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物流运输系统规划及其合理化分析

第一章 引言 1.1物流简介

“Distribution”一词最早出现在美国,我国开始使用“物流”一词始于

1979年。我国对物流的定义:物体从供应地向接受地的实体流动中,根据实际

需要,将运输,储存装卸,搬运,包装,流通加工,配送,信息处理等功能有机结合来实现用户要求的过程,运输是人和物的载运及输送。

物流运输系统涉及很多内容,包括车辆调度、物流中心选址、多式联运、配

[12]送路径优化等等,本章节主要介绍了目前国际物流的发展现状趋势和我国物流的发展现状趋势,并对此做了简单的分析。 1.2物流发展状况分析

1.2.1 国际物流发展状况分析

国际物流就是组织货物在国际间的合理流动,也就是发生在不同国家之间的

物流。国际物流可以分为:进口物流和出口物流,国家间物流和经济区域间物流。国际物流的特点具有以下几个方面:物流环境差异大,物流系统范围广,运输方式复杂,而且必须具有国际信息系统的支持。

国际物流的发展趋势主要有几种:1、综合物流中心是将两种以上不同类型的物流中心集约在一起,成为一个由综合职能和高效率的物流设施,如将铁路货

站,公路运输货栈集约等形式。2、专业物流中心是集约经营的一种业态。有的

国家称为“配送中心”3、物流园地,也称物流团地。政府从城市整体利益出发,

在小区域城乡结合部,主要交通干道附近开辟专用场地,通过逐步配套完善各项

基础设施,吸引大型物流配送中心在此聚集,降低物流成本,减轻大型配送中心

在市中心分布所带来的不利影响。并且第三方物流发展迅速,物流作业高度自动

化,配送作业高度自动化,配送中心功能多样化,传统物流业转型步伐加快;零

售业发展周期也在逐步缩短。

虽然国际物流发展迅速,但是也有一些问题:一是国际物流形式日趋复杂化,

如一些国家设置的人为因素。二是国际物流发展不平衡,发达国家和落后国家之

间技术,管理实力差距不断拉大。三是国际物流频繁但是批量小,四是跨国公司

垄断日益加剧,五是土地紧缺和发达国家劳动力不足导致物流成本上升。

我国物流运输的发展状况

改革开放20年以来,中国物流业也有了较大发展。主要表现在:改革了流通管理体制和流通组织形式,逐步形成了以市场调节为主的运行机制;加强了对交

通、通讯等物流基础设施的投资,提高了物流技术装备水平。与物流相关的交通运输、信息通讯、仓储、包装和配送等各行业都有较快的发展。长期的计划经济

体制使中国的物流行业发展滞后。在由计划经济向市场经济转变的过程中,由于传统观念的影响,管理体制的改革落后于经济体制的改革。到目前为止,中国物流业仍然是分散的管理方式,涉及到国家的各个部门。由于体制没有理顺,各部门之间分工又有交叉,造成了物流行业管理中存在的条块分割、部门分割、重复建设

等种种问题。

第二章 物流运输问题的研究现状分析 2.1物流运输研究现状分析

2.1.1物流运输研究现状

运输可以创造出商品的空间效用和时间效用,可以扩大商品的市场范围。运

输还可以保证商品价格的稳定性。物流的主要运输方式:铁路运输, 汽车运输,船舶运输,航空运输,管道运输等。随着物流的发展,如何节约物流的成本,如何缩短物流运输的时间,如何进一步提高物流的效率,是各大物流运输企业所高度

