基于適應性供應鏈的應急物流網絡優化研究

摘要：科學合理的應急物流網絡是應急物流快速實現的基礎，它具有很強的經濟效益和社會效益。基于適合應性供應鏈的核心理念，首先給出了適應性供應網絡的概念模型，構建了應急物流網絡系統．并將該系統的運行劃分為日常管理、應急啟動、平衡運行和善后處置四個不同階段。然后分析了不同階段應急物流所追求的目標重要性的變化趨勢，引入罰函數系數來實現不同階段應急物流的時效性、經濟性、風險性三個目標的均衡。最后建立了應急物流網絡優化模型，為保障應急物資運送的暢通性、時效性和安全性提供輔助決策方案。

關鍵詞：適應性供應鏈；應急物流；網絡優化

中圖分類號：F252.21 文獻標識碼：A 文章編號：1009-9107(2010)04-0061-07

一、引言

我國是一個災害頻發的國家，特別是2008年的“南方雪災”和“四川大地震”帶來了巨大損失。在應對這些特大自然災害的過程中，應急物流的重要性一次次凸顯，可以說應急物流的快速實現是救援成功的基本保障，是災區人民的生命線。同時，在抗災救災中也暴露出了我國應急物流存在的許多問題。應急物流(emergenCy logistiCs)是針對可能出現的突發事件做好預案，并在事件發生時能夠迅速付諸實施的物流活動。科學合理的應急物流網絡可以縮短緊急救援半徑，最大程度上減少損失，是應急物流快速實現的基礎，具有很強的經濟效益和社會效益。因此，應急物流網絡優化問題成為一個非常重要的研究課題。

國內外關于物流網絡設計的理論研究源于分銷網絡設計，形成了不同的研究方向，也取得了較為豐富的成果。目前的研究逐漸趨向于關注供應鏈網絡的協調性、適應性、集成化。適應性供需網絡正在日漸引起學術界與企業界的關注。Min和Zhou認為供應鏈的集成模型大致有兩類，一類是建立在混合整數規劃基礎上的定量數學模型，另一類是定性討論模型。Geoffjiron和Graves最早采用整數規劃模型研究了多商品分銷系統的設計，并且利用Benders分解算法求解問題。Cohen和LeesC提出了一個基于全球化戰略的供應鏈資源配置混合整數規劃模型。Brown，et al提出了一個多商品制造分銷的網絡設計的混合整數規劃模型，該模型比上述模型多考慮了工廠的關閉、設備的分配以及多種產品直接從廠家銷售到顧客等情形。Kim和Lee[7]討論了多階段的基于供應鏈管理思想的有容量約束的產品分銷網絡設計問題，Sim基于拉格朗日松弛法的啟發式算法對類似問題進行求解研究。近年來國內對網絡設計也進行了大量研究，金海和、陳劍等提出了基于0-1整數規劃的分銷配送網絡優化模型，針對多工廠、多產品、多客戶進行網絡設計。趙曉煌、汪定偉提出了供應鏈中二級分銷網絡優化設計的模糊機會約束規劃模型。黃海新、武利勇等對多工廠、單產品、多客戶的二級分銷網模型，設計了一種具有簡單基因編碼方法的遺傳算法進行求解。李延暉、馬士華等提出了基于時間約束的供應鏈配送系統隨機模型，討論了如何將非線性隨機規劃問題轉化為確定性等價問題以便于求解。已有成果主要集中在以分銷成本最低為目標，進行分銷網絡的設計和算法的研究。

由于應急物流環境的動態性與復雜性，應急物流網絡優化不同于一般物流網絡優化問題，應急物流網絡應具有很強的適應性。國內外關于應急物流領域的研究已有不少文獻，但從適應性供應鏈的角度研究應急物流網絡優化問題的還很少見。本文在前期研究的基礎上，基于適應性供應鏈的核心理念——學習、創新、持續改善，給出適應性供應網絡的概念模型，構建敏捷性、適應性很強的應急物流網絡系統。并將應急物流系統的運行分為四個不同階段，分析不同階段應急物流所追求的目標重要性的變化趨勢，引入罰函數系數來均衡應急物流的時效性、經濟性、風險性等目標，建立應急物流網絡優化模型。

