基于ＧＩＳ的糧食配送決策支持系統分析與設計

(河南工業大學 信息科學與工程學院， 鄭州 450001)

摘 要：

以糧食物流企業的配送問題為背景，結合GIS理論和方法，對糧食物流配送決策支持系統進行了系統分析。首先結合糧食物流配送決策支持系統的數據需求，詳細分析了數據庫系統的結構；然后根據糧食物流配送的決策問題，研究分析了糧食物流配送決策支持系統中配送中心選址優化以及糧食配送過程中車輛路線規劃等核心模塊，并對模型庫系統中的模型進行了設計。建立了基于GIS的糧食物流配送系統模型，為GIS應用于糧食物流配送決策支持系統(GLD_DSS)提供了較實用的指導性方案。

關鍵詞：糧食物流； 配送； 地理信息系統； 決策支持系統

中圖分類號：TP311; U116文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)04-1398-04

Analysis and design of grain logistics decision support system based on GIS

ZHEN Tong， ZHANG Qiu-wen

(College of Information Science Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China)

Abstract:Based on the grain logistics distribution problem of the grain logistics enterprise， combing with the theory and methods of GIS， this paper did the systems analysis of the GLD_DSS (grain logistics distribution_decision support system). Firstly， analyzed the structure of the database system of GLD_DSS according to the data demand of it. Then， discussed the model base of the LD_DSS， discussed the flow of some core problems such as grain distribution centers allocation and the transportation routes planning in the grain logistics distribution system. Constructed a grain logistics distribution system module based on GIS， which provided a practically instructional scheme for applying GIS to the grain logistics system.

Key words：grain logistic; distribution; geographic information system(GIS); decision support system (DSS)



糧食行業是國家的經濟命脈，直接關系到國民經濟的運行和發展，國家投入巨大的人力和財力用于糧食的收購、銷售、存儲、調撥、加工等糧食流通的各個環節[1]。目前，我國的糧食物流體系建設缺少系統技術支撐，尚沒有本地、區域和全國性的糧食流通管理數據庫系統，缺少糧食物流規劃方法與供需分析手段，物流節點布局與路徑優化研究尚未開展，這些都使得我國的糧食物流體系建設受到技術制約[2]。因此，以信息化為依托，開展糧食物流系統網絡布局和路徑優化研究已經成為我國加強糧食物流體系建設的重要技術選擇。

地理信息系統(GIS)是一個能夠獲取、存儲、管理、查詢、模擬和分析地理信息的計算機系統，是一種能夠處理和分析大量地理數據的通用地理信息技術。它按照地理特征的關聯，將多方面的數據以不同層次聯系起來，構成現實世界模型，并通過空間信息模擬和分析軟件包進行空間信息的加工、再生，為空間分析的輔助決策打下基礎。由于物流對地理空間有較大依賴性，采用GIS技術建立企業的物流配送決策支持系統可以實現企業物流的可視化以及實時動態的管理，是提高配送效率、降低配送成本的必要手段。隨著計算機技術、管理信息系統、運籌學及人工智能技術的發展，應用在各個領域的決策支持系統紛紛出現[3~6]。在20世紀90年代，國外開始了對物流管理的研究，出現了若干物流信息系統(logistics information system， LIS)[7]及物流決策支持系統，這些系統多數應用在電子商務領域、物流配送領域[8]；國內對物流決策的研究起步較晚， 主要集中在物流配送領域[9]，而應用在糧食行業的糧食決策支持系統較少。

本文對基于GIS的糧食物流配送決策支持系統(GLD_DSS)進行了研究，分析了糧食物流配送系統中配送中心選址優化以及糧食配送過程中車輛路線規劃核心問題模塊的流程，結合糧食物流配送的量大、任務多等特點，選擇實現了高效的蟻群算法，結合當前先進的決策支持技術，為糧食管理決策者構建了糧食調撥決策支持系統。該系統通過對糧食配送中心的合理分配選址和糧食配送路線的選擇優化，滿足了糧食物流配送的時間要求，并降低了調撥成本。

1 系統總體分析與結構設計

配送系統是一個較為復雜的，具有較明確邊界的系統。它包含了企業用于物流配送的設施和人員等實體、決策者、配送決策支持系統以及用戶等多個對象。糧食物流決策支持系統以模型庫和數據庫為核心，基于GIS的GLD_DSS的目標在于利用糧食物流量的預測值，結合相關模型進行糧食物流網絡布局。在選定的節點區域內，利用路徑優化模型進行路徑優化的可視化，以便降低物流成本，滿足用戶需求，為管理決策提供支持[10]。