[1]重视的,徐丽群提到了关于物流的最优路线选择和最优成本的节约,如果运输

中缺乏一致性,它就会影响到运输方式衔接的准确性,这样它的安全性就会增加,

[2]存贮成本就会上升。并且在运输时间方面的成本也会。蒲春梅,王延清提出了一些不合理的物流运输方式,并且提出了如何科学的提高运输的决策,如何运用

运筹学中的最短路径问题,还提出了要发展社会化的运输体系,形成公路,水陆,

[3]铁路的联运网络,壮大我国的物流运输在世界上的竞争力。肖永清他认为影响运输的质量因素有驾驶员,车辆设备,道路环境等,物流的运输质量管理应该坚

持“五个一”的原则。

我国的物流发展以城市为主 ,采取城乡结合发镇的方式,所以对城市物流的

[4]建设更是需要重视,李岩,申金升,沈昆鸟对城市物流运输提出了自己的看法。

介绍了城市运输和其他运输存在的差别,城市物流的市场化趋势和可持续发展之

间的矛盾,并且提出城市物流运输的关键就是缺乏一个有效的信息平台。虽然现

在我国的物流事业蒸蒸日上,但是在、从中反映出来的问题也是不容小视,如果不

[6]及时进行处理,很可能会严重阻碍我国经济的发展,骆勇,郭秀春对我国和发达国家之间的物流运输作对比,说明我国物流存在的不足,借鉴发达国家的运输经

验,通过一些措施对车辆结构进行了调整。提高了物流运输的效率。

随着我国经济越加发达,各种来自国外的竞争也日趋激烈,所以我国的很多

[7]不完善的法制需要改善,郝琳琳,在中国加入WTO以后提出了自己对物流法制的看法,因为我国加入了WTO,所以对物流运输的要求也更加的严格,所以

必须有完善的法制制度,才能确立在世界物流运输中的地位,提高我国物流运输

的国际地位。

现在的物流已经不是那种传统的物流,只是靠汽车,火车,飞机等交通工具

运输,如何把电子商务和现代物流有效的合理的结合起来,以便更大限度发挥物

[8]指出电子商务的任何一笔交易都包含了物流的优势,提高物流的效率.高海晨

流,商流,资金流,信息流。除了物流以外其它三项都可以通过计算机网络进行

实现,并指出第三方物流在未来的竞争中更是不可缺少。João Miguel da Costa

[15]Sousa, Member, IEEE, Rainer Palm, Member, 描述了使用模糊决定最优方法的物流进程,介绍了物流进程生灭的全过程,以及进程的五个阶段。并且介绍了如

何控制和分析物流链的几种方法,如何指定相关的策略,准确的把客户的信息反

馈给生产商。

2.1.2 现有物流运输技术

[5]赵艳梅认为我国物流目前虽然基础设计规模小,东西部发展不平衡,全

国各地的装配互相都不配套 ,并且安全隐患仍然存在。但是以上的问题可以通

过移动定位得到解决。这种方法就是利用SM确定车辆所在的位置,帮助车辆提供最优的运行路线,控制人员可以足不出户,坐在电脑前进行指挥,这样大大提

[9]高了物流的效率。郑淑蓉认为信息化是现代物流的基础,对目前的几个比较好

的物流技术做了介绍:条码技术是一种自动识别技术,他实现信息自动扫描,能

有效的采集数据。GIS(物理信息系统)技术能将表格行数据转化为地理图形进

行显示,比较直观的显示销售情况,运输路线。GPS(全球定位系统)能实现运行车辆系统的全程跟踪监视,便与管理。GMS(全球移动通信系统),它可以开通全球移动通信业务,除了实现话音传输外,还能进行短信服务,短信业务在物

流中的应用可以方便管理。随着物流事业的发展,各种各样的先进技术,如雨后

春笋,拔地而起,层出不穷,大大推动了世界物流,发展前图无限。Corn6 Versteegt,

[16]Alexander Verbraeck Delft University of Technology Faculty of Technologv

介绍了用SEP方式评估大规模的智能货物运输系统,其中模拟,仿效,原型是物

流系统分析中紧要的部分,并且着重指出SEP方法的重要部分就是控制系统和物流资源之间的交流。Agostino Bruzzone, Alessandra OrsoniUniversity of Genoa

[17]Department of ProductioN Engineering介绍的是基于AI和模拟技术评估供应链。着重介绍了ANN模型的效果,ANN模型的建筑和学习运行法则,以及ANN是如何进

行测试和训练的。

2.2 多式联运

2.2.1 多式联运的定义和特点

多式联运是按照多式联运合同,以至少两种不同的运输方式,由多式联运经

营人将货物由一个地点运到另一个指定交付地点。它把铁路运输、公路运输、航

空运输等传统的单一方式运输有机地结合起来,化为一体加以有效地综合利用,

[11]构成一种连贯地过程来完成货物的运输。

多式联运的特征就是多式联运经营人和发货人之间的合同关系性质,联运经

营人以独立的法律实体,向发货人提供用一种以上的运输方式运输货物的单一合

同。构成多式联运的基本特征如下:

