突發(fā)事件下應急冷鏈物流配送模型

突發(fā)事件下應急冷鏈物流配送模型

鄒安全，羅杏玲

(長沙大學經濟管理系，湖南 長沙 410022；

中南林業(yè)科技大學交通運輸與物流學院，湖南 長沙 410004)

摘要：以響應災害事件發(fā)生后應急冷鏈物流資源調度時間最短為目標，構建了應急冷鏈物流調度的數學模型，并基于網絡優(yōu)化和線性規(guī)劃優(yōu)化思想，運用啟發(fā)式算法對應急冷鏈物流調度模型進行求解，再采用MATLAB算法語言設計了冷鏈物流的仿真程序，最后提出相應的對策建議。

關鍵詞：突發(fā)事件；應急物流；冷鏈；配送模型

中圖分類號:F252；F224

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2015)01-0036-05

收稿日期：2014-12-07

基金項目：湖南省科技廳軟科學重點項目“突發(fā)事件下應急冷鏈物流配送模式及對策研究”，編號: 2014zk2058；國家社科基金資助項目“低碳經濟下鋼鐵供應鏈碳排放測量與控制研究”，編號: 12BJY020。

作者簡介：鄒安全(1964— )，男，湖南長沙人，長沙大學經濟管理系教授，博士。研究方向：物流流程優(yōu)化理論與方法、工業(yè)工程。羅杏玲(1991— )，女，湖南長沙人，中南林業(yè)科技大學交通運輸與物流學院碩士生。研究方向：物流與供應鏈管理。

Abstract：In order to response to the disaster event as shortly as possible,the paper builds a mathematical model of the emergency cold chain logistics scheduling, and uses a heuristic algorithm to solve the mode based on the network optimization and linear programming optimization,and then designs the cold chain logistics simulation program by MATLAB. Finally, it puts forward corresponding countermeasures.

重大自然災害、交通事故以及安全事件等，給人類和社會造成了較大損失。有關資料表明，我國每年因突發(fā)事件造成的經濟損失占GDP的6%，如汶川地震造成的直接經濟損失達4000億元，相當于中國GDP的3%[1]。在天災人禍頻發(fā)的今天，對應急物流系統(tǒng)進行研究具有重要的現實意義。應急冷鏈物流是應急物流體系中的重要組成部分，高質高效地供給應急物資在應對突發(fā)事件時至關重要，能直接降低突發(fā)事件造成的危害和損失。因此，關于應急冷鏈物流的配送模式研究具有重要的理論意義和現實意義。

關于應急物流的研究，很多學者從概念、特征、系統(tǒng)體系構建、保障機制等角度對其進行了探討。如Thomas(2002)將應急物流分為部署、維持和重新配置3個階段，主要由籌集、分發(fā)、儲存、運輸、救援設備和人員的一整套過程與方法組成[2]。Sheu，Jiuh-Biing(2005)指出應急物流不同于一般商業(yè)物流,它具有難預見性、不確定性、非常規(guī)性等顯著特征[3]。宋愛華(2011)結合我國國情，從國家應急管理中心、物流指揮中心、信息平臺等方面構建了我國應急物流體系[4]。歐忠文等(2005)探討了應急物流保障機制、實現方法以及途徑，比較了國內外在建立應對突發(fā)性事件時的應急保障法規(guī)、機制和所采取的措施[5]。國內外學者不僅對應急物流進行了定性分析，還主要從應急物流設施選址研究、應急物流資源調度模型研究和應急物流選址調度集成研究三大類對應急物流模型構建進行了定量分析。Balcik等(2008)構建了能夠確定急救中心的數量和分布、物資供應的數量的設施選址模型[6]。曾敏剛等(2010)針對減災系統(tǒng)中的應急服務設施選址和應急資源運輸路線安排這兩個子問題建立了LRP模型，利用啟發(fā)式算法進行了求解[7]。從上述文獻的分析可以看出，國內外關于應急物流的理論研究成果頗多。但是，應急冷鏈物流除了具有應急物流的共性以外，還會受到運輸設備、運輸地點、不同突發(fā)事件不同需求類型的影響。因此，應急冷鏈物流配送模式的研究，有別于普通意義上的應急物流問題的研究，其應急設施的選址、應急資源調度模型的約束條件、求解方法具有自身的特點。本文將考慮實際災害事故二次災害發(fā)生的情況對多資源多受災點應急冷鏈物流調度問題的研究。

