木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)的分析與設(shè)計

林玉英，邱榮祖

(福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院，福州 350002)

木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)的分析與設(shè)計

林玉英，邱榮祖*

(福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院，福州 350002)

木材作為森林的直接產(chǎn)物，由于受到生長周期及氣候條件等因素的制約，木材生產(chǎn)的集中性和季節(jié)性與木材需求的分散性和持續(xù)性之間存在矛盾。為了解決木材的供需矛盾，推動林業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，探討木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的模型與算法，在分析用戶特征及功能需求的基礎(chǔ)上，采用WebGIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及組件集成技術(shù)，對系統(tǒng)進行分析與設(shè)計，以福建三明永林集團為例進行系統(tǒng)的初步應用，得出最佳的木材物流網(wǎng)絡(luò)地形圖和衛(wèi)星圖，并通過ArcGIS Server和Google Maps API技術(shù)實現(xiàn)集團內(nèi)外客戶的方案查詢服務。通過系統(tǒng)應用分析表明，該系統(tǒng)能夠在滿足集團內(nèi)外部各個用戶需求的基礎(chǔ)上，保障數(shù)據(jù)的共享性、安全性和可控性。該系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟性和實用性，能夠輔助決策并提高物流運作效率。

木材物流；物流網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)

0 引言

木材物流網(wǎng)絡(luò)是由多個木材物流節(jié)點和聯(lián)系節(jié)點的連接線路共同構(gòu)成的網(wǎng)狀配置系統(tǒng)[1]。近年來，一些學者采用不同方法和技術(shù)對木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化相關(guān)問題進行了研究，主要有木材物流中心選址與布局優(yōu)化[2-7]、木材運輸線路與方案優(yōu)化[8-12]、木材物流網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)優(yōu)化[13-18]，其中，GIS強大的空間分析和可視化等功能得到了一些應用[3-5，10]，但單機版GIS功能具有共享性差等局限性，無法滿足木材物流網(wǎng)絡(luò)多用戶的需求。WebGIS作為GIS發(fā)展的主流方向，有著傳統(tǒng)GIS無法比擬的優(yōu)點[19]，現(xiàn)已廣泛應用于眾多領(lǐng)域[20-25]，但在木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面的應用研究很少見報道。研究基于WebGIS的木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)的初步分析與設(shè)計，并進行實例應用研究，為木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供技術(shù)支持與決策依據(jù)，提高物流運作效率。

1 系統(tǒng)模型與算法

考慮生產(chǎn)實際的約束條件(包括直達運送運輸量的約束、供應能力的限制、需求得到滿足的約束、木材物流中心吞吐能力的限制等)，以木材物流網(wǎng)絡(luò)總成本最少為目標，建模如下。

式中：H為木材的材種的數(shù)目；I為木材供應點的數(shù)目；J為木材需求點的數(shù)目；K為木材物流中心的數(shù)目；xidh為將第h種木材從供應點i運送到木材物流中心d(即中轉(zhuǎn)運輸上游)的年運輸量，m3/a；Cidh為將第h種木材從供應點i運送到木材物流中心d(中轉(zhuǎn)運輸上游)的單位運輸費用，元/ m3；xijh為將第h種木材直接從供應點i運送至需求點j(直達運輸)的年運輸量，m3/a；Cijh為將第h種木材從供應點i直接運送至需求點j(直達運輸)的單位運輸費用，元/ m3；xdjh為將第h種木材從木材物流中心d運送至需求點j(中轉(zhuǎn)運輸下游)的年運輸量，m3/a；Cdjh為將第h種木材從木材物流中心d運送至需求點j(中轉(zhuǎn)運輸下游)的單位運輸費用，元/ m3；Fd為木材物流中心d的建設(shè)成本分攤到每年的成本及流轉(zhuǎn)固定成本，元/a；Zd為0、1變量，代表該木材物流中心是否被選中，其值為1時表示木材物流中心d被選中，否則，表示木材物流中心d未被選中。qdh為第h種木材在木材物流中心d的流轉(zhuǎn)單位成本或變動處理成本，元/ m3；ydh為系統(tǒng)外的客戶每年將第h種木材存儲于木材物流中心d的木材庫存量，m3/a；mdh為系統(tǒng)外的客戶將第h種木材儲存于木材物流中心d產(chǎn)生的單位利潤，元/ m3。

