物流中心功能布局方法建模比較分析

1、西南交通大學物流中心規(guī)劃與設(shè)計作業(yè)二（物流中心功能布局方法建模比較分析）院(系)別 專 業(yè) 組 號 組 員 任課教師 目錄1各類物流中心概述31.1 現(xiàn)代鐵路物流中心31.2 保稅物流中心42 功能區(qū)布局模型42.1 常見的布局形式和模型42.2 現(xiàn)代鐵路物流中心功能區(qū)布局模型52.3 保稅物流中心功能區(qū)布局模型83 模型求解104 簡單案例分析13物流中心功能布局方法建模比較分析1各類物流中心概述1.1 現(xiàn)代鐵路物流中心隨著鐵路生產(chǎn)力布局不斷調(diào)整，運能不斷釋放，作為鐵路發(fā)展現(xiàn)代物流的重要突破現(xiàn)代鐵路物流中心便隨之產(chǎn)生了。現(xiàn)代鐵路物流中心作為依托鐵路運輸?shù)男滦臀锪髦行?，其既與傳統(tǒng)的鐵路貨運站有

2、著明顯的區(qū)別，又有著不同于一般的物流中心的典型特征。在物流中心的基本功能、設(shè)施設(shè)備配置、客戶服務管理以及信息系統(tǒng)建設(shè)等方面與一般的物流中心基本相同，但是由于鐵路在貨物運輸體系中的特殊地位，以及現(xiàn)代鐵路物流中心依托鐵路而建并利用鐵路自身資源的這一特點，現(xiàn)代鐵路物流中心又有著顯著的自身特征。主要體現(xiàn)在：依托鐵路運輸，并將運輸作為核心業(yè)務；承擔鐵路計劃運輸任務，大宗貨物運輸優(yōu)勢；物流服務覆蓋范圍廣，配送方式多樣；布局受鐵路網(wǎng)影響較大等方面。鐵路現(xiàn)代物流中心通常布局于重要的交通樞紐、各種交通運輸方式的聚集交匯地、或者經(jīng)濟迅速發(fā)展區(qū)域，其建設(shè)往往具有重要的戰(zhàn)略意義，而功能設(shè)計是現(xiàn)代鐵路物流中心內(nèi)部布局規(guī)

3、劃的重要組成部分，也是進行功能區(qū)平面布局的基礎(chǔ)，當現(xiàn)代鐵路物流中心的功能區(qū)劃分明確時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本確定，準確的對現(xiàn)代鐵路物流中心的功能進行定位，不但有助于減少因盲目建設(shè)而造成的物力、財力以及人力等資源的浪費，同時也有利于物流中心迅速適應市場，提升市場競爭力，贏得市場份額，取得長遠、穩(wěn)定的發(fā)展。根據(jù)各種功能屬性的不同，本文將現(xiàn)代鐵路物流中心的功能劃分為基礎(chǔ)服務功能、增值服務功能、輔助服務功能三大類?；A(chǔ)服務功能包括：運輸、倉儲、裝卸搬運、理貨、中轉(zhuǎn)銜接、信息功能。輔助服務功能包括生活配套服務、后勤配套服務和儲備用地。一般增值功能有流通加工、配送功能、停車配載、結(jié)算功能、口岸功能?；谝陨系?/p>

4、鐵路物流園區(qū)功能劃分，在進行功能區(qū)布局的過程中應遵守的原則有充分利用現(xiàn)有資源原則、柔性化原則、最小化原則、系統(tǒng)化原則、易于管理原則、實事求是原則。然后，利用一系列建模方法對物流園區(qū)功能布局進行最優(yōu)化設(shè)計。1.2 保稅物流中心根據(jù)保稅物流中心的特性，這類區(qū)域是聯(lián)結(jié)國內(nèi)、國外兩個市場的物流集合區(qū)域。通常保稅物流中心由海關(guān)查驗區(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)、物流作業(yè)區(qū)組成。一般來說，根據(jù)保稅物流中心政策及功能的分析，保稅物流中心具有五種基本的業(yè)務模式：進口、出口、轉(zhuǎn)口貿(mào)易、結(jié)轉(zhuǎn)、與其它區(qū)域間的流轉(zhuǎn)。物流中心功能區(qū)布局的目標有以下五個方面：1) 有效利用空間，發(fā)揮土地利用的最大價值，方便與外部的交通基礎(chǔ)設(shè)施相銜接；2