(1)与传统的分段运输比较,多式联运是一种更复杂、更高级的运输组织形

式,是运输组织工作现代化的具体表现。

(2)必须是至少两种而且是两种不同的运输方式的连贯运输。

(3)多式联运的货物一般是集装箱或者其他形式的货物组合方式。

(4)多式联运经营人可以在综合运输网中选择最佳运输路线,通过各种运输

方式的最佳组合,最终实现合理运输。 2.2.2 多式联运的现状和发展

随着经济的发展,各地间贸易日益频繁,单一的运输方式越来越不能满足“门

到门”的运输要求,而被称为“第三次运输革命”的多式联运已成为物流运输的

新趋势。与欧美地区相比,我国的多式联运还处于起步阶段,但市场潜力和发展

前景却十分可观。

现代物流运输主要包括水路、铁路、公路、航空等基本方式,且互有优劣。

随着跨地区、跨国界贸易交易的频繁,货物中转成为物流运输中的重要环节,往

往在经多次“转手”后造成运输成本上升、停留时间延长和效率降低等问题。与

之相比,多式联运却能很好地发挥各种运输方式的优势,为货主提供快捷、安全、

可靠的“门到门”运输服务,降低客户的运输成本,提高交通运输效率,减少环

境污染和能源浪费,从而获得更大的经济和社会效益。

2.3 配送路径最优化

2.3.1 物流配送的含义和种类

物流配送(简称配送)是企业依据用户要求,以最有效的方式在配送中心或

[10]其他配送地点备货,并将货物送交用户的一种经济活动。配送将“配”和“送”有机结合起来,是一种特殊的、综合的物流活动方式,是商流和物流相结合,包

含物流若干功能要素的一种物流方式。

按配送地点划分,配送形式主要有配送中心配送、仓库配送和商店配送等。

(1) 配送中心配送

其组织者是专职从事配送业务的配送中心,一般来说,其规模较大,功能齐

备,配送能力较强,配送距离也较长,大都和用户有固定的配送关系。

(2)配送点配送

配送点是在某一特定区域设置的专门从事该区域配送业务的网点。一般来

说,配送点是配送中心的分支机构或下属机构,不独立对外进行商业活动,配送

业务主要通过网络接受上级的指令,进行配送。

(3)仓库配送

即以仓库为地点而进行的配送。它是在保持仓库原有功能的前提下,增加配

送功能,一般来说,规模较小,综合能力相对较弱,配送的专业化程度也较低。

(4)商店配送

其组织者是通过企业的经营网点,一般与零售相结合,规模较小,大都是卖

出即配送。

(5)生产企业配送

组织者是生产企业,一般来说,配送的产品往往都是一些适用性较强或自身

生产的产品,同时,需求方都是最终用户

2.3.2配送路径最优化的意义

对于配送企业来说,配送路径优化的意义和作用主要表现在以下几点:

(1)配送路径优化将会大幅度地提高配送企业地配送效率,促进配送作业缓

解地合理衔接,减少失误,更好地完成配送地职能。

(2)配送路径优化可节约在配送系统方面的投资和人力资源的配置,提高资

金的使用效率,降低成本开支。

3.1多式联运的需求分析 第三章 需求分析及系统功能模块介绍

作为一个物流运输的模拟实验系统,该系统在模拟实际物流运输的时候,也

应该具备实际物流运输当中的信息,多式联运应大致满足以下需求:

(1)多路径

一个城市到达另一个城市应该有不同的路径选择。

(2)费用信息

本模拟系统中铁路、航空的运输费用呈线性,公路运输的费用呈分段线性。

(3)运量不分割

本模拟系统中只考虑运量不分割情况,也就是一批货在选定一种运输方式来

完成某段路程的运输时不会再选择另一种方式运输。

(4)多目标

在多式联运建模时需要考虑多个目标函数,这些目标函数通常包括:总时间、

总费用、总服务水平等。

3.2配送路径优化的需求分析

物流配送路径优化问题可以描述为:从配送中心(物流结点)用多辆汽车向

多个需求点(顾客)送货,每个需求点的位置和需求量一定,每辆汽车的载重量

一定,要求合理安排汽车路线,使总运距最短,并满足一下条件:

