物流系統(tǒng)規(guī)劃與設計（第二版）課件 第4章物流運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計

第四章物流運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計

本章學習目標掌握物流運輸系統(tǒng)的功能和特點了解物流運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計的原則和主要內(nèi)容了解物流各種運輸方式的特點與選擇方法理解物流運輸系統(tǒng)運輸線路優(yōu)化技術與方法4.1物流運輸系統(tǒng)概述4.1.1物流運輸系統(tǒng)的功能運輸提供兩大功能：（1）物品轉移（2）物品儲存4.1.2物流運輸系統(tǒng)的構成要素（1）貨流系統(tǒng),即運輸對象子系統(tǒng)。（2）載運機具系統(tǒng)。（3）路網(wǎng)系統(tǒng)。4.1.3物流運輸系統(tǒng)的分類按運輸工具和設施設備劃分，物流運輸系統(tǒng)可分為（1）公路運輸（2）鐵路運輸（3）水路運輸（4）航空運輸（5）管道運輸4.1.4物流運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計的內(nèi)容物流運輸系統(tǒng)規(guī)劃是指為了完成確定目標，在一定區(qū)域范圍內(nèi)對物流運輸系統(tǒng)進行總體戰(zhàn)略部署，即根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展的要求，從當?shù)鼐唧w的自然條件和經(jīng)濟條件出發(fā)，通過綜合平衡和多方案比較，確定交通運輸發(fā)展方向和地域空間分布等。（1）確定物流運輸戰(zhàn)略

（2）選擇運輸路線（3）選擇運輸方式（4）運輸過程控制與信息系統(tǒng)4.1.5物流運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計的原則