糧食物流決策支持系統是糧食物流中心主要功能活動的集成。系統具有訂單管理、庫存管理、設施選址和物流配送等多項輔助決策功能，系統開發的主要任務是以GIS技術為基礎，集優化算法與數據庫管理分析為一體，設計糧食物流數據庫系統，構造糧食物流需求預測、設施選址和車輛路徑優化計算的各種模型和方法的模型庫，并以GIS的可視化形式向用戶提供方案，實現糧食物流網絡優化方案決策的可視化，從而能促進糧食物流管理的科學化、信息化進程。糧食物流決策支持系統的總體結構如圖1所示。

在GLD_DSS中以模型庫和算法為核心，其他各子系統都根據模型和算法庫的數據需求而建立。實施DSS的最終目標應該是實現資源利用的效益最大化，當然效益不僅僅指的是經濟效益，可以是一個多維屬性的復雜效益組合。由此所帶來的一系列決策問題和配送過程中存在的大量的半結構化和非結構化決策問題，使得簡單的信息管理系統已經不能滿足要求，這些決策問題已經不是程序化的計算或人的主觀判斷力所能及的了。此時，決策者必須在信息管理系統所提供數據的基礎上，采用模型和算法交互式地進行問題的決策，這樣可以大大提高決策的科學程度，在設定一定決策規則的前提下，還可實現日常運營方案的自動化管理。

2 系統的功能設計

基于GIS的GLD_DSS在功能上大致分為人機對話界面、數據庫系統、模型庫系統和輸出功能四大部分，如圖2所示。因此，系統的實質就是以數據庫、模型庫作為基本信息支撐，通過系統程序構筑系統的運行環境，輔以友好的用戶界面和人機對話過程，有效地實現信息查詢和決策支持兩大功能。

1）人機對話界面 它是系統提供給用戶的接口，一方面，用戶使用這個部件向系統提出問題，決策者可以利用它調用模型管理部件，選取不同的模型，抽取所需的數據，嘗試提出的不同方案；另一方面，系統要通過此部件向用戶顯示結果。

2）數據庫系統 數據庫中存放著決策支持系統所需的各類信息供決策者查詢，并為模型庫提供基本的事實。基于數據庫模塊，系統預留了數據倉庫的接口，并在此基礎上建立了庫存管理系統、訂單管理系統、車輛管理信息系統以及電子地圖等模塊。

a）訂單管理系統，是糧食物流中心與客戶的交易數據和相關信息，包括糧食物流中心與客戶名稱、位置、規模和糧食品種等信息，以及物流中心與客戶的交易記錄。其中需求點的客戶信息是重要信息，主要包括客戶的名稱、送貨地點、需求時間、需求品種和配送要求（貨物送達的時間、特定車型）等信息，這些信息與車輛信息、電子地圖的路網圖層和功能圖層一起構成了物流配送決策的基礎數據。

b）庫存管理系統，對物流中心現有糧食進行操作，并對庫存量少于庫存下限的糧食進行預警顯示，對庫存中糧食的信息進行添加、修改、刪除；根據查找對象(全部商品、商品編號、商品名稱、類型名稱)和查找主題(單價、庫存數量、貨位號)進行綜合查詢。

c）車輛管理系統，是物流配送不可缺少的運載工具，對車輛的合理調度和運行監控是糧食物流決策支持系統的重要內容。車輛管理信息系統應該詳細記錄車輛的編號、載重量、行駛速度、車輛狀況等。其中載重量和行駛速度是最重要的數據，向調度模型和算法提供了基礎數據。

d）電子地圖，通過與GIS的接口操作實現為配送路線提供可視化的操作界面。對于決策支持系統來說，電子地圖是必不可少的，它向系統提供路網和功能的信息數據，這些數據是GIS、設施選址、車輛路徑優化模型和算法運行的基礎；同時電子地圖能夠提供可視化界面，實現地圖顯示、目標定位、查詢統計等功能。

3）模型庫系統 模型庫主要包括決策過程所需的數學模型和方法。本系統包括糧食物流中心選址和方法系統及車輛調度模型和方法系統，這些模塊保證為糧食物流中心作決策時提供支持。

a）糧食物流中心選址模型和方法系統，通過選址模型為糧食物流中心選址提供可靠的決策依據，保證選址的科學性和合理性。

b）車輛路徑優化模型和方法系統，通過車輛路徑模型，運用混合蟻群算法與GIS相結合，對配送路線的方案進行優化，保證在配送過程中以低成本高效益進行，為企業實現節本增效提供有力的數據支持。