(1)每条配送路径上各需求点的需求量之和不超过汽车载重量;

(2)每条配送路径的长度不超过汽车一次配送的最大行驶距离;

(3)每个需求点的需求必须满足,且只能由一辆汽车送货;

(4)每个城市都要走到,而且每个城市只能走一次,然后回到配送中心; 3.3系统框架

模拟系统的功能模块图3.1所示:

时间最短

多式联运 物

费用最少 输

配送路径优化

综合考虑

图3.1系统功能模块

我的毕业设计任务是实现物流运输系统中的多式联运和配送路径优化两个

功能,下面分别对各作业系统的功能模块进行介绍:

(1)多式联运

多式联运是运输全球化发展的必然要求。它可以提高货物运输服务的质量,

[14]使运价更合理,提高货物的运送能力,降低货物的延迟,等等。根据不同的运

输要求可分为:

要求时间最短:对一些贵重货物、保鲜货物、对时间要求比较急的商品,一

般采用时间最短的选择方法。

要求费用最低:对货物量比较大,而且比较便宜的货物,一般采用费用最低

的选择方法,因为这样可以降低成本。

要求综合考虑:就是对时间和费用的综合分析,在确保时间的前提下要求费

用最低的选择方法。

(2)配送路径优化

要求满足客户的需求:在客户提交的需求不超过汽车载重量的情况下,及时

完成各配送点的配送。

要求总成本最低:通过遗传算法优胜劣汰的选择,最终得到较优的解,保证

了不走回路,缩短了配送时间,降低了配送成本。

第四章 算法实现 4.1 系统设计所用算法

4.1.1动态规划法

对于有n个城市,每个城市对之间有m种运输方式可供选择的多式联运问题,

[]n,112共有m种交通组合方式,下面用动态规划法求其最优解。

每个城市相当于动态规划中的一个阶段。

从某一个城市开始,其总费用可用下列式子表示

k11P(k,1)=t+qC, (4-1) n,1n,1n,1

k1P(k,1)表示运输总费用,t为中转费用,q为运量。 n,1n,1

*P(k,m)=min{P(k,1)}, (4-2) n,1n,1

*上式表示假如输入运输方式为k,在城市n-1点选择最优方式为m,最优方式满足(4-2)式。

从一个城市到另一个城市,按照下列等式选择最优方式

k11*P(k,1)=t+qC+P(1,m), (4-3) iii,1ii,1,

*P(k,r)=min{P(k,1)}, (4-4) ii

*其r为城市I所选择的最优交通方式。

在同一条线路上有n个城市,每个城市有m种运输方式可供选择,用动态规划法总共需要m(n-1)次计算。具体步骤如下:

对于某一个城市按照(4-1)和(4-2)确定最优的运输方式。

按照(4-3)和(4-4)确定某一个城市到另一个城市的最优方式。

假设一个运输线路上有5个城市,每个城市对有3种运输方式可供选择(即铁路、公路、航空)。

每个城市对之间的运输费用如表4.1、表4.2所示。

运输方式 城市之间 表4.1各城市对之间的运输费用

1~2 2~3 3~4 4~5 铁路 3 4 3 6 公路 2 4 5 5 航空 4 1 6 4

表4.2中转费用表

运输方式从铁路到 从公路到 从航空到 转换 公路 铁路 航空 公路 铁路 航空 公路 铁路 航空 中转费用 2 1 0 0 1 2 1 0 2

假设运量q为20个单位,试确定最优组合方式。

运用上述动态规划的思想求解如下:

对于第4个城市,若以铁路作为到达的运输方式,则在第4个和第5个城市之间各种方式总运费计算如下:

P(铁,航)=t(铁,航)+qC航=0+(20×4)=80 4445,

P(铁,公)=t(铁,公)+qC公=2+(20×5)=102 4445,

P(铁,铁)=t(铁,铁)+qC铁=1+(20×6)=121 4445,

因此,若到达第4个城市的运输方式为铁路,则在第4与第5个城市之间的最佳运输方式为航空。

对第3个城市,若以铁路作为到达的运输方式。

P(铁,航)=t(铁,航)+qC航+P(航,航)=0+(6×20)+82=202 3334,4

P(铁,公)=t(铁,公)+qC公+P(公,航)=2+(5×20)+82=184 3334,4

P(铁,铁)=t(铁,铁)+qC铁+P(铁,航)=1+(20×3)+80=141 3334,4

同理算出第2个城市的情况。

计算第1个与第2个城市的最优运输方式:

P(铁)=qC铁+P(铁,航)=(20×3)+164=224 112,2

(航)=qC航+P(航,航)=(20×4)+163=243 P112,2

P(公)=qC公+P(公,航)=(20×2)+164=204 112,2

综上所述,得到如下计算结果表4.3。

表4.3计算结果表

城市4 城市3 城市2 输入方式 铁 公 航 铁 公 航 铁 公 航 输出方式 航 航 航 铁 铁 铁 航 航 航 总费用 80 82 82 141 143 143 164 164 163

由此可知,第1个城市选择公路为最优运输方式;

第2个城市以公路为输入方式,最优输出方式为航空;

第3个城市以航空为输入方式,最优输出方式为铁路;

第4个城市以铁路为输入方式,最优输出方式为航空。

因此得到最优交通组合模式如表4 .4所示。

表4.4最优组合方案表

城市之间 1~2 2~3 3~4 4~5 方式 公路 航空 铁路 航空

4.1.2遗传算法

遗传算法主要借用生物进化中“适者生存”的规律。这里先简单介绍生物进

[13]化的基本过程,如图4.1所示。

变异 子群 群体

婚配

竞争

淘汰的群种群 体

图4.1 生物进化循环

以这个循环圈的群体为起点,经过竞争后,一部分群体被淘汰而无法再进入

这个循环圈,而另一部分则成为种群。优胜劣汰在这个过程中起着非常重要的作

用,这在自然界显得更加突出。因为自然天气的恶劣和天敌的侵害,大自然的很

多动物的成活率是非常低的。即使在成活群体中,还要通过竞争产生种群。种群

通过婚配的作用产生子代群体(简称子群)。进化的过程中,可能会因为变异而

产生新的个体。综合变异的作用,子群成长为新的群体而取代旧群体。并不断循

环。

遗传算法主要借鉴了生物进化的一些特征,其主要特征体现为:

(1)进化发生在编码上。这些编码按生物学术语称为染色体。由于对解进行

了编码,优化问题的一切性质都通过编码来研究。

(2)自然选择规律决定哪些染色体产生超过平均数的后代。遗传算法中,通

过优化问题的目标而人为地构造适应函数以达到好的染色体产生超过平均数的

后代;

(3)当染色体结合时,双亲的遗传基因的结合使得子女保持父母的特征;

(4)当染色体结合后,随机的变异会造成子代同父代的不同。 针对物流配送路径优化问题的特点,可以构造如下求解该问题的遗传算法。

(1)编码方法的确定。根据物流配送路径优化问题的特点,可以采用简单直 观的自然数编码方法。

用0表示配送中心,用1、2、„、L表示各需求点。由于在配送中心有K辆汽车,则最多存在K条配送路径,每条配送路径都始于配送中心,也终于配送

中心。为了在编码中反映车辆配送路径,可以增加K-1个虚拟配送中心。这样,

1、2、„L+K-1个互不重复的自然数的随机排列就构成一个个体,并对应一种配

送路径方案。例如,对于一个有7个需求点,用3辆汽车完成配送任务的问题,

则可用1、2、„、9(8,9表示配送中心)这9个自然数的随机排列,表示物流

配送路径方案。如个体129638547表示的配送路径方案为:路径1:0-1-2-9(0),路径2:9(0)-6-3-8(0),路径3:8(0)-5-4-7-0,共有3条配送路径;个体573894216表示的配送路径方案为:路径1:0-5-7-3-8(0),路径2:9(0)-4-2-1-6-0,共有2条配送路径。