（1）經(jīng)濟發(fā)展原則（2）協(xié)調(diào)發(fā)展原則（3）局部服從整體原則（4）近期與遠期相結合原則（5）需要與可能相結合原則（6）理論與實踐相結合原則4.2物流運輸方式?jīng)Q策技術基本的運輸方式有五種，各種運輸方式的系統(tǒng)組成、所能承載的貨物類型及運輸特點各不相同。各種運輸方式所提供的運輸服務，各有其特點和優(yōu)勢，也各有所短，彼此之間既存在著競爭的關系，也有著取長補短的互補協(xié)調(diào)關系。不同運輸方式適用于運輸不同的貨物種類和具體要求。但是，各種運輸方式之間存在著一定的可替代性，因此，必須根據(jù)實際情況選擇適當?shù)倪\輸方式是物流運輸規(guī)劃中非常重要的內(nèi)容。4.2.1各種運輸方式的技術經(jīng)濟特性（一）各種運輸方式的優(yōu)勢（1）公路運輸方式的優(yōu)勢第一、公路運輸具有機動、靈活、可以實現(xiàn)門到門運輸?shù)奶攸c第二、建設投資少，資金周轉較快，回收期比較短第三、送達的速度快第四、公路運輸?shù)倪\輸工具和一些相關基礎設施的技術改造相對容易些。（2）鐵路運輸方式的優(yōu)勢第一、運輸量大第二、速度快第三、可靠性強第四、對環(huán)境的污染小第五、運輸成本較低（3）水路運輸方式的優(yōu)勢第一、運量大第二、運營的成本低第三、投資少（4）航空運輸方式的優(yōu)勢第一、是速度最快的一種運輸方式（針對靜態(tài)技術經(jīng)濟特性而言）。第二、機動性強、通達性好第三、安全性和舒適性較好第四、建設周期短，投資較少，投資回收快。（5）管道運輸方式的優(yōu)勢第一、連續(xù)性強，通達性好第二、所占的土地資源較少第三、運輸量大，運輸?shù)倪B續(xù)性強第四、能耗小，運輸成本低第五、對環(huán)境的污染較?。ǘ└鞣N運輸方式的定位比較（1）鐵路：大批量、長距離、較低費用、低風險客貨運；（2）公路：小批量、多批次、中短距離、靈活性機動性較高的客貨運；（3）水路：遠洋—長或超長距離，最低費用，定期貨物運輸。內(nèi)河，沿海各種距離，最低費用，定期客貨運；（4）航空：小批量、超長距離、時效性強，高運費客貨運輸；（5）管道：固定貨種，固定路線，持續(xù)性好的貨物運輸。4.2.2影響選擇物流運輸方式的要素各種運輸方式擁有一系列服務屬性，客戶可以根據(jù)需求選擇不同的運輸方式。在運輸方式選擇模型中，有一些重要因素需要考慮：（1）貨品特性（2）運輸速度和運距（3）運輸容量（4）運輸成本（5）運輸質(zhì)量（6）環(huán)境保護4.2.3物流運輸方式選擇模型物流運輸方式的選擇，既可單獨地選用一種，也可以采用多式聯(lián)運。究竟如何選擇，則需要根據(jù)運輸環(huán)境、運輸服務目標要求，采取定性分析與定量分析的方法進行考慮。（一）定性分析法（1）單一運輸方式的選擇單一運輸方式的選擇，就是指選擇一種運輸方式提供運輸服務。公路、鐵路、水路、航空和管道等5種運輸方式各有其自身的優(yōu)點和不足，本節(jié)的前面部分已經(jīng)詳細闡述。應根據(jù)5中運輸方式的優(yōu)勢、特點，結合運輸需求進行恰當?shù)倪x擇。（2）多式聯(lián)運方式的選擇多式聯(lián)運的選擇，就是選擇2種及2種以上的運輸方式聯(lián)合起來提供運輸服務。多式聯(lián)運的主要特點是可以在不同運輸方式間自由變換運輸工具，以最合理、最有效方式實現(xiàn)貨物運輸。多式聯(lián)運的組合方法很多，但在實際運輸中，一般只有鐵路與公路聯(lián)運、公路或鐵路與水路聯(lián)運、航空與公路聯(lián)運得到較為廣泛的運用。（3）層次分析法層次分析法（AHP）是美國運籌學家T.L.Saaty教授于20世紀70年代提出的一種實用的多方案或多目標的決策方法，是一種定性與定量相結合的決策分析方法。常被運用于多目標、多準則、多要素、多層次的非結構化的復雜決策問題，特別是戰(zhàn)略決策問題，具有十分廣泛的實用性。運用AHP的基本步驟是：①建立層次結構模型：將決策的目標、考慮的因素（決策準則）和決策對象按它們之間的相互關系分為最高層、中間層和最低層，繪出層次結構圖。②構造判斷矩陣：在確定各層次各因素之間的權重時，如果只是定性的結果，則常常不容易被別人接受，因而Saaty等人提出：一致矩陣法，即：不把所有因素放在一起比較，而是兩兩相互比較。對比時采用相對尺度，以盡可能減少性質(zhì)不同因素相互比較的困難，以提高準確度。③層次單排序：是指對于上一層某因素而言，本層次各因素的重要性的排序。④判斷矩陣的一致性檢驗：是指判斷思維的邏輯一致性。如當甲比丙是強烈重要，而乙比丙是稍微重要時，顯然甲一定比乙重要。這就是判斷思維的邏輯一致性，否則判斷就會有矛盾。⑤層次總排序：確定某層所有因素對于總目標相對重要性的排序權值過程，稱為層次總排序。這一過程是從最高層到最底層依次進行的。對于最高層而言，其層次單排序的結果也就是總排序的結果。層次分析法的優(yōu)點：①系統(tǒng)性——將對象視作系統(tǒng)，按照分解、比較、判斷、綜合的思維方式進行決策——系統(tǒng)分析（與機理分析、測試分析并列）；②實用性——定性與定量相結合，能處理傳統(tǒng)的優(yōu)化方法不能解決的問題；③簡潔性——計算簡便，結果明確，便于決策者直接了解和掌握。（4）成本比較分析法不同的運輸方式產(chǎn)生不同的運輸成本。故對運輸方式的選擇，也可以通過比較運輸服務成本與運輸服務水平導致的相關間接庫存成本之間的平衡程度進行選擇。這就是說，運輸?shù)乃俣群涂煽啃詴绊懲羞\人的庫存水平。如果選擇速度慢、可靠性差的運輸服務，物流運輸過程中就會需要更多的庫存。這時，由于庫存增多而可能使成本升高，就會抵消選擇低水平運輸服務降低的成本。因此，最佳的運輸服務方案是既滿足客戶的需要，又能使總成本最低。下面用一個例子說明。【例4-1】某公司欲將產(chǎn)品從位置運往位置的公司自有倉庫，年運量為70萬件?，F(xiàn)假設每件產(chǎn)品的成本價元，存貨費用為產(chǎn)品成本的30%。各種運輸方式的有關參數(shù)見表4-1。請你確定最佳的運輸方式。

