城市物流配送仿真調度系統設計及實證分析

張 潛

(華僑大學 商學院/物流系統工程研究所，福建 泉州 362021)

城市物流配送仿真調度系統設計及實證分析

張 潛

(華僑大學 商學院/物流系統工程研究所，福建 泉州 362021)

結合仿真調度的特點，提出城市物流配送仿真調度系統總體設計方案，根據準時配送和成本最低的要求，建立城市物流配送仿真調度系統運行機制模型，并對城市共同配送問題進行模擬仿真實例分析，證明該方法的有效性。

城市物流配送；仿真調度；系統設計

20世紀80年代后期，計算機仿真技術不斷發展，其研究手段與人工智能相結合，出現了仿真調度。定位-運輸路線安排問題(location-routing problem, LRP)是定位-配給問題和運輸車輛路線安排問題的集成。城市物流配送多目標LRP優化調度問題具有復雜性，準時完成配送服務并且盡可能減少運輸成本是城市物流配送系統仿真調度重點要解決的問題。本文在研究城市物流配送LRP復雜性和建立模型的基礎上，提出城市物流配送仿真調度系統總體設計方案，同時建立城市物流配送仿真調度系統運行機制模型，為進一步開發城市物流配送優化調度軟件奠定基礎。

一、仿真及仿真調度

仿真是使用計算機模擬復雜系統的行為，以對各種條件下系統的性能進行深入的了解。可見，仿真是一種有效的實驗手段，它為一些復雜系統創造了一種計算機實驗環境，使系統的未來性能和長期動態特性能在極短的時間內在計算機上得到實現。

仿真調度又稱擬實調度，是擬實制造中以控制為中心的流派的代表。它是指在計算機中，像在真實世界中一樣，用擬實模型描述擬執行的生產調度過程，以期在真實執行之前，預測調度方案的可行性、生產吞吐率、庫存量、堵塞率指標，在不同條件下評價與分析生產系統的性能，從而實現優化生產。仿真調度的產生與調度問題在實際生產中所處的地位和研究現狀是分不開的。調度問題處在生產與管理系統的中間層，調度決策水平是現代企業穩定高效運轉的決定性因素之一，調度問題的解決也是擬實制造得以實施的關鍵性技術之一。但因調度問題的復雜性，傳統的方法難以處理多變的實際情況，因此人們開始嘗試使用仿真方法，通過建立人機和諧的環境解決這一難題。仿真調度的優點是可以軟件方式進行生產系統與生產過程的優化設計及測試，增進對生產過程及系統的進一步了解，節約成本，在生產過程中實現及時反饋，通過引入具有虛擬現實特征的嵌入式人機接口關系，將人的智慧和能動性融合于系統中，處理復雜多變的實際情況。仿真調度的關鍵是仿真調度系統與實際生產系統的協調。人們通過探索，得到在仿真擬實系統中利用實際系統資源的途徑。在與基礎自動化系統進行設備和軟件共享方面，Catherine、Arne和Leo提出將仿真與控制系統結合的方法，設計一個具有實時監控和仿真與決策支持兩種工作模式的軟件。在數據庫信息共享方面，探索了模型數據共享歷史數據共享。如O.Byung從已有信息數據庫中獲取模型信息，通過轉化生成仿真模型；Arme和Laure也提到可以利用歷史數據作為模型的輸入，或者從歷史數據獲取某一變量的統計分布。這些探索為仿真擬實調度的實施提供了很有價值的參考。

仿真(擬實)調度系統由調度算法模塊、仿真運行引擎、人機交互模塊和相應的數據庫組成，其框架結構如圖1所示。

圖1 仿真調度基本系統框架結構

二、城市物流配送系統分析

城市物流配送系統的定義為：在城市范圍內從事物流配送服務的公司在市場經濟框架下，對物流和運輸活動進行總體優化的過程，在這個過程中還要考慮諸如交通環境、交通堵塞、能源消耗等因素。

城市物流配送系統的構成要素包括物流基礎設施、物流裝備、物流網絡、物流管理、物流信息系統等。[1,2]物流基礎設施包括：①運輸線路，如公路、河道、管道等；②物流基地，如物流中心、配送中心、倉庫等。物流裝備包括車輛、船舶、搬運裝置、裝卸裝置等。物流網絡包括運輸路線的配置、物流基地的配置、物流節點之間的配置。物流管理包括各種設施、裝備、網絡的運行、指揮、協調、組織等。物流信息系統是架構在整個物流配送系統中的信息系統，其作用主要是組織協調整個物流配送系統的工作，支持系統中各個要素之間的信息交互，存儲客戶需求、車輛路線安排等歷史數據，同時提供科學的系統優化。總之，城市物流配送系統的目標包括兩個方面：一方面，物流配送企業為了自身的利益，要盡量降低物流成本，增加客戶滿意度；另一方面，由于其活動范圍是在城市內，其活動要考慮城市的公共利益，即要減少交通堵塞。具體的系統目標如下：準時到達客戶點；提高車輛應用率(降低成本)；提高道路應用率(減少交通擁擠)。

