考慮交通管制約束的冷鏈物流共同配送路徑優(yōu)化

葉煒

摘要：從城市交通管制政策對(duì)于冷鏈物流配送在時(shí)間和空間上的限制這一實(shí)際情形出發(fā)，結(jié)合冷鏈物流實(shí)際配送活動(dòng)，立足于冷鏈配送企業(yè)，構(gòu)建了交通管制下冷鏈物流的共同配送模型。并通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，對(duì)冷鏈物流共同配送模式和傳統(tǒng)的單溫層冷鏈配送模式進(jìn)行了對(duì)比，并分析了在不同交通管制情形下，冷鏈物流共同配送模式配送成本的變化。分析得出：相較于單溫層冷鏈配送，冷鏈物流共同配送模式更能適應(yīng)當(dāng)前城市交通管制情形下的配送環(huán)境；其配送成本受制于交通管制政策的變化，其中相較于交通區(qū)域管制，配送成本受交通管制時(shí)段的影響更大。

關(guān)鍵詞：交通管制；冷鏈物流配送；遺傳算法

中圖分類號(hào)：F252.14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

冷鏈物流是現(xiàn)代物流的重要組成部分，是保障產(chǎn)品安全與品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對(duì)產(chǎn)品安全及品質(zhì)的要求變得越發(fā)嚴(yán)苛，呈現(xiàn)出小批量、多品種、需求多樣化的特點(diǎn)。但是，目前冷鏈物流配送方式仍較為傳統(tǒng)，多采用一輛配送車輛僅配送特定儲(chǔ)存溫度區(qū)間產(chǎn)品的單獨(dú)配送模式，常常會(huì)出現(xiàn)的采用多輛配送車輛同時(shí)配送，但又都無(wú)法滿載的現(xiàn)象，物流效率十分低下。低效率配送不僅極大地浪費(fèi)了物流資源，也進(jìn)一步加劇了城市交通的擁堵和環(huán)境的污染。當(dāng)前，各大城市為提高交通道路的資源利用率，紛紛出臺(tái)了各種限時(shí)限行的交通管制政策，以緩解城市交通壓力。這類限時(shí)限行的交通管制政策大多對(duì)城市配送車輛有著更嚴(yán)格的限制，無(wú)疑又為冷鏈物流配送套上的一道“枷鎖”，進(jìn)一步提高了冷鏈配送的配送難度及成本。

本文認(rèn)為，為應(yīng)對(duì)城市交通管制政策的束縛，提升配送效率，冷鏈配送應(yīng)考慮采用共同配送模式。所謂共同配送，是指在若干個(gè)有定期運(yùn)貨需求的客戶的合作下，由一個(gè)運(yùn)輸業(yè)者，使用一個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行配送的模式。合理應(yīng)用這一模式，能夠有效解決物流設(shè)施重復(fù)建設(shè)、車輛使用效率低等問(wèn)題。在冷鏈物流中實(shí)行共同配送模式，需考慮冷鏈產(chǎn)品溫度需求多層次的特點(diǎn)，因此配送過(guò)程中必須實(shí)現(xiàn)有不同儲(chǔ)存溫度要求的產(chǎn)品的混合裝載，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一配送。當(dāng)前，常用于冷鏈物流共同配送的配送車輛主要有機(jī)械式冷凍區(qū)隔車輛和蓄冷式冷藏車輛兩種。本文將在既有專家研究成果的基礎(chǔ)上，以機(jī)械式冷凍區(qū)隔車輛為配送車輛，構(gòu)建城市交通管制下的冷鏈物流共同配送優(yōu)化模型，并結(jié)合數(shù)值實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析不同交通管制情形下，冷鏈物流共同配送模式對(duì)于單溫冷鏈配送模式配送成本及其效率的變化。

1問(wèn)題描述及模型構(gòu)建

1.1問(wèn)題描述

考慮交通管制約束的冷鏈物流共同配送路徑優(yōu)化問(wèn)題可描述為：在考慮交通管制情形下，多個(gè)生產(chǎn)不同溫層類型產(chǎn)品的企業(yè)通過(guò)合作建立共同配送物流系統(tǒng)，劃定一定區(qū)域設(shè)立一個(gè)共同配送中心，由該中心統(tǒng)一集貨，然后通過(guò)集中配送的方式將所有不同溫層類型的產(chǎn)品配送給區(qū)域內(nèi)各個(gè)企業(yè)的客戶，以此降低單位配送成本，提升配送效率，減少受交通管制的影響。在進(jìn)行共同配送物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了使系統(tǒng)運(yùn)行總成本最低外，還需要遵守當(dāng)?shù)爻鞘械慕煌ü苤普?。城市交通管制政策主要包括設(shè)置限行時(shí)間、限行地段等，共同配送車輛需在交通管制禁行時(shí)間以外的時(shí)間段對(duì)管制區(qū)域內(nèi)的客戶進(jìn)行配送，否則便會(huì)違反交通政策，貨物無(wú)法順利運(yùn)達(dá)客戶，企業(yè)利益會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p害。

