基于合規(guī)運(yùn)輸?shù)牡谌秸囄锪鞫嗍铰?lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

劉弘超

內(nèi)容摘要：公路運(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的高額的過路過橋費(fèi)與超載罰款成本是制約第三方整車物流企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，與此同時(shí)，《GB1589-2016》和《車輛運(yùn)輸車治理方案》等治超法規(guī)的陸續(xù)出臺(tái)，無疑使第三方整車物流企業(yè)降本增效難上加難。本文通過借鑒混合軸輻式理論，建立整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)適用于模型求解的禁忌算法，最后以第三方整車物流企業(yè)為例對(duì)模型進(jìn)行仿真與分析。結(jié)果表明，相較于直通式物流網(wǎng)絡(luò)，基于混合軸輻式理論的整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)總成本將降低20%，運(yùn)輸方式趨于多元化，網(wǎng)絡(luò)更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：整車物流 多式聯(lián)運(yùn) 混合軸輻式理論 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

引言

2016年8月，交通部、發(fā)改委等部門聯(lián)合發(fā)布《車輛運(yùn)輸車治理方案》，該《方案》提出2016年9月21日起嚴(yán)禁“雙排車”進(jìn)入高速公路，并督促汽車整車物流企業(yè)更新改造不合規(guī)運(yùn)輸車，到2018年7月1日起全面禁止不合規(guī)運(yùn)輸車通行?！斗桨浮返膶?shí)施對(duì)整個(gè)整車物流行業(yè)產(chǎn)生了極大影響，最直接的影響就是整車物流企業(yè)運(yùn)營成本的上升。長期以來，我國的整車物流成本因運(yùn)輸方式單一、資源分散、企業(yè)各自為政、物流網(wǎng)絡(luò)信息化程度低等原因而居高不下。新的治超政策實(shí)施后，整車公路運(yùn)輸成本因運(yùn)輸車輛裝載量驟減而上升，再加之原有運(yùn)輸車輛的改造與新標(biāo)準(zhǔn)車型的購置，對(duì)整車物流企業(yè)降本無疑是雪上加霜。為了降低單一公路運(yùn)輸模式下的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避新法規(guī)對(duì)商品車公路運(yùn)輸方式帶來的影響，如何采用多元化的運(yùn)輸方式，提高鐵路和水路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)運(yùn)比例，已成為第三方整車物流企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。

綜合國內(nèi)外研究情況，眾多學(xué)者關(guān)于整車物流的理論研究集中體現(xiàn)在整車物流配送問題，主要包括整車路徑優(yōu)化（vehicle routing problem，VRP）和整車配載優(yōu)化（vehicle loading problem，VLP）。例如，Roberto Baldacci（2011）等人運(yùn)用精確算法求解有容量限制與帶時(shí)間窗的車輛路徑問題。Lee（2006）等將動(dòng)態(tài)規(guī)劃的理論運(yùn)用于車輛路徑問題的研究中，并運(yùn)用最短路徑算法求解。國內(nèi)侯玉梅（2015）、王書勤等（2011）分別對(duì)具有時(shí)間約束與容量約束的車輛路徑問題進(jìn)行了研究，并運(yùn)用不同的啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。與此同時(shí)，錢丹等（2015）根據(jù)現(xiàn)代承運(yùn)車的多層多排的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以單層、單排為粒度的可配載邏輯，構(gòu)建了多承運(yùn)車型聯(lián)運(yùn)的整車物流配送優(yōu)化模型，并給出基于改進(jìn)分支定界的新啟發(fā)式配載優(yōu)化算法。除以上研究外，陳建嶺等（2015）將聚類分析與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法相結(jié)合，并運(yùn)用米歇爾選址方法，提出一種綜合性的選址方法來確定區(qū)域配送中心最佳的選址方案。趙欣（2014）以供應(yīng)鏈競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境為背景，提出通過戰(zhàn)略聯(lián)盟、構(gòu)建整車物流綜合運(yùn)輸體系、搭建整車物流信息平臺(tái)等方式進(jìn)行資源整合，最終提升整車物流企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。陳蔚（2011）在闡述商品車整車物流發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析鐵路運(yùn)輸在商品車整車物流中的優(yōu)勢(shì)和存在的問題，并提出相關(guān)建議。