一應急冷鏈物流內涵及現狀分析

(一)應急冷鏈物流內涵

應急冷鏈物流是指為了應對突發(fā)性災難事件，以追求災難損失最小化、時間效用最大化、冷鏈物品保質保量送達需求地的特殊物流活動。該物流活動的開展是應急冷鏈資源的運輸、配送、儲藏等多個部門根據突發(fā)事件的發(fā)展和應急冷鏈物流力量的實際情況協(xié)調管理的一個動態(tài)過程。應急冷鏈物流作為應急物流的一個專業(yè)化模塊，主要針對重大突發(fā)事件，如地質災害等自然災害，重大交通運輸事故等事故災難，重大傳染病疫情等突發(fā)公共衛(wèi)生事件和突發(fā)社會安全事件。應急冷鏈物流的突發(fā)性、非常規(guī)性等特征使得應急冷鏈物流的風險尤為突出，為了提高應急冷鏈物流資源調度的有效性，應充分考慮應急冷鏈物流的風險識別問題，進而從根本上保證應急冷鏈物流的有效開展。

應急冷鏈物流最顯著的特點表現在：要求在災害事件發(fā)生后最短的時間內保證品質合格的冷鏈物流資源抵達受災點。也就是說，決策者應該根據應急救護人員、岀救點冷鏈物流資源供給量，從n個可供選擇且有應急冷鏈資源數量約束的出行點確定m個受災點以及各自的資源數量和行駛路線，使冷鏈物流資源在盡可能短的時間內到達應急地點從而保證應急開始時間最早。因此，本文認為，應急冷鏈物流的關鍵技術指標約束應包括：時間約束、品質安全以及應急冷鏈資源供應量制約。

(二)應急冷鏈物流管理現狀分析

應急冷鏈物流在我國尚屬一個新興概念，目前我國應急物流管理缺乏系統(tǒng)深入的理論與實踐研究，具體現狀及存在的問題如下[8-12]：

1.法律法規(guī)薄弱，組織機制不健全。由于應急冷鏈物流涉及的行業(yè)多，各行業(yè)的標準制定又有分散性和獨立性，造成了冷鏈物流各行業(yè)之間難以統(tǒng)一和配合，在標準的制定上協(xié)調性、一致性較差。目前在國內尚缺乏關于應急冷鏈物流方面內容的統(tǒng)一性標準和相關法律法規(guī)。同時，突發(fā)事件下應急冷鏈物流的組織多為缺乏溝通交流與整合、缺乏系統(tǒng)性和預見性的臨時性組織，組織機制不健全，指揮績效低，缺乏能充分利用民間非政府組織力量的統(tǒng)一的領導機構與專業(yè)的應急冷鏈物流人才。

2.信息化程度偏低，配送網絡欠發(fā)達。應急冷鏈物流對于硬件水平、信息化的配置等都有較強的剛性要求。目前我國網絡技術發(fā)展很快，但現行應急冷鏈物流信息化程度偏低，不能很好的利用EDI、GPS、GIS等現代信息技術進行災害營救工作。另外，缺乏統(tǒng)一的應急物流信息共享和發(fā)布平臺。如災區(qū)冷鏈物質需求情況、冷鏈物資供應情況、冷鏈運力情況等信息不能及時發(fā)布和傳遞，導致信息不對稱，進而影響救災工作的效率和效果。同時，我國應急物資配送網絡欠發(fā)達，配送環(huán)節(jié)的供需信息傳遞渠道不通暢。

