（概率论与数理统计专业论文）基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究.pdf

硕士学位论文 摘要 纵观2 1 世纪全球企业界的发展变化，供应链管理的领域逐渐扩大到产品使用 阶段和产品生命周期结束阶段，这些扩展的业务使供应链向闭环供应链扩展。因 此，如何提高整个闭环供应链的效率成为供应链上企业和学者关注的焦点。 本文在分析和总结国内外已有研究的基础上，对闭环供应链的网络设计进行 研究。着重研究闭环供应链中逆向物流产品回收物流网络设计和第三方物流网络 设计。 我们首先研究闭环供应链中逆向物流产品回收网络设计。在已有模型的基础 上，建立包括顾客、回收点和回收中心等联结点的满足顾客服务时间的产品回收网 络优化模型，并通过遗传算法对模型进行求解。从而以尽可能少的回收费用，实现 产品回收网络结构、布局的合理化。 其次对第三方物流网络设计进行了研究。因为第三方物流公司在闭环供应链 管理中起着非常重要的作用，在已有模型的基础上，建立包括客户、多功能配送中 心、生产厂家等联结点的第三方物流网络模型，并通过遗传算法进行求解。从而实 现了逆向供应链和正向供应链的动态整合，提高了整个闭环供应链的效率。 对于这两方面的研究，我们还利用数值模拟对本文建立的模型进行检验。结果 表明，本文的研究与实际情况吻合。 关键词：闭环供应链；网络设计；产品回收；第三方物流；遗传算法 i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：砂黔驷，秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后试用本授权书。 2 、不保! 螫囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 仫c 日 诉具l 饵 罅矿 ：7 期期 日日 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 和产业界开始注意闭环供应链这个新的领域。因此，闭环供应链成为现代理论界 和学术界研究的热点问题。构建一个运行良好的闭环供应链，相比于传统的正向 供应链，其意义 2 1 主要体现在提高客户服务水平、增加增值机会和环境友好三个方 面( 见表1 1 ) 。 表1 1构建闭环供应链的意义 提高客户服务水平增加增值机会环境友好 退换货服务可以提高客 减少责任风险；降低原材降低对环境的污染；节约 户满意度；减短产品从研料或零部件的成本；减少不可再生资源；减轻社会 发到进入市场的时间；售退货带来的损失；及时回资源负担；履行法律；产 后服务网络获得更多的收，减少报废风险；为售品逐渐绿色化。 维修部件：通过再造工程后服务网络提供维修部 提高产品质量；树立绿色件。 形象。 1 2问题的提出 闭环供应链不仅包含传统的正向供应链，还包含逆向供应链，这就决定了其系 统具有更大的复杂性。因此，正向供应链和逆向供应链的集成成为闭环供应链管理 的核心问题，闭环供应链的网络设计成为企业管理者及学者关注的焦点。 在逆向供应链管理中，核心问题是产品回收。产品回收网络设计影响着逆向供 应链和正向供应链的协调运作，直接影响到整个闭环供应链的运作效率以及能给 企业带来的利润价值的高低。逆向供应链的研究起源于上世纪九十年代初期，经过 十多年的研究，已经取得了不少的成绩。然而，以往的产品回收网络设计研究，更 多的是单纯考虑如何降低整个逆向物流网络的总成本，忽略对顾客服务水平要求。 而构建一个良好的闭环供应链，其主要意义体现之一在于提高客户服务水平。因此 本文在已有的模型的基础上建立满足服务时间条件下产品回收逆向物流网络优化 模型，从而以尽可能少的回收费用，实现产品回收网络结构、布局的合理化。 