造船企業易耗品配送成本控制研究

王驍　蘇翔

【摘 要】 為解決當前造船企業易耗品領用人工成本突出的問題，提出構建易耗品配送模式并進行配送成本控制研究。以配送成本最小化為目標，建立滿足車間時間約束的車輛路徑優化模型，運用遺傳算法對模型求解，以國內某船廠為例進行計算和分析。結果表明該方法能夠有效降低配送車輛運輸成本、提高物料配送效率，相比傳統領用模式成本更低，為造船企業轉變傳統方式、提升管理水平、實現準時化生產提供參考。

【關鍵詞】 造船企業； 易耗品配送； 成本控制； 車輛路徑優化； 遺傳算法

【中圖分類號】 U673.2 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1004-5937（2016）17-0108-05

引 言

據《2015年上半年船舶工業經濟運行情況》顯示，我國造船企業盈利難問題依舊突出[1]。進一步挖掘成本管控潛力，降低生產物流成本成為造船等制造型企業的“第三利潤源”[2]。在船舶建造過程中，易耗品（緊固件、焊材、工具等）需求大、消耗快，一旦出現短缺需由車間的操作工人自行前往倉庫領用。由于工人單次領用的數量有限，且車間距倉庫較遠，各車間對易耗品的需求時間也不同，隨著勞動力成本逐年上升，頻繁的自發領用不僅需要企業擔負高額的人工成本，而且占用有效作業時間，造成停工待料，所以，統籌車間易耗品需求、實行易耗品統一配送既能完成物料供應任務，又符合精益生產的要求。而如何在滿足車間時間要求的基礎上進行配送成本控制成為亟待解決的問題。

針對這一問題，國內外學者提出運用帶時間窗的車輛路徑（Vehicle Routing Problems with time Windows，VRPTW）模型開展物料配送成本控制研究。Ceschia et al.[3]針對帶時間窗的異構車輛路徑問題，設計了一種禁忌搜索算法進行求解，有效縮短車輛行駛距離，節約車輛運輸費用；李晉航等[4]采用改進的混合智能算法求解模糊信息條件下的機會約束車輛規劃模型，解決了車間內工位物料需求信息、運輸時間等不確定情況下的物料配送問題；侯玉梅等[5]采用自適應遺傳算法求解帶時間窗的整車物流配送路徑優化問題，有效降低配送的運輸成本；嚴正峰等[6]針對復雜機械裝配車間工位物料需求時間不確定的問題，采用動態規劃和模擬退火遺傳算法相結合的方法求解帶模糊軟時間窗的物料配送路徑優化模型，實例驗證該方法可提升工位滿意度。另有一些學者專門針對船舶建造物料配送的車輛路徑問題進行了研究。楊連生等[7]對船舶企業內部油漆配送問題進行研究，運用遺傳算法設計車輛最短行駛路徑，有效減少涂裝作業中油漆配送不及時導致的等工現象；杜吉旺等[8]采用改進遺傳算法對船舶分段建造區域布局進行優化，給出了物料布局方案及規劃后的運輸路徑，解決了運輸過程中的避障路徑求解問題。

綜上所述，物料配送的相關研究成果豐富，但一方面多集中于制造企業單個車間內部，缺乏針對廠區內物料統一配送的研究；另一方面，部分學者對造船企業物料配送的研究仍局限于設計車輛行駛最短路徑，尚未考慮車間時間約束問題。實際的生產作業中，造船企業車間對易耗品的需求十分迫切，車輛早到或晚到既影響生產節拍又會產生一定的成本，如何量化車輛到達時間對配送成本的影響是成本控制的重要問題。此外，VRPTW問題求解的復雜性與魯棒性決定了求解算法應具有尋優力強、運算率高的特點，而遺傳算法具有極強的計算能力和搜索能力，能夠有效解決這一問題，并能求得問題的次優解。因此，本文將在現有成果的基礎上，結合造船企業特點，對造船企業易耗品配送進行成本控制研究。

一、造船企業易耗品配送模式

（一）配送流程及特點

傳統的易耗品領用管理粗放，成為制約車間提高生產效率的重要因素。易耗品配送屬于精益造船生產模式，其核心是制定合理的生產物料供應體系，減少資源浪費、降低企業成本。本文根據造船企業特點，建立了易耗品的配送模式，具體流程如圖1。

1.提前匯總需求信息。利用造船企業ERP（Enterprise Resource Planning）系統建立信息共享平臺，物資部將易耗品申領通知下發至各作業車間，車間在規定時間內將包含易耗品種類、規格、數量、時間的需求信息發送至物資部。

2.快速核對庫存信息。物資部對各車間上報清單進行庫存信息查詢，若倉庫現有易耗品能夠滿足車間需要則立即審批并將結果反饋至易耗品倉庫，若現有庫存量不足則擬定采購計劃，盡快補足庫存。