采用遺傳-禁忌算法對上述模型進行求解，算法的求解策略是：先用遺傳算法進行全局搜索，使種群中的個體散布在求解空間的廣大區(qū)域，再對群體中每個個體用禁忌搜索算法進行局部尋優(yōu)，從而改善解的質(zhì)量。通過這種方法，可將遺傳算法并行搜索能力和禁忌搜索算法的串行搜索能力有效結(jié)合，加強算法的收斂性能，避免陷入局部極小值。

由于模型較為復雜，運算過程十分繁瑣，對WebGIS進行二次開發(fā)，建立系統(tǒng)，對方案進行求解并提供物流相關(guān)信息的查詢服務。

2 系統(tǒng)用戶分析與功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)用戶分析

為了提高系統(tǒng)的適用性，開發(fā)之前首先調(diào)查與分析系統(tǒng)可能的用戶的特征，包括用戶的工作領(lǐng)域、工作職責和流程、公司的經(jīng)濟狀況和功能需求等。木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化決策系統(tǒng)主要面向木材生產(chǎn)企業(yè)、木材加工企業(yè)以及第三方木材物流公司，主要用戶是相關(guān)企業(yè)中的物流管理者與物流業(yè)務員，具體需求分析如下。

物流管理者對木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化相關(guān)活動(例如木材物流中心選址、木材運輸方案優(yōu)化等)進行監(jiān)督、管理與決策。物流業(yè)務員主要工作是對木材運輸路線的選擇、倉庫的庫存控制等物流活動進行具體的操作。系統(tǒng)應設(shè)置不同的用戶權(quán)限，使得不同的訪問人員，可瀏覽和操作不同的內(nèi)容和界面。同時，系統(tǒng)應實現(xiàn)信息共享功能，以提高工作效率，降低工作人員的工作強度。

由于林產(chǎn)企業(yè)的工作人員，大部分處于山區(qū)和生產(chǎn)基層，先進的信息技術(shù)應用并不廣泛。為了提高系統(tǒng)的使用方便性，應提供簡單友好的操作界面，也為系統(tǒng)后續(xù)的推廣應用做好準備。此外，在現(xiàn)有的成熟的軟件的基礎(chǔ)上，進行針對性的二次開發(fā)，在滿足用戶需求的前提下，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，為林產(chǎn)企業(yè)節(jié)省信息建設(shè)的費用。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

隨著森林保護政策的實施，木材供應量逐年減少，林產(chǎn)企業(yè)希望取消伐區(qū)楞場，減少不必要的中間環(huán)節(jié)，節(jié)省管理成本。通過建設(shè)現(xiàn)代化的木材物流中心，可將物流外包給第三方物流企業(yè)，從而專注核心業(yè)務，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益和核心競爭力。

此外，在木材物流節(jié)點優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進行木材運輸線路優(yōu)化，再從系統(tǒng)角度，進一步優(yōu)化木材物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)流量流向的合理分配以及運力的合理投放。考慮到木材物流活動的數(shù)據(jù)量龐大，應開發(fā)相關(guān)的查詢和管理模塊。經(jīng)過以上分析，將用戶對于系統(tǒng)功能的需求總結(jié)如下。