在正向供应链和逆向供应链的集成方面，第三方物流公司起着越来越重要的 角色。而以往的模型只是单纯地考虑正向物流网络或逆向物流网络设计，这显然难 以满足闭环供应链管理的要求。本文将正向物流和逆向物流网络综合考虑建立混 合整数线性规划网络模型，使第三方物流公司能随时调整自己的物流网络，始终维 持一个具有高效率和高竞争力的物流网络，更好地对供应链进行管理。 在模型的求解方面，因为模型属于n p h a r d 问题，通常采用启发式算法求解， 一2 一 硕士学位论文 如遗传算法，模拟退火算法，蚁群算法等。作为强有力且应用广泛的随机搜索和优 化方法，遗传算法可能是当今影响最广泛的进化计算方法之一。在过去的几年中， 遗传算法将更多的注意力放在工业工程的优化问题。本文基于遗传算法原理，设计 了遗传算法的算子，对模型进行求解。 1 3闭环供应链 1 3 1 闭环供应链的定义及分类 闭环供应链的概念是在逆向供应链的基础上产生的，目前，闭环供应链还没有 统一的定义。vd a n i e lrg u i d ej r 等 3 】认为“逆向供应链是为了从客户手中回收使用 过的产品所需的系列活动，其目的是对回收品进行处理，或者利用，将传统的正向供 应链与逆向供应链结合就形成了闭环供应链( c l o 山l o o ps u p p i yc h a i n ，c l s c ) 。一 邱若臻、邱若等【4 l 学者认为，闭环供应链就是将前向供应链及其末端顾客的产品作 为起点，经过退货或者废弃处理等逆向运作，形成的物流、资金流和信息的闭环系 统。闭环供应链的产生主要受利润、法律和客户服务三个因素的驱动。据此可将闭 环供应链分为以下三种类型 2 】：( 1 ) 利润驱动型闭环供应链。制造商通过建立闭环 供应链，对废旧产品进行回收、翻新、再处理、再销售，以降低原料零部件生产 成本，形成企业新的利润源泉。( 2 ) 法律驱动型闭环供应链。法律法规的强制要求 迫使制造商建立产品闭环供应链，负责废旧产品的回收和处置，以减少有毒有害废 弃物的污染，例如废弃电子设备、电池等。( 3 ) 客户驱动型闭环供应链。为满足客户 服务要求，使产品退换货处理和保修处理更加有效和底成本，制造商需要建立一 条有效的闭环供应链。在这种闭环供应链中，处于逆向物流的产品大部分将回到 消费者手中，因而更需要信息技术和信息系统的支持，适用于电子商务、信息产品 制造业等。实际上，企业构建一条闭环供应链，通常是几种驱动因素综合作用的结 果。例如，汽车制造商构建汽车闭环供应链，既包含零部件分拆和再销售过程( 利 润驱动) ，还包含了为履行欧盟的e l v 指令( 法律驱动) 而对汽车残骸进行再处理过 程，而且还包括为客户提供相应的保修服务( 客户驱动) 。 1 3 2闭环供应链基本网络结构 供应链从内容可以分解为供应、制造、物流、销售，每一个环节都按照顺序紧 密相关，逆向供应链从回收、检验、分拆、处理等入手，每个节点都有可能再次进 入正向供应链，进而形成一种封闭的供应链。图1 1 是一个闭环供应链示意图 5 】如 图所示，正向供应链从供应、制造、配送到零售，最终产品到达客户的手中，但逆 一3 一 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 向供应链分为退货和回收。从退货逆向供应链来说，用户觉得产品不满意，或者产 品有缺陷，用户选择退货，产品可能是无缺陷产品，产品根据类别返回到零售、配 送、制造、供应。每一步都会根据停留到任一个正向供应链的节点上，再次进入正 向供应链的产品流通。例如产品a 从顾客沿退货供应链返回到配送，从配送流入到 其他的零售点，再次进入其他顾客手中，或者返回到制造，重新进行产品的改良， 然后配送，进入零售点，再次进入顾客手中。