3.科學制定配送方案。易耗品倉庫以車間為單位進行材料分揀、配裝，結合生產車間坐標位置和需求時間統籌規劃，設計配送路線，制定配送方案，開展統一配送。在這段時間需對進廠物流進行管理，合理安排廠區交通運輸，必要時進行道路管控。

與傳統的易耗品領用模式相比，易耗品配送模式主要具備以下優點：

（1）減少臨時預約、提高管理效率。易耗品倉庫的職能由傳統的被動供應變為主動配送。在指定區域范圍內，由易耗品倉庫對易耗品進行分揀、配裝等作業，形成每個車間所需的易耗品材料包，分派配送車輛按時送達指定車間。

（2）簡化交接手續、加強物資管理。傳統領料模式下貨物交接手續繁瑣且容易出錯，推行配送模式后，造船企業可以將物資軟件與配送卸貨相結合，每個車間收貨人員使用電子儀器對送到的易耗品進行掃碼收貨，相關信息實時傳送到車間和物資部門。這樣既省去打卡、填單所耗費的時間，又能為物資管理部門提供實時有效的記錄，方便對物資進行管理。

（3）減少人員流動，節約人工成本。配送模式下，生產車間不再需要安排工人前往倉庫領用易耗品，廠區人員流動將大幅減少，取而代之的是配送車輛快速、高效運輸。這樣既不會占用生產作業時間，也可降低人工成本支出，為造船企業降本增效。

（二）配送成本控制分析

推行上述造船企業易耗品配送模式，充分發揮易耗品配送的優勢，配送成本控制必不可少。易耗品配送涉及物資、倉庫等多個部門，分析成本發生對象有助于成本控制的準確性[9]。易耗品配送成本和傳統領用成本都主要發生在倉庫分揀環節、配裝環節和運輸環節，如表1所示。通過對比，易耗品車輛運輸成本的控制效果對說明易耗品配送模式的經濟性具有決定作用；而且，進行易耗品統一配送后，車間操作工人前往倉庫的次數大幅減少，有效降低了倉庫工人分揀、配裝的頻率，從而直接降低倉庫工人作業成本。因此，對車輛運輸成本的控制是降低配送成本、發揮配送模式優勢的關鍵。

二、基于車輛路徑優化的易耗品配送成本控制模型

結合上述成本分析與現有研究成果，制定合理的車輛行駛路徑與配送方案能夠有效降低運輸成本。因此，構建考慮車間時間約束的車輛路徑優化模型至關重要。

（一）時間窗

造船企業廠區占地面積大、車間分布廣，各個生產車間與易耗品倉庫存在一定的距離。在實際的生產過程中，不同車間的制造水平存在差距，生產節拍的波動導致易耗品需求時間不固定。所以，每個車間對配送車輛到達時間存在一定的要求，車輛早到會增加車輛等待的時間和易耗品存儲的成本，晚到則會影響后續配送任務的完成、造成車間停工待料。但是，由于車輛數量等因素的限制，這種情況難以避免。因此，合理地量化車輛在時間窗外到達所增加的成本是十分必要的。本文采用時間窗[eti，lti]來描述易耗品送達車間時間的不確定，構建車間滿意度函數來表征易耗品到達時間對配送成本的影響。

式（1）中[eti，lti]表示車間可接受的時間區域，同時對于車輛在[eti，lti]之外的時間送達車間，滿意度為0。在車間可接受的時間范圍內利用時間窗量化車間的滿意度，可以更加準確地描述配送車輛到達情況。

（二）構建模型

1.問題描述

本文研究的造船企業易耗品配送成本控制問題可以具體描述為：廠區設有多個易耗品倉庫，可以安排足夠數量且不同型號的貨車對多個車間進行配送，所有車間的位置、易耗品需求量和接收時間已知，車輛需在車間可接受的時間范圍內到達，各條線路上車間的易耗品需求量之和不能超過車輛的裝載量，一個車間只能由一輛車進行服務，要求在不低于車間滿意度的前提下合理安排配送車輛的行駛路徑，使配送車輛運輸成本最低。

2.約束條件

配送啟動時，車輛從易耗品倉庫出發進行配送，車輛重新回到倉庫時一個配送循環結束；每個車間只能由一輛車服務；車間所需的易耗品總量不能超過配送車輛的容量；車間滿意度必須大于設定的閾值。

3.符號變量

式（3）表示以成本最小為目標函數；式（4）表示保證每個車間離開和到達的車輛相同；式（5）表示每個車間只能由一輛車服務；式（6）表示車間所需的易耗品總量不超過車的容量；式（7）表示保證配送車輛到達的車間整體滿意度不低于70%。

三、模型求解

遺傳算法由美國學者Holland提出，是一種自適應的隨機化搜索方法，具有良好的穩定性、內在的隱蔽性和全局尋優能力，已被廣泛地應用于自適應控制、信號處理等領域[10]。遺傳算法以任意初始化種群為起點，利用隨機選擇機制，通過選擇、交叉和變異運算讓優秀個體進入子代，通過迭代優勝劣汰，使種群進化為越來越優的解直到收斂。

