基于MATLAB的動態湖北省省內運糧路徑選擇

○馮妮丹 劉 穎 (華中農業大學經濟管理學院 湖北武漢 430070)

一、引言

糧食物流是指糧食從生產、收購、儲存、運輸、加工到銷售整個過程中的實體運動以及在流通環節的一切增值活動。它是涵蓋糧食運輸、倉儲、裝卸、包裝、配送、加工增值和信息應用的一條完整的環節鏈。在眾多的環節之中，糧食的運輸方式和運輸路徑選擇是最重要的環節也是最為核心問題。糧食物流的效率高低，很大程度上取決于能否科學地選擇糧食運輸方式，以及能否運用科學的方法規劃糧食運輸路徑。

二、傳統的三種運輸方式

眾所周知，在我國糧食物流過程中主要有三種運輸方式供選擇——鐵路、水路和公路，并且每一種運輸方式都有其各自的優點和缺點。

1、鐵路運輸特點分析

鐵路運輸糧食最大的特點就是運輸量比較大，速度相對其他方法來說較快。但是鐵路運糧的缺點也比較明顯，由于受到鐵路鐵軌鋪設地域的限制，一些相對落后的地區會因為沒有鐵路線路經過而無法通過鐵路運輸直接獲取糧食。以湖北省境內的鐵路線路網的鋪設狀況來看，僅在幾個主要鐵路干線沿線的城市可以實行鐵路運糧，缺乏運輸上的靈活性和廣泛適用性，因此鐵路運輸短期內不太可能成為省內最主要的糧食運輸方式。

2、水路運輸特點分析

水路運糧，總體上來說，從全國范圍來看使用率都是比較低的。這可能主要因為水路運輸對于天然的河流湖泊等航道水運條件和港口作業條件都有較高的要求。因此，水路運糧盡管被公認為是成本最低，消耗和污染最小的綠色物流方式，但是長期以來也缺乏實際操作上的可行性和便捷性，不可能成為我國最主要的糧食運輸方式。湖北省是千湖之省，其中長江是最為重要的“黃金水道”。雖然在長江和漢江的兩岸分布有我省眾多的縣市，但是如果僅僅依靠水路運輸糧食，仍然會有很多遠離江河湖泊的地區面臨糧食運輸上的困難。

3、公路運輸特點分析

相比之下，公路運輸具有上述兩種運糧方式不可比擬的優點。首先，不像鐵路和水路運輸那樣，公路運輸可以輕易實現“門對門”運輸,尤其是運用在湖北省省內糧食物流這樣的中短途運輸。由于貨運汽車相對于火車和船舶來說體積較小，且不受鐵路軌道或路徑的限制，因此，汽車運糧不僅在公路網上實現，還可以深入鐵路和水運交通不太發達的山區、農村、工廠企業和居民住宅區，基本上可以實現“門對門”的運輸。其次，湖北省省內糧食物流運輸屬于中短途運輸，而公路運輸在中短途運輸中恰好具有機動靈活，便于調配管理的特點。一般來說，公路運輸網要比鐵路運輸網和水路運輸網的密度大十幾倍，并且分布非常廣泛，這一特點對于其實現靈活調配非常重要。公路運輸車輛可以輕易實現隨時調度、裝運和各環節之間無縫銜接。根據具體運糧量的不同，汽車可以很容易進行運量的調整，很快適應，比如，運量小時可以單個車輛運輸，運量大時可以組成車隊集體運輸，這一特點在出現緊急情況的時候顯得尤為重要。再次，公路運輸的主要的固定投入為貨運汽車購置費用，相對于其他運輸方式原始投入最少，資金周轉最快。據有關資料表明，在正常經營情況下，公路運輸的投資每年可周轉1—3次，而鐵路運輸則需要3—4年才能周轉一次。然而，公路運輸的缺點也顯而易見。汽車運輸的運量是鐵路、水路和公路三種方式中最小的一種。與此同時運輸成本也是最高的，據統計我國的公路運輸成本大致相當于鐵路運輸成本的8倍左右。汽車運輸消耗的燃料量很大，且是價格較高的液體汽油或者柴油。

