低碳約束下城市冷鏈物流配送系統(tǒng)優(yōu)化研究

李亞男,劉聯(lián)輝,李曉曼,李冬冬

(五邑大學(xué)　管理學(xué)院,廣東　江門　529020)

低碳約束下城市冷鏈物流配送系統(tǒng)優(yōu)化研究

李亞男,劉聯(lián)輝,李曉曼,李冬冬

(五邑大學(xué)管理學(xué)院,廣東江門529020)

[摘要]在城市冷鏈物流配送過程中,頻繁往返運(yùn)送貨物的車輛,由于動(dòng)力與恒溫制冷的燃油消耗及其尾氣排放,不僅增加了企業(yè)的物流配送成本,而且給城市環(huán)境帶來污染。冷鏈物流路徑優(yōu)化是冷鏈物流企業(yè)不可忽視的現(xiàn)實(shí)課題。文章基于城市發(fā)展理念,以碳排放為約束條件,構(gòu)建冷鏈物流配送網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型,并根據(jù)配送運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型求解的復(fù)雜性,使用遺傳算法得出優(yōu)化模型的最優(yōu)解,以期為企業(yè)物流決策提供依據(jù),實(shí)現(xiàn)冷鏈物流企業(yè)減少碳排放、降低物流配送成本的雙重目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]低碳約束；冷鏈物流；配送系統(tǒng)優(yōu)化

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.10.036

1引言

冷鏈物流配送系統(tǒng)優(yōu)化是整個(gè)城市配送工程重要組成部分,城市低碳物流配送系統(tǒng)建設(shè)是城市物流業(yè)必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)課題,也是低碳城市建設(shè)的必然要求。基于此,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)低碳與冷鏈物流問題進(jìn)行了研究。如劉倩晨[1](2010)在冷鏈物流基礎(chǔ)上考慮碳排放量,建立包含碳排放的冷鏈庫存模型,得到低碳目標(biāo)下的最優(yōu)庫存策略;于一秀、邱燦華[2](2009)從當(dāng)今資源戰(zhàn)爭(zhēng)、節(jié)能減排角度,分析如今物流業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),得出發(fā)展低碳物流是理性選擇,并且從低碳包裝、低碳運(yùn)輸、低碳訂貨和低碳生產(chǎn)方向給企業(yè)提出建議；Zimmermann[3](2009)在維持產(chǎn)品新鮮度的條件下,從使冷鏈運(yùn)行維護(hù)成本和能量消耗最小的角度進(jìn)行分析,并得出策略；劉鎮(zhèn)、徐優(yōu)香[4](2013)在針對(duì)冷鏈物流配送車輛路徑優(yōu)化問題上時(shí),利用云計(jì)算模式處理配送車輛實(shí)時(shí)路徑的優(yōu)勢(shì)；呂俊杰、孫雙雙[5](2013)、李雅萍[6](2013)分別利用蟻群算法和節(jié)約里程法對(duì)鮮活農(nóng)產(chǎn)品的配送路徑進(jìn)行優(yōu)化,使得配送成本最少,其中呂俊杰、孫雙雙考慮的成本有固定成本、變動(dòng)成本、貨損成本、能源成本,李雅萍在考慮上述成本基礎(chǔ)上,增加了時(shí)間懲罰成本。但是前者忽視了配送點(diǎn)對(duì)配送時(shí)間的要求,后者在考慮能源成本時(shí),只考慮了配送過程中的能源成本,卻忽視了在配送點(diǎn)進(jìn)行裝卸時(shí),也會(huì)出現(xiàn)能源消耗。故為實(shí)現(xiàn)低碳城市交通的管理目標(biāo),促進(jìn)城市冷鏈物流產(chǎn)業(yè)配送運(yùn)輸成本節(jié)約,本文在保證城市對(duì)冷凍食品需求的基礎(chǔ)上,以碳排放為約束條件構(gòu)建冷鏈物流配送網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型,并根據(jù)配送運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)模型求解的復(fù)雜性,利用遺傳算法得到最優(yōu)解,以期為城市物流管理模式創(chuàng)新提供決策參考。