(1)木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化決策與可視化查詢。考慮區(qū)域的實際情況和選址影響因素，選出若干備選地址，然后從備選地址中選出最優(yōu)的物流中心選址方案。當選址影響因素發(fā)生變化時，快速準確地確定不同條件下的選址方案；當輸入要查詢的出發(fā)和目的節(jié)點，系統(tǒng)能找出兩個物流節(jié)點間的最佳路線，并進行導航；當輸入多個供材點和多個需材點，系統(tǒng)能找出最佳的物流網(wǎng)絡(luò)，并得出最佳的木材運輸方案。因此，系統(tǒng)必須實現(xiàn)遺傳-禁忌算法的基本參數(shù)調(diào)用，按照算法流程進行模型的快速求解，得出最佳網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，從而輔助物流相關(guān)決策。

(2)木材物流供、需、運和存信息管理。木材物流活動涉及到供應、需求、運輸和庫存等信息，要實現(xiàn)這些信息在各個部門各個環(huán)節(jié)的傳輸和共享，達到不同環(huán)節(jié)的物流作業(yè)的無縫銜接，系統(tǒng)應提供相應的信息查詢和管理功能。供應信息主要包含林農(nóng)或者木材生產(chǎn)企業(yè)可供應的木材原材料信息，設(shè)置網(wǎng)上平臺或者電話服務平臺的方式錄入木材原料的具體信息(數(shù)量、單價、金額和聯(lián)系方式等)。需求信息為木材加工企業(yè)或者個人消費者發(fā)布近期的木材原材料的需求信息。運輸信息即物流運輸公司或第三方物流企業(yè)的車隊管理中心發(fā)布的可供使用的運力情況，以及即將返程的車輛，以便尋求逆向物流的貨源，充分提高車輛的空間利用率。庫存信息是各物流節(jié)點倉儲部門相關(guān)人員發(fā)布的現(xiàn)有的存儲空間和庫存等信息。

(3)地圖與衛(wèi)星圖像的呈現(xiàn)。通過基層調(diào)研發(fā)現(xiàn)，林產(chǎn)企業(yè)工作人員對于普通地形圖中抽象的道路、河流和山脈等標識的識別反應較慢，將地形圖的標識信息與真實的地理地貌信息匹配較為困難，工作效率受到影響。因此，本系統(tǒng)為滿足生產(chǎn)實際和基層用戶的需求，呈現(xiàn)相應的衛(wèi)星圖像。

3 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)平臺選擇

綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟性、實用性、開放性、擴展性和先進性等原則，本系統(tǒng)選擇ArcGIS Server和Google Maps API作為二次開發(fā)平臺，建立木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)。

ArcGIS Server技術(shù)和Google maps API技術(shù)，各有優(yōu)勢和不足，結(jié)合使用，分別對企業(yè)內(nèi)部和外部提供地圖服務。對于企業(yè)內(nèi)部的地圖服務，擬采用ArcGIS Server技術(shù)。采用該技術(shù)的優(yōu)勢是通過在企業(yè)內(nèi)部服務器安裝ArcGIS Server軟件，企業(yè)可以掌握網(wǎng)絡(luò)GIS平臺的控制權(quán)限，可以自行建設(shè)所管轄區(qū)域的空間地圖，開發(fā)公司所需的功能。對于企業(yè)外部的加工企業(yè)、運輸企業(yè)的木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化服務，擬采用Google Maps API技術(shù)。采用該技術(shù)可以將外單位訪問需求轉(zhuǎn)移到Google公司的服務器，這樣能夠減輕企業(yè)內(nèi)部服務器的壓力，減少企業(yè)的軟硬件的建設(shè)和管理成本，而且通過Google公司完善的地圖路網(wǎng)數(shù)據(jù)，更新速度快，能夠為運輸機構(gòu)提供更好的實時的地圖服務。通過將企業(yè)的內(nèi)部和外部用戶的WebGIS的服務分離，提高了企業(yè)對數(shù)據(jù)的自主控制管理能力，保護了企業(yè)的數(shù)據(jù)安全和商業(yè)機密，減輕外部因素對企業(yè)的干擾影響。