綜上所述，雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)整車物流的研究范圍不斷擴(kuò)大，但缺乏對(duì)整車物流運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略性規(guī)劃，尤其是對(duì)樞紐節(jié)點(diǎn)選址布局、綜合運(yùn)輸體系下的多種運(yùn)輸方式組合與車輛路徑選擇相結(jié)合的集成性研究少之又少，需進(jìn)一步深入研究。因此，本文針對(duì)合規(guī)運(yùn)輸下商品車公路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性較差、發(fā)運(yùn)結(jié)構(gòu)不合理等問題，在多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展與研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入軸輻式理論建立整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)造禁忌算法進(jìn)行求解，并結(jié)合實(shí)例對(duì)模型進(jìn)行分析。

問題的提出

某第三方整車物流企業(yè)承擔(dān)A汽車品牌的一批商品車運(yùn)輸任務(wù)，需從該汽車品牌的一個(gè)主機(jī)廠將生產(chǎn)的商品車分別發(fā)運(yùn)至其下的M個(gè)4S銷售中心。該第三方整車物流企業(yè)擁有一個(gè)整車分撥中心（VDC）服務(wù)于該汽車品牌，分布在該汽車品牌主機(jī)廠附近。由于受制于高額的公路運(yùn)輸成本與專項(xiàng)治超法規(guī)的約束，以及A汽車品牌運(yùn)輸需求的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)需要該第三方整車物流企業(yè)打破傳統(tǒng)的單一運(yùn)輸模式，布局p個(gè)區(qū)域整車配送中心（RDC），構(gòu)建高效的商品車運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，開展多式聯(lián)運(yùn)服務(wù)，如圖1所示。在不考慮商品車提前到達(dá)4S銷售中心的存儲(chǔ)成本或延遲到達(dá)的懲罰成本的情況下，確定所需建立p個(gè)RDC所在城市的集合，整個(gè)運(yùn)輸過程中城市間最佳的運(yùn)輸方式和運(yùn)輸路徑組合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的成本最優(yōu)。

整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型構(gòu)建

一個(gè)完整的整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該包含兩種運(yùn)輸交換模式：一種是基于樞紐間接駁的聯(lián)合運(yùn)輸，另一種則是起訖點(diǎn)之間的直接運(yùn)輸。在混合軸輻式理論中，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中不僅存在“非樞紐點(diǎn)-樞紐點(diǎn)-非樞紐點(diǎn)”的連線，而且包含非樞紐節(jié)點(diǎn)間的連線，與上述整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)特征符合。因此，本文主要是基于混合軸輻式理論對(duì)整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。

（一）混合軸輻式理論概述

O'kelly（1987）首先提出軸輻式網(wǎng)絡(luò)樞紐選址模型，為軸輻式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。自此之后，隨著學(xué)者對(duì)軸輻式理論研究的不斷深入與完善，這種典型高效的物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開始在航空運(yùn)輸、農(nóng)產(chǎn)品、郵政快遞、零擔(dān)物流等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

根據(jù)非樞紐節(jié)點(diǎn)之間是否存在直接連接，軸輻式網(wǎng)絡(luò)可以分為純軸輻式網(wǎng)絡(luò)和混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)。純軸輻式網(wǎng)絡(luò)中要求非樞紐節(jié)點(diǎn)只與樞紐節(jié)點(diǎn)連接，且非樞紐節(jié)點(diǎn)間不允許直接連接。然而在實(shí)際應(yīng)用中，不是每個(gè)OD對(duì)（起訖點(diǎn)）都必須經(jīng)過樞紐中心進(jìn)行中轉(zhuǎn)運(yùn)輸，這樣會(huì)產(chǎn)生繞道運(yùn)輸，成本與時(shí)間都會(huì)大幅增加，OD對(duì)間采取直達(dá)運(yùn)輸即可滿足。由此，在混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)中放寬了對(duì)非樞紐節(jié)點(diǎn)間的約束，允許節(jié)點(diǎn)的連接不受限制，非樞紐節(jié)點(diǎn)既可以與樞紐節(jié)點(diǎn)連接，也可以進(jìn)行非樞紐節(jié)點(diǎn)間的相互連通。

（二）模型假設(shè)