4）輸出功能 結合GIS技術以可視化的形式輸出結果。

3 系統的數據庫分析與設計

糧食物流決策支持系統數據庫設計包括大量的信息和數據，系統數據庫包括基本信息數據庫和地圖數據庫。本系統建立的數據庫包括物流中心點與客戶、客戶與客戶之間的距離數據表，車輛信息數據表、物流中心信息表、客戶信息表等。糧食物流中心數據庫主要是面向糧食物流中心及相關的其他部門，因此要充分考慮用戶的應用需求。一方面，糧食物流中心中已有的信息數據互不共享，缺乏信息整合，這就需要數據庫具備客戶、糧食情況的數據錄入、編輯、管理，查詢等功能；另一方面，已有的數據信息不但要滿足DSS要求，還要滿足GIS要求，數據庫還應具有城市街道、配送中心位置及各需求點位置的瀏覽、錄入、編輯、查詢、打印輸出等功能。此外，數據庫需要進一步分析和表達用戶的需求。圖2中，GLD_DSS包含了幾個用于信息管理的子系統，以下對這些子系統的功能、數據需求等問題分別進行分析。圖3是GLD_DSS數據庫結構及數據流程圖。

3.1 糧食訂單管理系統

糧食訂單管理系統中配載方案與運輸路線的重要基礎數據是配送對象。GLD_DSS需要收集配送對象完善的信息，建立起相應的數據庫。數據庫中應收集的信息包括糧食的編號、品名、重量、體積、存放位置、保質期等；對于要在途中捎帶的糧食，還應包含糧食運送的起點、終點等。值得注意的是，由于實際生產中糧食的種類繁多，某些特殊糧食可能會有一定的運輸需求，如危險貨物需要進行一定的隔離等，這些在配載時都是必須考慮的。因而對于這類信息，配送對象管理系統都應該予以收集。

3.2 糧食庫存管理系統

糧食庫存管理系統是以糧倉存儲中心的地理位置為核心的相關信息。通常倉儲中心是糧食物流配送的起點或終點，因此其位置對于運輸路線的選擇是至關重要的。除倉儲中心的地理位置之外，其余的信息還包括倉儲中心的名字、規模、物流設施、資產情況等一系列信息，這部分信息不管DSS采用何種架構，都應該位于調度中心級別的服務器上。

3.3 糧食車輛管理系統

車輛是糧食物流配送系統中重要的資源，是實現“送”這個環節必不可少的工具。因此對運糧車輛的合理調配和利用，是糧食物流配送DSS研究的重要內容。對于車輛的管理系統，應該詳細記錄車輛的型號、載重、容量等信息。車輛的載重和體積容量信息是模型庫生成配載方案的重要依據。除了這些信息外，還應包含車輛的使用日志、資產信息等其他的與配送決策相關程度較小的信息。同上節中所分析的原因，系統結構如果采用C/S，且需要對整個企業的車輛進行動態的調配，那么車輛管理系統的數據應該位于調度中心的服務器上;如果車輛僅在倉儲中心級別進行調配，則其數據應該在存儲中心的客戶機上。

3.4 電子地圖

電子地圖通過與GIS的接口操作，實現為配送路線提供可視化的操作界面。電子地圖在整個GLD_DSS中是較為獨立的一部分。由于它是最為基礎的數據，與其他子系統的數據交換是單向的和只讀的，僅僅發生數據耦合。對于GLD_DSS而言，電子地圖是必不可少的。電子地圖能提供路網信息給系統，這是整個系統模型和算法運行的基礎，配送系統最終產生的路徑也是基于路網信息的。電子地圖能以可視化和非可視化兩種形態存在，可視化的電子地圖可以提供給用戶以直觀方便的界面。但是，如果純粹從數據需求的角度，GLD_DSS僅僅只需要電子地圖所提供的路網數據庫，而并不需要其所給出的界面。GIS接口可以十分方便地采用可視化電子地圖;由此，決策支持系統應具有良好的人機界面，依賴于可視化界面下的GIS，將路網數據庫可視化地建立起來，再將數據庫移植到文字界面下。

4 模型庫系統分析與設計

在決策支持系統中，數據庫系統中所包含的信息都應為模型庫所用。如圖2所示，模型庫處于GLD_DSS中的核心地位。與發展得相當完善的數據庫實現技術不同，模型庫的實現技術至今仍不完善。模型庫不是預先定義的模型集合，而是通過模塊的組合可以使模型更加靈活地變更。因此，動態性是模型庫的一個基本特征，也是研究模型庫生成技術的前提。GLD_DSS所涉及的模型主要是優化模型、決策模型、不確定模型等。在具體實現的過程中，可以用類似“由頂向下，逐步求精”的方法，對GLD_DSS所應包含的模型作出功能分解，最終得到模型庫中應該包含的元模型。以下分析的是系統應該包含的模型。