2模型構(gòu)建

假設(shè)配送中心(用0表示)有K車輛,基本不會(huì)出現(xiàn)缺少車輛問題,配送點(diǎn)或者超市共有n個(gè)。配送過程中所考慮的配送成本有車輛的啟動(dòng)成本(固定成本和變動(dòng)成本)、碳排放成本、制冷成本以及時(shí)間懲罰成本。

2.1固定成本和變動(dòng)成本

冷鏈物流配送中,必須要承擔(dān)固定成本(司機(jī)工資,車輛折舊費(fèi)用等)和變動(dòng)成本(燃油消耗、車輛維護(hù)和保養(yǎng)、路橋通行費(fèi)用等),兩者之和用c1表示,其中,變動(dòng)成本大致與運(yùn)輸時(shí)間成正比。則成本表示為：

(1)

2.2碳排放成本

城市冷鏈物流配送過程中,能源消耗量大,車輛碳排放量相對(duì)較高,故將碳排放成本納入考慮因素,用c2表示。根據(jù)碳排放量的計(jì)算公式,得到如下排放成本式子：

(2)

Ek=Gk×F

(3)

式(2)中,p1為單位碳排放成本,以當(dāng)日碳交易市場(chǎng)交易價(jià)格為準(zhǔn);lij是從顧客i到顧客j的網(wǎng)絡(luò)距離；mijk表示第k輛車從顧客i到顧客j的載重；式(3)中,Ek單位貨物每千米排放的二氧化碳量,Gk表示第k輛車單位貨物單位千米消耗的能源數(shù)量,F是排放系數(shù),即單位能源消耗所排放的二氧化碳量。

2.3制冷成本

冷凍設(shè)備所消耗的能源成本主要是制冷劑的成本,主要考慮配送運(yùn)輸過程中的制冷成本c31和打開車門過程中的制冷成本c32。則總制冷成本c3為：

c3=c31+c32

(4)

(1)運(yùn)輸過程中的制冷成本。

(5)

式中,G1為車箱體熱負(fù)荷(kcal/h),p2為單位制冷成本；tko表示第k輛車離開配送中心時(shí)間；tok表示的是第k輛車配送完成后到達(dá)配送中心的時(shí)間。G1的計(jì)算方式如式(6)：

G1=(1+α)×R×S×ΔT

(6)

(2)打開車門時(shí)的制冷成本。

(7)

式中,G2為開門熱負(fù)荷(kcal/h),其中：

G2=(0.54V+3.22)(Tw-Tn)×β

(8)

式中,V為車廂體的體積；Tw、Tn分別表示車外和車內(nèi)溫度；β為開門程度系數(shù)。

2.4時(shí)間懲罰成本

則懲罰成本為

(9)

式中，η,λ為常數(shù),tcik表示第k輛車到達(dá)顧客點(diǎn)i的時(shí)間,故時(shí)間懲罰成本為：

(10)

yik為0-1變量,若值為1,表示第i個(gè)顧客點(diǎn)由第k輛車負(fù)責(zé)。

綜上所述,可以建立如下模型

minz=c1+c2+c3+c4

(5)設(shè)到第i個(gè)顧客點(diǎn)的時(shí)間為tci,下一個(gè)配送的顧客點(diǎn)為j,sij為第i個(gè)顧客點(diǎn)到第j個(gè)顧客點(diǎn)的距離,vij為第c個(gè)顧客點(diǎn)到第j個(gè)顧客點(diǎn)的車輛平均行駛速度,Ti為第i個(gè)顧客點(diǎn)卸貨交接作業(yè)時(shí)間,則

上述約束條件中,式(1)表示車輛所載貨物不超過最大載重量；式(2)表示每個(gè)顧客點(diǎn)只有一輛車滿足其需求,且車輛的起點(diǎn)和終點(diǎn)都在配送中心；式(3)表示車輛能夠配送全部的顧客點(diǎn)；式(4)表示車輛在配送顧客點(diǎn)時(shí),滿足其配送時(shí)間需求；式(5)表示車輛在配送下一配送點(diǎn)時(shí)滿足此配送點(diǎn)的時(shí)間需求。