三、運輸方式的選擇

綜合以上分析，公路運輸由于其本身固有的便捷和靈活的特性成為這三種主要糧食運輸方式中使用最為主要的一種運輸方式，因此，在規劃湖北省糧食物流運輸方式的時候，應該著重考慮采用公路運輸并且輔之以其他可行的糧食運輸方式。誠然，在具體的公路運送糧食的過程當中，更多的細節性的問題需要科學地規劃。比如，眾所周知汽車相比較鐵路和水路運輸成本來說較高，但是由于其使用上的靈活性，在湖北省省內運輸中就不可回避的大量使用汽車運輸糧食。因此，為了達到降低消耗和提高效率的目的，就應該在使用汽車運輸的時候運用科學的方法設計最優的運輸線路，盡可能提高汽車運輸的效率，減少消耗。

四、基于MATLAB的湖北省糧食物流動態公路路徑規劃

1、MATLAB 簡介

MATLAB軟件是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，是一種以矩陣形式對數據進行高效分析的專業軟件。該軟件編程語言通俗易懂，程序可讀性很強，并且通過運用系統自帶的各種工具箱很容易滿足數據分析的各種需求。本文采用MATLAB7.0軟件及其系統自帶的最優化工具箱經行程序運行和物流公路路徑的選擇。

2、動態公路路徑規劃及MATLAB算法簡介

動態規劃是由Richard Bellman在1959年引入最優化領域的一個新的理論，該理論為現代控制論的三個基礎之一，因此具有舉足輕重的作用。由于在實際的糧食運輸時候，運輸方需要考慮路線尋優問題，而物流運輸路線往往是無向的。也就是說，比如考慮在兩個城市武漢和襄樊之間，既可能存在從武漢運向城市襄樊的情況，也可能有從襄樊運向武漢的時候。因而，本文涉及的是無向圖的公路路徑最優搜索。無向圖處理的關鍵在于構造關聯矩陣，表示各個城市之間的道路連接情況。可以先按照有向圖的方式構造關聯矩陣R，則無向圖的關聯矩陣可由R1=R+RT計算。

算法如下：各個糧食運輸城市的地理坐標以（北緯，東經）的方式給出，且給出各個城市之間的公路連接關系，將連接的權值設置成1。邊權值可以由兩城市間的Euclid距離計算處理，這樣一來，糧食運輸的公路路徑規劃問題便可以的到解決。兩個運糧城市之間的最短公路路徑可以通過Dijkstra最短公路路徑算法直接求出。如果指定了起始城市坐標，該城市到其他所有城市的最短公路路徑可以一次性求出來。Dijkstra算法的具體程序如下：

3、應用舉例

考慮從襄樊到湖北省各主要州市的糧食運輸公路路徑選擇問題。襄樊市位于鄂西北，是我國重要的糧食主產區，國家大型商品糧基地和“一優兩高”農業示范區，湖北省產糧大市，轄區之內有襄城糧庫、宜城糧庫、棗陽糧庫、樊東糧庫等四座糧庫。目前，襄樊糧油倉儲及農副產品現代物流園區的建設工作正在進行當中。該糧食物流園區的建設，將使得襄樊依托其自身糧食生產和加工的優勢，使其成為現代糧食物流的主要節點。

為了簡化問題，現僅選取湖北省的十二個主要城市進行糧食運輸公路路徑規劃。其中涉及的湖北省十二個主要城市的地理坐標如表1所示。

表1 湖北省十二個主要城市的地理坐標

表1所有地理坐標數據來源于GOOGLE EARTH并經過整理得到。以下程序中的關聯矩陣中的數據來源于百度地圖，表示湖北省省級以上級別公路在這十二個城市間分布情況。公路鋪設情況數據來源于《中國高等級公路網（地圖冊）》。例如，當n1=1,n2=2時表示在武漢和鄂州之間有一條省級以上級別公路。以從襄樊到宜昌的運糧路線規劃為例進行說明，本例中涉及的MATLAB動態公路路徑規劃程序如下：

