基于蟻群算法的甩箱運輸

王寶遠，趙魯華，管德勇，李 洋，竇新宇

（山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590）

1 引言

與國外相比，國內使用甩箱運輸方式比較晚。交換箱在國內20世紀90年代開始使用，比甩掛運輸推廣的時間要早，但是甩箱運輸方式的推廣極其緩慢。隨著中國電子商務的快速發展，物流行業也飛速發展，貨運量迅速增長，對物流配送的時效性和貨物的完好性等方面提出更高的要求。但目前國內的基礎設施還不夠完善，普通倉庫功能簡單，立體自動化倉庫成本高，人工操作仍較為普遍。而甩箱運輸在提高貨物周轉率、縮減裝卸搬運時間以及降低貨損率方面比傳統運輸方式更有優勢。本文綜合考慮甩箱運輸效益因素，建立配送成本核算模型，然后搜集相關數據進行對比分析，以驗證甩箱運輸的優勢。

2 甩箱運輸模式分析

2.1 甩箱運輸概念

甩箱運輸在國內發展較緩慢，目前針對甩箱運輸的研究較少，概念性的認知仍在不斷完善。綜合其它文獻以及查找資料的基礎上對甩箱運輸做以下總結，甩箱運輸（Swap Body）是指使用具有舉升功能的載貨汽車，將具有活動支腿的交換箱從起始地按照預定的路線運輸到目的地[1]。到目的地后，將交換箱直接卸載，換上新的交換箱運往下一個目的地的運輸組織方式，如圖1所示。甩箱運輸利用一個運輸車搭載多個同標準箱體，并且不用將貨物裝卸，在一定程度上縮短了貨運汽車停駛和貨物待轉環節，進而提高了整個運輸環節的效率。

圖1 甩箱運輸示意圖

一般較長距離、運輸量大采用甩掛運輸，而較短距離、多批次運輸適合采用短小靈活的甩箱運輸，甩箱運輸可以成為甩掛運輸的有力補充方式。

2.2 甩箱運作模式分析

（1）物流配送甩箱組織模式。選擇物流分揀中心或物流配送中心作為甩箱運輸的場站，選擇帶有小型交換箱的甩箱運輸車進行貨物運輸。具體應用為甩箱運輸車在配送中心裝上小型交換箱，送往目的地。在目的地附近的空地利用車輛內部的舉升裝置將小型交換箱抬高，把交換箱支腿放下，然后裝上其他交換箱或空車返回。配送車輛可以攜帶一個或多個全掛交換箱，可以實現對一個地區多個地方的批量配送[2]。物流配送甩箱模式如圖2所示。

圖2 物流配送甩箱模式

（2）多式聯運甩箱組織模式。多式聯運甩箱模式是使用標準交換箱，依托聯運樞紐，利用鐵路平車運輸以及海洋船運，實現公鐵、公水等交通方式的聯運。集裝箱公路運輸時需要使用裝卸搬運裝置將集裝箱從掛車上卸下，設備成本較高且程序繁瑣。甩箱運輸在多式聯運中的優勢體現在交換箱具有容積優勢，三種交通方式之間的對接更加順暢，可以大大提高多式聯運的效率，降低成本[3]。

圖3 多式聯運甩箱模式

（3）甩掛與甩箱相結合模式。較長距離、運輸量較大適合采用甩掛運輸，而較短距離、多批次運輸適合采用短小靈活的甩箱運輸。有些情況下，需要將甩掛甩箱方式相結合。使用甩掛運輸運送重量大、運距長、用時久的貨物，在各個城市之間或城市內部運送則使用甩箱運輸方式。規模較小的場站，不一定具有滿足甩掛運輸的條件，甩箱運輸容量小，操作靈活，對場地的要求比較低，適合做末端運輸。甩掛甩箱結合模式如圖4所示。