本文做出以下基本假設(shè)：不考慮由商品車的車型尺寸不一所引起的單位載運(yùn)工具的裝載數(shù)量不同，均以標(biāo)準(zhǔn)小汽車尺寸來計(jì)算；同一起訖點(diǎn)間的商品車不能分開運(yùn)輸；運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)城市節(jié)點(diǎn)處最多只能建立一個(gè)樞紐；無時(shí)間約束且不考慮整車提前到達(dá)或延誤到達(dá)產(chǎn)生倉儲(chǔ)成本或延誤成本；默認(rèn)該第三方整車物流企業(yè)臨近主機(jī)廠的VDC為一個(gè)樞紐節(jié)點(diǎn)，且不考慮商品車在主機(jī)廠與整車分撥中心之間短駁運(yùn)輸產(chǎn)生的運(yùn)輸成本；RDC具有相同的容量限制。

（三）參數(shù)設(shè)置

基于混合軸輻式理論的整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型中具體參數(shù)的定義如下：N—城市節(jié)點(diǎn)數(shù)；P—RDC樞紐節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；S—運(yùn)輸方式集合（S=1代表公路運(yùn)輸，S=2代表鐵路運(yùn)輸，S=3代表水路運(yùn)輸）；Wij—表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的貨物流量；Lsij—表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j間采用運(yùn)輸方式s的實(shí)際運(yùn)輸距離；Csij—表示從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j采用運(yùn)輸方式s的單位運(yùn)輸成本；Fk—表示樞紐節(jié)點(diǎn)k建設(shè)并投入運(yùn)營的固定成本；Gk—表示在樞紐節(jié)點(diǎn)k選擇改變運(yùn)輸方式的中轉(zhuǎn)成本；α—表示規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的折扣系數(shù)，采用固定值；Uk—表示樞紐k的年最大儲(chǔ)存能力。

軸輻式多式聯(lián)運(yùn)樞紐網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的決策變量如下：

（四）模型構(gòu)建

以網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建基于混合軸輻式理論的整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，模型表述如下：

上述模型中，公式（1）為以成本最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，考慮了網(wǎng)絡(luò)中基于起訖點(diǎn)間直接運(yùn)輸模式下和基于樞紐節(jié)點(diǎn)聯(lián)合運(yùn)輸模式下的運(yùn)輸成本，樞紐節(jié)點(diǎn)的運(yùn)營成本及樞紐節(jié)點(diǎn)處的中轉(zhuǎn)運(yùn)輸成本四個(gè)部分。公式（2）表示起訖點(diǎn)間運(yùn)輸模式的選擇，要么選擇起訖點(diǎn)間的直接運(yùn)輸模式，否則選擇基于樞紐接駁的聯(lián)合運(yùn)輸模式。公式（3）表示運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中需要設(shè)置的樞紐節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。公式（4）和公式（5）表示基于樞紐接駁的聯(lián)合運(yùn)輸模式下，限定節(jié)點(diǎn)i、j分別指派給樞紐節(jié)點(diǎn)k、m。公式（6）和公式（7）表示樞紐間節(jié)點(diǎn)k的容量限制。公式（8）表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和運(yùn)輸方式的取值范圍約束。公式（9）表示成本折扣系數(shù)的取值范圍約束。公式（10）表示決策變量的取值范圍約束。

整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型求解禁忌算法設(shè)計(jì)

禁忌搜索算法（Tabu Search，簡稱TS）最早是由Glover在1986年提出，TS算法的本質(zhì)是對(duì)局部領(lǐng)域搜索算法的一種擴(kuò)展，是運(yùn)用鄰域移動(dòng)進(jìn)行搜索的全局逐步尋優(yōu)算法。迄今為止，TS在組合優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，禁忌算法在求解軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型求解問題上也有很多應(yīng)用案例，例如趙晏林（2013）、Ishfaq R等（2010）學(xué)者在軸輻式樞紐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用了TS算法并獲得了良好的求解結(jié)果。

本文選擇禁忌算法求解混合軸輻式整車多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，運(yùn)用C#編程求解得到最優(yōu)方案。

（一）算法關(guān)鍵要素設(shè)計(jì)

