基于GIS的西安煙草物流配送線(xiàn)路優(yōu)化系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

一、研究?jī)?nèi)容及設(shè)計(jì)目標(biāo)

“基于GIS的西安煙草物流配送線(xiàn)路優(yōu)化系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”課題在分析了西安煙草公司物流業(yè)務(wù)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)電子地圖引擎定制煙草電子地圖，將煙草銷(xiāo)售業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)矢量化，通過(guò)對(duì)電子地圖數(shù)據(jù)的應(yīng)用，優(yōu)化物流配送線(xiàn)路，達(dá)到縮短配送周期、降低配送成本、提高服務(wù)質(zhì)量等目標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)銷(xiāo)售區(qū)域的趨勢(shì)進(jìn)行宏觀的分析，以滿(mǎn)足宏觀把握，提供輔助決策支持；實(shí)現(xiàn)以GIS應(yīng)用為基礎(chǔ)的煙草物流配送線(xiàn)路優(yōu)化，有效提高物流作業(yè)環(huán)節(jié)的工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少車(chē)輛和司機(jī)人員、降低油耗和配送里程數(shù)，從而大幅度降低運(yùn)行成本，提高企業(yè)面向市場(chǎng)的能力，進(jìn)而支持西安煙草實(shí)施整體發(fā)展戰(zhàn)略，推動(dòng)企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的持續(xù)提升。

二、GIS應(yīng)用與線(xiàn)路優(yōu)化問(wèn)題分析

將地理信息系統(tǒng)引入物流配送系統(tǒng)中，將使前面所述的模型及算法不再顯得抽象。它將面向動(dòng)態(tài)及現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)，運(yùn)用前面所述的分析方法及算法，得出相應(yīng)的方案，并直觀的顯示在地圖上。物流對(duì)地理空間具有較大的依賴(lài)性，貨物運(yùn)輸中的交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)就屬于空間信息，因此將GIS引入到物流配送系統(tǒng)是必要的，GIS的引入極大方便了運(yùn)輸中的路網(wǎng)信息的管理和處理，借助GIS用戶(hù)可以根據(jù)需要添加各種路網(wǎng)信息，如路長(zhǎng)、路的類(lèi)型和時(shí)速限制等，同時(shí)也可以將各個(gè)供應(yīng)點(diǎn)和需求點(diǎn)以及所有在運(yùn)輸中涉及的信息在GIS中直觀的表現(xiàn)出來(lái)，方便決策者使用。GIS是以圖形與屬性數(shù)據(jù)管理及模型分析為基礎(chǔ)的，它能獲取、存儲(chǔ)、檢索、分析和顯示各種空間動(dòng)態(tài)信息。進(jìn)行輔助決策。GIS將具有空間特征的信息可視化。為信息的使用者提供更為直觀、清晰的表達(dá)形式。因此采用GIS具有許多優(yōu)越性。表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1 圖形顯示輸出上的優(yōu)勢(shì)。除了圖形的顯示、輸出功能以外。還能根據(jù)屬性做不同的主題展示，將圖形根據(jù)需要進(jìn)行縮放。此外，GIS制圖可以解決傳統(tǒng)單一主題疊合問(wèn)題，將統(tǒng)一坐標(biāo)系下的不同主題疊合。

2 分析功能上的優(yōu)勢(shì)。GIS既具各處理圖形和與圖形特征相關(guān)的屬性?xún)?nèi)容，又能處理大量的統(tǒng)計(jì)資料，使圖形資料能靈活應(yīng)用，任意疊合、分割、截取和統(tǒng)計(jì)分析。GIS的空間分析功可對(duì)點(diǎn)、線(xiàn)、面做不同的空間分析，在物流的最短路徑分析、配送區(qū)域劃分中有獨(dú)特作用。