5、) 運輸成本最小，使貨物的運輸線路盡量做到最短，盡量避免貨物運輸?shù)慕徊妫?) 符合保稅物流中心核心業(yè)務的要求，盡量使貨物順暢地流動；4) 最大程度的方便各單位間業(yè)務上的聯(lián)系；5) 重視人性化因素，為職工提供安全、舒適、方便、衛(wèi)生的工作環(huán)境；6) 為提高工作效率保證員工身體健康創(chuàng)造條件。人們對布局問題進行大量研究，遺傳算法的出現(xiàn)對于解決復雜函數(shù)全局優(yōu)化問題提供新的思路。遺傳算法用解空間的點模擬自然界生物體。目標函數(shù)評價生物體對環(huán)境的適應能力，用交叉、變異、選擇等操作模擬生物遺傳變異的進化過程。遺傳算法搜索過程是非確定性的。對目標函數(shù)及約束函數(shù)沒有限制，應用范圍較寬。遺傳算法的宗旨是避免陷入局部最

6、優(yōu)點的局面，逐漸收斂于全局最優(yōu)解。保稅物流中心布局設(shè)計優(yōu)化問題屬于二維規(guī)則復雜布局問題，是給定一個布局空間和相應的待布局物體，在滿足必要的約束條件下，將待布局物體合理地擺放在空間中，并達到某種最優(yōu)指標的活動。2 功能區(qū)布局模型2.1 常見的布局形式和模型復雜的布局規(guī)劃問題通常包含有多個目標函數(shù)與多個約束條件組合而成，這種模式的布局問題用簡單的數(shù)值模型來表達是基本無法實現(xiàn)的，所以此種模式屬于復雜優(yōu)化問題。目前，功能區(qū)布局形態(tài)大致有平行式、等面積分離式、不等面積分離式三種。下面將分別介紹不同布局形式的描述和對應的數(shù)學模型。1) 平行式和單行布局模型這種布局形式下，各個功能區(qū)和保稅物流中心內(nèi)部主干道

7、需與交通樞紐成平行狀態(tài)，使中心與相鄰的各交通樞紐最大化的接近，使交通基礎(chǔ)設(shè)施可以充分為物流中心服務。當規(guī)模小、功能區(qū)少、土地限制較小，常用此種形式布局,因形狀成直線型，容易造成道路建設(shè)過大，投資較大，更對土地資源造成不必要的浪費。模型基于的假設(shè)是功能區(qū)塊是已知的矩形，為在布局過程中操作方便需統(tǒng)一將功能區(qū)塊看作矩形，功能區(qū)并排布局。2) 等面積二次分配模型應用二次分配模型的條件是功能區(qū)面積大小相近，功能區(qū)被中心內(nèi)主干道路分開，中心內(nèi)的主軸路線被充分的利用,這樣的布局使道路的占地面積較小，便于日后的管理和維修。這種布局常服務于物流量小，貨物輕小的中心。在實際的布局規(guī)劃中，功能區(qū)之間的差異是很大的，

8、無法做到面積相似，所以這種方法的實用性較差。模型假設(shè)：n個功能區(qū)安放到n個待規(guī)劃位置上，看每個功能區(qū)與所在位置適不適合。3) 不等面積多行布局模型此布局形式中功能區(qū)之間被道路及綠地隔開。這種模式常被用于功能區(qū)的面積不等的情況下，是規(guī)劃物流量大，功能區(qū)之間差別較大的物流中心的最佳選擇。模型假設(shè)：功能區(qū)是長方形或正方形?？傊?，在對具體的物流園區(qū)功能布局進行設(shè)計時，我們應該根據(jù)各類型園區(qū)的特點進行區(qū)分，以選擇最優(yōu)的布局模型得到最合理的布局方案。2.2 現(xiàn)代鐵路物流中心功能區(qū)布局模型對于運輸型物流中心的布局分析我們以現(xiàn)代鐵路物流中心為例進行闡述。首先，在對現(xiàn)代鐵路物流中心布局設(shè)計之前，我們需要做出如下

9、假設(shè)：1) 物流中心的功能區(qū)布局為共平面；2) 物流中心的規(guī)劃區(qū)域及各功能區(qū)的形狀均為矩形，且功能區(qū)的邊分別與物流中心總布局坐標圖的X軸和Y軸平行。3) 物流中心的既有交通設(shè)施作為布局模型中的固定約束，其在布局區(qū)域中的位置不變；4) 和分別為功能區(qū)i和j的中心點坐標。通過分析，以現(xiàn)代鐵路物流中心功能區(qū)布局方案最優(yōu)為目的，分別建立物流中心貨物搬運成本(Z1)最低和功能區(qū)之間總的綜合相互關(guān)系(Z2)最大的目標函數(shù)，即 （1） （2）其中，i和j為功能區(qū)的編號，且i=j。將上述多目標轉(zhuǎn)化為單目標，考慮到Z1和Z2的量綱不同，故加入歸一化因子、對其統(tǒng)一量綱，同時，由于具體建設(shè)項目不同，兩個目標函數(shù)所占