1.2假設(shè)條件

在實(shí)際情況中，冷鏈物流配送活動(dòng)十分復(fù)雜，條件不同，結(jié)果也就不盡相同。為方便模型構(gòu)建及求解，本文對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行了一些抽象和簡(jiǎn)化，并對(duì)模型做如下假設(shè)：

（1）交通管制政策限行時(shí)間、限行區(qū)域及受限行政策影響的客戶確定且已知。

（2）不考慮配送中心的設(shè)立成本，且配送中心容量足夠大，足以容納各企業(yè)客戶對(duì)產(chǎn)品的需求量；配送中心負(fù)責(zé)各個(gè)企業(yè)所有產(chǎn)品的配送，且配送活動(dòng)不可中斷，需一次性完成，同時(shí)產(chǎn)品在配送中心的處理裝卸時(shí)間忽略不計(jì)。

（3）使用機(jī)械式冷凍車進(jìn)行共同配送，能同時(shí)配送3種類型的冷鏈產(chǎn)品；配送車輛裝載過(guò)程中僅考慮各種產(chǎn)品的重量，不考慮產(chǎn)品形狀和擺放方式，各類型產(chǎn)品不超過(guò)配送車輛相應(yīng)溫區(qū)的最大載重量，且不同類型產(chǎn)品可以相互混裝；每輛配送車輛只能從配送中心出發(fā)且只有一條配送路線；配送中心和客戶的位置確定，且每個(gè)客戶僅需一輛配送車輛進(jìn)行配送，完成配送任務(wù)后返回配送中心。

其中：公式（5）保證配送車輛對(duì)每一客戶的配送服務(wù)時(shí)間都在交通管制時(shí)間窗外。公式（6）保證配送車輛配送的每一溫層產(chǎn)品裝載量不超過(guò)其溫層的最大裝載量，同時(shí)也保證了裝載量不超過(guò)車輛的最大裝載量。公式（7）保證了配送車輛配送的產(chǎn)品的總重量不超過(guò)配送車輛的最大載重量。公式（8）保證了每一客戶點(diǎn)均接受到配送服務(wù)，且每一客戶點(diǎn)只接受一輛配送車輛的配送服務(wù)。公式（9）和公式（10）分別保證了模型決策變量滿足的0-1約束和模型常量的非負(fù)約束。

3模型求解及算法設(shè)計(jì)

上述模型為非線性規(guī)劃，難以直接求解，一般采用啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。啟發(fā)式算法（heuristic algorithm）是一個(gè)基于直觀或經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造的算法，在可接受的花費(fèi)（指計(jì)算時(shí)間和空間）下給出待解決組合優(yōu)化問(wèn)題每一個(gè)實(shí)例的一個(gè)可行解。本文將選用遺傳算法，并結(jié)合上述數(shù)學(xué)模型和相關(guān)約束條件，對(duì)算法的編碼、初始種群選取、適應(yīng)度函數(shù)等要素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1編碼與解碼

本文采用自然數(shù)編碼法進(jìn)行編碼，利用隨機(jī)生成的自然數(shù)序列，來(lái)代表對(duì)應(yīng)序列節(jié)點(diǎn)（服務(wù)的客戶）的配送順序。如針對(duì)n位配送客戶，隨機(jī)生成n位的自然數(shù)序列435…n。則此序列表示第1的是客戶4接受配送，第2的是客戶3接受配送，第3的是客戶5接受配送，以此類推。解碼時(shí)，順序遍歷順位序列，以車輛每個(gè)溫區(qū)的最大容量為約束進(jìn)行。如第1個(gè)節(jié)點(diǎn)至第i個(gè)節(jié)點(diǎn)接受配送的產(chǎn)品容量超過(guò)配送車輛溫層區(qū)的最大容量，則配送車輛遍歷終止于第i-1個(gè)節(jié)點(diǎn)，下一配送車輛從第i個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始遍歷序列，以此類推，直到遍歷所有序列節(jié)點(diǎn)。

3.2適應(yīng)度函數(shù)