从回收逆向供应链来说，它分回收、 检验、分拆、处理等过程。先从顾客手中回收产品，送往检验地，检验无问题，发 送给配送机构，配送到零售点，再次进入有需要的顾客手中。或者，从顾客手中回 收，检验有问题，进行分拆处理，有用的部件通过再制造或者再供应进入正向供应 链制造、供应环节，无用的部件进入处理，根据部件类别进行相应的处理，完成整 个闭环供应链的范畴。从闭环供应链系统来看，一个产品的闭环供应链系统建立必 须涉及以下几个方面的内容：( 1 ) 整个闭环系统功能分配明确。( 2 ) 闭环供应链系 统的信息沟通。( 3 ) 回收中心的必要性。 闭环供应链中的企业集成。在闭环供应链中，涉及到企业的所有部门，并且涉 及到其他的企业。对于大生产系统，涉及的面更多，需要更多的企业参与进来，对 企业集成的要求更高。 _ 裹杀固坡建向供猩键“表示逸辑邈嘲融诬鼗 = = = 囊瘃玉弼l ；冬碰耱 图1 1 闭环供应链示意图 1 4闭环供应链管理 1 4 1闭环供应链管理的特点及难点 供应链本身就是一个复杂的工程，而闭环供应链相比传统供应链更具有复杂 性的特点，这就决定了在管理和实施方面更加困难。( 1 ) 高度的不确定性：从生产过 程或终端市场回收产品的回收时间、质量和数量具有高度不确定性，对需求管理、 一4 一 硕士学位论文 库存控制具有显著的影响。另外，逆向供应链系统内部物流相互影响，导致了系统 对逆向物流缺乏有效控制，又增加了系统盼复杂性，如回收的两件相同的物品可能 需要不同再处理过程。( 2 ) 目标的多样性：即构建闭环供应链不仅是为了提高客户 满意度，降低正向供应链的生产成本，还要考虑环境保护等因素。( 3 ) 具有天生的 供需失衡性：即回收物品的供应常常与生产商的需求不匹配。( 4 ) 推拉特性：系统 中的正向供应链是一种拉动式系统，而逆向供应链是推拉混合式系统。逆向供应链 是由两种客户组成，即废品处理商和再制造产品用户，因此闭环供应链系统具有高 度的非线性。( 5 ) “供纾多“客户刀少：逆向供应链的“原材料”是退回的商品和废旧 产品，虽然有很多的“原材料 来源，但由于废弃品的再利用价值有限，使得对此 业务有兴趣的企业很少。 1 4 2闭环供应链管理的使能技术 因为闭环供应链系统具有供需失衡、推拉等特性，且回收物品的数量、质量 也存在着高度的不确定性，所以闭环供应链的管理比一般供应链管理更复杂。据谭 世琴等【2 】的研究，下面一些特殊的使能技术能提高闭环供应链的运营效率。 1 ) 设备关系管理( d e v i c er 尼l a t i o n s h i pm a n a g e m e n t ，d r m ) ：设备关系管理技 术能帮助大型设备制造厂商通过因特网，及时准确地跟踪了解出售后设备的使用 情况( 包括设备详细配件情况、历史等) ，实现企业、客户和企业软件之间的实时 信息交流，由客户对设备档案的数据进行更新，企业进行实时跟踪，这样便于闭环 供应链及时做出相应的决策( 返库维修或报废回收等) 。 2 ) 电子商务( e c o m m e r c e ) 技术：电子商务是随计算机网络与通信技术的迅速 发展而产生的一种全新的商务运作模式，是更高效地实现闭环供应链的工具和基 础。利用该技术支持的闭环供应链，所有的闭环供应链上的成员( 包括提供运输、 库存管理等服务的企业) 都能实现实时的在线交流。因而，电子商务技术使得逆向 供应链中的信息获取与交流更加方便，并能为货物与资金的反向流动方式提供更 多更快捷的选择，大大提高了逆向物流的效率。 