4.1 糧食配送中心選址優化模型

糧食配送中心選址主要包括下面幾個步驟：

a)確定選址問題的目標及基本要求；

b)收集、整理和分析設計地理數據庫資料;

c)在GIS平臺上，利用空間分析技術得出一系列候選地點;

d)構造數學選址模型從候選點中評價選優;

e)現場勘察和評議通過決策。

本文選址模塊主要采用混合蟻群算法對糧食配送中心選址進行優化。蟻群算法是一種新興的啟發式算法，具有正反饋、并行計算、較強的魯棒性等諸多特點，利用蟻群算法對糧食物流中心選址問題優化，并結合實際情況對基本蟻群算法進行了改進和提升，可以大大提高解的優化程度，有效地提高選址的準確率。

4.2 糧食車輛路徑優化模型

用戶傳來需求數據，調度部門根據司機和車輛情況，依據道路網絡數據，利用GIS的網絡分析技術、車輛調度和路線規劃模型生成調度方案，制定運輸計劃。車輛路徑規劃問題還可以分為有時間窗和沒有時間窗兩種。如果沒有時間窗且僅考慮在車貨物，那么路線規劃問題是一個簡單的TSP問題，這個問題雖然也是一個NP問題，但是有著較多成熟的近似算法;如果沒有時間窗且需要考慮突發性在途貨物，那么就要求在收到突發性需求后，GLD_DSS按照某種決策規則(如費用最小或時間最短)對全部車輛進行計算(包括用在途車輛，其位置由車輛定位系統得出)，求出執行突發性需求的車輛。有時間窗的問題就較為復雜，本文主要研究帶時間的糧食物流車輛路徑優化問題。采用一種混合的蟻群算法[11，12]，針對以前算法在求解大規模糧食調運問題中存在的不足，利用動態掃描方法在區域選擇方面的實用性和螞蟻算法在局部優化方面的優點，對蟻群算法進行改進，提出綜合兩種方法的混合算法，并考慮糧食車輛線路最短以及地理信息的約束條件，事例表明了本文算法的有效性和實用性。

以上兩個模型是GLD_DSS的核心模型，是糧食配送系統日常運營的核心決策問題。除此以外，還應該有一些別的模型，如交通狀況的預測模型、勞動力資源的調配模型等，在此不作詳細分析。模型庫如果采用完全的模型定義和生成技術，就要求系統使用者具有一定的模型知識。GLD_DSS可以預先定義一系列用于支持決策常用的模型，采用問答式的界面與用戶交互;同時也提供用戶自定義全新的決策模型的功能，使得各個層次的用戶都能方便地使用系統，提高易用性。

5 系統實現架構分析

數據庫和模型庫的分析是從系統實現的邏輯結構來分析的。系統的實現架構指的是以何種物理組成方式實現系統，各數據庫位于何處、模型庫位于何處、以何種網絡形式進行連接等。對于具有一定地域覆蓋度的系統而言，通常流行的架構方式有瀏覽器/服務器(B/S)，客戶機/服務器(C/S)等。如果GLD_DSS采用的是B/S這類瘦客戶端的邏輯結構，那么所有的信息必須位于調度中心服務器上，這要求連接各工作站的網絡的帶寬足夠大。其優點是系統易于維護和管理，各用戶只通過瀏覽器進入系統，用戶端無須安裝任何軟件。對于小型糧食企業，由于其通常只有一個糧食倉儲中心，建成高速局域網也較為簡單，適合采用這種方式。對于大型糧食物流企業，由于其地域覆蓋較廣，業務量也較大，采用C/S結構較為合理。

6 結束語

本文從邏輯和實現角度對基于GIS的糧食物流配送決策支持系統(GLD_DSS)進行了總體分析。結合GIS的信息需求，對數據庫系統進行了較為細致的分析;結合了GLD_DSS的主要決策問題，對模型庫的功能進行了分析。此外，還考慮了系統的實現架構。糧食物流配送決策支持系統是一個較為復雜的系統，本文所作的分析只是宏觀性的，在具體的實現過程中還要更進一步地進行細化。由于此系統涉及面寬，實際情況比較復雜，與糧食企業的經濟效益有較大的聯系，需要不斷進行更加深入的研究和開發。

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