10、的比重也會有所差別，因而分別給賦以權(quán)值，由此可得到單目標函數(shù)表達式： （3） （4）其中，為貨物搬運成本項的權(quán)值，為綜合相關(guān)度項的權(quán)值，且，權(quán)值和均通過專家打分法獲得。為了增加功能區(qū)布局旳靈活性，假定在物流中心規(guī)劃區(qū)域內(nèi)對呈矩形的功能區(qū)進行布局時有橫倒和豎立2種放置形式，本文設(shè)置一個表示功能區(qū)定向方式的0-1變量，表示第i功能區(qū)的放置方式： （5）功能區(qū)橫倒放置時其長與寬不變，豎立放置時功能區(qū)的長寬互換。另外，根據(jù)物流園區(qū)的限制性因素，設(shè)置約束條件如下：1) 不重疊約束。為防止功能區(qū)在水平方向和垂直方向相互重疊，應滿足： （6）2) 功能區(qū)邊界約束。保證物流中心各功能區(qū)不超出總布局規(guī)劃區(qū)域范圍

11、。即功能區(qū)i的中心點坐標必須滿足： （7）3) 固定約束。保證在既有設(shè)施所在的固定區(qū)域內(nèi)不考慮布置其他功能區(qū)。用表示功能區(qū)布局的固定區(qū)域，即： （8）4) 出入口約束。物流中心的出入口只能設(shè)置在物流中心規(guī)劃區(qū)域的邊界上，即出入口的中心坐標需滿足約束： （9）另外，若鐵路裝卸線緊鄰物流中心規(guī)劃區(qū)域的某條邊界時，不考慮在該邊界上設(shè)置出入口。其中，式中：N功能區(qū)的總數(shù)；n非固定功能區(qū)的數(shù)目；cij功能區(qū)i到j(luò)的單位距離的搬運成本；fij功能區(qū)i和j之間的日均物流量；dij表示功能區(qū)i和j之間的曼哈頓距離；Tij功能區(qū)i與j之間的綜合相互關(guān)系值，它是綜合考慮了功能區(qū)i與j之間物流關(guān)系和非物流關(guān)系的密切

12、程度后確定的；bij功能區(qū)i，j之間的鄰接度（功能區(qū)之間的接近程度），由轉(zhuǎn)化得到；xi功能區(qū)i的中心線和垂直參考線之間的水平距離；yj功能區(qū)i的中心線和水平參考線之間的垂直距離；mi 功能區(qū)i與其鄰近的規(guī)劃區(qū)域邊界的最小距離；hi功能區(qū)i的水平邊長度；wi功能區(qū)i的垂直邊長度；H建筑物地平面的橫向尺寸；W建筑物地平面的縱向尺寸；Pij功能區(qū)之間最小間距；dmax物流中心總規(guī)劃區(qū)域的長邊與寬邊的長度之和。將數(shù)值區(qū)間0，dmax劃分為6個子區(qū)間，根據(jù)所處的子區(qū)間判斷各功能區(qū)之間的鄰接度。各子區(qū)間對應的鄰接度量化表見下表：表1 各子區(qū)間對應的鄰接度設(shè)施間距離關(guān)聯(lián)度取值()1()0.8()0.6()0

13、.4()0.2()02.3 保稅物流中心功能區(qū)布局模型對保稅物流中心物流量、功能區(qū)面積大小進行分析，可知，中心物流量大，各功能區(qū)面積差異明顯，所以對其進行布局優(yōu)化采用不等而積分離式與多行布局模型。保稅物流中心所建立的模型，其假設(shè)條件是將功能區(qū)的形狀大致看成方形或矩形。但是在模型解決布局問題過程中，需要知曉的數(shù)據(jù)有：功能區(qū)的數(shù)目、單位距離貨物搬運成本、功能區(qū)之間貨物流動量、功能區(qū)之間相關(guān)聯(lián)的程度、每個功能區(qū)的面積、每個功能區(qū)的長寬比例以及規(guī)劃用地總面積。通過分析構(gòu)建模型的條件，分別以追求各功能區(qū)之間物料搬運成本最小和追求各功能區(qū)之間非物流關(guān)系的鄰接關(guān)聯(lián)度最大為目的，建立目標函數(shù)： （10）目標函