4.3運輸路線優(yōu)化技術和方法運輸線路優(yōu)化主要是選擇起點到終點的最短路，最短路的度量單位可以是時間最短、距離最短或費用最小等。運輸路線選擇是在運輸方式選擇之后的又一重要運輸決策，本節(jié)主要討論三種類型的問題，即：點點之間運輸、多點間的運輸及回路運輸問題。4.3.1點點間運輸路線優(yōu)化技術與方法（一）單一不同起訖點問題我們先看一個例子。假設有一批貨物需要從A城市運送到E城市，從A城市到E城市的公路路網(wǎng)如圖4-1所示，中間節(jié)點代表經(jīng)過的城市或站點，各點間由線路連接，線路旁的數(shù)字表示兩點間的運輸代價（可以是時間、距離或成本等）?，F(xiàn)在，要確定從城市A到城市E的最佳運輸路線。忽略其他因素，一般認為路線最短是最經(jīng)濟的。這種問題可以歸結為運籌學中的最短路徑問題最短路徑問題，即求兩個頂點間長度最短的路徑。對分離的、單個起點和終點的運輸網(wǎng)絡來說，其運輸路線的選擇，最簡單、最直觀的方法是最短路徑法。最短路徑問題是路線優(yōu)化模型理論中最為基礎的問題之一，也是解決其他一些線路優(yōu)化問題的有效工具?；氐缴厦娴睦?，要確定從點A到點E的最短路徑，最直接的方法就是窮舉法，將所有可行方案全部列舉出來，在計算每條路徑的長度，比較選擇出路徑最短的方案即為最優(yōu)方案。在圖4-1中，從A到E點共有16條可能的路徑，逐一計算各條路徑的總距離后進行比較，求得最短路徑為：A→B2→C1→D1→E。這就是問題的最佳運輸路線。當網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)較少，可行方案數(shù)也較少時，窮舉法是有效的。但是，當網(wǎng)絡節(jié)點增多時，可行方案會呈現(xiàn)指數(shù)倍增加，窮舉法將無法求解，這就需要運用更好的方法。AB1B2B3C1C2C3D1D2E215614123910412111085652圖4-1從起點到終點的運輸網(wǎng)絡圖下面介紹求解此類問題的Dijkstra算法Dijkstra算法是采用標號法求解，標號是用來標記各個頂點的屬性的一套符號。一般來說，根據(jù)用來確定頂點的標號屬性和標記過程的不同，有兩種不同的Dijkstra算法：一種是標號設定算法，另一種是標號修正算法。標號設定算法中，可用兩種標號：標號和標號，標號為試探性標號，標號為永久性標號，給一個標號時，表示從到點的最短路徑權，點的標號不再改變。給一個標號時，表示從到點的估計最短路徑的權的上界，是一種臨時標號，凡是沒有得到標號的點都有標號。算法的每一步都把某一點的標號改為標號，當終點得到標號時，則全部計算結束。對于個頂點的圖，最多經(jīng)過步就可以得到產(chǎn)品能夠起點到終點的最短路。具體步驟如下：【例4-2】如圖4-2是從到的交通網(wǎng)絡，用Dijkstra算法求到的最短路。245574114723圖4-2運輸網(wǎng)絡圖表4-3Dijkstra算法步驟和結果4.3.2多點間的運輸路線優(yōu)化技術與方法（二）產(chǎn)銷不平衡的直達運輸問題（三）存在中間轉運的運輸調(diào)配問題這個問題是指將多個供應點的貨物分配到多個需求點，也可以在中間點中轉、分配，有些起點或終點也可能是中轉點。這類問題又叫轉運問題，請讀者可以參閱有關的運籌學教材。4.3.3單回路運輸—TSP模型及求解單回路運輸問題是指在運輸路線優(yōu)化時，在一個節(jié)點集合中，選擇一條合適的路徑遍歷所有的節(jié)點，而且要求閉合。單回路運輸模型在運輸決策中，主要用于單一車輛的路徑安排，目標是在該車輛遍歷所有用戶的同時，達到所行駛的距離最短。這類問題的兩個顯著特點是：①單一性，只有一個回路；②遍歷性，經(jīng)過所有用戶，不可遺漏。理論上，可以用窮舉法求出最佳路線。但實際上，如果某個問題包含很多個點，可行的方案會呈現(xiàn)指數(shù)倍增加，容易產(chǎn)生優(yōu)化上的“組合爆炸”問題，即使使用快速計算機進行計算，尋優(yōu)的時間也會非常長。因而，起訖點重合的單回路運輸問題也是現(xiàn)代優(yōu)化算法研究的熱點之一。下面介紹TSP模型及求解方法。旅行商問題（Traveling

