付子云
(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 徐州 221000)
煙草行業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展過(guò)程中的支柱產(chǎn)業(yè),是國(guó)家主要稅收源泉之一,其中煙草運(yùn)輸是卷煙物流中非常重要的一部分。隨著Y煙草集團(tuán)產(chǎn)銷規(guī)模的擴(kuò)大,集團(tuán)消費(fèi)需求結(jié)構(gòu)不斷向多批次、小批量、多品種以及個(gè)性化方向發(fā)展,導(dǎo)致中遠(yuǎn)距離中小型貨車發(fā)貨量和頻次逐漸增加,形成了以長(zhǎng)途公路運(yùn)輸為主的高運(yùn)輸成本現(xiàn)狀,成為煙草集團(tuán)物流業(yè)務(wù)中一個(gè)迫切需要解決的問題。在我國(guó)極力倡導(dǎo)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的背景下,促進(jìn)國(guó)內(nèi)煙草企業(yè)積極優(yōu)化運(yùn)輸結(jié)構(gòu),進(jìn)行“公轉(zhuǎn)鐵”式結(jié)構(gòu)調(diào)整,充分發(fā)揮鐵路在節(jié)能減排、安全集約、規(guī)模效應(yīng)上的優(yōu)勢(shì),努力改變煙草運(yùn)輸依賴長(zhǎng)途汽運(yùn)的局面,使得煙草企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效,運(yùn)輸業(yè)務(wù)朝著綠色、安全、集約方向發(fā)展成為必然趨勢(shì)。
國(guó)內(nèi)對(duì)于煙草運(yùn)輸方面的研究相對(duì)較少。高怡杰,等提出了一種求解煙草配送路徑規(guī)劃問題的新型智能優(yōu)化算法ITLBO,在傳統(tǒng)教與學(xué)優(yōu)化(TLBO)算法的框架基礎(chǔ)上,通過(guò)改進(jìn)算法使其能適用于組合優(yōu)化問題,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的算法能優(yōu)化配送路線,降低配送成本;高正鵬主要以安徽省工業(yè)煙草物流為例研究了成品卷煙配送路徑規(guī)劃過(guò)程中存在的問題,首先重新設(shè)計(jì)了卷煙運(yùn)輸計(jì)價(jià)規(guī)則,然后提出了集合分割數(shù)學(xué)模型,最后提出了改進(jìn)的拉格朗日松弛優(yōu)化算法,并設(shè)計(jì)了基于貪婪思想的上界求解方法,實(shí)現(xiàn)企業(yè)降本增效。龔亞琪針對(duì)A中煙工業(yè)公司卷煙物流網(wǎng)絡(luò)存在的問題,提出了其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)、原則及建立區(qū)域配送中心完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路,并對(duì)區(qū)域配送中心建成后A中煙工業(yè)公司卷煙物流網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作模式進(jìn)行了分析和優(yōu)化。綜上查閱文獻(xiàn)可知,大部分研究集中在卷煙運(yùn)輸末端的配送路徑優(yōu)化和煙草營(yíng)銷等方面。對(duì)于煙草運(yùn)輸,還沒有將軸輻式網(wǎng)絡(luò)和公鐵聯(lián)運(yùn)集裝化運(yùn)輸結(jié)合應(yīng)用到集團(tuán)卷煙的整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建及優(yōu)化等方面的相關(guān)研究。
本文在對(duì)Y煙草集團(tuán)的全國(guó)型生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和訂單數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合集團(tuán)實(shí)際業(yè)務(wù)需求,建立不同運(yùn)輸形式的精細(xì)化成本數(shù)學(xué)模型,以此為目標(biāo)函數(shù)提出一種適用于煙草行業(yè)集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)的優(yōu)化解決方案,采用禁忌搜索算法和遺傳算法,選出最佳樞紐節(jié)點(diǎn)并得出最優(yōu)運(yùn)輸路徑分配。
從集團(tuán)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮,為提高運(yùn)作效率,本文引入單元化、集裝化作業(yè),并分別從客戶訂單運(yùn)作模式、成品卷煙包裝以及設(shè)施設(shè)備三方面進(jìn)行全套集裝化設(shè)計(jì)。