3 ) r f i d ( r a d i of r e q l l e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术：r f i d ，即射频识别，是一种 非接触式自动识别技术，其通过编码，使每个产品包含有其生产详细信息以及相关 售后信息，当产品报废或者产品召回时，大大减少核查数据的工作量：并在回收过 程中，一直跟踪产品 处理速度，将正向供应链和逆向供应链很好地衔接起来。目前，r f i d 技术已被广 泛地应用于美国国防部、沃尔玛、i b m 、微软等。 一a 一 x 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 4 ) 绿色制造技术：绿色制造技术主要包括以下三个方面：( 1 ) 可拆卸设计。采 用方便的拆卸设计，可以简化维修过程、提高回收再处理效率。如机械设计中，应 通过减少焊接等形式，增加螺纹、铰链等形式来大大提高产品的可拆卸性。( 2 ) 标 准化。产品标准化可以简化零部件更换过程，提高产品的再利用率。否则，回收产 品会因为没有配套零部件或不兼容等问题而无法得到更好的利用。( 3 ) 材料绿色 化。尽量采用低能耗，少污染的环保型材料及部件，这对于增加商机和客户是十分 重要的。如电脑产品的外壳材料应尽量选择含铅、镉等重金属少的材料。 1 5本文所作的主要研究工作 本文在已有研究工作进行较为系统总结的基础上，研究闭环供应链中逆向物 流产品回收网络设计模型和第三方物流网络设计模型，主要工作有： 1 ) 将满足服务时间和降低物流成本综合考虑建立产品回收逆向物流网络模 型，在已有的产品回收逆向物流网络模型的基础上，考虑满足顾客服务时间要求。 在产品回收过程中，基本回收点和回收中心的布局决定着逆向物流管理的成败。已 有的产品回收逆向物流网络模型中，通过模型的求解，确定基本回收点和回收中心 的布局，基本回收点的收集期，回收中心的库存费用、运输费用等，从而降低产品 回收逆向物流网络的总成本。但是，很少有研究者在模型中考虑顾客的服务时间， 而提高企业的核心竞争力既要降低物流成本又要提高顾客的服务水平。本文建立 的非线性混合整数规划模型同时考虑了物流成本和顾客服务时间，使供应链管理 更加合理化。同时，达到了提升企业核心竞争力的目的。 2 ) 将正向物流和逆向物流网络综合考虑建立混合整数线性规划网络模型。随 着经济的全球化和顾客需求的多样化，第三方物流公司在闭环供应链管理中扮演 着越来越重要的角色。在已有的模型中，网络设计只是单纯地考虑正向物流或者逆 向物流网络设计，而在第三方物流市场上，客户希望通过第三方物流公司来提高订 单处理能力，缩短配送服务时间。任何一家第三方物流公司每时每刻面对的是不同 的客户和每个客户不同的市场。本文建立的混合整数线性规划网络模型，使第三方 物流公司能随时调整自己的物流网络，始终维持一个具有高效率和高竞争力的物 流网络，更好地对闭环供应链进行管理。 1 6 章节安排 本文以后的各章节安排如下： 第2 章，主要介绍产品回收物流网络、第三方物流网络、遗传算法及一些相关 的理论。 一6 一 硕士学位论文 第3 章，针对本文研究的满足服务时间条件下产品回收逆向物流网络设计，建 立非线性混合整数规划模型，通过遗传算法，确定产品回收逆向物流网络的合理布 局。并通过数值分析，验证结论的正确性。 第4 章，针对第三方物流公司正向物流与逆向物流网络的整合问题，提出一 个混合整数线性规划模型，应用遗传算法求解，通过动态整合确定第三方物流公司 物流网络的合理布局。并通过数值分析，验证结论的正确性。 最后，在结论中总结全文，并展望进一步的研究内容和工作，指出未来可能的 研究方向。 7 一 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 第2 章产品回收物流网络、第三方物流网 络、遗传算法的理论研究综述 2 1产品回收物流网络 2 1 1产品回收的分类 在生产消费过程和生活消费过程中，从用户手中回收产品，对回收产品进行分 类、检测、直到再利用或者最终处置，这样就形成了回收供应链。