二、適應性供應網絡的概念模型

適應性供應鏈的產生不僅是供應鏈自身不斷發展完善的結果，更是不確定性環境下催生的新型運作方式。Lee.Hau教授指出“最好的供應鏈不僅是快速、低成本和高效益的，而且是靈活、適應性強并能保證供應鏈上所有節點組織利益保持一致的供應鏈。”適應性供應鏈不僅解決了節點之間的無縫銜接，更為實時滿足顧客需求，增強供應鏈各節點組織應對不確定環境的能力提供了技術支持。適應性供應網絡目前并沒有明確的嚴格定義。適應性供應網絡能夠實時感知需求的變動，通過供應鏈同步來為合作伙伴提供正確信息，以便于鏈上合作伙伴能夠攜手對出現的變化做出柔性響應，敏捷地適應新形勢。同時，適應性供應鏈系統通過敏感監視各節點組織的戰略、內部運營等關鍵因素從整體上把握網絡的構建與優化。因此，適應性供應網絡是以先進技術為支撐，以學習和創新為核心，持續改進供應鏈系統的整體性能，為應對動態多變的環境和滿足不確定性需求而做出敏捷和柔性響應的組織網絡。適應性供應網絡的概念模型可以用圖1表示，由一個“規劃——運行”的前饋環和一個“感知——適應”的反饋環構成。

三、應急物流網絡的構建

(一)應急物流的動態環境

應急物流作為一種特殊物流活動，有著突發性、不確定性、弱經濟性、非常規性等特點。與常態物流相比較，應急物流環境險惡、動態復雜，任務緊急突然，因此組織協調相當復雜。從“5.12”汶川大地震可見應急物流環境的險惡性與動態性。汶川地震發生的8小時之內，余震不斷，通信、公路中斷，而且由于地形和氣候等因素，空中運輸也受到了極大地阻礙。地震發生的36小時之內，大雨加劇了水庫崩堤的危險性，造成了山體滑坡、山洪和泥石流，救援人員嚴重受阻。地震發生的168小時之內，隨著堰塞湖水位的上升，堰塞湖可能潰壩及其所造成的衍生災害的風險增大。可見，如此特大自然災害發生后，災害沿著衍生、次生及相互耦合的演化方向發展，災害后果具有明顯的持續演化過程。這使得應急物流運行環境復雜多變，搶險救災任務異常艱巨，同時應急物流系統本身在進行緊急保障活動時，也有可能遇到突發性攻擊，從而造成整個應急物流網絡癱瘓，給整個社會造成更為嚴重的后果。

(二)應急物流網絡構建的基本思想

應急物流網絡是為應對突發事件中的強需求、短周期的物流而構建的供應鏈網絡，是應急物流通道暢通的根本保障。應急物流的任務與環境決定了應急物流網絡必須具有很強的適應性。因此，應急物流網絡構建應著眼于網絡的特殊環境適應性，其基本思想是基于適應性供應鏈的概念模型，通過網絡與外界環境實時信息溝通與反饋，從應急物資儲備庫的功能設置、結構、布局，到應急物流中心的選址和各節點間的供給配置與運輸線路，體現網絡系統的感知、學習與創新能力，形成預警預報系統，建立應急物流專家庫以及應急物流專家輔助決策系統，持續改進網絡系統，提升系統整體的功能，增強網絡對動態環境的適應能力與風險抵御能力，保障應急物資運送的暢通性、時效性和安全性。

(三)應急物流網絡的系統構成

應急物流網絡的構建是一個復雜的系統工程，大量的基礎工作是在平時完成。只有預先構建一個適應性很強的虛擬網絡，制訂科學完善的應急物流預案，才能確保在應對突發事件中快速反應、果斷處置、搶險救災。應急物流網絡的系統構成如圖2所示。

應急物流網絡的構建首先要解決系統靈魂與神經中樞的問題。例如，美國聯邦緊急事務處理部(FEMA)里常設物流管理專門單位，當地震、颶風、火山、洪水等自然災害發生時，美國政府就會立即宣布進入聯邦緊急狀態，并啟動應急計劃，所有防災救災事務的統籌由FEMA負責。借鑒美國的先進經驗，結合我國實際國情，我國應建立一個常設的專業性應急物流指揮中心，專門負責突發事件下的應急物流工作。平時主要負責救災物資的管理儲備、預測各類救災物資需求、規劃和設置救災物流中心及配送路線等。

要確保在應對突發事件時有物可流，必須從源頭上解決，抓好應急物資儲備庫的建設。目前，我國僅在哈爾濱、沈陽、天津、合肥、鄭州、武漢、長沙、南寧、成都、西安等10個城市設立了中央級救災物資儲備庫。2008南方冰雪災害和汶川大地震的發生，暴露出了我們的應急物資儲備存在許多問題，不能對重大災害做出快速反應，儲備中心的緊急救災職能也得不到充分發揮。儲備庫的建設應借鑒發達國家及我國歷年應對突發事件的經驗，依據集中儲備與分散儲備相結合的原則，合理規劃各類物資的儲備布局，優化儲備結構，科學預測調控儲備規模，增強系統的整體應急能力。