3 模型模擬上的優(yōu)勢(shì)。GIS能根據(jù)不同的模型進(jìn)行仿真模擬，模擬目標(biāo)物體發(fā)展過(guò)程。在可視化的操作界面下展示模擬目標(biāo)物體的發(fā)展過(guò)程。GIS有利于車(chē)輛與人員的調(diào)度的優(yōu)化，能較大限度地利用人力、物力資源，使配送達(dá)到最優(yōu)。對(duì)于物流中的許多決策問(wèn)題，如配送中心的選址、貨物組配方案、配送線(xiàn)路優(yōu)化等，借助GIS都可以得到更好的解決。

研究表明運(yùn)輸成本約占整個(gè)物流成本1／3至2／3左右，因此規(guī)劃一個(gè)合理的配送路線(xiàn)來(lái)降低運(yùn)輸成本很重要。配送車(chē)輛優(yōu)化調(diào)度，包括集貨線(xiàn)路優(yōu)化、貨物配裝及送貨線(xiàn)路優(yōu)化。在國(guó)外，類(lèi)似工作已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面，如報(bào)紙投遞、牛奶配送的優(yōu)化、垃圾車(chē)的線(xiàn)路優(yōu)化、連鎖商店的送貨及線(xiàn)路優(yōu)化等。

配送車(chē)輛線(xiàn)路優(yōu)化問(wèn)題可以描述為：從某物流中心(倉(cāng)庫(kù))用多輛配送車(chē)輛向多個(gè)客戶(hù)送貨，每個(gè)客戶(hù)的位置和貨物需求量一定，每輛配送車(chē)輛的載重量一定，配送車(chē)每次配送的最大行駛距離一定]，要求合理安排車(chē)輛路線(xiàn)，使目標(biāo)線(xiàn)路得到優(yōu)化，并滿(mǎn)足以下條件：

1 每條路徑上客戶(hù)的需求量之和不超過(guò)配送車(chē)輛的載重量；

2 每條路徑長(zhǎng)度不超過(guò)配送車(chē)輛一次配送的最大行駛距離；

3 每個(gè)客戶(hù)的需求必須得到滿(mǎn)足，且只能由一臺(tái)配送車(chē)輛送貨。

配送線(xiàn)路優(yōu)化系統(tǒng)是以市級(jí)公司卷煙配送中心為基點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)合理規(guī)劃配送區(qū)域、優(yōu)化送貨線(xiàn)路等卷煙配送業(yè)務(wù)中所必需的內(nèi)容，如圖1所示。

三、系統(tǒng)調(diào)度流程分析與設(shè)計(jì)

線(xiàn)路優(yōu)化系統(tǒng)包括：周期性線(xiàn)路優(yōu)化、線(xiàn)路調(diào)整、訂單導(dǎo)入、訂單確認(rèn)、每日線(xiàn)路優(yōu)化、線(xiàn)路優(yōu)化現(xiàn)實(shí)、車(chē)輛調(diào)度和配送單據(jù)打印等功能。

1 調(diào)度流程分析：

(1)GIS信息維護(hù)，通過(guò)零售戶(hù)信息采集，將煙草專(zhuān)有的信息加載到電子地圖中。形成線(xiàn)路優(yōu)化所需要的客戶(hù)地理信息。

(2)GIS線(xiàn)路優(yōu)化，系統(tǒng)調(diào)用GIS線(xiàn)路優(yōu)化算法，生成最優(yōu)線(xiàn)路。

(3)生成當(dāng)日優(yōu)化線(xiàn)路，當(dāng)日訂單訪銷(xiāo)結(jié)束后，經(jīng)過(guò)確認(rèn)，導(dǎo)入訂單到物流系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)用GIS線(xiàn)路優(yōu)化算法，進(jìn)行當(dāng)日線(xiàn)路優(yōu)化，生成當(dāng)日優(yōu)化線(xiàn)路。

(4)進(jìn)行配車(chē)計(jì)算，通過(guò)提前設(shè)置的配車(chē)參數(shù)，系統(tǒng)通過(guò)配送運(yùn)算，調(diào)用當(dāng)日線(xiàn)路優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行配車(chē)，生成相關(guān)配送單據(jù)。如圖2所示。

