基于蟻群算法的甩箱運(yùn)輸

王寶遠(yuǎn)，趙魯華，管德勇，李 洋，竇新宇

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590）

1 引言

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)使用甩箱運(yùn)輸方式比較晚。交換箱在國(guó)內(nèi)20世紀(jì)90年代開(kāi)始使用，比甩掛運(yùn)輸推廣的時(shí)間要早，但是甩箱運(yùn)輸方式的推廣極其緩慢。隨著中國(guó)電子商務(wù)的快速發(fā)展，物流行業(yè)也飛速發(fā)展，貨運(yùn)量迅速增長(zhǎng)，對(duì)物流配送的時(shí)效性和貨物的完好性等方面提出更高的要求。但目前國(guó)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善，普通倉(cāng)庫(kù)功能簡(jiǎn)單，立體自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)成本高，人工操作仍較為普遍。而甩箱運(yùn)輸在提高貨物周轉(zhuǎn)率、縮減裝卸搬運(yùn)時(shí)間以及降低貨損率方面比傳統(tǒng)運(yùn)輸方式更有優(yōu)勢(shì)。本文綜合考慮甩箱運(yùn)輸效益因素，建立配送成本核算模型，然后搜集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證甩箱運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。

2 甩箱運(yùn)輸模式分析

2.1 甩箱運(yùn)輸概念

甩箱運(yùn)輸在國(guó)內(nèi)發(fā)展較緩慢，目前針對(duì)甩箱運(yùn)輸?shù)难芯枯^少，概念性的認(rèn)知仍在不斷完善。綜合其它文獻(xiàn)以及查找資料的基礎(chǔ)上對(duì)甩箱運(yùn)輸做以下總結(jié)，甩箱運(yùn)輸（Swap Body）是指使用具有舉升功能的載貨汽車，將具有活動(dòng)支腿的交換箱從起始地按照預(yù)定的路線運(yùn)輸?shù)侥康牡豙1]。到目的地后，將交換箱直接卸載，換上新的交換箱運(yùn)往下一個(gè)目的地的運(yùn)輸組織方式，如圖1所示。甩箱運(yùn)輸利用一個(gè)運(yùn)輸車搭載多個(gè)同標(biāo)準(zhǔn)箱體，并且不用將貨物裝卸，在一定程度上縮短了貨運(yùn)汽車停駛和貨物待轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，進(jìn)而提高了整個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)的效率。

圖1 甩箱運(yùn)輸示意圖

一般較長(zhǎng)距離、運(yùn)輸量大采用甩掛運(yùn)輸，而較短距離、多批次運(yùn)輸適合采用短小靈活的甩箱運(yùn)輸，甩箱運(yùn)輸可以成為甩掛運(yùn)輸?shù)挠辛ρa(bǔ)充方式。

2.2 甩箱運(yùn)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(yùn)輸?shù)膱?chǎng)站，選擇帶有小型交換箱的甩箱運(yùn)輸車進(jìn)行貨物運(yùn)輸。具體應(yīng)用為甩箱運(yùn)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(nèi)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(gè)或多個(gè)全掛交換箱，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)地區(qū)多個(gè)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(lián)運(yùn)甩箱組織模式。多式聯(lián)運(yùn)甩箱模式是使用標(biāo)準(zhǔn)交換箱，依托聯(lián)運(yùn)樞紐，利用鐵路平車運(yùn)輸以及海洋船運(yùn)，實(shí)現(xiàn)公鐵、公水等交通方式的聯(lián)運(yùn)。集裝箱公路運(yùn)輸時(shí)需要使用裝卸搬運(yùn)裝置將集裝箱從掛車上卸下，設(shè)備成本較高且程序繁瑣。甩箱運(yùn)輸在多式聯(lián)運(yùn)中的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在交換箱具有容積優(yōu)勢(shì)，三種交通方式之間的對(duì)接更加順暢，可以大大提高多式聯(lián)運(yùn)的效率，降低成本[3]。

圖3 多式聯(lián)運(yùn)甩箱模式

（3）甩掛與甩箱相結(jié)合模式。較長(zhǎng)距離、運(yùn)輸量較大適合采用甩掛運(yùn)輸，而較短距離、多批次運(yùn)輸適合采用短小靈活的甩箱運(yùn)輸。有些情況下，需要將甩掛甩箱方式相結(jié)合。使用甩掛運(yùn)輸運(yùn)送重量大、運(yùn)距長(zhǎng)、用時(shí)久的貨物，在各個(gè)城市之間或城市內(nèi)部運(yùn)送則使用甩箱運(yùn)輸方式。規(guī)模較小的場(chǎng)站，不一定具有滿足甩掛運(yùn)輸?shù)臈l件，甩箱運(yùn)輸容量小，操作靈活，對(duì)場(chǎng)地的要求比較低，適合做末端運(yùn)輸。甩掛甩箱結(jié)合模式如圖4所示。