3.儲備倉庫布局不合理，運輸組織銜接不暢。我國用于應急條件下的冷藏、冷凍設備不足，冷藏保溫汽車的占有率低，儲備倉庫布局也不合理。目前我國僅在沈陽、天津、武漢等10 個城市設立了中央急救物資儲備庫，倉庫多集中于中東部，且物資儲備單一，多為帳篷、棉被等基本生活物資。同時，運輸工具的落后和應急運輸專業(yè)隊伍數量較少，嚴重影響了應急物流的運輸保障效率。

二應急冷鏈物流配送數學模型

(一)問題假設

根據突發(fā)事件應急冷鏈物流的特點以及技術指標約束的要求，將動態(tài)規(guī)劃的最短路問題以及整數規(guī)劃中的指派問題應用于應急冷鏈物流配送數學模型的建立。同時考慮到當突發(fā)災害事故發(fā)生時，受災點及其他區(qū)域往往伴隨著二次災害的發(fā)生，而且二次災害的發(fā)生往往讓人措手不及，因而也會有對應急冷鏈物流資源需求的情況。在這種情況下，對原發(fā)災害和二次災害應急冷鏈物流應該進行統(tǒng)一調度，從而可將應急冷鏈物流配送問題轉化為多資源應急冷鏈物流的分類調度問題。

為了簡化決策模型和分析過程，考慮存在原發(fā)災害和二次災害的情況下對多資源應急冷鏈物流建模約定如下假設條件：

1.災害鏈中原發(fā)災害與二次災害同質，原發(fā)災害點到二次災害點為供給網格最近距離，除需求量不同外，同種冷鏈剩余物質可以就近輸送。

2.假定應急冷鏈物流網格任意兩地間的運輸時間為常數，忽略運輸的應急冷鏈物質的種類對運輸效果及要求的影響。

3.統(tǒng)籌調配應急冷鏈物流資源，將應急冷鏈資源的需求劃分為原發(fā)災害需求和二次災害需要，并且滿足概率獨立性要求。

4.假定應急管理部門在事前已經將應急冷鏈資源供給的網格布局及供給量優(yōu)化。

(二)模型構建

模型構建的目標為響應災害事件發(fā)生后兩類應急冷鏈物流資源調度時間之和為最短，因而可以建立如下抽象的數學模型：

s.t

其他定義如下：

從岀救點i到原發(fā)災害點f的最短耗用時間tif，i∈F,c∈G∪H

從岀救點i到災害點v(可能發(fā)生)的最短耗用時間tiv，i∈F,c∈G∪H

從原發(fā)災害點f到災害點v(可能發(fā)生)的最短耗用時間tfv，v∈G,f∈H

決策變量：

Ufv表示出救點i的救援物質到達受災點f能夠繼續(xù)馳援災害點v則為1，否則為0。

約束條件說明如下：

(三)算法及程序

本文的應急冷鏈資源調度模型屬于混合整數規(guī)劃問題，傳統(tǒng)方法主要是使用精確算法中的整數規(guī)劃方法求解。但是混合整數規(guī)劃是NP-完全問題，當問題規(guī)模較大時，精確算法具有指數復雜性，不存在多項式算法，很難得出有效解[13]。所以，對于具有時間緊迫性的多資源應急物流調度問題，傳統(tǒng)解法都不能滿足實時性要求。為此，受Min等所提出的先分類-分配后安排運輸線路的二級啟發(fā)式算法思路的啟發(fā)，針對上述數學模型中的約束條件和目標，設計多資源的分類調度的響應算法[14]。

1.算法的基本思路。本算法的基本思路是先對應急冷鏈資源需求進行分類，再對根據受災點情況對應急冷鏈資源分級。首先根據災害鏈中原發(fā)或二次災害點的應急冷鏈資源需求規(guī)律，將應急冷鏈資源分為兩類：一類是僅是原發(fā)或二次受災點單獨應急需要的冷鏈資源；另一類是原發(fā)和二次受災點都需要的公用應急冷鏈資源。

