多類型煤炭海運運輸庫存管理一體化模型

董皎皎,馬瑞瑞,翟橋柱,衛(wèi)軍胡,賴菲,王虹,管曉宏,王智微

(1.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,710049,西安; 2.西安熱工研究院有限公司,710032,西安;3.西安交通大學智能網(wǎng)絡與網(wǎng)絡安全教育部重點實驗室,710049,西安)

多類型煤炭海運運輸庫存管理一體化模型

董皎皎1,馬瑞瑞2,翟橋柱3,衛(wèi)軍胡1,賴菲2,王虹1,管曉宏3,王智微2

(1.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,710049,西安; 2.西安熱工研究院有限公司,710032,西安;3.西安交通大學智能網(wǎng)絡與網(wǎng)絡安全教育部重點實驗室,710049,西安)

針對大型發(fā)電集團煤炭采購海運總成本較高、庫存積壓嚴重的問題,提出海運運輸庫存管理一體化的三層混合整數(shù)規(guī)劃模型。該模型基于多配送中心至多電廠碼頭的物流配送網(wǎng)絡,考慮實際海運中復雜的船舶構成及電廠碼頭靠泊限制,采用混合整數(shù)規(guī)劃方法,以調(diào)度周期內(nèi)發(fā)電集團總部煤炭采購運輸成本總和最小作為第一優(yōu)化目標,以船運公司航次運行總費用最小為第二優(yōu)化目標,并考慮電廠碼頭庫存成本及庫存不平衡懲罰,采用分層序列優(yōu)化方法對該模型進行求解?；趪鴥?nèi)某大型發(fā)電集團及其下屬12個電廠的實驗結果表明:該模型在避免煤炭短缺及庫存爆倉的同時,降低供應鏈系統(tǒng)總費用800萬元,減少由等待泊位引起的滯期費用195萬元,降低電廠碼頭平均庫存量30%;分層模型可有效降低由統(tǒng)一建模帶來的管理難度及求解復雜度,特別適用于多電廠碼頭的復雜煤炭海運問題。

海運供應鏈;庫存管理;煤炭運輸;船舶調(diào)度計劃;三層混合整數(shù)規(guī)劃模型

大型發(fā)電集團的煤炭采購-海運問題具有供應鏈關系復雜及海運物流建模復雜等特點。應用供應鏈管理理論分析其供應鏈特點及企業(yè)管理方式可有效降低供應鏈總費用,增強企業(yè)合作關系,但國內(nèi)外對海運供應鏈管理研究相對薄弱。大部分船舶調(diào)度仍然依靠調(diào)度人員經(jīng)驗完成,以至運營成本過高,因此,對煤炭采購-海運優(yōu)化調(diào)度問題進行全面、系統(tǒng)的分析研究是十分必要的。

海洋運輸研究分為3類:工業(yè)船運、不定航線不定期船運、班輪船運[1]。工業(yè)船運又包括工業(yè)船運的船隊規(guī)劃、船隊定線及調(diào)度問題[2]。文獻[3-4]建立了基本的多類型產(chǎn)品庫存路徑優(yōu)化問題模型。文獻[5-7]分別從煤炭、糧食采購-海運問題出發(fā),考慮成本最小化的煤炭、糧食采購及運輸計劃制定。文獻[8-10]分別研究了船隊規(guī)劃、班輪調(diào)度、不定期船運問題。文獻[11-12]分別研究了中國石化的煤炭庫存管理策略和煉油廠的庫存管理問題。文獻[13]研究了鐵路直達運輸條件下煤炭采購、運輸問題。文獻[14-15]構建了煤炭物流網(wǎng)絡。

上述相關研究已經(jīng)建立了較好的整體優(yōu)化模型框架,但僅考慮了單產(chǎn)品類型或單一卸港碼頭,且航運部分和卸港碼頭物理限制考慮相對簡單,這與實際復雜的產(chǎn)品需求、船舶構成等有出入。此外,將采購與海運部分統(tǒng)一建模,求解效率較低,僅能求解小規(guī)模問題。本文基于多配送中心至多電廠碼頭的物流配送網(wǎng)絡,考慮實際海運中復雜的船舶構成及電廠碼頭靠泊限制,建立三層混合整數(shù)規(guī)劃模型,利用分層序列優(yōu)化方法分別求解煤炭訂購計劃、航線用船計劃及船舶調(diào)度計劃,不僅減少了供應系統(tǒng)總費用,而且有效降低了由統(tǒng)一建模帶來的管理難度及求解復雜度。

1 問題背景及特點

1.1 問題背景

本文以某發(fā)電集團為背景,該集團與多家船運公司簽訂期租船合同,負責海運煤炭運輸。在每一調(diào)度月末,各電廠根據(jù)預測需求上報下一調(diào)度月用煤量計劃,集團燃料部根據(jù)各用煤量計劃制定煤炭訂購計劃,并根據(jù)各電廠煤炭庫存情況安排船舶調(diào)度計劃,如圖1所示。以上計劃由集團總部、船運公司和電廠三方會談制定。