14、數(shù)中，鄰接度是用布局塊間的距離轉(zhuǎn)化而來的，表示布局塊之間的距離大??；關(guān)聯(lián)度，表示布局塊間功能關(guān)系緊密程度，該參數(shù)是由系統(tǒng)布局設(shè)計的作業(yè)單位間關(guān)系密切度概念演化而來的。根據(jù)保稅物流中心的特點，所建立目標函數(shù)的約束條件有： （11） （12） （13） （14）其中，式中的各個符號表示的含義如下：通過所建立的目標函數(shù)和自身的約束條件分析，我們不難總結(jié)出兩者的異同點。雖然對于這兩種物流中心的功能布局方法類似，但是在具體功能布局設(shè)計時也應該考慮到各物流中心的作業(yè)流程以及相關(guān)的行業(yè)限制等，例如在鐵路物流中心功能布局的設(shè)計時，若鐵路裝卸線緊鄰物流中心規(guī)劃區(qū)域的某條邊界時，不考慮在該邊界上設(shè)置出入口。但是一

15、般的普通的保稅物流園區(qū)則無此限制。在針對具體的物流中心功能設(shè)計時，我們要考慮的約束條件異同點還有很多，在此，不做較多贅述。3 模型求解求解布局問題已經(jīng)被證明是非線性的NP難問題，當問題達到一定的規(guī)模，計算量會隨著問題規(guī)模的增加呈指數(shù)爆炸性增長。目前用于求解布局問題的算法主要有經(jīng)典啟發(fā)式算法、智能算法（遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法等）、計算機仿真等。其中的智能算法由于在求解復雜問題時顯現(xiàn)出良好的求解特性，因此在求解布局問題時被廣泛采用。對于上面介紹的兩種物流園區(qū)功能布局模型，都可以利用遺傳算法進行求解，而遺傳算法不依賴于問題的具體領(lǐng)域，為求解復雜系統(tǒng)優(yōu)化問題提供了一種通用框架，它從概率的意義

16、上以隨機的方式尋求到問題的最優(yōu)解，能夠在解空間中從多出發(fā)點搜索問題的最優(yōu)解，其在求解過程中表現(xiàn)出的固有的并行性，通用性，魯棒性以及良好的全局優(yōu)化性能，使其廣泛應用于多類學科，眾多領(lǐng)域。本文即采用遺傳算法對布局模型進行求解，算法設(shè)計如下：(1) 編碼方案本文采用符號編碼和二進制編碼相結(jié)合的編碼方式來表示布局問題的解空間。即釆用連續(xù)自然數(shù)1，2， N來表示功能區(qū)的對應編號，釆用0，1二進制編碼來表示功能區(qū)的定向方式。每條染色體表示一種設(shè)施布置方案，染色體可表示為，其中表示第N個功能區(qū)的編號，表示第N個功能區(qū)的定向方式。功能區(qū)布局采用順放策略，即從布局區(qū)域的左下角起，將功能區(qū)沿布局區(qū)域的某一邊開始擺

17、放，按照從左至右，從下層到上層的順序。例如染色體：=2，1，4，5，8，6，9，7，3，11，10，12|1，0，1，1，0，0，0，1，0，01，1表示在功能區(qū)內(nèi)在滿足約束條件的前提下按照由左及右，從下層至上層的順序依次布置功能區(qū)2，1，4，5，11， 10，12。其中2號功能區(qū)第一位布置，且定向方式為橫倒；1號功能區(qū)第二位布置，且定向方式為豎立，以此類推。 (2) 適應度函數(shù)一般而言，適應度函數(shù)是由目標函數(shù)轉(zhuǎn)化而來，本文中是求解問題的最小值，因此定義適應度函數(shù)為： （15）其中f(x)為目標函數(shù)，即，Cmax是f(x)的最大估計值。評價個體適應度包括以下過程： 個體的編碼串進行解碼處理，從

18、而得到個體的表現(xiàn)型； 個體的表現(xiàn)型計算出對應個體的目標函數(shù)值，其中對于不滿足約束條件的個體，對其賦一個足夠大的目標函數(shù)值，從而淘汰掉這些個體； 按照目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為適應度函數(shù)的規(guī)則求出個體的適應度。(3)選擇(4)交叉本文中符號編碼釆用部分匹配交叉：首先以交叉概率對個體編碼進行常規(guī)的雙點交叉，然后按照交叉區(qū)域內(nèi)各基因值間的映射關(guān)系來修改交叉區(qū)之外的各個基因座的基因值。按照交叉概率隨機從群體中隨機選兩個個體。(5)變異常用的變異方法有基本位變異、逆轉(zhuǎn)變異、交換變異以及插入變異，本文對符號編碼采用逆轉(zhuǎn)變異，將兩個逆轉(zhuǎn)點之間的基因值逆向排序。具體遺傳算法的計算步驟如下：步驟一：參數(shù)設(shè)置。設(shè)置進化環(huán)境種