遺傳算法中利用適應(yīng)度來(lái)表示個(gè)體與解的優(yōu)劣程度，適應(yīng)度越大，個(gè)體與解則越優(yōu)，被選擇到下一代的概率也越大。一般是以所求問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，本文模型的目標(biāo)函數(shù)是共同配送的總配送成本，因此本文取目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù)作為此算法的適應(yīng)度函數(shù)，配送成本越小，適應(yīng)度越大，被選擇到下一代的概率也越大。

3.3遺傳操作

遺傳操作是對(duì)染色體個(gè)體按照它們對(duì)適應(yīng)度施加一系列的操作，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化過(guò)程，主要包括選擇、交叉算子和變異三個(gè)操作過(guò)程。

選擇操作是從染色體群體中選擇優(yōu)勝、淘汰劣質(zhì)個(gè)體的操作。本文采用輪盤賭選擇法進(jìn)行選擇操作。交叉操作是遺傳操作的核心，本文采用單點(diǎn)交叉法，在染色體群體中隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，并隨機(jī)選擇一個(gè)交叉點(diǎn)，將該點(diǎn)前后的兩個(gè)個(gè)體的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行互換，并順序遍歷個(gè)體替換重復(fù)基因，生成兩個(gè)新個(gè)體。如個(gè)體A：3475162與個(gè)體B：6547321，交叉后產(chǎn)生的新個(gè)體為A*：5467321和B*：3745162。變異操作是對(duì)染色體群體中的個(gè)體基因作變動(dòng)，以提高局部搜索能力，保持群體的多樣性。本文的變異操作為：在父代染色體中，隨機(jī)選擇兩個(gè)基因位上的基因，將這兩個(gè)基因互換，得到子代染色體。如對(duì)A：3475162，選擇第二位和第六位基因互換，就得到子代染色體A*：3675142。

4數(shù)值實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1算例描述與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

假設(shè)3家生產(chǎn)不同冷鏈產(chǎn)品的生產(chǎn)商，為提高配送效率、降低配送成本進(jìn)行共同配送。計(jì)劃安排若干輛機(jī)械式冷凍車，通過(guò)1個(gè)配送中心完成其20個(gè)共同客戶的3類產(chǎn)品的配送任務(wù)，產(chǎn)生的共同配送成本以各生產(chǎn)商產(chǎn)品的配送量為依據(jù)進(jìn)行公平分配。為方便計(jì)算，設(shè)定配送中心從早晨5：00開(kāi)始配送活動(dòng)，普通冷凍車調(diào)用成本為400，機(jī)械式冷凍車的調(diào)用成本為600，總?cè)莘e為12m³，機(jī)械式冷凍車3個(gè)溫區(qū)的容積均為4m³，單位時(shí)間運(yùn)輸成本為8元/kg·h，平均行駛速度為55km/h。為更好地分析交通管制對(duì)冷鏈物流配送活動(dòng)的影響，本文將進(jìn)行兩部分的算例實(shí)驗(yàn)。第一部分算例實(shí)驗(yàn)將從生產(chǎn)商配送成本出發(fā)，對(duì)冷鏈物流的共同配送模式和傳統(tǒng)單溫配送模式進(jìn)行對(duì)比；第二部分將從共同配送整體出發(fā)，設(shè)計(jì)不同管制情景下的算例對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析禁行路段、管制時(shí)段變化時(shí)共同配送總成本的變動(dòng)趨勢(shì)。具體生產(chǎn)商、客戶點(diǎn)及交通管制信息如表1、表2所示。

4.2不同冷鏈配送模式的對(duì)比

本部分算例實(shí)驗(yàn)設(shè)置45%的客戶點(diǎn)受交通管制政策的影.響，且0：00～7：30為交通管制允許通行的時(shí)段。為避免禁行路段及管制時(shí)段下的限行路段產(chǎn)生隨機(jī)性影響，分別對(duì)兩種配送模式求解10次，取其最優(yōu)解。其中，算法種群規(guī)模為100，最大迭代次數(shù)為1 000，交叉概率取0.8，變異概率取0.1。具體配送路線成本及方案如表3所示：

