)連接物流中心內(nèi)部與外部的交通方式及設(shè)備建立的虛擬區(qū)塊。其主要包括鐵路裝卸線和物流中心出入口等。

2.2 系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)（SLP）方法

1961年，Richard Muther提出了SLP方法，此方法最早應(yīng)用于工廠設(shè)計(jì)布置當(dāng)中，使得工廠布置從定性階段發(fā)展到到了定量階段。在后期的物流中心布置當(dāng)中，SLP法提出的作業(yè)單元相互關(guān)系的密集表示法，形成了一種以大量圖表分析為手段，以物流費(fèi)用最小為目標(biāo)，物流關(guān)系分析與非物流關(guān)系分析相結(jié)合，求得合理的布置方案。

2.3 改進(jìn)的SLP方法

盡管SLP方法開(kāi)創(chuàng)性的解決了物流中心的布置問(wèn)題，可是它仍然存在著一些問(wèn)題。傳統(tǒng)的SLP方法在對(duì)功能區(qū)進(jìn)行相互關(guān)系分析時(shí)，受主觀因素影響的因素比較大，容易忽略或掩蓋一些非物流關(guān)系對(duì)功能區(qū)布局的影響，是功能區(qū)布局出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致布局方案不夠完美。而且，傳統(tǒng)的SLP方法對(duì)物流中心內(nèi)外的交通因素考慮的較少，這給后期物流中心運(yùn)營(yíng)時(shí)交通組織方面留下了很大的隱患。本文是從傳統(tǒng)SLP方法的不足入手，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)方面的改進(jìn)。在建立功能區(qū)相互關(guān)系表時(shí)，考慮交通因素的影響，得到較為合理的功能區(qū)相互關(guān)系表，采用數(shù)學(xué)的方法，建立最大綜合相互關(guān)系和成本最優(yōu)兩個(gè)目標(biāo)的模型，制定約束條件，利用遺傳算法求解最優(yōu)的布局方案。

2.4 數(shù)學(xué)模型

2.4.1 模型假設(shè)

由于物流中心的布局問(wèn)題是NP難題，對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行理想化處理。假設(shè)該鐵路物流中心的功能局均是建立在同一個(gè)平面上的。物流中心的規(guī)劃區(qū)域及各功能區(qū)的形狀均為規(guī)則的矩形，建立坐標(biāo)系，使得物流中心及其內(nèi)部功能區(qū)的邊分別與X軸和Y軸平行。考慮到既有條件的限制，鐵路裝卸線的位置是固定不變的。

2.4.2 定義參數(shù)

定義的參數(shù)有：n為物流中心功能區(qū)數(shù)量；（xi，yi）為功能區(qū)i的中心點(diǎn)坐標(biāo)；（xj，yj）為功能區(qū)j的中心點(diǎn)坐標(biāo)；H為物流中心規(guī)劃區(qū)域的長(zhǎng)；V為物流中心規(guī)劃區(qū)域的寬；hi為功能區(qū)i的長(zhǎng)；vi為功能區(qū)i的寬；hj為功能區(qū)j的長(zhǎng)；vj為功能區(qū)j的寬；pij為功能區(qū)邊界之間的最小距離；Tij為功能區(qū)i與j之間的綜合相互關(guān)系值，由分析物流關(guān)系與非物流關(guān)系后確定；dij為功能區(qū)i與j之間的曼哈頓距離，dij＝｜xi－xj｜＋｜yi－yj｜；bij為功能區(qū)i與j之間的鄰接度，由dij轉(zhuǎn)化得到；qij為功能區(qū)i到j(luò)的日均物流量；fi為貨物在功能區(qū)i所產(chǎn)生的固定費(fèi)用，包括加工、存儲(chǔ)、包裝等費(fèi)用；c為功能區(qū)之間貨物單位距離的平均搬運(yùn)成本，在本文的實(shí)例中c＝0.05。