2 算法流程設(shè)計(jì)

按照以上配送線(xiàn)路優(yōu)化的問(wèn)題描述和約束條件，將優(yōu)化算法主要流程設(shè)計(jì)如下：

第一步：對(duì)配送中心輻射范圍進(jìn)行分區(qū)

(1)計(jì)算出每一個(gè)配送點(diǎn)到別的配送點(diǎn)的距離(考慮到單行道的情況，兩個(gè)配送點(diǎn)之間的距離是2個(gè)數(shù)值)。

(2)根據(jù)歷史訂單記錄，從配送中心出發(fā)，取離配送中心最近一點(diǎn)作為下一個(gè)配送的第一點(diǎn)，按此方法，遍歷配送中心轄區(qū)的所有配送點(diǎn)，求出總體工作強(qiáng)度。

(3)將配送點(diǎn)按工作日的天數(shù)將整個(gè)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)。

第二步：在分區(qū)內(nèi)部進(jìn)行聚類(lèi)

首先進(jìn)行聚類(lèi)中心的選擇：設(shè)某一個(gè)候選的配送點(diǎn)作為聚類(lèi)中心，初始權(quán)重為0。擴(kuò)散N步，根據(jù)一定范圍內(nèi)其他點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及到該點(diǎn)的通達(dá)性，計(jì)算并調(diào)整聚類(lèi)中心的權(quán)重，再根據(jù)權(quán)重的排序來(lái)反復(fù)進(jìn)行聚類(lèi)中心的篩選。

聚類(lèi)擴(kuò)散的規(guī)則是配送點(diǎn)的送貨量、送貨里程數(shù)和配送點(diǎn)的數(shù)量等數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足預(yù)設(shè)值才能進(jìn)行擴(kuò)散，同時(shí)計(jì)算出該聚類(lèi)的總體工作強(qiáng)度，當(dāng)達(dá)到或者接近飽和(由人工設(shè)置參數(shù)來(lái)控制飽和的閾值)的時(shí)候停止聚類(lèi)。

第三步：對(duì)分區(qū)內(nèi)的聚類(lèi)進(jìn)行VRP問(wèn)題的求解

根據(jù)第二步完成后形成的多個(gè)聚類(lèi)，即多條路徑進(jìn)行VRP問(wèn)題的求解。

卷煙配送實(shí)例

目前，煙草商業(yè)企業(yè)卷煙配送多為人工制定配送線(xiàn)路，有的發(fā)達(dá)省份雖然開(kāi)始推行電子配送，即在3G技術(shù)支持下的可視化車(chē)輛調(diào)度，但是往往只做到了行車(chē)路線(xiàn)演示，而缺乏深層次的由科學(xué)合理的解決方法及高性能優(yōu)化算法為基礎(chǔ)的配色線(xiàn)路優(yōu)化及車(chē)輛調(diào)度。

以商洛市為例，在周期線(xiàn)路優(yōu)化過(guò)程中，先將商洛按照經(jīng)濟(jì)區(qū)域劃分為五個(gè)配送區(qū)域，如圖3：

將周一(以周一配送區(qū)域?yàn)槔溆嗳掌谟?jì)算方法跟周一相同)區(qū)域的零售商戶(hù)進(jìn)行聚類(lèi)運(yùn)算，圖4為優(yōu)化之前的零售商信息分布圖：