禁忌算法的基本要素包括初始解與編碼、鄰域結(jié)構(gòu)、禁忌對(duì)象、禁忌長度、適配函數(shù)、特赦規(guī)則、終止規(guī)則等。

編碼與初始解。目前對(duì)實(shí)際問題的編碼主要形式有二進(jìn)制編碼、十進(jìn)制編碼、實(shí)數(shù)編碼和自然數(shù)編碼等多種編碼方式?？紤]求解結(jié)果的直觀性，本文選擇自然數(shù)編碼，對(duì)各個(gè)城市利用自然數(shù)進(jìn)行標(biāo)號(hào)。與此同時(shí)，初始解隨機(jī)產(chǎn)生。

鄰域結(jié)構(gòu)。定義鄰域結(jié)構(gòu)由單點(diǎn)替換而產(chǎn)生。讓P為初始的選址點(diǎn)集合，N-P為未選點(diǎn)集合，則讓P與N-P交換一個(gè)點(diǎn)所能產(chǎn)生的所有T*的集合，即為鄰域，單點(diǎn)替換產(chǎn)生的鄰域有P（N-P）個(gè)解集。

禁忌對(duì)象。由于禁忌算法是按照鄰域移動(dòng)搜索最優(yōu)解，而鄰域結(jié)構(gòu)由單點(diǎn)替換而產(chǎn)生，因此禁忌是對(duì)換出節(jié)點(diǎn)作為對(duì)象進(jìn)行禁忌。

禁忌長度。設(shè)定禁忌長度為之間的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)。

適配函數(shù)。實(shí)際問題的求解目標(biāo)是物流網(wǎng)絡(luò)總成本最低，因此把目標(biāo)函數(shù)作為適配函數(shù)。

特赦規(guī)則。當(dāng)出現(xiàn)迄今為止最好的解時(shí)特赦相應(yīng)的禁忌點(diǎn)。

終止準(zhǔn)則。以最佳適配值連續(xù)M代保持不變時(shí)，終止算法。

（二）算法流程設(shè)計(jì)

Step 1：初始化參數(shù)。對(duì)N個(gè)城市進(jìn)行自然數(shù)編碼，并對(duì)樞紐節(jié)點(diǎn)集合T的長度進(jìn)行初始化，即P個(gè)樞紐，以及初始當(dāng)前迭代步數(shù)與禁忌狀態(tài)，令迭代次數(shù)t=0，tabu_status（i）=0。

Step 2：隨機(jī)產(chǎn)生初始解，根據(jù)適配函數(shù)求得初始解的網(wǎng)絡(luò)總物流成本CT，令當(dāng)前最優(yōu)解T=Tbest，最優(yōu)解的網(wǎng)絡(luò)總物流成本CTbest=CT。

Step 3：通過換出集合T的樞紐節(jié)點(diǎn)構(gòu)造鄰域N（T），并計(jì)算它的P（N-P）個(gè)解集所對(duì)應(yīng)的總成本CT（i），i=1，2，…，P（N-P）。

Step 4：檢查鄰域中最小的目標(biāo)函數(shù)值CT（k）。如果tabu_status（k）=0或者CT（k）

Step 5：令t=t+1，如果CT（K）

Step 6：如果CTbest連續(xù)100代保持不變時(shí)，終止算法；否則，更新禁忌狀態(tài)，即對(duì)所有tabu_status（i）>0的點(diǎn)，令tabu_status（i）= tabu_status（i）-1，返回Step 3。

仿真與分析

（一）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

A汽車品牌擁有一個(gè)整車生產(chǎn)基地分布在合肥，該品牌商品車銷售面向全國，其4S銷售中心遍布于36個(gè)城市，各4S銷售中心年整車需求量如表1所示。受制于篇幅長度，只顯示部分城市間的公路和鐵路運(yùn)輸里程如表2所示，各城市間的鐵路和水路實(shí)際運(yùn)輸距離可通過《中國公路鐵路水路圖集》獲得。公路、鐵路和水路運(yùn)輸方式下，單商品車的運(yùn)輸費(fèi)不同，其具體費(fèi)率如表3所示。在樞紐處各運(yùn)輸方式可發(fā)生轉(zhuǎn)換，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的換裝成本，其單位換裝成本如表4所示。其它數(shù)據(jù)如表5所示。