（一）染色體編碼

一般的車輛路徑問題只需使用一維編碼方式即可，但本文需考慮到配送任務中不同車輛的選擇，因此本文采用二位編碼方式。編碼矩陣Hm表示倉庫編號，n表示車間編號，r代表了不同車型的配送車輛。

（二）種群初始化

初始化種群的個體由隨機方法產生，隨機生成個體集合，按照前述算法得到對應的個體作為初始種群。

（三）適應度函數

適應度函數用來評價個體優劣程度，適應度高的個體優先遺傳到下一代種群中。對于車間易耗品配送問題，在滿足上述約束條件的基礎上，除了配送車輛運輸成本以外，還需考慮車間滿意度。因此，適應度函數與車輛運輸成本和車間滿意度相關，對某個體i來說，其適應度函數為gi=■，D為一個較大的非負整數，zi為目標函數。

（四）選擇算子

本文進行選擇操作時采用保留最佳個體和輪盤賭相結合的方式。將父代種群中的個體按適應度值從大到小排列，選擇最優的父代個體，直接復制到下一代種群；然后采用輪盤賭的方式生成剩余的個體。該方法不僅可以避免適應度高個體的流失，提高其生存概率，延續種群的優良性，而且又能使其他染色體可按生存競爭的方法生成子代，從而提高收斂程度和計算效率。

（五）交叉算子

選擇操作后得到的新種群中，保留適應度最大的前兩個個體，從第三個個體開始進行配對交叉重組。本文采用最大保留交叉方法操作，目的是為保留優良的基因組片斷，限制不可行解的出現，對部分匹配操作進行改進。

（六）變異算子

染色體的變異可以在一定程度上減少過早收斂的情況并增加種群的多樣性，本文隨機選擇個體染色體中2個基因，交換其位置進行變異操作。

四、算例驗證

A船廠是國內一家中大型修造船企業，占地面積77萬平方米。筆者與企業物資倉儲部門管理人員的交流后發現，該企業存在重生產輕物流的現象，易耗品管理仍然沿用“工人自發領用”的傳統領用模式，尚未建立配送機制。據該企業的管理人員描述，在廠區內每天發生近百人次的領用任務，特別是遇到生產任務繁重時，各車間工人突發領用增多，造成廠區內部交通混亂，導致倉庫備貨難度加大，直接影響車間持續高效的運轉，僅易耗品領用工作就需要企業承擔高額的人工成本。因此，本文將上述易耗品配送的車輛路徑優化模型應用于該造船企業，通過計算和分析以驗證有效性。

以該船廠為例，有6個易耗品倉庫和15個作業車間（船體、機修、加工、冷作、輪機、塢修、舾裝、造船安裝等），用編號1—15表示車間，編號16—21表示倉庫。為簡化計算，本文按照一定的比例尺在坐標圖上標示出倉庫與各車間的坐標位置，如表2所示。已知該廠有4種類型的貨車用于易耗品配送，每種車型車輛的速度、載重和單位行駛成本見表3。現要求在滿足車間時間約束條件的基礎上，合理安排車輛的行駛路徑，使成本最小。

本文采用Matlab2010a編程對模型求解，具體采用的遺傳參數有：種群規模為10，最大迭代次數為200，交叉概率0.9，變異概率0.1，運算結果見圖2、圖3。

由上述運算結果可知，配送車輛分別從16、18、20號倉庫出發，形成3條行車路徑，具體配送方案見表4。通過合理規劃車輛行駛路徑和安排車型，易耗品配送的車輛運輸費用為1 547.5元，保證了車輛在車間允許的時間范圍內到達，滿足了車間的時間要求，還使得車輛運輸成本最小化。

為更加全面直觀地展示成本控制效果，根據A船廠提供相關數據，選取該企業某日實施易耗品領用和配送模式的成本數據進行對比分析，如表5所示。不難發現，采用易耗品配送模式后，不僅總成本降低了約65%，倉庫分揀和配裝環節也得到了優化，成本進一步降低；此外，易耗品統一配送滿足了車間的時間要求，有效節約了車輛運輸時間。所以，造船企業采用易耗品配送模式不僅節約成本，還釋放了大量被占用的作業資源，使車間能夠提高生產效率，使車間工人專心生產。

五、結論

易耗品配送貫穿于造船企業的整個生產過程，配送成本控制對發揮配送優勢、實現降本增效至關重要。本文在闡述造船企業建立易耗品配送模式的可行性和優點的基礎上，通過分析配送成本的構成，找出成本控制的關鍵因素，通過建立易耗品配送的車輛路徑優化模型，對配送成本進行了計算分析，并結合某船廠加以驗證。結果表明，該模式可以大幅降低人工成本支出，提高企業的經濟效益，避免占用車間工人作業時間，減少生產過程中的停工待料現象，在實踐中具有較強的應用價值，可為易耗品之外的其他材料配送提供參考，同時也為造船企業實現準時化生產提供有效的管理手段，幫助企業提高核心競爭力。

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