聚類(lèi)之后得到所有送貨順序號(hào)，如圖5所示：

然后進(jìn)行VRP計(jì)算，傳入所有配送點(diǎn)的位置和送貨序號(hào)，得到相應(yīng)的配送任務(wù)單：如圖6所示：

由表1，總運(yùn)行公里由3348.75km下降為3226.83km，平均改進(jìn)率3.64％。原配送線(xiàn)路平衡指標(biāo)由90.19％提高到92.28％。表中線(xiàn)路平衡率=(1－(最長(zhǎng)配送線(xiàn)路里程數(shù)一最短配送線(xiàn)路里程數(shù))／平均配送線(xiàn)路里程數(shù))×100％。應(yīng)用IACO算法對(duì)該配送區(qū)域的配送線(xiàn)路進(jìn)行優(yōu)化雖然取得了較好效果，但是也發(fā)現(xiàn)算法收斂速度較慢，因此，如何提高算法效率成為今后研究重點(diǎn)。如果對(duì)該市1.55萬(wàn)個(gè)配送點(diǎn)進(jìn)行線(xiàn)路規(guī)劃，除對(duì)密集分布的經(jīng)煙戶(hù)要向關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)聚類(lèi)之外，利用扇形或環(huán)形分區(qū)方法進(jìn)行模型簡(jiǎn)化與分區(qū)優(yōu)化是必要的。

四、效益分析

1 實(shí)現(xiàn)效益和效率的結(jié)合

從目前西安煙草GIS應(yīng)用實(shí)施的范圍來(lái)看，優(yōu)化后的線(xiàn)路和裝載方式，使得第一條線(xiàn)路僅有一輛車(chē)不能做到滿(mǎn)載，整體裝載率可以確保在95％——100％之間，在GIS系統(tǒng)的管理和調(diào)度之下，優(yōu)化的線(xiàn)路和調(diào)度方式使車(chē)輛裝載率提高了35％，與未啟用GIS的配送區(qū)域相比，送貨趟次降低了67％，避免了不滿(mǎn)載出行的現(xiàn)象，極大程度提高了工作效率。

這個(gè)實(shí)例僅是GIS應(yīng)用的直接功效，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，GIS物流致力于在卷煙物流體的配送系中梳理、整合，建立一個(gè)統(tǒng)一、開(kāi)放、競(jìng)爭(zhēng)、有序、安全的物流配送體系，初步實(shí)現(xiàn)區(qū)域流通產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和物流服務(wù)現(xiàn)代化。在社會(huì)效益上，既可以?xún)?yōu)化煙草行業(yè)的營(yíng)銷(xiāo)體系，又可以降低交易成本，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式，還能激活路、車(chē)、場(chǎng)(倉(cāng))所在區(qū)域的經(jīng)濟(jì)體內(nèi)的擴(kuò)散作用。

2 較大發(fā)揮了集成物流的效應(yīng)

物流在規(guī)模上的集成，更容易發(fā)揮集成的效能，但受到實(shí)物、場(chǎng)地、交通條件和綜合成本的限制因此，單純配送中心的集成合并，不如信息系統(tǒng)的集成。目前西安煙草物流架構(gòu)的GIS系統(tǒng)，以市公司為單位，全市的配送工作運(yùn)行在這一系統(tǒng)之下，可以將全市的配送任務(wù)對(duì)配送車(chē)進(jìn)行分配，在全市送貨線(xiàn)路整合在基礎(chǔ)上運(yùn)行，完全可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一平臺(tái)下的配送任務(wù)統(tǒng)一分配、配送資源統(tǒng)一調(diào)度、運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)控。從而跨越區(qū)域空間和配送中心規(guī)模的限制，從運(yùn)行上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一和集成。

通過(guò)分析設(shè)計(jì)基于GIS的西安煙草物流配送線(xiàn)路優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在接受前端資料信息后，按信息種類(lèi)分配傳送至后端系統(tǒng)，系統(tǒng)完成線(xiàn)路優(yōu)化和對(duì)配送過(guò)程的動(dòng)態(tài)跟蹤，是煙草商業(yè)企業(yè)電子商務(wù)的完善和延伸；同時(shí)，系統(tǒng)整合了零售商的地理信息，建立的一個(gè)綜合的數(shù)據(jù)資源平臺(tái)，可為將來(lái)銷(xiāo)售、客戶(hù)服務(wù)、專(zhuān)賣(mài)管理提供基礎(chǔ)資源，有非常大的開(kāi)放性和發(fā)展前景。