(1)訂單運(yùn)作模式集裝化。訂單運(yùn)作模式集裝化是指為方便快速裝卸搬運(yùn),建議客戶訂貨量以托盤為單位來(lái)計(jì)數(shù)。目前Y煙草集團(tuán)的訂單量大小參差不齊,在設(shè)施設(shè)備集裝化的基礎(chǔ)上,嘗試改變傳統(tǒng)訂貨量標(biāo)準(zhǔn),與客戶協(xié)商訂單需求量以托盤為計(jì)數(shù)單位。以2018年1月1日部分訂單需求量統(tǒng)計(jì)為例,表1數(shù)據(jù)顯示了各個(gè)卷煙需求點(diǎn)以托盤為單位的訂單需求,單日訂單需求量已能夠滿足以整托盤運(yùn)輸為單位。
表1 2018年1月1日部分訂單需求量
(2)產(chǎn)品包裝集裝化。我國(guó)成品煙包裝規(guī)格較為統(tǒng)一,每件的規(guī)格為458mm×245mm×570mm,1萬(wàn)支/件。目前Y集團(tuán)卷煙運(yùn)輸包裝以件為獨(dú)立個(gè)體。單個(gè)托盤上可以放24件、28件、34件,裝卸時(shí)為保證貨物穩(wěn)定性,需要大量裹膜固定。Y集團(tuán)卷煙運(yùn)輸以托盤為單位進(jìn)行集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸時(shí),依照客戶訂單匹配好每位客戶的訂單量(單位:托盤),結(jié)合紙滑托盤載重量限制,針對(duì)單個(gè)托盤的量采用最大化單元化包裝,卷煙出庫(kù)時(shí)以單托盤的量進(jìn)行打碼包裝。一方面節(jié)約大量的薄膜,另一方面簡(jiǎn)化了作業(yè)流程。
(3)設(shè)施設(shè)備集裝化。設(shè)施設(shè)備集裝化一方面指鐵路干線運(yùn)輸使用集裝箱,集裝箱運(yùn)輸使用標(biāo)準(zhǔn)托盤、紙滑托盤及專用推拉器。成品煙直接儲(chǔ)存在帶有紙滑托盤的標(biāo)準(zhǔn)托盤上,并借助專用的推拉器進(jìn)行裝卸,實(shí)行單元化作業(yè)。同時(shí)集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)作為最具代表性的多式聯(lián)運(yùn)形式,具備公路運(yùn)輸在中短途運(yùn)輸中靈活的優(yōu)勢(shì)和鐵路運(yùn)輸批量大、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高的特點(diǎn),且以標(biāo)準(zhǔn)化的集裝箱作為單元載體能夠提高運(yùn)輸?shù)募s性,提高運(yùn)輸效率。本文采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)40英尺和20英尺集裝箱,其尺寸規(guī)格見表2。
表2 集裝箱尺寸規(guī)格
設(shè)施設(shè)備集裝化另一方面是指以托盤為基本運(yùn)輸單位時(shí),單位托盤件煙的擺放形式及數(shù)量。紙托盤選擇用牛皮紙做成的厚度1mm的臨邊雙翼板滑板托盤,承重300-900kg,內(nèi)嵌RFID芯片,綜合考慮集裝箱的高度以及紙托盤的性能要求,計(jì)算后單個(gè)托盤可以堆放24件或者20件。以24件/盤為例,件煙在紙托盤上擺放方案如圖1所示。參考40英尺集裝箱尺寸,每40英尺集裝箱可裝載卷煙44托盤(包含22托盤規(guī)格為20件/盤和22托盤規(guī)格為24件/盤)共968件,即48 400條。集團(tuán)設(shè)施設(shè)備集裝化改進(jìn)前車輛容積利用率約為76%,改進(jìn)后以40英尺集裝箱為例容積率提高至81%。
圖1 件煙在紙托盤上擺放三視圖
本文確定門到門貨源組織類型,運(yùn)輸環(huán)節(jié)涉及發(fā)貨地(中心庫(kù)和煙廠)、發(fā)站、到站、卷煙商業(yè)公司四個(gè)節(jié)點(diǎn),公鐵聯(lián)運(yùn)貨物運(yùn)輸組織過(guò)程如圖2所示,包含三項(xiàng)基礎(chǔ)服務(wù)即(a)、(b)、(c)。在借閱參考文獻(xiàn)[4-5]的基礎(chǔ)上,集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)貨物運(yùn)輸全過(guò)程作業(yè)流程如圖3所示。
圖2 公鐵聯(lián)運(yùn)貨物運(yùn)輸組織過(guò)程示意圖
圖3 集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)全過(guò)程作業(yè)流程