（二）仿真結(jié)果

運(yùn)行Visual Studio導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過C#編程可得模型求解結(jié)果，最終模型求解結(jié)果如表6所示，由圖2可知廣州、南京、沈陽、濟(jì)南和西安被選為樞紐。

優(yōu)化后的整車物流網(wǎng)絡(luò)具有以下四大特點(diǎn)：

一是相對(duì)于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直通式物流網(wǎng)絡(luò)，基于混合軸輻式理論的整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的總運(yùn)輸費(fèi)用明顯要低，成本減少43951110元，約為原物流網(wǎng)絡(luò)總成本的80%，如圖3所示。

二是基于混合軸輻式理論的整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)在降低成本的同時(shí)，可提供多樣的運(yùn)輸組織方案，提高鐵路和水路運(yùn)輸?shù)谋壤?，弱化其?duì)公路運(yùn)輸?shù)囊蕾嚕蛊湮锪骶W(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。在優(yōu)化后的物流網(wǎng)絡(luò)中，整車運(yùn)輸形式仍以公路運(yùn)輸為主，但占比下降為53.51%，鐵路運(yùn)輸為輔的趨勢(shì)明顯增強(qiáng)，發(fā)運(yùn)規(guī)模將達(dá)到45%左右，由于在國內(nèi)適合水路運(yùn)輸?shù)暮降垒^少且港口等基礎(chǔ)設(shè)施不完善，水路運(yùn)輸比例不足3%，有待提升，如圖4所示。

三是在優(yōu)化后的物流網(wǎng)絡(luò)中，原有OD對(duì)間的部分運(yùn)輸線路得到了優(yōu)化。主要分為三種情況：第一種情形，原有直接采用公路運(yùn)輸?shù)腛D對(duì)，優(yōu)化后選擇了更為經(jīng)濟(jì)的鐵路運(yùn)輸形式組織商品車發(fā)運(yùn)，如表6中的1-10；第二種情形，原有直達(dá)的OD對(duì)優(yōu)化后與同方向的其它需求點(diǎn)選擇經(jīng)過樞紐節(jié)點(diǎn)組織“干線運(yùn)輸+支線分撥”的運(yùn)輸方案，充分發(fā)揮干線運(yùn)輸?shù)囊?guī)模優(yōu)勢(shì)，提高運(yùn)載工具利用率與發(fā)運(yùn)頻次，降低物流成本，如表6中的1-13；第三種情形，保證原有OD對(duì)間公路運(yùn)輸方式不變，選擇經(jīng)過樞紐節(jié)點(diǎn)享受規(guī)模效應(yīng)帶來的經(jīng)濟(jì)折扣，降低總成本。這種情形可以理解為，在干線上所聚集的大量貨源便于第三方整車物流企業(yè)組織貨源，可提高運(yùn)載工具的滿載率與發(fā)運(yùn)頻率，更有效地利用運(yùn)載工具，減少空駛產(chǎn)生的額外運(yùn)輸成本。

四是布局RDC可有效緩解目前以合肥為始發(fā)點(diǎn)的庫存壓力，如圖5所示，而且將RDC的布局更靠近消費(fèi)市場(chǎng)，加快市場(chǎng)響應(yīng)速度，縮短車輛交付周期，提高物流服務(wù)滿意度。

結(jié)論

本文立足于第三方整車物流企業(yè)單一公路運(yùn)輸模式下高成本低效能的現(xiàn)實(shí)情況，以及克服新標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)對(duì)商品車公路運(yùn)輸方式帶來的影響，借鑒廣泛應(yīng)用于航空運(yùn)輸業(yè)的軸輻式理論，為第三方整車物流企業(yè)構(gòu)建基于混合軸輻式理論的整車物流多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，并運(yùn)用啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。從分析結(jié)果可知，優(yōu)化后的整車多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本明顯下降，運(yùn)載工具的利用率將會(huì)提高，便于組織商品車運(yùn)輸，與此同時(shí)，鐵路運(yùn)輸發(fā)運(yùn)規(guī)模明顯上升，整車發(fā)運(yùn)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。此外，優(yōu)化后的整車物流網(wǎng)絡(luò)可幫助第三方整車物流企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，利于其圍繞VDC與RDC整合物流資源，并提供多種整車運(yùn)輸解決方案，形成企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

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