圖4 甩掛甩箱結(jié)合模式

2.3 甩掛運(yùn)輸、甩箱運(yùn)輸與集裝箱運(yùn)輸?shù)谋容^

甩掛運(yùn)輸、甩箱運(yùn)輸與集裝箱運(yùn)輸都具有組織效率高、標(biāo)準(zhǔn)化要求高和降低運(yùn)營(yíng)成本等特點(diǎn)，在歐美許多國(guó)家已經(jīng)大范圍的應(yīng)用，在我國(guó)這三種運(yùn)輸方式開(kāi)始應(yīng)用的時(shí)間與發(fā)展速度各不相同。其中，集裝箱運(yùn)輸發(fā)展最早，發(fā)展速度最快，規(guī)模最大。甩箱運(yùn)輸要比甩掛運(yùn)輸起步早，但發(fā)展極其緩慢。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)內(nèi)外貨運(yùn)量進(jìn)一步提升，政策制度進(jìn)一步改善，貨運(yùn)企業(yè)規(guī)模化發(fā)展，這三種運(yùn)輸方式必然會(huì)更加的普遍[4]。這三種運(yùn)輸方式在某些方面比較相似，為區(qū)別不同，對(duì)比分析三種運(yùn)輸方式，具體見(jiàn)表1。

表1 三種運(yùn)輸方式對(duì)比表

3 配送模型構(gòu)建

甩箱運(yùn)輸在提高貨物周轉(zhuǎn)率、縮減裝卸搬運(yùn)時(shí)間以及降低貨損率方面與傳統(tǒng)運(yùn)輸方式相比更具優(yōu)勢(shì)，所以構(gòu)建甩箱運(yùn)輸?shù)呐渌湍Ｐ鸵紤]時(shí)間性、貨損等因素。在成本分析中，汽車油耗往往容易統(tǒng)計(jì)，但裝卸過(guò)程中的時(shí)間成本與貨物損耗受環(huán)境、人為等因素影響，難以量化。在模型的構(gòu)建過(guò)程中，將各輛車單位里程的運(yùn)輸成本、裝卸場(chǎng)所的時(shí)間成本作為反映具體車輛的差異的因子，假設(shè)所構(gòu)建模型中每輛車的兩個(gè)評(píng)估系數(shù)值一致，即配送車技術(shù)參數(shù)、裝卸點(diǎn)水平等外部條件一致，以甩箱運(yùn)輸?shù)呐渌统杀咀钚閮?yōu)化目標(biāo)，所構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)成本中包含配送車運(yùn)輸成本、時(shí)間成本等兩個(gè)主要部分，可構(gòu)建以下模型[5]。

3.1 模型的假設(shè)

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

3.2 配送成本目標(biāo)函數(shù)

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

（1）運(yùn)輸成本。甩箱運(yùn)輸成本構(gòu)成是指在一定時(shí)間段內(nèi)，物流企業(yè)使用甩箱運(yùn)輸方式運(yùn)送貨物過(guò)程中與運(yùn)輸、裝卸等環(huán)節(jié)直接相關(guān)的各項(xiàng)費(fèi)用，具體可以分為固定成本和變動(dòng)成本。固定成本包括場(chǎng)站投資力度、車輛購(gòu)置費(fèi)、人力成本（工資）、保險(xiǎn)費(fèi)用、折舊費(fèi)用、信息化程度、甩箱運(yùn)輸管理成本等。變動(dòng)成本包括燃油成本、高速收費(fèi)、裝卸搬運(yùn)成本、維修保養(yǎng)[8]。公式如下：

式（1）中Q為甩箱運(yùn)輸車的數(shù)量；p1j為第j類甩箱運(yùn)輸車購(gòu)置費(fèi)；p2j為增加的第j類掛車購(gòu)置費(fèi)；N為駕駛司機(jī)工資；I為甩箱運(yùn)輸車保險(xiǎn)年檢費(fèi)用；x為車輛使用年限；b為場(chǎng)站投資成本；pj為j類車輛及掛車總的購(gòu)置費(fèi)用；c為物流技術(shù)提升成本。

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

（2）時(shí)間窗懲罰成本。甩箱運(yùn)輸所運(yùn)貨物一般是對(duì)時(shí)間要求較高的貨物，超出運(yùn)輸時(shí)間則收取一些懲罰費(fèi)用。其懲罰成本可表示為：

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

3.3 基于蟻群算法的配送成本模型構(gòu)建

以運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)配送成本最小為目標(biāo)，通過(guò)考察配送車運(yùn)輸成本、時(shí)間窗懲罰成本等，對(duì)配送路徑進(jìn)行優(yōu)化，安排合理的配送路線。為較好描述配送車輛的最低目標(biāo)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(gè)需求點(diǎn)的需求量；每個(gè)需求點(diǎn)只能由1輛車配送；每輛車規(guī)劃配送路徑上需求點(diǎn)的需求量總和不超過(guò)車輛額定載質(zhì)量；配送車結(jié)束配送任務(wù)后返回配送中心；車輛配送里程不超過(guò)其最大配送里程[11]；貨物需在規(guī)定的時(shí)間窗內(nèi)送到，則模型構(gòu)建如下所示：