本文在上述集裝化裝載方案與公鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸組織流程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,結(jié)合對(duì)集團(tuán)實(shí)際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)不同區(qū)域的需求偏好、件煙的規(guī)格尺寸以及訂單物流信息等,找準(zhǔn)迫切待研究的問題,充分考慮卷煙運(yùn)輸公鐵聯(lián)運(yùn)應(yīng)用各種場(chǎng)景,建立符合實(shí)際訂單需求的公鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型,明確優(yōu)化目標(biāo)與約束條件,建立單分配混合軸輻式公鐵聯(lián)運(yùn)模型。
單分配混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型屬于LRP問題,此模型解決的核心問題即樞紐選址和路徑規(guī)劃,有效提高煙草運(yùn)力、優(yōu)化資源配置、降低物流成本?;旌陷S輻式網(wǎng)絡(luò)包含非樞紐節(jié)點(diǎn)之間直接聯(lián)通,在實(shí)際應(yīng)用中即直達(dá)運(yùn)輸,使得運(yùn)輸具有柔性化,其路徑示意如圖4所示,其運(yùn)輸路徑包括非樞紐節(jié)點(diǎn)之間直送和經(jīng)過(guò)樞紐中心中轉(zhuǎn)到達(dá)兩種。假設(shè)共有n個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域中包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)城市,每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間既可以滿足公路運(yùn)輸條件也可以滿足鐵路運(yùn)輸條件,如節(jié)點(diǎn)1、2、3、…、n。同時(shí)樞紐節(jié)點(diǎn)之間的鐵路運(yùn)輸享有規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的優(yōu)惠折扣,折扣因子是變化的,不同的樞紐節(jié)點(diǎn)對(duì)以及不同的貨物流量都會(huì)影響折扣因子。
圖4 單分配混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)公鐵聯(lián)運(yùn)路徑示意圖
假設(shè)如下:(1)不同節(jié)點(diǎn)之間公鐵轉(zhuǎn)換時(shí)貨物換模單位成本、裝卸單位成本和裝卸單位時(shí)間相同;(2)貨物整批單向運(yùn)輸,且只在節(jié)點(diǎn)處一次性裝卸完整批的貨物;(3)每個(gè)起訖點(diǎn)之間最多通過(guò)兩個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)且樞紐中心數(shù)量固定;(4)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有被選為樞紐節(jié)點(diǎn)的機(jī)會(huì);(5)本文假設(shè)樞紐節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)能力無(wú)限制即容量無(wú)限;(6)不同運(yùn)輸方式的單位運(yùn)輸成本事先給定,且樞紐節(jié)點(diǎn)之間的折扣系數(shù)事先已知。
模型符號(hào)表示如下:
:卷煙需求節(jié)點(diǎn)集,n∈N,i和j表示具體的普通節(jié)點(diǎn)城市;
:樞紐節(jié)點(diǎn)集,樞紐節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),p∈P,和表示具體的樞紐中心,()表示樞紐節(jié)點(diǎn)數(shù)量集;
S:節(jié)點(diǎn)i,j之間的貨物流量,表示同一節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的貨運(yùn)量總和;
:運(yùn)輸方式集合,{},m∈M,表示公路運(yùn)輸方式,表示鐵路運(yùn)輸方式;
Q:節(jié)點(diǎn)被選為樞紐節(jié)點(diǎn)建立的固定費(fèi)用;
R:節(jié)點(diǎn)i和j之間的運(yùn)輸距離;
ST:運(yùn)輸方式由轉(zhuǎn)換為的單位中轉(zhuǎn)成本;
:運(yùn)輸方式由轉(zhuǎn)換為的單位換模成本;
:單位裝卸成本;
:集裝箱的單位裝箱、掏箱時(shí)間;
T:節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的實(shí)際運(yùn)輸總時(shí)間;
節(jié)點(diǎn)i到j(luò)采用運(yùn)輸方式時(shí)所用的時(shí)間;
lt:節(jié)點(diǎn)i到j(luò)運(yùn)輸時(shí)間上限,即最晚運(yùn)輸時(shí)間;
:實(shí)際運(yùn)輸時(shí)間大于最晚運(yùn)輸時(shí)間的懲罰系數(shù);
:公路末端配送車輛,(12);
():配送車輛的額定裝載量;
y:客戶在車輛上有數(shù)量的貨物。