3算例分析

某市某物流配送中心向城市的15個(gè)超市進(jìn)行鮮奶配送,該配送中心擁有同種冷藏車型號(hào)。在配送期間,溫度必須保持為10℃,假設(shè)各超市之間的交通條件相同,車速均為50km/h,根據(jù)計(jì)算,單位運(yùn)輸成本為1.0元/噸,鮮奶的單位價(jià)格為10000元/噸。各超市在時(shí)間窗的基礎(chǔ)上能夠接受提前30min或者推遲30min進(jìn)行配送,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)每次配送所需的固定成本為200元/車,每輛車每千米大約消耗為2.5元。超市對(duì)鮮奶的需求量與配送時(shí)間如表1所示。

表1　配送點(diǎn)的需求以及時(shí)間要求

根據(jù)上述算例利用MATLAB軟件使用遺傳算法,進(jìn)行10次求解,第7次運(yùn)行獲得最優(yōu)配送方案,其迭代第91次時(shí)收斂,最優(yōu)總成本為9363.3元,最優(yōu)配送路徑有7條：

路線1:0—超市12—超市11—0

路線2:0—超市2—超市13—超市7—0

路線3:0—超市1—超市15—0

路線4:0—超市8—超市6—0

路線5:0—超市4—超市5—0

路線6:0—超市9—超市3—0

路線7:0—超市14—超市10—0

上述結(jié)果中,隨機(jī)選擇一條路徑0-12-7-0-4-14-0-8-11-0-1-15-10-0-9-6-0-5-13-3-2-0,將此路徑和所獲得的最優(yōu)配送路徑進(jìn)行比較得到表2：

表2　最優(yōu)路徑、隨機(jī)路徑的總成本和碳排放量

對(duì)表2進(jìn)行觀察、分析,可以發(fā)現(xiàn)：相較于隨機(jī)路徑,最優(yōu)路徑所需的總成本和釋放的二氧化碳量有大幅度下降,其中總成本減少35.9%,計(jì)5235.2元,碳排放量減少4.8%,計(jì)1.5噸。

4結(jié)論

文章中,對(duì)運(yùn)輸成本和碳排放量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行研究,構(gòu)建了城市冷鏈網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型。利用遺傳算法和MATLAB對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算,得到最優(yōu)路徑,使得運(yùn)輸成本最少,碳排放量最少,這對(duì)于企業(yè)和環(huán)境都具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn):

[1]劉倩晨.考慮碳排放的冷鏈物流研究[D].北京：清華大學(xué),2010.

[2]于一秀,邱燦華.我國低碳物流問題研究[J].廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院學(xué)報(bào),2010(5)：63-65.

[3]Zimmermann R.Energy efficiency Quality and freshness along the distribution of the cold chain: Intelligent direction reduces consumption of energy and minimizes operational costs[J].Fleischwirtschaft,2009,89(6)：54-55.

[4]劉鎮(zhèn),徐優(yōu)香,王譯.基于云計(jì)算的冷鏈物流配送車輛路徑優(yōu)化方法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013(17):122-127.

[5]呂俊杰,孫雙雙.基于鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流配送的車輛路徑優(yōu)化研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013(9)：178-181.

[6]李雅萍.鮮活農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流配送路徑優(yōu)化研究[J].價(jià)值工程,2013,31:25-27.

[作者簡(jiǎn)介]李亞男(1990—),女,四川人,碩士。研究方向：物流倉儲(chǔ)、物流配送；劉聯(lián)輝(1965—),男,湖南人,教授,碩士。研究方向：物流管理；李曉曼(1990—),女,河南人,碩士。研究方向：系統(tǒng)工程；李冬冬(1990—),河南人,碩士。研究方向：物流倉儲(chǔ)配送。