3.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化決策系統(tǒng)涉及到眾多的地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，包括點、線、面等復雜數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)庫的要求較高。通過綜合比較分析目前的主流數(shù)據(jù)庫技術(shù)，Oracle數(shù)據(jù)庫能夠高效管理空間與非空間的海量數(shù)據(jù)，具有較高的安全性、容錯性和開放性，因此選擇Oracle數(shù)據(jù)庫為本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐服務。將系統(tǒng)相關(guān)的地形圖、路網(wǎng)圖、林相圖等數(shù)字化之后，存入數(shù)據(jù)庫；將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)進行分類管理，建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。

3.3 集成技術(shù)

由于木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，考慮的因素較多，模型十分復雜，可將模型算法與WebGIS技術(shù)相結(jié)合，進行集成應用，提高求解效率。將模型所需要的原始數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫，設(shè)計算法參數(shù)實現(xiàn)模型的快速準確求解，最終實現(xiàn)模型的計算結(jié)果顯示和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案的可視化。模型相關(guān)的數(shù)據(jù)包括供材節(jié)點及需材節(jié)點的數(shù)目、供材點的木材供應量、需材點的木材需求量、備選物流中心的數(shù)量和位置、模型涉及的固定費用和變動費用等。算法的參數(shù)包括群體規(guī)模、交叉率、變異率和禁忌長度等。此外，為了解決模型數(shù)據(jù)的采集、存儲和管理，模型的應用求解以及結(jié)果的可視化輸出等問題，可采用組件式軟件，實現(xiàn)空間與非空間功能的集成。

4 系統(tǒng)初步應用分析

4.1 研究對象概況

以福建三明永林集團的木材物流網(wǎng)絡(luò)為研究對象，該集團在三明區(qū)域內(nèi)主要有7個供材點(福莊、福溪、半村、元沙、大坑、燕江、小陶)及4個需材點(永安人造板廠、永林藍豹、永安福星、三明青山紙業(yè))，要求建立木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)，對其木材物流網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，并隨時隨地通過Web對優(yōu)化方案進行查詢。

4.2 系統(tǒng)運行效果

現(xiàn)有木材物流中心備選節(jié)點有4個，分別為Ki(i=1，2，…，4)，供材點為Si(i=1，2，…，7)，需材點為Di(i=1，2，…，4)。結(jié)合上文的模型與算法，根據(jù)該集團提供的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)，對WebGIS進行二次開發(fā)，建立木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)。當用戶點擊“顯示運行結(jié)果按鈕”，得到最小成本約為154萬元，最佳的木材物流中心和木材物流網(wǎng)絡(luò)圖，如圖2所示。此外，系統(tǒng)設(shè)計了衛(wèi)星圖呈現(xiàn)結(jié)果，以滿足基層用戶對真實地貌進行查詢的需求，如圖3所示。

圖1 最佳木材物流網(wǎng)絡(luò)的地形圖Fig.1 Topographic map of the best timber logistics network

圖2 最佳木材物流網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星圖Fig.2 Satellite image of the best timber logistics network

用戶要求通過網(wǎng)頁查詢優(yōu)化方案以及木材物流的其他信息，本文設(shè)計系統(tǒng)如下。

(1)針對集團內(nèi)部用戶，采用ArcGIS Server系統(tǒng)。建立查詢平臺時，首先啟動ArcCatalog，建立新的網(wǎng)絡(luò)地圖服務，再建立WebGIS服務網(wǎng)站，創(chuàng)建的網(wǎng)站可供互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)用戶遠程訪問。訪問者僅需用瀏覽器即可實現(xiàn)方案查詢和地圖瀏覽如圖4所示，無需另外安裝客戶端。

圖3 基于ArcGIS Server的木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案Fig.3 Timber logistics network optimization scheme based on ArcGIS Server