(2)初始群体的确定。随机产生一包含1~L+K-1个数的数列,这L+K-1个互不重复的自然数的排列,即形成一个个体。

(3)适应度评估。对于某个个体所对应的配送路径方案,要判定其优劣,一

是要看其是否满足配送的约束条件;二是要计算其目标函数值(即各条配送路径

的长度之和)。根据配送路径优化问题的特点所确定的编码方法,隐含能够满足

每个需求点都得到配送服务及每个需求点仅由一辆汽车配送的约束条件,但不能

保证满足每条路径上各需求点需求量之和不超过汽车载重量、每条配送路线的长

度不超过汽车一次配送的最大行驶距离的约束条件。为此,对每个个体所对应的

配送路径方案,要对各条路径逐一进行判断,看其是否满足上述两个约束条件,

若不满足,则将该条路径为不可行路径,最后计算其目标函数值。

(4)选择操作。将每代群体中的N个个体按适应度由大到小排列,排在第一

位的个体性能最优,将它复制一个直接进入下一代,并排在第一位。下一代群体

的另N-1个个体需要根据前代群体的N个个体的适应度,采用赌轮选择法产生。

具体地说,就是首先计算上代群体中所有个体适应度的总和,再计算每个个体的

适应度所占的比例,以此作为其被选择的概率。这样的选择方法既可保证最优个

体生存至下一代,又能保证适应度较大的个体以较大的机会进入下一代。

(5)交叉操作。对通过选择操作产生的新群体,除排在第一位的最优个体外,

另N-1个个体要按交叉概率进行配对交叉重组。现举例说明:首先,随机在父代

个体中选择一个交配区域,如两父代个体及交配区域选定为:A,B;其次,将A和B相叠加,取其中不相同的个体,然后形成变异。

(6)变异操作。由于在选择机制中采用了保留最佳样本得方式,为保持群体

内个体得多样化,采用了连续多次对换的变异技术,使个体在排列顺序上有较大

变化。变异操作是以概率发生的,一旦变异操作发生,则用随机方法产生交换次

数N,对所需变异操作的个体的基因进行N次对换,对换基因的位置也是随机

产生的。

5.1数据库表

这个系统用到了各种信息,储存在数据库中:

(1)城市信息:城市编号、名称、城市的坐标位置。

(2)城市之间信息:距离信息、各种运输方式到达的时间。

(3)运输方式信息:运输方式编号。

(4)运价信息:铁路、公路、航空的运输单价。

(5)中转信息:各种运输方式之间中转的时间和费用。

(6)客户和配送中心的信息:客户与客户之间、以及客户和配送中心之间

的距离信息。

(1)城市信息表5.1

表5.1 cityinfor

字段名 代表 数据类型 长度 是否允许空

城市编号 int 2 cityno 否

城市名 Char 50 cityname 否

X坐标 int 2 pointx 否

pointy Y坐标 int 2 否

(2)城市之间信息表5.2

表5.2 intercityinfor

字段名 代表 数据类型 长度 是否允许空 startnode 起点编号 int 2 否 endnode 终点编号 int 2 否 distance 距离 int 2 否 railtime 铁路时间 float 4 否 highwaytime 公路时间 float 4 否 airtime 航空时间 float 4 否

(3)运输方式信息表5.3

表5.3 transinfor

字段名 代表 数据类型 长度 是否允许空 transno 运输方式编号 int 2 否 transname 运输方式名称 Char 50 否

(4)运价信息表5.4

表5.4 priceinfor

字段名 代表 数据类型 长度 是否允许空 id 运输编号 int 2 否 price 运输名称 float 4 否

(5) 中转信息表5.5

表5.5 transferexpeninfor

字段名 代表 数据类型 长度 是否允许空 inputno 输入方式编号 int 2 否 outputno 输出方式编号 int 2 否 transferexpen 中转费用 float 4 否 transfertime 中转时间 float 4 否

(6)客户和配送中心信息表5.6

表5.6 distanceinfor

字段名 代表 数据类型 长度 是否允许空 sno 结点编号 int 2 否 eno 结点编号 int 2 否 distance 两点距离 float 4 否


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