例如，货物运输 和搬运中所使用的包装容器、废旧装载工具、工业生产中生产的边角余料、废旧钢 材等在回收中所发生的供应链活动。在一个企业中，如果回收物品处理得当，会降 低生产、物流成本，提高经济效益，改善环境等：如果处理不当，将会影响企业的 信誉，甚至危及企业的生存。 根据返回物品的特征 6 】，可对产品回收作如下分类： 1 结束使用的产品返回。使用后的产品仍然具有某种价值的资源，在经济上吸 引着回收者。这种回收产品包括：建筑材料、金属碎片等。 2 商业返回。商业返回主要指停售产品、季节性产品、缺陷品、过量定购等产 品进行返回处理。这种情况较多地出现在汽车、医药和食品等行业。 3 生命周期结束的产品返回。这部分返回主要倾向于回收利用返回产品中有价 值的部分，这种回收产品包括：飞机引擎、汽车发动机、复印机、打印机等。除了 产品本身老旧、功能退化以外，还有就是出于环保的缘故，要求产品的返回，尤其 是电脑和电子设备。 4 包装。包装的返回是逆向供应链中的主要一类，如箱、瓶、托盘、集装箱等， 不需要再处理加工就可以直接被再次使用。对于运输包装而言，返回的周期短，回 收的价值大。 2 1 2产品回收网络的类型 产品回收网路包括了逆向供应链中的每条渠道、每个节点，在一定意义上，产 品回收网络是逆向物流的表现形式。其主要功能就是获取返回产品，通过运输，从 上流使用者运往有需要的下一处进行处理。回收产品的渠道有两种：一种是直接沿 正向供应链返回：另外一种是将经过回收中心做出分类决策并进行一系列的处理 过程，如回收、检验与处理决策、分拆、再出售、再加工制造、丢弃处理等。因此产 一8 一 硕士学位论文 品回收网络大致分三个部分：第一部分，与回收阶段有关，回收商从回收市场回收 产品：第二部分是回收品流向处理加工制造节点：第三部分是处理后可再利用的产 品再一次被配送到再利用市场，销售给顾客。回收网络中回收设施也就是中间层设 施，包括有三： 1 ) 回收中心，在这里完成检验、拆解、分类，以及抛弃处理掉不可再利用的产 品，假设经检验合格的回收产品完全可用于工厂的再处理加工： 2 ) 再处理加工回收产品的再加工制造工厂，不但将回收产品、材料用于再生 产，也可能生产一些新产品用于补充供不应求的部分： 3 ) 再配送仓库，通过再配送仓库，对回收产品进行仓储、转运等方面的管理。 根据上文对返回物品类型的分析，产品回收网络可分为以下几种类型 6 】： 1 再循环网络。这种网络所处理的材料大都是低值产品，如纸张、塑料、沙、钢 铁副产品。然而却要求先进的处理技术和设备，故投资费用很高，这就意味着该类 型的网络需要大批量的处理，形成规模经济，才会使得回收有意义、有价值。其次 是，再循环网络多是集中网络结构。此外，网络构建的各责任方之间的紧密合作也 是确保大规模、批量处理的保证。由于回收的方式有限以及材料再循环的技术可行 性并不严格依赖于收集物的质量，故再循环网络模型很简单，层次不多。 图2 1 纸张循环网络 如图2 1 ，我们以纸张的再循环网络为例进行描述。原材料供应商提供纸浆给 造纸厂，或者纸厂自己生产纸浆，这是生产的原材料阶段；造纸厂将产品纸生产出 来发送给销售商，销售商通过多级销售网络运送到最终用户手中。纸类是低值易耗 品，当使用完成后，有公司专门回收废旧纸张返回给原材料供应商或者是造纸厂供 生产成纸浆再进入循环。从纸张的再循环流程中，我们可以看出在再循环网络中， 低值易耗品的产品回收比较简单，对回收技术要求不高，但需要形成规模性回收才 能产生收益。 2 再制造加工网络。