由表3可見(jiàn)，在交通管制政策限制配送活動(dòng)的情形下，若各生產(chǎn)商使用冷鏈物流的共同配送模式，僅需5輛配送車輛便可以完成20個(gè)客戶點(diǎn)3種類型產(chǎn)品的配送任務(wù)；而若各生產(chǎn)商采用傳統(tǒng)的單溫冷鏈物流配送模式，每個(gè)生產(chǎn)商需要4輛普通冷凍車、共需12輛配送車輛才能完成配送任務(wù)。從各生產(chǎn)商配送成本來(lái)看，傳統(tǒng)單溫冷鏈配送模式相較于冷鏈物流的共同配送，生產(chǎn)商配送成本分別增加了32.93%、33.00%和82.87%，極大地增加了企業(yè)的配送成本。表明在交通管制情形下，冷鏈物流的共同配送模式能有較好的適用性，能有效地提升配送效率、減少配送車輛的需求、減緩城市交通壓力，同時(shí)顯著地降低配送成本，提升企業(yè)效益。傳統(tǒng)的單溫冷鏈配送成本及方案表如表4所示。

4.3不同管制情形下的算例對(duì)比

交通管制主要分為管制時(shí)段和管制區(qū)域兩部分，本模型中交通管制時(shí)段主要影響配送客戶接受配送活動(dòng)的時(shí)間，而管制區(qū)域主要影響配送客戶受交通管制的比例。本部分算例實(shí)驗(yàn)將分別變動(dòng)交通管制情景的管制時(shí)段和管制區(qū)域，分析交通管制對(duì)冷鏈物流共同配送成本的影響。結(jié)合算例特點(diǎn)，以上述算例交通管制情景（管制時(shí)段為0：00～7：30，45%客戶點(diǎn)處于管制區(qū)域內(nèi)）為基礎(chǔ)情景，首先在管制時(shí)段不變的情形下，隨機(jī)設(shè)置40%、60%、80%的客戶點(diǎn)處于管制區(qū)域內(nèi)，分析交通管制區(qū)域?qū)滏溑渌统杀镜挠绊?。其次在管制區(qū)域不變的情形下，設(shè)置允許通行時(shí)段為0：00～6：30、0：00～7：30、0：00～8：30三種情形，分析管制時(shí)段對(duì)配送成本的影響。將上述算例在不同管制情景下計(jì)算5次，計(jì)算結(jié)果從小到大依次排列，結(jié)果如表5、表6所示：

由表5、表6可見(jiàn)，交通管制區(qū)域較管制時(shí)段對(duì)冷鏈物流配送成本的影響更大。在管制區(qū)域不變的情形下，交通管制時(shí)間越長(zhǎng)，即允許配送的時(shí)段越短，完成冷鏈配送任務(wù)的配送成本就越大，且當(dāng)允許配送的時(shí)段間隔越小時(shí)，配送時(shí)段減少所引起的配送成本的增加幅度就越大。如表中當(dāng)允許配送時(shí)段由5：00～8：30減小到5：00～7：30時(shí)，配送成本平均增加了6.52%，而當(dāng)配送時(shí)段由5：00～7：30減小5：00～6：30時(shí)，同樣1小時(shí)配送時(shí)段的減小卻使配送成本平均增加了24.43%。同時(shí)，在交通管制時(shí)間不變的情形下，交通管制影響的客戶點(diǎn)越多，完成配送任務(wù)的配送成本也越大，表中客戶點(diǎn)受交通管制影響的比例由40%變化到80%時(shí)，配送成本平均分別增長(zhǎng)12.18%、5.86%。

5結(jié)論

本文建立了城市交通管制情形下的冷鏈物流共同配送優(yōu)化模型，根據(jù)問(wèn)題特點(diǎn)設(shè)計(jì)了改進(jìn)的遺傳算法，并對(duì)數(shù)值實(shí)驗(yàn)加以計(jì)算。通過(guò)算例實(shí)驗(yàn)表明，交通管制政策對(duì)冷鏈物流配送具有顯著的負(fù)向影響。在交通管制政策中，交通管制區(qū)域政策較交通管制時(shí)段政策對(duì)配送企業(yè)的影響更大，更阻礙冷鏈物流配送活動(dòng)的進(jìn)行。允許配送的時(shí)間窗越小，完成冷鏈物流配送的配送成本越大，且呈指數(shù)級(jí)上升的趨勢(shì)，而管制區(qū)域的變化對(duì)配送成本的影響則較小，更為平緩?；诖?，配送企業(yè)基于不同的模型和算法，在實(shí)際配送活動(dòng)中設(shè)計(jì)考慮城市貨運(yùn)車輛交通管制的最優(yōu)配送方案，并針對(duì)受管制政策影響較大的客戶，可通過(guò)與客戶協(xié)商更改時(shí)間窗，或者建立區(qū)域配送中心等措施應(yīng)對(duì)城市貨運(yùn)交通管制政策。