圖4 甩掛甩箱結合模式

2.3 甩掛運輸、甩箱運輸與集裝箱運輸的比較

甩掛運輸、甩箱運輸與集裝箱運輸都具有組織效率高、標準化要求高和降低運營成本等特點，在歐美許多國家已經大范圍的應用，在我國這三種運輸方式開始應用的時間與發展速度各不相同。其中，集裝箱運輸發展最早，發展速度最快，規模最大。甩箱運輸要比甩掛運輸起步早，但發展極其緩慢。隨著中國經濟的進一步發展，國內外貨運量進一步提升，政策制度進一步改善，貨運企業規模化發展，這三種運輸方式必然會更加的普遍[4]。這三種運輸方式在某些方面比較相似，為區別不同，對比分析三種運輸方式，具體見表1。

表1 三種運輸方式對比表

3 配送模型構建

甩箱運輸在提高貨物周轉率、縮減裝卸搬運時間以及降低貨損率方面與傳統運輸方式相比更具優勢，所以構建甩箱運輸的配送模型要考慮時間性、貨損等因素。在成本分析中，汽車油耗往往容易統計，但裝卸過程中的時間成本與貨物損耗受環境、人為等因素影響，難以量化。在模型的構建過程中，將各輛車單位里程的運輸成本、裝卸場所的時間成本作為反映具體車輛的差異的因子，假設所構建模型中每輛車的兩個評估系數值一致，即配送車技術參數、裝卸點水平等外部條件一致，以甩箱運輸的配送成本最小為優化目標，所構建的目標函數成本中包含配送車運輸成本、時間成本等兩個主要部分，可構建以下模型[5]。

3.1 模型的假設

假定該模型只有1個配送中心，并且配送中心的位置可以用坐標表示；配送中心有滿足配送需求的車輛，每輛車型號、最大裝載量一致，車輛有里程限制；配送中心和配送點的坐標已知，配送點的需求量及配送要求時間已知并不變；每輛配送車在配送過程中成本可以計算[6]。

3.2 配送成本目標函數

假定配送中心擁有的車輛數為m，客戶需求點的數量為n，k表示車輛k∈[1,m]，Vk表示第k輛車的額定載質量，Lk為第k輛車的最大配送里程，a，b分別是需求點，a,b∈[1,n]；每一個配送點的需求量為[7]。

（1）運輸成本。甩箱運輸成本構成是指在一定時間段內，物流企業使用甩箱運輸方式運送貨物過程中與運輸、裝卸等環節直接相關的各項費用，具體可以分為固定成本和變動成本。固定成本包括場站投資力度、車輛購置費、人力成本（工資）、保險費用、折舊費用、信息化程度、甩箱運輸管理成本等。變動成本包括燃油成本、高速收費、裝卸搬運成本、維修保養[8]。公式如下：

式（1）中Q為甩箱運輸車的數量；p1j為第j類甩箱運輸車購置費；p2j為增加的第j類掛車購置費；N為駕駛司機工資；I為甩箱運輸車保險年檢費用；x為車輛使用年限；b為場站投資成本；pj為j類車輛及掛車總的購置費用；c為物流技術提升成本。

式（2）中cij為第i次第j類甩箱運輸車高速公路收費；di為第i次高速公路行駛里程；fj為第j類甩箱運輸車每公里油耗；li為甩箱運輸行駛里程；zj為油的單價；e為車輛燃油稅；hj為第j類甩箱運輸車每公里維修保養費；mj為第j類甩箱運輸車每公里裝卸搬運費用[9]。

（2）時間窗懲罰成本。甩箱運輸所運貨物一般是對時間要求較高的貨物，超出運輸時間則收取一些懲罰費用。其懲罰成本可表示為：

式（3）中：R為貨物的單價；te為軟時間窗的下界；t1為軟時間窗的上界；G為需求點客戶可以接受的時間上限；ta為到達a點的時間；qa為第a個點的需求量；L為需求點客戶可以接受的時間下限；U（ta）為一次時間窗懲罰成本；λ為懲罰系數[10]。