一些典型的例子，如复印机、汽车引擎、旧电脑的再制 造加工网络，所涉及到的产品价值高，常常都是0 e m ( o r i g i n a e q l l i p m e n tm a n l l f a u c t l l r e r ) 来做，再利用的产品或部件会用于新产品的生产，回收市场和再利用市场有 一9 一 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 重合。此外，供应的不确定性也是影响网络的一个重要因素，回收费用也较高。再 制造加工网络中涉及到的回收作业，如修理、制造加工、打磨等，需要用到生产制 造知识，需要运用生产设备，故这项产品回收再利用的工作通常是由o e m 来做，如 果市场准入壁垒低一些，则会吸收到一些专业的第三方，由于新、旧产品的销售市 场有重合，故该网络中涉及到正、反供应链的联合运输和同时处理两个方向的供应 链，而整合正反供应链的闭合结构成为必然选择。故该网络大多是在现有正向供应 链系统基础上扩展形成的多层闭合环状网络。再制造加工产品和部件会令其增值， 然而增值回收中的各种回收方式，处理步骤的相互联系使得网络结构复杂，尤其是 收集和再配送之间的中间层，回收方式和处理程序的可行性决定于回收产品的具 体条件，这使得不确定因素更加显著。 图2 2 复印机的回收网络 如图2 2 ，我们来看复印机的回收网络。供应商提供多种原材料和零部件给制 造商，制造商将其制成复印机提供给分销商，分销商利用多级分销体系销售给最 终用户。当复印机由于零部件损坏、老化、功能单一等因素被淘汰出市场或者由于 在销售中用于展示等原因不可再利用时，这些废旧复印机就被送回产品回收中心， 回收中心对该废旧产品进行检测分类，如果是可继续使用产品，回收中心就将其直 接提供给制造商( 或) 分销商，制造商对这些产品进行更新后就可以再次进入分销系 统；而分销商则只需对这些产品再次包装就可以直接进入分销。检测结果如果是不 可继续使用产品，则对产品进行拆卸处理，易耗零部件、不可再次使用的零部件直 接进入最终处理( 报废、焚烧) 等。可再次使用的零部件被运往供应商，由供应商 对零部件进行处理后再提供给制造商进入生产、分销供应链领域。从复印机的再制 造加工网络，可以看出再制造加工网络的特点： 1 ) 对产品回收技术要求高： 2 ) 对回收产品需要进行检测，分拆等工作； 3 1 产品回收过程中需要对回收产品进行再制造过程； 4 ) 对回收中心有较高要求。 一1 0 一 硕士学位论文 代表性的行业数据验证显示该种策略是行之有效的。2 0 0 8 年为了处理回收公司收 集中心的布局问题n e c a t i 等【2 3 1 提出了一个混合整数线性规划模型，以寻求双方最 佳的收集中心地点和最优激励价值。 2 2第三方物流网络 2 2 1第三方物流产生的背景 第三方物流的产生有其深厚的现实背景。总的来说是在物流演变过程中适应 新的经济环境及需求而出现的一种新的物流形式，经济一体化趋势、以电子商务为 代表的新经济的发展给第三方物流广阔的发展及运作空间。随着经济的发展和社 会的进步，企业建立竞争优势的关键由节约原材料的“第一利润源泉一、提高劳动 生产率的“第二利润源泉”、转向建立高效物流系统的“第三利润源泉”。面对日益 激烈的竞争，企业必须最大限度地运用企业的各种资源和外部资源，建立战略伙伴 关系和企业联盟，成为供应链中的一个成员，培育和发展企业的核心能力。企业为 了增强市场竞争力，纷纷实行“归核化”战略，将企业的资金、人力、物力投入到 其核心业务上去。归核化的战略使得许多非核心业务从企业的生产经营活动中分 离出来，企业逐渐将非核心的物流业务外包给专业物流服务商。由此产生了专业化 物流服务的需求，第三方物流的思想正是为了满足这种需求而产生的。