2.4.3 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

建立以物流中心內(nèi)部功能區(qū)之間總的綜合相互關(guān)系（Z1）最大和物流中心總成本（Z2）最優(yōu)為目標(biāo)的模型

將（1）（2）式轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)，引入權(quán)值w1和w2，由此可得到單目標(biāo)函數(shù)

其中，w1為綜合相關(guān)度的權(quán)值，w2為物流中心總成本的權(quán)值，兩者均通過(guò)專家打分獲得，且w1＋w2＝1。

目標(biāo)函數(shù)需滿足如下約束條件：

1）兩個(gè)相鄰的功能區(qū)不重疊約束

2）各功能區(qū)的邊界不能超出物流中心規(guī)劃區(qū)域的約束

3）鐵路裝卸線位置的約束，即在鐵路裝卸線這個(gè)功能區(qū)內(nèi)不能布置其他的功能區(qū)

4）物流中心出入口約束，物流中心出入口只能設(shè)置在物流中心規(guī)劃區(qū)域邊界上，因此，出入口中心點(diǎn)的坐標(biāo)只能為xk＝[0，H]，yk＝0；或者xk＝0，yk＝[0，V]；或者xk＝[0，H]，yk＝V；或者xk＝H，yk＝[0，V]。此外，如果鐵路線設(shè)置在物流中心的某條邊界上時(shí)，則不能在此邊界上設(shè)置物流中心的出入口。

2.5 遺傳算法求解

鑒于遺傳算法在解決組合優(yōu)化問(wèn)題上的優(yōu)勢(shì)，本文決定利用遺傳算法來(lái)求解鐵路物流中心內(nèi)各功能區(qū)布局的問(wèn)題。

針對(duì)于治療效果主要分為三個(gè)等級(jí),當(dāng)治療后48h后大便性狀正常,次數(shù)明顯減少,其臨床癥狀明顯消失為顯效;而治療后48~72h內(nèi)大便采恢復(fù)正常,臨床癥狀消失則為顯效;如果患兒治療時(shí)間超過(guò)72h,臨床癥狀以及大便均無(wú)明顯變化則為無(wú)效[2]。

2.5.1 設(shè)計(jì)染色體

根據(jù)功能區(qū)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)染色體基因的形式為（xi，yi），染色體由基因串所組成。

2.5.2 初始化

初始種群采用隨機(jī)方式產(chǎn)生，并且每組初始解必須滿足邊界不重疊約束和功能區(qū)邊界不能超出物流中心規(guī)劃區(qū)域邊界的約束。

2.5.3 選擇算子

本文采用最優(yōu)保存策略和輪盤(pán)賭相結(jié)合的方法進(jìn)行選擇。使當(dāng)前群體中性能最優(yōu)的個(gè)體以更高的生存概率保存下來(lái)，用它來(lái)替換本代群體中經(jīng)過(guò)交叉、變異等操作后產(chǎn)生的性能最低的個(gè)體。

2.5.4 交叉、變異

采用單點(diǎn)交叉，對(duì)個(gè)體進(jìn)行兩兩隨機(jī)配對(duì)，設(shè)置某一基因座之后的位置作為交叉點(diǎn)，配對(duì)的父代染色體在交叉點(diǎn)互換基因并進(jìn)行基本位變異操作，以變異概率隨機(jī)選擇其中某一個(gè)或某幾個(gè)基因位上的值做變異運(yùn)算。

2.5.5 適應(yīng)度函數(shù)

一般，適應(yīng)度函數(shù)是由目標(biāo)函數(shù)變換而成，本文的適應(yīng)度函數(shù)為

式中：λik為第i個(gè)染色體中不符合約束條件k的布局塊數(shù)目，P為違反約束條件的懲罰量。

3 實(shí)例分析

3.1 算例參數(shù)