式（5）為總成本目標(biāo)函數(shù)，可求得目標(biāo)函數(shù)最小值；式（6）表示每輛車的載質(zhì)量不超過(guò)額定載質(zhì)量；式（7）表示每個(gè)需求點(diǎn)只配送1次，不重復(fù)配送；式（8）表示每個(gè)需求網(wǎng)點(diǎn)都配送；式（9）表示每個(gè)需求點(diǎn)只被1輛車服務(wù)；式（10）表示配送車輛不能超過(guò)車自身的最大配送里程；式（11）表示車的配送時(shí)間窗需滿足客戶可接受的時(shí)間范圍[12]。

4 算法設(shè)計(jì)

利用MATLAB軟件，基于蟻群算法，在運(yùn)行過(guò)程中增加裝載量以及時(shí)間約束，優(yōu)化配送成本模型并求解。目標(biāo)函數(shù)中對(duì)車輛的載重和需求點(diǎn)運(yùn)達(dá)時(shí)間有限制，所以在選擇allowed集合的時(shí)候需要配送車的載質(zhì)量不大于車輛的最大載重量以及配送車在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)到達(dá)需求點(diǎn)[13]。其一般步驟如下：

（1）初始化變量和系數(shù)，計(jì)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(fā)，直到達(dá)到最大迭代次數(shù)。

（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(gè)城市，計(jì)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(jì)算路徑長(zhǎng)度并更新信息素。

（5）到達(dá)迭代次數(shù)，輸出計(jì)算結(jié)果。

5 算例分析

設(shè)有1個(gè)配送中心和16個(gè)配送站，配送中心有甩箱運(yùn)輸車20輛，每輛車的最大載質(zhì)量為1.49t，車輛行駛速度平均為每小時(shí)60km。經(jīng)測(cè)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(jì)算，裝卸時(shí)間大約需要90min。由于貨物可以“先裝后卸”，交換時(shí)間可以縮短至15min。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，設(shè)定各輛車及裝卸點(diǎn)技術(shù)裝備水平一致且僅考慮線路的優(yōu)化。配送中心與配送點(diǎn)的坐標(biāo)、需求量、時(shí)間窗以及裝卸所用時(shí)間見(jiàn)表2[14]。

表2 配送中心、配送點(diǎn)坐標(biāo)客戶的需求量、滿意服務(wù)時(shí)間窗和裝卸時(shí)間

利用MATLAB軟件進(jìn)行算法編程，對(duì)算例進(jìn)行求解，運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，可求得運(yùn)輸車的最佳路徑以及行駛距離。

圖5 運(yùn)輸路線圖

經(jīng)過(guò)算法求解，為完成此次任務(wù)共需要5輛運(yùn)輸車，甩箱運(yùn)輸車與普通運(yùn)輸車采用相同的車型，躍進(jìn)牌超越c500plus-33型。

為驗(yàn)證甩箱運(yùn)輸?shù)母咝约敖?jīng)濟(jì)性，將此次甩箱運(yùn)輸車與普通貨車運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表3。普通貨車運(yùn)輸成本計(jì)算方式與甩箱運(yùn)輸車計(jì)算方式一樣，基本數(shù)據(jù)都由網(wǎng)絡(luò)搜集得到，在MATLAB中用同樣的算法編程進(jìn)行求解。

表3 普通貨車運(yùn)輸與甩箱運(yùn)輸車對(duì)比

搜集資料結(jié)合算例表明，對(duì)比傳統(tǒng)運(yùn)輸方式，甩箱運(yùn)輸在購(gòu)置一輛甩箱運(yùn)輸車、提高管理水平和信息化水平以及駕駛費(fèi)等方面的成本提高，但甩箱運(yùn)輸?shù)淖儎?dòng)成本相較于傳統(tǒng)模式降低。甩箱運(yùn)輸模式還可以獲得時(shí)間效益，物流企業(yè)在保證有充足的貨源、資金的條件下，要想提高貨物到達(dá)的時(shí)效性并降低運(yùn)營(yíng)成本，可以使用甩箱運(yùn)輸方式。

6 結(jié)論

甩箱運(yùn)輸發(fā)展在我國(guó)尚處于起步階段，甩箱運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用范圍與應(yīng)用方式應(yīng)符合我國(guó)物流市場(chǎng)發(fā)展的實(shí)際需要，不斷創(chuàng)新與改變。甩箱運(yùn)輸具有容量較小、能耗較低、對(duì)場(chǎng)地要求低、組織方式靈活的優(yōu)點(diǎn)，可以作為小運(yùn)量、多批次的城際物流運(yùn)輸?shù)膬?yōu)選方式，但甩箱運(yùn)輸?shù)墓潭ǔ杀尽⒐芾沓杀据^高，對(duì)信息化、標(biāo)準(zhǔn)化要求高。甩箱運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用及推廣對(duì)于降低運(yùn)營(yíng)成本、加快貨物周轉(zhuǎn)、節(jié)省人力成本、發(fā)展現(xiàn)代物流等具有積極意義。