另外，由 于政府对汽车运输业管制的放松、大量的仓库及运输供应者业务的不断熟练，以及 用户和提供者之间重要的物流与市场信息通讯体系的建立，e d i 的推广，方便了外 包协议的执行，从而导致了一体化服务提供者的快速增长。这种趋势首先在制造业 出现，公司将资源集中用于最主要的业务，而将其它活动交给第三方物流公司。因 此，第三方物流业悄然兴起，并在物流业中占有越来越重要的作用，它已成为西方 国家物流业发展的有效运作模式。可见，第三方物流是在企业物流管理水平提高和 物流业充分发展的基础上产生和发展起来的，是物流专业化的重要形式，也是现代 物流的重要标志。 2 2 2第三方物流的概念 第三方物流( t h i r dp a r t yl o g 溉i c s ) 是2 0 世纪8 0 年代率先由美国提出来的，1 9 8 8 年 美国物流管理委员会的一项顾客服务调查中首次提到“第三方服务提供者”一词。 第三方物流的概念像许多流行的术语一样，常因人和因地的不同而使其含义有很 大的区别，目前在国际上第三方物流定义尚不统一。现在还有一些其他的术语，如 合同物流( c o n t r a c tl 0 9 i s t i c s ) 、物流外协( l o g i s t i c s0 l l t s 0 1 l r c i n g ) 、全方位物流服 一1 3 一 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 务公司( f 1 l l l - 舱r 、r i c ed i 8 t r i b l l t i o nc o m p a n y 或f s ，d c ) ，物流联盟( l o g i s t i a l l i a n c e ) 等。 ” 第三方物流作为一种新型的物流形态，在2 0 世纪9 0 年代中后期以来，受到了我 国产业界和理论界的高度关注。我国理论界对这一概念的理解也莫衷一是，目前还 没有统一的认识，对它的理解也有广义与狭义之分。广义的第三方物流是提供全部 或部分企业物流功能的一个外部服务的提供者，或者以商品交易为参照系，第三方 物流是商品买卖之外服务的提供者。这个定义把传统的运输公司、仓储企业等单 一环节的服务提供商都是看作第三方物流的范畴。对于狭义的第三方物流的概念， 不同的学者在概念理解时有差异，大体有以下几种认识：合同物流：集成物流：供 需之外的第三方。合同物流认为第三方物流就是合同物流( 或契约物流) ，指第三 方物流提供者在特定的时间段内使用者提供个性化的系列物流服务。集成物流认 为第三方物流是提供全部物流业务服务的活动，即通常说的一站式一体化的物流 服务。供需之外的第三方概念认为物流活动是由供方需方之外的第三方去完成的 物流运作模式。我国2 0 0 1 年颁布的国家标准物流术语中，将第三方物流定义为 “供方与需方以外的物流企业提供物流服务的业务模式 。这个第三方物流的概念 中，第一方是物流的需求方，即客户，第二方是物流服务能力的提供者，即运输、 仓储、流通加工等基础物流服务的提供者，第三方物流通过整合第二方的资源和能 力为第一方提供服务。 2 2 3设施选址模型介绍 设施选址决策是供应链管理战略规划的一个重要的方面。这些决策是配送网 络建设中的企业器乐，涉及各种各样设施的选址( 如仓库，分类中心，维修中心 等) ，设施的容量和设旋的类别等等。第三方物流公司的物流网络与单个公司的物 流网络有典型的不同。单个公司的物流网络最根本的目的是关心本公司的产品和 顾客。而第三方物流网络必须同时考虑各种不同客户的要求。根据物流网络设计常 常划分为两种类型：正向物流和逆向物流。当前的第三方物流公司更倾向于对这两 种物流都提供服务。然而，更多的网络研究是把这两种物流分开来考虑。 根据假设有容量限制的设施选址问题分为三类。第一类，每年的设施容量是以 容量限制形式的参数给出，此类问题就转化为设施选址的优化【2 4 】。