圖1 煤炭采購及海運物流系統(tǒng)

1.2 問題特點

分析圖1問題并抽象其供應鏈系統(tǒng)如圖2所示。在該供應鏈中,分別研究核心企業(yè)(集團總部)的訂購管理及庫存管理問題。根據(jù)供應鏈關系分析,該問題為多階段多目標決策問題,具有煤炭耗量大、種類多、電廠分散的特點,與傳統(tǒng)的庫存路徑問題相比,物流配送結構和運載工具結構更為復雜,且需要考慮更多的實際物理限制。

圖2 供應鏈中物流及信息流

1.2.1 訂購管理 集團總部以月或季度為訂購周期,向多家供應商采購以保障煤炭質量和煤炭價格,降低缺貨風險,保障各電廠碼頭的煤炭供給。其成本主要包括購買成本、訂購成本、物流成本及庫存持有成本。

1.2.2 第三方物流 由于自建物流體系費用較高,集團總部通常與第三方物流即船運公司長期合作。與傳統(tǒng)按照電廠碼頭庫存需求隨時租船的方式不同,本文提出新的管理模式,即在每一調(diào)度周期初,提前足夠時間計劃各航線用船數(shù)目,并反饋給船運公司。該管理方式使得船運公司有更大的業(yè)務自由度,可以保障雙方的長期合作關系。

1.2.3 庫存管理 由于電能不能大規(guī)模經(jīng)濟存儲,各電廠碼頭均存在一定安全庫存以應對電量需求的意外變化。由于各電廠屬于發(fā)電集團總部,且各自獨立核算,因此,可以將其看作是信息完全共享的利益整體,采取供應商管理庫存策略(VMI)可有效降低供應鏈整體費用。庫存成本主要包括物流成本和庫存持有成本。本文主要研究海運形式的物流配送。

2 數(shù)學模型

傳統(tǒng)研究[6-8,12-14]通常采用統(tǒng)一建模思路,但在變量規(guī)模較大時,較難在可接受時間內(nèi)得到問題的可行解。經(jīng)調(diào)研分析,單位采購成本遠大于單位運輸成本及單位庫存成本,因此,本文從實際應用角度建立煤炭訂購、航線用船、庫存管理三層混合整數(shù)規(guī)劃模型,分別求解煤炭訂購計劃、航線用船計劃和船舶調(diào)度計劃。

2.1 煤炭訂購計劃模型

在調(diào)度月初,集團燃料部根據(jù)各電廠碼頭煤炭需求及各供應商信息,決策訂購計劃及各航線運量計劃,以實現(xiàn)總支付成本最小?？傊Ц冻杀局饕ú少徺M用、鐵路物流費用及海運物流費用。

集團燃料部煤炭訂購問題可表述為式(1)～式(7)所示的數(shù)學模型。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 航線用船計劃模型

在已知運量計劃及各噸位船型可用數(shù)目的基礎上,集團燃料部為各航線分配船舶運輸煤炭,以實現(xiàn)總航次運行費用最小。

各航線用船問題可表友誼賽為式(8)～式(14)所求援數(shù)學模型。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Xm,n,v為整型量

(13)

(14)

2.3 庫存管理模型

在已知運量計劃、航線用船計劃及單位時段各電廠碼頭煤炭消耗量的基礎上,集團燃料部制定船舶調(diào)度計劃,以實現(xiàn)所有電廠碼頭的庫存持有費用及懲罰費用最小。

各電廠碼頭庫存管理問題可表述為式(15)～式(27)所示的數(shù)學模型。

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

xt,m,n,v為整型量

(24)

(25)

(26)

(27)

2.4 模型求解

式(1)～式(27)為混合整數(shù)規(guī)劃模型,求解流程如圖3所示。由于該實際問題中各層成本間存在數(shù)量級上的顯著差異,如表1所示,迭代算法對總成本改變并不明顯,且會增加問題的求解時間。因此,本文采用順序求解算法,自上而下求解三層混合整數(shù)規(guī)劃模型。

圖3 三層模型求解流程

表1 各層成本優(yōu)化結果

3 算例分析

以某集團下屬電廠為例。為降低算例規(guī)模,分別對煤炭、港口、船舶分類,其中煤種為14類,港口為2類,船舶為11類。式(1)～式(27)為混合整數(shù)規(guī)劃模型,利用lingo 11.0軟件求解。由于各計劃表數(shù)據(jù)量較大,因此選擇其中某一電廠分析計算結果。

3.1 訂購情況分析

由式(1)～式(8)制定采購計劃,如表2所示?？梢钥闯?①考慮供應商最大購買量,各供應商購買量不大于最大供應能力,可有效降低缺貨風險;②經(jīng)驗證明所有供應商的煤炭購買量可以滿足各電廠需求。