根據(jù)問題描述,結(jié)合背景資料,發(fā)貨點(diǎn)和需求點(diǎn)之間的貨物運(yùn)輸包含直達(dá)運(yùn)輸、雙樞紐網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸和單樞紐網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸。由此建立模型如下:
…S,f∈(1),表示貨物流量數(shù)值。
本文將禁忌搜索算法和遺傳算法相結(jié)合,選出最佳樞紐節(jié)點(diǎn)并得出最優(yōu)運(yùn)輸路徑分配。算法實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)模型中樞紐節(jié)點(diǎn)集合為,為個(gè)總節(jié)點(diǎn)的集合,的鄰域()(),為集合的長(zhǎng)度,表示從中換出的點(diǎn),表示從中換入的點(diǎn)。目標(biāo)函數(shù)()表示樞紐節(jié)點(diǎn)為時(shí)的最低物流成本,()的大小由遺傳算法階段求出。()表示節(jié)點(diǎn)的禁忌狀態(tài),比如()3表示再繼續(xù)迭代3代節(jié)點(diǎn)可以解禁。
圖5 禁忌搜索算法和遺傳算法實(shí)現(xiàn)流程
為驗(yàn)證上述模型的有效性,以河北省內(nèi)和云南省內(nèi)共19個(gè)節(jié)點(diǎn)城市某年某月的訂單數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行算法計(jì)算,假設(shè)選擇的運(yùn)輸方式只有公路和鐵路兩種,通過(guò)構(gòu)建模型進(jìn)行樞紐選擇和路徑分配,得出整個(gè)軸輻式集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)成本下最佳樞紐節(jié)點(diǎn)和最優(yōu)的路徑選擇。并將該最優(yōu)成本和公路運(yùn)輸進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)一步從實(shí)踐上驗(yàn)證集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)的成本優(yōu)勢(shì)和服務(wù)水平上的可行性。
首先部分貨源點(diǎn)到需求點(diǎn)的鐵路運(yùn)輸距離矩陣見表3。其他有關(guān)運(yùn)輸成本參數(shù)、公路鐵路運(yùn)價(jià)率均參照最新市場(chǎng)數(shù)據(jù)。假設(shè)公鐵聯(lián)運(yùn)服務(wù)時(shí)間上限定為三天。MATLAB中通過(guò)UT(時(shí)間上限)=ones(19,19)*72進(jìn)行時(shí)間上限賦值。
表3 部分貨源點(diǎn)到需求點(diǎn)的鐵路運(yùn)輸距離矩陣 單位:km
通過(guò)MATLAB多次運(yùn)行求得最優(yōu)樞紐中心節(jié)點(diǎn)和相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)路徑選擇。其中禁忌搜索算法在10代左右算法收斂,收斂速度較快,整個(gè)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)成本從1 835 000元收斂至1 760 000元。若采用長(zhǎng)途汽車進(jìn)行卷煙運(yùn)輸,通過(guò)計(jì)算成本為1 801 100元,節(jié)省運(yùn)輸成本開支41 100元。上述汽車成本未考慮車輛折舊和維護(hù)、職工福利、過(guò)橋費(fèi)和養(yǎng)路費(fèi)等費(fèi)用,因此實(shí)際上汽車直送的費(fèi)用要大于1 801 100元,而且隨著公鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的完善,鐵路的折扣系數(shù)會(huì)繼續(xù)降低,軸輻式集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)將會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。軸輻式公鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中O-D圖如圖6所示。
圖6 集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)O-D圖