Salesman

Problem，TSP）可描述為：已知

個城市之間的相互距離，現(xiàn)有一個推銷員必須遍歷這

個城市，并且每個城市只能訪問一次，最后又必須返回出發(fā)城市。如何安排他對這些城市的訪問次序，可使其旅行路線的總長度最短。旅行商問題就是求出一條通過所有頂點且每個頂點只能通過一次的具有最短距離的回路。既然回路包含了所有頂點，所以，可以將任何一個點作為起點和終點。先看下面的例子?！纠?-3】如圖4-4所示，從配送中心A出發(fā)，送貨到B、C、D三個客戶需求點。任意兩點間的距離已知或可以求出，求最佳配送路徑。圖4-4TSP問題示意圖對于圖4-4節(jié)點數(shù)較少的問題，可以用簡單貪婪算法求解最佳路線，其步驟如下：第一步：選擇距出發(fā)點最近的客戶節(jié)點。由于B點距A點最近，故先選擇B點；第二步：再從剩下的節(jié)點中選取距離當前已選擇的點最近的客戶點。即找出離B點最近的點，這一點是C點；第三步：如果所有點都被選擇了，則停止；否則，返回到第二步。由于剩下的D點沒有被選擇，所以D點稱為繼C點之后的客戶。然后，返回A。這樣，可求出圖4-4中最佳的送貨路線，配送順序為：A→B→C→D→A?？偟男旭偩嚯x=22+18+38+45=123。解畢。4.3.4多回路運輸—VRP模型及求解（一）VRP模型一般是指對一系列發(fā)貨點和收貨點，組織調(diào)用一定的車輛，安排適當行駛路線，使車輛有序地通過，在滿足指定的約束條件下（貨物的需求量與發(fā)貨量、交貨時間、車輛可載量限制、行駛里程限制、行駛時間限制等），力爭實現(xiàn)一定的目標（如車輛空駛總里程最短、運輸總費用最低、車輛按一定時間到達、使用的車輛數(shù)量小等）。運用VRP模型，對實際問題進行研究時，需要考慮以下幾個方面的問題：①倉庫，即倉庫級數(shù)，每級倉庫的數(shù)量、地點與規(guī)模。②車輛，車輛型號和數(shù)量，容積和運作費用，出發(fā)時間和返回時間、司機休息時間，最大的里程和時間限制。③時間窗，各處的工作時間不同，需要各地協(xié)調(diào)。④顧客，顧客需求、軟硬時間窗、裝載或卸載、所處位置、優(yōu)先級。⑤道路信息，車輛密度、道路交通費用、距離或時間屬性。⑥貨物信息，貨物種類、兼容性和保鮮要求。⑦運輸規(guī)章，工人每天工作時間規(guī)定，車輛的周期維護。（二）掃描法掃描法的原理是，先以倉庫（物流中心）為原點，并以連通圖中的任意一顧客點和原點的連線定義為角度零，建立極坐標系。將所有需求點的極坐標算出，然后依角度大小以逆時針或順時針方向掃描，若滿足車輛裝載量即劃分為一群，將所有點掃描完畢后在每個群內(nèi)用最短路徑法求出車輛最佳行駛路徑。掃描法（sweepmethod）求解過程較簡單，其求解過程分為兩步：第一步是對客戶站點分群，一個站點群分派一輛車服務；第二步是決定每輛車的最佳行車路線。其分派車輛的過程可以通過手工計算或直接在圖紙上完成，也可以利用計算機程序求解。該方法的缺點是，無法解決帶有時間窗的問題。其步驟如下：①以物流中心為原點，將所有客戶需求點的極坐標計算出來。②以零角度為極坐標軸，按順時針或逆時針方向，依角度大小開始掃描。③將掃描經(jīng)過的客戶點需求量進行累加。當客戶需求總量達到一輛車的載重量限制時，且不超過載重量極限時，就將這些客戶劃分為一群，即由同一輛車完成送貨服務。接著，按照同樣的方法對其余客戶劃分新的客戶群，指派新的車輛。④重復步驟③，直到所有的客戶都被劃分到一個群中。⑤在每個群內(nèi)部用TSP算法求出車輛行駛最短路徑。掃描法在VRP求解模式中屬先分群再求解路徑的算法。在僅考慮總距離成本時，一般均能得到不錯的結果，是最為簡便、常用的方法之一。[例4-4】某運輸公司為其客戶企業(yè)提供取貨服務，貨物運回倉庫集中后，將以更大的批量進行長途運輸。所有取貨任務均由載重量為10噸的貨車完成?，F(xiàn)在有13家客戶有取貨要求，各客戶的取貨量、客戶的地理位置坐標見表4-5。運輸公司倉庫的坐標為