為了提高應急物流的反應速度和效率，必須建立靈活高效的應急物流中心與配送中心，對應急物資進行合理的調撥、分揀、包裝、加工，保證救災物資有效的分類，在最短的時間內配送到目的地。同時，緊急采購或捐贈的救災物資需要匯集至應急物流中心，統一配送至災區救災物資集中發放點或避難所。

應急物流網絡想要充分發揮其作用，保障物資運送暢通，還需要建立應急物流專家庫以及應急物流專家輔助決策系統，根據可能預見的、不同類型的自然災害，在重點考慮運輸路線的時效性和安全性后，事先規劃運輸預案。

四、網絡優化模型

(一)問題的描述及假設

根據在突發事件的應對過程中，應急物流在目標、執行主體、外部環境等方面的變化，以及應急物流與一般商業物流的差異點的演變，應急物流系統的運行可劃分為四個階段，即：日常管理階段、應急啟動階段、平衡運行階段和善后處置階段。不同階段應急物流擔負的使命不同，應急物流管理的目標隨之變化，所以應急物流網絡也必須與之相適應。不同階段應急物流所追求的目標的重要性變化趨勢分析如圖3所示。

在日常管理階段主要是為突發事件爆發后保障物資供應進行各項準備工作，設計靈活、完善、全面、操作性強的應急救援物資保障預案。當突發事件發生后立即進入應急啟動階段，這一階段物流環境險惡多變，首要任務是不惜一切代價搶救受災群眾的生命安全，此時應急物流的目標是追求時間效益最大化和災害損失最小化。因此，應急物流網絡系統優化最重要的目標是時效性，經濟性與風險性的重要性甚至低于日常管理階段的正常運行水平。當進入平穩運作階段時，已經可以較為準確地掌握救援物資需要種類、數量，突發事件受到控制。逐步過渡到善后處理階段時，外部環境趨于穩定，所以在物資需求、供給、外部環境等方面與一般商業物流的差異逐漸消除。

無論在任何時段，應急物流網絡優化是一個考慮時間、經濟、風險等多目標規劃問題的系統，本文仍以系統網絡總成本最小為優化目標，采用罰函數法同時考慮時效性與風險性。引入兩個罰函數系數構建網絡優化模型，一是延期交貨罰函數系數，它定義為系統需求延期滿足對目標函數的單位增加值；二是風險罰函數系數，它定義為系統風險超過規定風險對目標函數的單位增加值。這樣，可以根據不同時段目標重要性趨勢選擇不同的罰函數系數來實現模型在三個目標之間的均衡。現作如下假設：

1 各種待建設施只在給定的備選點中選址，這些備選點都可以在日常系統運行機制下進行科學仿真，并能較好地滿足應急啟動階段救援的需求。

2 應急物資的供應量與需求量可以通過應急物流指揮中心的實時信息跟蹤獲取。

3 各節點的容量、建設和運營成本可以預測。

4 各節點間的單位運輸成本、運輸時間、運輸風險可以通過系統仿真學習積累得到，且與運量呈線性關系。

(二)模型的符號說明

S為供應源的點集，S_h為供應源h的供應能力；

L為應急物流中心的點集，L_i為應急物流中心i的處理能力，C^l_i為應急物流中心i的建設與運營成本，T^l_i為應急物流中心i的建設與啟動時間，R^l_i為應急物流中心i的建設與啟動風險。

D為應急配送中心的點集，D_e為應急配送中心e的處理能力，C^d_e為應急配送中心e的建設與運營成本，T^d_e為應急配送中心e的建設與啟動時間，R^d_e為應急配送中心e的建設與啟動風險。

R為救災需點的點集，R_i為救災需求點j的需求量。

T_ELN為網絡系統要求的響應時間，R_ELN為網絡系統要求的風險系數。

C^L_hi為從供應源h到應急物流中心i的單位運輸成本，C^d_ie為應急物流中心i到應急配送中心e的單位運輸成本，C：為應急配送中心e到救災需求點j的單位運輸成本。

T^L_hi為從供應源h到應急物流中心i的單位運輸時間，C：為應急物流中心i到應急配送中心e的單位運輸時間，T^R_ei為應急配送中心e到救災需求點j的單位運輸時間。

R^L_hi為從供應源h到應急物流中心i的單位運輸風險，R^D_ej為應急物流中心i到應急配送中心e的單位運輸風險，R^R_ej為應急配送中心e到救災需求點j的單位運輸風險。