由圖6可知,建立節(jié)點(diǎn)城市4和節(jié)點(diǎn)城市12為樞紐點(diǎn),完成從省內(nèi)卷煙廠到目標(biāo)銷售地區(qū)的卷煙運(yùn)輸,由于節(jié)點(diǎn)城市4與節(jié)點(diǎn)城市7距離較近,所以編號(hào)4未標(biāo)出,以7共同表示樞紐城市4和節(jié)點(diǎn)城市7。在整個(gè)卷煙運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中,運(yùn)輸方式主要有公鐵聯(lián)運(yùn)、鐵路直送、汽車直送和公路接駁四種路線。公路接駁對(duì)應(yīng)同市內(nèi)煙廠間轉(zhuǎn)運(yùn)存儲(chǔ)。公路直送節(jié)點(diǎn)對(duì)為市內(nèi)短距離運(yùn)輸,鐵路直送多為發(fā)貨點(diǎn)距離樞紐站較遠(yuǎn)且運(yùn)量較大的節(jié)點(diǎn)城市。節(jié)點(diǎn)城市2、節(jié)點(diǎn)城市3和節(jié)點(diǎn)城市1均有一定運(yùn)量通過(guò)樞紐點(diǎn)進(jìn)行軸輻式公鐵聯(lián)運(yùn)。同時(shí)省內(nèi)各點(diǎn)之間的移庫(kù)作業(yè)均為汽車直送形式。從節(jié)點(diǎn)城市2運(yùn)往節(jié)點(diǎn)城市12和節(jié)點(diǎn)城市9的運(yùn)輸方式為汽車直送,節(jié)點(diǎn)城市2位于省內(nèi)最北方,距離樞紐點(diǎn)4的距離較遠(yuǎn),但節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的運(yùn)量相對(duì)較少,為避免繞行增加額外成本以及受運(yùn)量限制,鐵路運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)不足以抵消火車的開行費(fèi)用;且其貨運(yùn)量加入到鐵路樞紐節(jié)點(diǎn)間干線運(yùn)輸不能產(chǎn)生更優(yōu)惠的折扣系數(shù),因此采用汽車直送運(yùn)輸。
由于河北省地形限制,各個(gè)需求點(diǎn)較為分散,在河北省內(nèi)只選用一個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸成本降低幅度不大,在一定范圍內(nèi)增加樞紐節(jié)點(diǎn)數(shù)目,軸輻式集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。
本文首先對(duì)集裝箱公鐵聯(lián)運(yùn)集裝化裝載及運(yùn)輸組織進(jìn)行設(shè)計(jì),構(gòu)建了單分配混合軸輻式公鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型,運(yùn)用禁忌搜索和遺傳算法,充分考慮多方面因素,在最短的時(shí)間內(nèi)得出近似最優(yōu)解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此公鐵聯(lián)運(yùn)方案能夠達(dá)到降本增效的目的。同時(shí)提出以下三點(diǎn)建議:
(1)針對(duì)部分區(qū)域?qū)嶋H情況,一定程度上繼續(xù)發(fā)揮集團(tuán)現(xiàn)有的汽運(yùn)優(yōu)勢(shì),卷煙運(yùn)輸公鐵聯(lián)運(yùn)規(guī)模需由小及大,逐步積累經(jīng)驗(yàn),并要積極與當(dāng)?shù)卣丸F路部門溝通協(xié)調(diào),進(jìn)一步改善貨車通行條件,做好現(xiàn)有站場(chǎng)的基礎(chǔ)改造工作。并積極進(jìn)行揀選、存儲(chǔ)、裝卸搬運(yùn)作業(yè)的技術(shù)改造,與有條件的商業(yè)公司合作,積極落實(shí),為公鐵聯(lián)運(yùn)的具體實(shí)施提供保障。
(2)實(shí)現(xiàn)集裝化。一方面需要升級(jí)現(xiàn)有樞紐節(jié)點(diǎn)的配套設(shè)施,根據(jù)各個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)的需求量和需求密度增設(shè)集裝箱吊裝設(shè)備,提升裝卸搬運(yùn)能力和作業(yè)效率。另外需要各個(gè)煙草公司和生產(chǎn)廠倉(cāng)庫(kù)配備相應(yīng)的紙滑托盤、叉車等基礎(chǔ)設(shè)施,提高整個(gè)公鐵聯(lián)運(yùn)過(guò)程中的集裝化服務(wù)水平。
(3)加強(qiáng)物流信息化建設(shè),縮短集結(jié)時(shí)間。由算法計(jì)算過(guò)程中知,集裝箱集結(jié)時(shí)間占總時(shí)間比例較大。在具體實(shí)施中,應(yīng)該加強(qiáng)公鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的信息化建設(shè),增加每個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍,形成規(guī)模效應(yīng),減少公鐵聯(lián)運(yùn)成本,提高公鐵聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效率。