對僅是原發(fā)或二次應急需要的冷鏈資源，分別根據原發(fā)災害受災點需求量和二次災害受災點需求期望建立受災點資源供給規(guī)則，然后按照領域岀救點搜索方法分配資源；對于原發(fā)和二次災害都需要的公用應急冷鏈資源，則需要分級處理。原發(fā)和二次災害都需要的公用應急冷鏈資源，在給定的應急網絡中，進行統(tǒng)籌調度。先滿足原發(fā)災害點冷鏈物流資源的需求量，然后再從原發(fā)災害點選擇適當的運輸線路將同類應急冷鏈物流資源運往二次災害點，以降低問題的復雜性，減少算法的計算時間。

2.變量定義。根據算法的基本思路，作如下定義：

Wf表示原發(fā)災害受災點f的冷鏈資源調度方案，f∈G，Wv表示二次災害受災點v的冷鏈資源調度方案，v∈H，則有：

第j行表示各岀救點向受災點f(或v)調度第j種冷鏈資源的向量，第i列表示岀救點Ai向受災點f(或v)調度的冷鏈資源向量。

3.預備知識。預備知識一：任一方案w，如果上述矩陣定義中某個行向量能夠滿足目標函數中的約束方程，那么方案w關于某種冷鏈資源是最優(yōu)的，如果對于?j∈R皆成立，則稱方案w為可行方案。

預備知識二：將岀救點集合中的任一岀救點到受災點c(既包括原發(fā)災害點也包括二次災害點)的時間距離組按降序排序，也就是說，記λ1c為最長距離，λ2c為次長距離，…，λ|L|c為最短距離。這樣，可以構造一個岀救點到受災點的距離排序矩陣：

其中矩陣D|F|×|G∪H|的每一個元素D(ρ,c)=(iρc,λρc)為一個二元組，第一項表示到受災點c第ρ-短距離的岀救點(iρc∈L),第二項為對應的最短距離。

4.算法程序。針對應急冷鏈物流管理的特點，設計應急管理配送方案。研究發(fā)現，冷鏈物流應急管理具有網絡節(jié)點數量大、不同節(jié)點需求波動大，節(jié)點對物流反應時間要求強等特點。設計方案中，采用分級配送與移動倉庫相結合的方式實現快速、及時和魯棒的配送方案。在每個配送周期到來以前，快速預測網絡的每個節(jié)點配送需求，考察一段合理的配送時間，可以得到配送需求矩陣D：

其中dij表示第i個節(jié)點，第j個時間周期內的需求量。

每個列向量表示當前時刻網絡的節(jié)點需求，根據這一需求，可以采用移動倉庫實現快速配送，即將某區(qū)域的所有配送物質轉載在一輛大型貨車(移動倉庫)上，大型貨車(移動倉庫)開到指定地點以后，再采用分級配送。

其關鍵問題是，移動倉庫的位置和每次需要配送的物資總量。這一部分采用matlab建模，具體程序如下：

functionw=MoveWarehouseLocation(a,b)

%a為輸入參數，為n*n的矩陣，用加權網絡來表示被配送網絡的結構%

%b為輸入參數，為1*n的向量，用來表示被配送網絡的每個節(jié)點的物流需求量%

%w為輸出參數,為給定網絡和需求條件下的移動倉庫位置%

n=size(a);

%表示網絡的規(guī)模%

c0=inf*ones(n);

%中間存儲變量%

%采用floyd算法求解最短路矩陣%

n=length(a);

d0=a;

d1=d0;

d2=d1;

d=0;

fori=1:n

d1=d2;

forj=1:n;

l=zeros(1,n);

fork=1:n

d=d1(i,k)+d1(k,j);

l(k)=d;

end

min_d=min(l);

d2(i,j)=min(d1(i,j),min_d);

end

end

l=d2;