(三)決策變量與罰函數系數

x_hi為供應源h到應急物流中心i的運量，y_ie為應急物流中心i到應急配送中心e的運量，z_ej為應急配送中心e到救災需點j運量。

u_i為是否在i點建設應急物流中心的0-1變量，是取1，否取0。

v_e為是否在e點建設應急配送中心的0-1變量，是取1，否取O。

CT_EIN為延期交貨罰函數系數，表示需求延期滿足的單位處罰成本。

CR_EIN為風險罰函數系數，表示系統風險超過規定風險系數的單位處罰成本。

其中，CT_EIN和CR_EIN在應急物流不同階段選擇不同值，如在應急啟動階段，CT_EIN要選擇充分大的系數，甚至使得延期交貨處罰成本占目標函數的主要權重，而CR_EIN選擇較小的系數，從而體現網絡系統優化的主要目標是應急物流的時效性。

(四)數學模型

上述模型目標函數中第一部分為網絡建設與運輸成本，第二部分為應急物資不能按時供應到救災需求點的處罰成本，第三部分為系統運行風險超過規定的處罰成本。約束(1)是供應源的供應能力限制，包括所有儲備庫、捐贈與緊急采購貨源；約束(2)是的應急物流中心的處理能力限制；約束(3)是應急配送中心的處理能力限制；約束(4)為救災需求點的需求量限制；約束(5)和(6)是節點容量平衡限制；約束(7)到(9)限制了變量的取值范圍。

五、算例分析

(一)算例

某地區發生8級大地震，在受災最嚴重的震中地區設兩個救災物資集中發放點。在應急啟動階段，為快速救援受災群眾，現選定三個應急物資供應點，其中兩個來源于儲備庫，一個來源于應急采購和捐助物資。擬從三個備選應急物流中心選擇運營，另外需要在三個備選地點臨時搭建應急配送中心，表1顯示了應急物流網絡上節點之間的單位運輸成本(單位：千元／百噸)和單位運輸時間(單位：小時／百噸)，各節點的容量配置見表2(單位：噸)，備選物流中心及配送中心的運營與建設成本(單位：千元)見表3。為最大限度的搶救生命，物資從供應點到救災物資集中發放點的時間系統要求為72小時，假設不考慮系統風險，且應急物流中心能立即投入使用，臨時搭建應急配送中心的時間為20小時，現需要進行應急物流網絡設計，問物流中心和配送中心如何選擇，節點之間怎樣進行供給配置，才能合理配置資源對受災群眾實現快速救助?

(二)求解及分析

在應急啟動階段，網絡系統優化的主要目標是應急物流的時效性，因此，選擇罰函數系數CT_EIN為99；若不考慮系統風險，則取CR_EIN為0。應用LIN-GO11.0對該問題進行編碼調試并求解得到優化方案：只啟用應急物流中心1和3，搭建臨時應急配送中心2和3，具體選址及配送路徑方案如圖4所示，圖中數字代表節點之間的供給配置量(單位：百噸)。

通過算例分析可見：本文給出的應急物流網絡的設計模型，通過科學選擇罰函數系數來實現不同時段目標重要性的均衡，使得模型既能滿足應急物流的多目標，又能適應應急物流的動態環境；并且模型使用靈活方便，只要采集到相關數據，應用LIN-GO11.0進行編碼、調試即可求得最優解。

六、結論

由于在突發事件中物資需求規模劇增，供應鏈模式由簡單轉向復雜，過渡保障出現不連續性，導致組織干預失靈。因此，應急物流網絡的構建與優化應著眼于環境的特殊性與任務的緊急性，大量的基礎工作是在平時完成，而不是在突發事件發生后才開始構建。只有預先構建一個適應性很強的虛擬網絡，制訂科學完善的應急物流預案，才能確保在應對突發事件中快速反應、果斷處置。本文認為應急物流網絡構建的基本思想是基于適應性供應鏈的概念模型，在應急物流的日常管理階段，借助系統神經中樞——應急物流指揮中心的高智能，通過網絡與外界環境實時信息溝通與反饋，不斷積累經驗，體現網絡系統的感知、學習與創新能力，形成預警預報系統，建立應急物流專家庫以及應急物流專家輔助決策系統，持續改進網絡系統，增強網絡對動態環境的適應能力與風險抵御能力。根據在突發事件的應對過程中，應急物流在目標、執行主體、外部環境等方面的變化，將應急物流系統的運行可劃分為四個階段：日常管理階段、應急啟動階段、平穩運行階段和善后處置階段。不同階段應急物流擔負的使命不同，應急物流管理的目標隨之變化，所以應急物流網絡也必須與之相適應。本文通過引入兩個罰函數系數來均衡應急物流的時效性、經濟性、風險性等目標，建立了應急物流網絡優化模型，并通過算例分析給出了應急啟動階段的一個網絡設計方案，同時也驗證了模型的可行性和有效性，為保障應急物資運送的暢通性、時效性和安全性提供輔助決策方案。