三、城市物流配送仿真調度系統的總體設計

物流配送路徑優化調度設計要求達到以下目標[3,4]。①功能目標包括：實現對車輛、客戶、運輸時間等生產資源的管理功能； 實現對配送資源之間以及配送資源與車輛路徑之間的約束關系的調整功能；實現各配送要素，包括交貨期、裝載量、配送路徑等的調整功能；實現配送路徑多目標組合功能；實現配送優化路徑結果的顯示輸出及調整功能。②效益目標包括：在準時到達客戶點(送貨)的前提下，提高車輛應用率，最大限度地降低成本；減少提前或拖期送貨；提高道路應用率，最大限度地減少交通擁擠；保證客戶需求量。城市物流的總體功能結構如圖2所示。

圖2 物流配送路徑優化調度系統總體功能

四、城市物流配送仿真調度系統的設計分析

1.城市物流配送仿真調度系統的設計核心

在城市物流配送仿真調度系統中，其核心的調度程序要完成的工作有：依照控制程序調入的數據選擇發貨的配送中心，選取車輛，配載車輛，安排發車時間，選擇行車路線。如果把所有的配送中心看做潛在的設施，而把實際的道路虛擬成行車路線，這個調度程序實質上就是一個帶有時間限制的LRP優化過程。這是整個系統的核心，也是研究的難點。城市物流配送系統的具體實現方案是千差萬別的，這主要是由配送業務自身的定位決定的。比如服務的客戶是企業還是普通居民，配送的貨物是品種相對單一的大批量貨物還是品種繁多的小批量貨物等，都將影響其信息系統的具體實現方案。每個物流配送系統都要涉及選址、安排路線等決策過程，因此,LRP優化方法是整個系統的核心。

2.城市物流配送仿真調度系統的運行機制

在靜態仿真調度系統的運行機制基礎上，提出基于遺傳算法的自適應辨識型多目標LRP仿真調度系統。既保證調度方案的最優選擇，又可獲得根據實際物流配送的調度方案，確定實際配送系統的特性，如送貨時間、運輸成本，提供給仿真器，實現準確模擬實際系統。通過引入辨識器[5,6]，作為自校正控制機制，適應對象特性的緩慢變化。系統輸入經過過濾器實現了實際數據的預處理[7，8]。其結構如圖3所示。

圖3 自適應辨識型物流配送系統

五、模擬仿真算例

1.模擬仿真算例說明

某區域內7家零售企業現共有19家銷售門店Ai(i=1,2，…，19)，5處配送中心Pj(j=1,2,…，5)。為了提高物流配送效率，降低物流運作成本，現決定在原有的配送基礎上(如表1所示)實行共同配送。現在以原來5處配送中心作為備選中心，選擇3處建立共同配送中心。已知各配送中心及銷售門店的坐標以及需求量、單位量、單位距離的配送費率。

表1 各配送中心所負責的銷售門店

2.模擬共同配送方案

通過仿真調度實驗，可初步確定該區域7家零售企業實施共同配送所需3處共同配送中心建設位置、配送中心覆蓋范圍和配送路徑(以P1負責范圍為例說明)。建設共同配送中心的位置分別為：P1、P2、P4。被選定配送中心所負責配送銷售門店分別為：P1負責A1、A2、A3、A4客戶的配送；P2負責A5、A6、A7、A8、A9客戶的配送；P4負責余下客戶的配送。P1所負責銷售門店的配送路線為：(P1→A4→A1→A2→P1)和(P1→A3→P1)。依據表1，可計算出原有配送中心的總配送費用為82 812.42元，重新選址后產生的總配送費用為24 276.35元，可見實行共同配送在重新選址之后，理論上配送費用得到大幅度減少。

六、結 語

本文以系統仿真調度的原理為基礎，設計了城市物流配送系統的總體功能結構、仿真調度系統結構，從而完成了城市物流配送多目標LRP的優化調度仿真系統設計。結合共同配送仿真調度實驗，建立共同配送仿真調度方案，是提高企業配送效率、提升企業競爭力、優化社會資源配置、保護社會生態環境的有效途徑。應用定量和定性相結合方法的城市物流共同配送是現代城市物流配送的發展趨勢。

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Systemdesignofsimulationschedulingforcitylogisticsdistributionandempiricalanalysis

ZHANG Qian

(College of Business/Institute of Logistics Systems Engineering, Huaqiao Univ., Quanzhou 362021, China)

Combined with the characteristics of simulation scheduling, the paper proposed the general design scheme of simulation scheduling system for city logistics distribution. Then it built up the operation mechanism model of simulation scheduling system for city logistics distribution according to two demands, i.e. distribution on time and the total cost minimized. Finally, the example analysis of simulation was given to city joint distribution problem to prove the effectiveness of this method.

city logistics distribution; simulation scheduling; systematic design

1671-7041(2010)01-0045-03

F253.4

A*

2009-07-23

霍英東教育基金會第十屆高等院校優選資助課題(104009)；遼寧省教育廳青年基金資助項目(2004F013)；廈門市2009年產學研項目(2009022)

張 潛(1971-),女，沈陽人，博士，副教授