%中間存儲變量%

fori=1:n

forj=1:n

ifi~=j

ll=l;

l0=zeros(n);

l0(i,:)=ll(i,:);

l0(:,i)=ll(:,i);

l0(j,:)=ll(j,:);

l0(:,j)=ll(:,j);

fork=1:n

ifl0(k,i)>=l0(k,j);

l0(i,k)=0;

else

l0(j,k)=0;

end

end

l0(:,j)=0;

l0(:,i)=0;

cc=b*l0;

c0(i,j)=sum(cc);

end

end

end

w=(find(min(min(c0))==c0))

%w為所求的移動倉庫位置%

三結論與對策

本文以突發(fā)事件的情況下冷鏈物流配送模式為研究對象，以達到為需要低溫保存的應急物資提供了穩(wěn)定可靠的質量保證和及時有效的配送保障的目的。從應急冷鏈物流的內涵及特點出發(fā)，總結出其關鍵技術約束指標：時間約束、品質安全以及應急冷鏈資源供應量制約。在此基礎上考慮原發(fā)災害和二次災害中的應急冷鏈物流應進行統(tǒng)一調度的特點，將應急冷鏈物流配送問題就轉化為多資源應急冷鏈物流的調度問題。接著以響應災害事件發(fā)生后應急冷鏈物流資源調度時間最短為目標，構建了應急冷鏈物流調度的數學模型，并基于網絡優(yōu)化和線性規(guī)劃優(yōu)化思想，運用啟發(fā)式算法對應急冷鏈物流調度模型進行求解，再采用MATLAB算法語言設計了冷鏈物流的仿真程序，最后提出相應的對策建議，具體如下：

(一)加強應急冷鏈物流立法，構建統(tǒng)一指揮中心

系統(tǒng)全面的應急冷鏈物流政策法規(guī)體系是保障應急冷鏈物流各項職能正常運行的關鍵。結合突發(fā)性自然災害的具體情況以及應急冷鏈物質的相關特性完善現有應急冷鏈物流立法中的不足之處，適時適量地進行各種應急事件預演。建立一個專門用于應急冷鏈物流指揮工作和整合資源的聯(lián)動機制，調集多方力量聯(lián)合處理突發(fā)事件，特別是有秩序地組織非政府民間救援者，并把軍事物流很好的結合起來，保障應急冷鏈物流高效運行。

(二)完善應急冷鏈物流設施建設，建立專用通道

重點投資和建設冷庫設施、冷藏技術以及交通運輸薄弱的環(huán)節(jié)，構建冷藏車輛多元化、交通運輸系統(tǒng)水陸空多維立體化的運輸網絡。開通一條或者多條應急冷鏈物流專用通道，構建政府與第三方物流企業(yè)相結合的應急冷鏈物流配送中心，保障冷藏救援物資及相關技術人員能夠在24小時之內送至受災地區(qū)，降低了應急冷鏈物流中心的運營成本，縮短應急冷鏈物流作業(yè)時間，最大限度地減少損失。

(三)搭建應急冷鏈物流信息平臺，推進技術創(chuàng)新

依托政府公共信息平臺建立應急冷鏈物流信息網絡，完善自然災害監(jiān)測管理體系。優(yōu)化網絡信號，擴大覆蓋范圍，增強網絡數據傳遞承載能力，盡快消除通訊盲點，及時準確地發(fā)布受災情況，以及冷鏈倉儲及運輸的最新信息，提高應急冷鏈物流的實施效率。鼓勵應急冷鏈物流專業(yè)型人才推動應急冷鏈技術的創(chuàng)新和開發(fā)，學習借鑒國外先進技術和經驗，開創(chuàng)具有我國自主知識產權的創(chuàng)新型應急冷鏈物流技術和專業(yè)設施設備。

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A Distribution Model of Cold Chain Logistics in the Case of Emergencies

ZOU Anquan, LUO Xingling

(Department of Business Administration,Changsha University,Changsha Hunan 410022,China；

School of Transportation & Logistics，Central South University of Forestry & Technology,

Changsha Hunan 410004,China)

Key Words：emergency logistics;cold chain;scheduling;distribution model

(作者本人校對)