表2 訂購計劃表

定義到廠煤炭單價為采購單價與運輸單價的總和。在不考慮管理意志約束時,計算各港口各供應商到廠煤炭單價,可有效指導訂購計劃的制定。

3.2 航線用船情況分析

由式(9)～式(16)可得航線用船方案,如表3所示。調(diào)度周期內(nèi)船舶使用數(shù)目為3,船舶載重量利用率為94.6%。可以看出:①通過該方式制定的航次計劃可以在調(diào)度周期內(nèi)完成計劃運量且滿足各船型可用數(shù)目限制;②與表4歷史計劃相比,船舶利用率差異不大,但減少了船舶使用數(shù)目,降低了總航次運行費用;③考慮泊位約束,船運計劃更加貼近實際。因此,計算結果滿足船舶適載原則,即用合適的船型運輸合適的貨物。

表3 航線用船計劃表

表4 歷史航線用船計劃表

3.3 電廠碼頭情況分析

由式(17)～式(26)可得航運計劃表,如表5所示,其歷史數(shù)據(jù)如表6所示。根據(jù)各航線的航行時間、卸港時間可畫出任務時間圖,如圖4所示。其中,橫軸表示調(diào)度時段;縱軸表示各任務;灰色部分表示由各港口至電廠碼頭n1的各航行任務;黑色部分表示電廠碼頭n1的各卸港任務。

各電廠庫存變化情況如圖5所示,可以看出:①該調(diào)度方案可使電廠碼頭n1在滿足生產(chǎn)的前提下降低煤炭庫存量;②電廠碼頭n1的泊位數(shù)目為1,因此第2次運輸任務與第3次運輸任務錯開卸港時間,可保障第3次到達電廠碼頭的船舶在無需等待的情況下安全卸港;③對比表6所示歷史航運計劃可以看出,由于人工方式較難考慮各時段的煤炭庫存平衡,可能造成煤炭庫存量較高。

表5 船舶調(diào)度計劃表

表6 歷史船舶調(diào)度計劃表

圖4 電廠碼頭n1任務時間圖

圖5 電廠碼頭n1庫存量變化

上述問題的難度隨電廠碼頭數(shù)目、船舶類型、煤炭類型的增加而增加。當問題規(guī)模較大時,憑借人工經(jīng)驗制定各調(diào)度計劃很難同時滿足供應鏈中各方需求,而本文提出的三層混合整數(shù)規(guī)劃模型仍可得到該問題的滿意結果。

4 結 論

本文以某集團為例,研究集團總部通過海運方式向其子公司運送煤炭的供應鏈管理問題。通過分析供應鏈管理模式,提出集團總部與第三方物流公司合作新的管理方式;結合海運物流的基本特點,將供應鏈管理問題推廣至海運領域;提出三層模型,有效降低了由統(tǒng)一建模帶來的管理難度及求解復雜度;考慮電廠碼頭泊位數(shù)目,使得船舶調(diào)度計劃的制定更加貼近實際。

下一步工作主要是設計啟發(fā)式算法,以求解卸港碼頭較多的大規(guī)模海運優(yōu)化調(diào)度問題。在問題規(guī)模較大時,本文所提出的模型及算法求解時間相對較長,因此如何設計啟發(fā)式算法以降低問題求解時間,提高模型求解效率是下一步研究的主要方向。

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(編輯 武紅江)

IntegrationModelofInventoryandTransportationDecisionsforMultipleCoalShipping

DONG Jiaojiao1,MA Ruirui2,ZHAI Qiaozhu3,WEI Junhu1,LAI Fei2,WANG Hong1,GUAN Xiaohong3,WANG Zhiwei2

(1.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China;2.Thermal Power Research Institute Corporation Limited,Xi’an 710032,China; 3.Ministry of Education Key Lab for Intelligent Networks and Network Security,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

A three-level mixed integer programming model is proposed to reduce the cost of coal purchase and transportation in large-scale power generation groups,and to decrease the inventory levels of coal in group’s subsidiaries.Mixed integer liner programming is used to establish the model,and the logistic distribution networks among multi-loading ports and multi-unloading ports,vessel capacities and physical constrains of subsidiaries are considered in the model.The first level object of the model is to minimize the purchase and transportation costs of power generation groups in the entire scheduling cycle.The second level object is to minimize the voyage operating expenses,and the third level object is to minimize the inventory and penalty costs of all subsidiaries.Sequential optimization method is used to solve the model.Numerical tests are performed for a power generation group with 12 subsidiaries and the results show that the cost of the overall supply chain system is saved by 800million RMB,the demurrage cost is reduced by 195 million RMB,and the inventories of all subsidiaries are reduced by 30%.The three-level model has competitive performance in terms of solution efficiency against traditional consolidated models,especially for complex coal shipping problems of multiple subsidiaries.

maritime supply chain; inventory management; coal transportation; ship routing strategy; three-phrase mixed-integer programming model

2013-11-30。

董皎皎(1989—),女,博士生;高峰(通信作者),男,教授,博士生導師。

華能集團重點科技項目(HNKJ12-H61);國家自然科學基金資助項目(61174146,61221063)。

時間:2014-04-16

10.7652/xjtuxb201406007

F274

:A

:0253-987X(2014)06-0037-06

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140416.1749.016.html