4、結果說明

經過MATLAB軟件運行過后得到的最短公路路徑選擇結果是8→5→11。即通過該公路路徑規劃程序運行得到的結果顯示，從襄樊運送糧食到宜昌，在僅考慮十二個城市節點以及這些城市之間省級以上公路分布情況來看，最優的公路路徑為從襄樊出發，途徑荊門，最后到達宜昌。

表2 從襄樊到其他十一個城市的路徑規劃結果

另外，只需要修改dijkstra(R.*D,8,11)中的第二個城市的序號，就可以通過以上的程序很快得出任意襄樊到其他任意十一個城市之間糧食運輸的最優公路路徑選擇結果。最優路徑選擇結果如表2所示。

5、可行性說明

本文所運用的公路路徑選擇方法具有形象直觀，操作簡便等優點。當需要考慮湖北省更多的城市間的公路路徑選擇問題時，僅需要添加額外的城市地理坐標——增加或者修改x,y的參數，增加公路分布情況數據——增加或者修改n1,n2的數據即可，并不需要重新編程。

6、幾個需要注意的問題

第一，為了提高公路運輸的質量，糧食物流企業應該想辦法保證上路運輸車輛的質量和性能，以此來降低車輛的維修和油耗成本。與國內的物流企業不同，但凡國外營運良好的物流企業都非常重視物流作業車輛的性能和養護，使用清潔燃料，減少能耗及尾氣排放。他們通常不惜花重金去購置性能優越的貨運車輛，希望減少物流車輛的維修率，提高單臺車輛的使用率。

第二，應該注意大力發展第三方物流，充分發揮專業化優勢。湖北省傳統的糧食物流很多都是由糧食生產和銷售企業兼營的，并不成為主營業務，因此效率低，成本高，不能實現糧食物流資源的合理優化配置，更加無法發揮專業化的優勢。而現有的物流企業又大多規模較小，管理及運作效率低下，很難享受規模經濟帶來的好處。如果在以后糧食物流產業發展過程之中注意整合資源，糧食生產企業更多的將糧食物流業務外包給專業的物流企業，必定會對提高效率，擴大規模，降低成本有所幫助。

第三，著重建立糧食物流信息平臺，使交易信息更加透明，使市場交易更加活躍。這樣一來，可以以整個糧食物流市場為基礎，對運輸線路進行合理布局與規劃，通過縮短運輸路線，提高車輛裝載率等措施，實現節能減排的目標。

五、小結

經過將鐵路，水路和公路等三種運送糧食的方式經行分析和比較，鑒于湖北省省內運送糧食的中短途運輸的特點，以及公路運送糧食在中短途運輸中特有的便捷性和靈活性，湖北省糧食物流運輸應該主要采取公路運輸方式并且輔之以其他可行的運輸方式。糧食物流企業在運輸過程中應該運用科學的方法將整個糧食物流過程進行規劃，比如應該正確選擇最佳運輸公路路徑以節省時間和費用。本文介紹了一種基于MATLAB軟件的動態公路路徑規劃方法就是其中一個可以借鑒的公路路徑選擇方法之一，只需要改變其中的參數就可以便捷地計算出任意兩個城市之間的最短運輸路線。

[1]薛定宇、陳陽泉：高等應用數學問題的MATLAB求解（第二版）[M].清華大學出版社，2008.

[2]中國高等級公路網（地圖冊）[Z].西安地圖出版社，2002.

[3]候立軍等：中國糧食物流科學化研究[M].中國農業出版社，2002.