19、群大小pop_size（般取1001000代）、交叉概率Pc (0.40.99)、變異概率Pm(0.00010.1)、最大世代數(shù)max_gen等；步驟二：輸入用戶信息。輸入功能區(qū)總數(shù)N、非固定功能區(qū)數(shù)目n、功能區(qū)i和j之間的日均物流量fij、功能區(qū)i到j(luò)的單位距離的搬運成本cij、功能區(qū)i與j之間的綜合相互關(guān)系值Tij、功能區(qū)i的水平邊長度hi、功能區(qū)i的垂直邊長度wi、功能區(qū)之間最小間距pij、功能區(qū)i與其鄰近的規(guī)劃區(qū)域邊界的最小距離mi=1.5m、固定功能區(qū)的坐標C_fix、建筑物地平面的橫向尺寸H、建筑物地平面的縱向尺寸W、貨物搬運成本項的權(quán)值wi、綜合相關(guān)度項的權(quán)值w2以及終止條件，本

20、文將進化代數(shù)和停滯代數(shù)同時作為終止條件；步驟三：初始化。按照順放策略隨機生成n個非固定功能區(qū)的基因，判斷是否滿足約束條件，滿足則保留，并與固定區(qū)域的基因一同構(gòu)成一組染色體，不滿足則剔除，并對目標函數(shù)賦予以個足夠大的值，如此反復，直到產(chǎn)生pop_size個可行染色體，形成初始種群；步驟四：計算種群上每個個體的適應度值fitness_F，并對解碼后將不滿足約束條件的解采用對目標函數(shù)賦一個足夠大的值得方式剔除；步驟五：進行選擇操作，采用輪盤賭法，輔以最優(yōu)個體保存策略；步驟六：以交叉概率進行交叉操作，生成新的個體；步驟七：以變異概率進行變異操作，生成新的個體；步驟八：判斷是否滿足終止條件，不滿足，則轉(zhuǎn)

21、入第五步，否則進入第九步；步驟九：輸出種群中適應度最優(yōu)的染色體作為問題的滿意解或最優(yōu)解。4 簡單案例分析本小節(jié)，我們將以某現(xiàn)代鐵路物流中心為例，首先建立物流功能布局模型，再利用之前闡述的遺傳算法進行模型求解，詳細分析如下：1) 算例描述某地區(qū)擬建設(shè)一個綜合型現(xiàn)代鐵路物流中心，主要為企業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品分銷、城市居民生活物資供應等提供綜合物流服務。規(guī)劃用地北臨高速，南靠鐵路線，與城市交通銜接順暢。規(guī)劃用地面積340000m2，規(guī)劃用地呈矩形，H=850m，W=400m；鐵路裝卸線與規(guī)劃用地長度方向平行且緊靠規(guī)劃用地邊界內(nèi)側(cè)。2) 功能分區(qū)據(jù)調(diào)查，進入該鐵路物流中心的主要貨物形式為成件貨物、散堆裝貨物以

22、及集裝箱貨物，主要種類有化肥、糧食類、食品、鮮活貨物、日用品、水泥、煤炭、煙草、紡織品、電子器材、服裝、金屬構(gòu)件、裝飾材料、木材、鋼材等。根據(jù)貨物的種類、特性及客戶的物流需求，該物流中心主要具備的物流功能及功能分區(qū)如下：(1)實體功能區(qū)理貨區(qū)、流通加工區(qū)、倉儲區(qū)、集裝箱區(qū)、散裝貨物堆場、卡車停車場、交易展示區(qū)、辦公服務區(qū)、綜合服務區(qū)(2)虛擬功能區(qū)鐵路裝卸線、貨物出入口、人員（客車）出入口3) 算例求解假設(shè)功能區(qū)間的綜合相互關(guān)系已求解出來：(1)按照以園區(qū)綜合相關(guān)關(guān)系密切度（TPD）最大和搬運成本最小為目標函數(shù)，滿足前文給出的4個約束條件進行建模。因為現(xiàn)代鐵路物流中心功能區(qū)布局的原則之一就是優(yōu)先整合現(xiàn)有資源，對于一些利用既有鐵路線、或者由鐵路貨場拓展為鐵路物流中心的建設(shè)項目，往往其倉庫、鐵路線等設(shè)施的位置已定，僅需對其根據(jù)需要進行改擴建。所以在布局模型中將其看作是既有設(shè)施，既有設(shè)施作為固定約束，此區(qū)域內(nèi)不考慮布置其他功能