某地計(jì)劃建設(shè)一個(gè)規(guī)劃用地為矩形的鐵路物流中心，需要鐵路裝卸線水平貫穿物流中心且緊靠規(guī)劃用地的邊界，規(guī)劃用地面積為420000m2，水平邊H＝840m，豎直邊V＝500m。通過(guò)前期的查閱分析資料，得到各個(gè)功能區(qū)的需求面積，如表1所示。另外，考慮此物流中心作業(yè)量較大，因此，需分別設(shè)置兩個(gè)入口和出口。

在處理綜合相互關(guān)系方面，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文按照物流關(guān)系與非物流關(guān)系同等重要考慮。也就是說(shuō)，對(duì)于每個(gè)功能區(qū)之間的物流關(guān)系和非物流關(guān)系密切程度相同。對(duì)密切程度量化取值：最密切為4；非常密切為3；密切為2；比較密切為1；不太密切為0；不密切為－1。這樣，就可以得到綜合相互關(guān)系Tij，如表2所示。各功能區(qū)之間的鄰接度bij由dij來(lái)確定，將數(shù)值區(qū)間[0，dmax]劃分為6個(gè)子區(qū)間（其中，dmax為物流中心規(guī)劃區(qū)域長(zhǎng)邊與寬邊的長(zhǎng)度之和），dij所處子區(qū)間的對(duì)應(yīng)鄰接度量化如表3所示。

表1 需求面積指標(biāo)

表2 功能區(qū)綜合相互關(guān)系表

表3 鄰接度量化表

根據(jù)分析初始數(shù)據(jù)和查閱相關(guān)資料，整理得出各功能區(qū)邊界之間的最小距離pij的矩陣P，貨物在各功能區(qū)所產(chǎn)生的固定費(fèi)用fi的單行矩陣F，以及各功能區(qū)之間的日均物流量qij的矩陣Q，分別如式（1），式（2），式（3）所示。

此外，已知鐵路裝卸線是作為物流中心的固有設(shè)備并且貫穿整個(gè)物流中心，假設(shè)其中心點(diǎn)的坐標(biāo)為（420，20），所以，鐵路裝卸線功能區(qū)范圍可表示為D9＝（0≤x≤840，10≤y≤30）。

3.2 遺傳算法求解

根據(jù)查閱的文獻(xiàn)資料及大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，假設(shè)的遺傳算法環(huán)境參數(shù)如表4所示。

表4 遺傳算法參數(shù)表

采用Maltlab編程對(duì)算例進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的染色體為｛（135.1，92.2），（141，6，220.3），（433.5，202.6），（132.5，379.8），（356.4，430.8），（444.5，400.9），（541.7，462.8），（680.7，433.8），（465，10），（0，314.7），（0，232.2），（514.8，500），（820，346.6）｝，產(chǎn)生的代數(shù)為422，效果如圖1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路物流中心的布局問(wèn)題已經(jīng)成為物流系統(tǒng)建設(shè)的一個(gè)重要的問(wèn)題，其布局的合理性直接影響到鐵路物流中心乃至整個(gè)區(qū)域物流的經(jīng)營(yíng)效率。本文仔細(xì)分析了鐵路物流中心的運(yùn)作模式，對(duì)物流中心進(jìn)行了詳細(xì)的功能劃分，用數(shù)學(xué)的方法對(duì)SLP方法進(jìn)行改進(jìn)，從而更完善的解決物流中心的布局問(wèn)題。在整個(gè)布局的過(guò)程中，按照傳統(tǒng)的SLP方法對(duì)物流中心各功能區(qū)之間的綜合相互關(guān)系進(jìn)行量化，構(gòu)建綜合相互關(guān)系最大的目標(biāo)函數(shù)；同時(shí)，再構(gòu)建物流中心總成本最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)；然后經(jīng)過(guò)歸一化處理，得到功能區(qū)布局方案最優(yōu)的單目標(biāo)函數(shù)；最后，通過(guò)遺傳算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的功能區(qū)布局方案。通過(guò)算例的驗(yàn)證，本文的方法在功能區(qū)布局問(wèn)題上較為合理，具有一定的指導(dǎo)意義。

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