。要求合理安排車輛，并確定各車輛行駛路線，使總運輸里程最短。表4-5客戶數(shù)據(jù)信息解第一步：求出各客戶點的極坐標。根據(jù)表4-5中的數(shù)據(jù)，先在圖上描述出所有客戶點的坐標位置，并在每個客戶編號旁邊的方框中標注出該客戶的貨運量，見圖4-5。若應用計算機程序求解，將直角坐標轉換成極坐標。第二步：掃描劃分客戶群。以倉庫為極坐標原點，以30度線為起始位置，按逆時針方向進行掃描，將掃描經(jīng)過的客戶需求量進行累加，將既不超重又能最大限度地利用車輛裝載量的客戶劃分為一組，由一輛車提供取貨服務。圖4-5客戶位置及掃描法求出的結果136112541012789131.51.81.92.152.41.63.152.8322.252.52.61(1.8)根據(jù)圖4-5中的客戶位置，客戶8首先被掃描，其取貨量是2.5噸。按逆時針方向依次掃描，經(jīng)過客戶7、客戶5、客戶6，這時的客戶取貨總量

噸，如果再增加下一個客戶，就會超過10噸的極限，所以客戶8、7、5、6為第一個客戶群，由一輛車提供服務。接著，客戶2、3、11、4被相繼掃描，五個客戶的累計取貨量為9.95噸，不超過車輛載重極限，這樣就得到第二個客戶群。依此類推，客戶10、12、1、13、9的累計取貨量為9.95噸，可由一輛車完成服務，這就是第三個客戶群。因此，按照既不超載又最大限度提高車輛利用率的原則，13家客戶的取貨服務可由3輛載重量為10噸的貨車完成。第三步：確定每輛車的最佳路徑。要確定上面得到的三個客戶群的最佳行車路線，是一個單一回路的運輸問題，可應用第4.3.3節(jié)的方法求解。最后求解的結果見圖4-5，第一輛車的線路是：0→8→7→5→6→0；第二輛車的線路是：0→2→3→11→4→0；第三輛車的線路是：0→10→1→13→9→12→0。通過上述過程可以發(fā)現(xiàn)，用掃描法設計的車輛路線可有很多種方案。開始掃描的起始位置不同、掃描方向不同，都會導致不同的結果。（三）節(jié)約算法倉庫OAB倉庫OAB（1）初始路線總里程=|OA|+|OB|+|AO|+|BO|（2）將兩個站點合并成一條線路總里程=|OA|+|OB|+|BA|根據(jù)上述思想，不斷地對可行運輸方案中的回路進行合并，或?qū)⒛硞€站點加入到現(xiàn)有的回路中，并計算出相應的節(jié)約距離，節(jié)約距離最多的站點（且滿足約束條件）就應該納入到現(xiàn)有路線中。重復這一過程，直到完成所有站點的線路設計。節(jié)約法可方便地編制成程序。當節(jié)