(2)針對集團外部的其他用戶的查詢服務，采用Google Maps系統(tǒng)，應用Google Maps API技術(shù)開發(fā)，例如，某物流公司承接了運輸任務，需將木材從“永安市大坑村”送貨至“永安人造板廠”。承擔任務的駕駛員可通過手機或電腦訪問公司網(wǎng)站，查看“運輸路線優(yōu)化系統(tǒng)”，輸入起點與終點，點擊搜索，系統(tǒng)則根據(jù)預設(shè)的算法，計算兩個節(jié)點之間的最優(yōu)運輸路線(如成本最優(yōu)或時間最優(yōu))，為用戶呈現(xiàn)結(jié)果。如圖5所示，左側(cè)欄為文字顯示具體線路，右側(cè)為導航圖。此外，根據(jù)需要，也可以查看衛(wèi)星圖像。

圖4 基于Google Maps API的木材運輸路線優(yōu)化Fig.4 Route optimization of timber transportation based on Google Maps API

5 結(jié)論與討論

在探討木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的模型與算法的基礎(chǔ)上，通過用戶分析和功能設(shè)計，綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)的原則，選擇系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，初步分析與設(shè)計了木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)，并以永林集團的木材物流活動為研究對象進行系統(tǒng)的應用，該系統(tǒng)考慮實際因素，根據(jù)預設(shè)的模型和算法，計算最優(yōu)方案，并為用戶提供基于Web的物流相關(guān)信息的查詢服務，以便更好的制定配送計劃，降低物流成本。

ArcGIS Server和Google Maps API作為當前最重要的WebGIS技術(shù)，各有優(yōu)勢和不足，本文綜合了二者的優(yōu)點，分別采用ArcGIS Server和Google Maps API來開發(fā)該集團內(nèi)部與外部的木材物流信息查詢平臺，使得內(nèi)外部用戶的查詢服務分離，在滿足系統(tǒng)多節(jié)點多用戶需求的基礎(chǔ)之上，不僅節(jié)省了系統(tǒng)建設(shè)成本，而且保障了數(shù)據(jù)的安全性和可控性。此外，WebGIS平臺涉及到GIS服務器、Web服務器以及網(wǎng)站構(gòu)建等多種技術(shù)，系統(tǒng)更加完善的功能有待進一步研發(fā)。

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Analysis and Design of Optimization Systemof Timber Logistics Network

Lin Yuying，Qiu Rongzu

(College of Transportation and Civil Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，F(xiàn)ujian，China)

Timber as the direct product of the forest is restricted by some factors such as growth cycle and climate conditions.There is a contradiction between the characteristics of concentrated and seasonal timber production and the characteristics of scattered and sustainable timber demand.In order to solve this contradiction and promote the development of forestry industry，the timber logistics network optimization model and algorithm were studied.The system was analyzed and designed using WebGIS based the analysis of characteristics of the user and functional requirements as well as database technology and component integration technology.The preliminary application of the system was studied by taking the Sanming Yonglin Forestry Group in Fujian as the case.The best timber logistics network topographic maps and satellite imagery were concluded.The query service of internal and external customer of the Group could be achieved by the ArcGIS Server and Google Maps API technology.Through the system application analysis，it demonstrated that the system was able to meet the demand of internal and external users of the Group，based on which the data sharing，security and controllability could be also guaranteed.The designed system had good economy and practicability，and could aid decision making and improve the efficiency of logistics operation.

Timber logistics；logistics network；WebGIS

2016-07-25

福建省重點項目資助(K5314005A)；福建農(nóng)林大學高水平大學建設(shè)資助項目(113-612014018)。

林玉英，碩士，助理實驗師。研究方向：林業(yè)物流工程與管理。

*通信作者：邱榮祖，博士，教授。研究方向：林業(yè)物流工程與管理、3S技術(shù)應用。E-mail：qrz1010@yahoo.com.cn

林玉英，邱榮祖. 木材物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].森林工程，2017，33(1)：87-91.

S 773；F 252.81

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1001-005X(2017)01-0087-05