3.3 基于蟻群算法的配送成本模型構建

以運輸網絡配送成本最小為目標，通過考察配送車運輸成本、時間窗懲罰成本等，對配送路徑進行優化，安排合理的配送路線。為較好描述配送車輛的最低目標成本模型，需考慮模型的各類前提條件，如配送中心配送量大，能滿足各個需求點的需求量；每個需求點只能由1輛車配送；每輛車規劃配送路徑上需求點的需求量總和不超過車輛額定載質量；配送車結束配送任務后返回配送中心；車輛配送里程不超過其最大配送里程[11]；貨物需在規定的時間窗內送到，則模型構建如下所示：

式（5）為總成本目標函數，可求得目標函數最小值；式（6）表示每輛車的載質量不超過額定載質量；式（7）表示每個需求點只配送1次，不重復配送；式（8）表示每個需求網點都配送；式（9）表示每個需求點只被1輛車服務；式（10）表示配送車輛不能超過車自身的最大配送里程；式（11）表示車的配送時間窗需滿足客戶可接受的時間范圍[12]。

4 算法設計

利用MATLAB軟件，基于蟻群算法，在運行過程中增加裝載量以及時間約束，優化配送成本模型并求解。目標函數中對車輛的載重和需求點運達時間有限制，所以在選擇allowed集合的時候需要配送車的載質量不大于車輛的最大載重量以及配送車在規定的時間范圍內到達需求點[13]。其一般步驟如下：

（1）初始化變量和系數，計算各城市之間的距離。

（2）把螞蟻放到配送中心，每只螞蟻從配送中心出發，直到達到最大迭代次數。

（3）NP只螞蟻按照要求的方法選擇客戶，并完成周游。以一定概率的貪婪方法選擇城市，輪盤賭法選擇下一個城市，計算汽車行駛距離，如果超載或超程回到配送中心。保證每輛車都返回配送中心。

（4）計算路徑長度并更新信息素。

（5）到達迭代次數，輸出計算結果。

5 算例分析

設有1個配送中心和16個配送站，配送中心有甩箱運輸車20輛，每輛車的最大載質量為1.49t，車輛行駛速度平均為每小時60km。經測算，裝卸1m3普通貨物大約需要4.5min。以一輛廂式貨車裝載22m3貨物計算，裝卸時間大約需要90min。由于貨物可以“先裝后卸”，交換時間可以縮短至15min。為了簡化起見，設定各輛車及裝卸點技術裝備水平一致且僅考慮線路的優化。配送中心與配送點的坐標、需求量、時間窗以及裝卸所用時間見表2[14]。

表2 配送中心、配送點坐標客戶的需求量、滿意服務時間窗和裝卸時間

利用MATLAB軟件進行算法編程，對算例進行求解，運行結果如圖5所示，可求得運輸車的最佳路徑以及行駛距離。

圖5 運輸路線圖

經過算法求解，為完成此次任務共需要5輛運輸車，甩箱運輸車與普通運輸車采用相同的車型，躍進牌超越c500plus-33型。

為驗證甩箱運輸的高效性及經濟性，將此次甩箱運輸車與普通貨車運輸的經濟性進行對比分析，見表3。普通貨車運輸成本計算方式與甩箱運輸車計算方式一樣，基本數據都由網絡搜集得到，在MATLAB中用同樣的算法編程進行求解。

表3 普通貨車運輸與甩箱運輸車對比

搜集資料結合算例表明，對比傳統運輸方式，甩箱運輸在購置一輛甩箱運輸車、提高管理水平和信息化水平以及駕駛費等方面的成本提高，但甩箱運輸的變動成本相較于傳統模式降低。甩箱運輸模式還可以獲得時間效益，物流企業在保證有充足的貨源、資金的條件下，要想提高貨物到達的時效性并降低運營成本，可以使用甩箱運輸方式。

6 結論

甩箱運輸發展在我國尚處于起步階段，甩箱運輸的應用范圍與應用方式應符合我國物流市場發展的實際需要，不斷創新與改變。甩箱運輸具有容量較小、能耗較低、對場地要求低、組織方式靈活的優點，可以作為小運量、多批次的城際物流運輸的優選方式，但甩箱運輸的固定成本、管理成本較高，對信息化、標準化要求高。甩箱運輸的應用及推廣對于降低運營成本、加快貨物周轉、節省人力成本、發展現代物流等具有積極意義。