第二类是允许设 施容量是变量。模型中的设施容量用连续变量来表示，每个设施的最佳容量在求解 过程中得到。1 9 9 7 年j a u c o b f ；e n 2 5 】，和r l l t e n b e r g 2 6 j ，1 9 8 6 年f o n g 和s r i n i v a s a n 2 7 】分 别提出了几种启发式算法。最后一类是产品的制造对容量变化影响较少。例如，在 电信产品制造中，产品都是有固定的尺寸限制的。1 9 9 1 年s h l l l m a n 2 8 l 提出了一个混 一1 4 硕士学位论文 第3 章满足服务时间条件下产品回收逆向物 流网络优化模型 3 1引言 据髓t u mb l l y 【4 2 】，1 9 9 9 年，美国产品回收总额是6 2 亿美元，然而在处理这些 回收产品时大约花费了4 0 亿美元。随着电子商务的普及，很多公司包括很多零 售商开展了网上购物，但是回收产品的复杂性和不确定性令分销商或制造商头 痛不已。网上购物方式比传统的购物方式返还率更高，在某些特别的类别达到 了2 0 【4 2 l 。r 0 9 e r st i b b e n l e m b k e 【4 3 l 报道，杂志版业平均的返还率是5 0 。面对 日益增长的回收产品，回收产品的处理成为提高企业竞争力的一种重要的因素。因 为产品回收逆向物流的管理能给公司带来很多潜在的成本节约，因此，很多公司非 常乐意对逆向物流进行管理。p o i r i e r 阻l 观察到一个有效率的供应链和一个没效率 的供应链相比，成本降低了4 0 以上，库存降低了3 3 以上，服务水平提高了4 4 以 上。传统上，产品回收应包括回收产品的收集，回收产品的分类和运输，产品的维 修和返还，产品的再利用、再循环和再制造等。在产品的回收过程中，合理的基本 回收点的数目和地点，合理的回收中心的配置不仅能降低整个逆向物流成本，而且 能使回收点和回收中心的容量得到最大的利用和顾客得到最大的便利性。为了解 决这个问题，本文提出了一个非线性混合整数规划模型，通过模型的求解，确定了 回收点和回收中心开的数目和回收点作业的天数，从而在满足服务时间的前提下 优化了逆向物流总成本。 3 2满足服务时间条件下产品回收逆向物流网络优化模型 3 2 1建立模型的有关假设 1 ) 假设顾客到回收中心的直接运输是不考虑的，因为我们认为它没有足够的 运输量： 2 ) 假设在回收过程中回收点对从顾客手中退回的产品具有足够的容量： 3 ) 假定顾客到最近的回收点的运输成本忽略不记。 3 2 2记号 a ：回收点j 每年的租金； 一17 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 b ：每单位产品每天的库存成本； w ：每年的工作时间； l ：顾客i 到回收点j 的最大允许距离： z ：回收点的最小设立数目： g ：回收中心的最小设立数目； m ：回收点j 的最大容量； h ：每单位产品每天的管理成本： n ：顾客i 每天的退货量； 如：顾客i 的服务时间要求； 饥：回收中心k 的设立成本： 仇七：回收中心k 的最大的容量； d j ：顾客i 到回收点j 的距离： d 仙：回收点j 到回收中心k 的距离： 以j ：顾客i 到回收点j 的时间： c 伽：回收点j 到回收中心k 的运价 问题的决策变量： x 仙：回收点j 到回收中心k 的运输量： 乃：回收点j 的作业期： 、，f1 ，假如顾客i 被分配到回收点j ， v io ，否则 。f l ，假如回收点j 被设立， 。 io ，否则 门f1 ，假如回收中心k 被设立， 魄2 1o ，否贝| j 3 2 3模型的建立 我们在文献【2 1 】的基础上，建立如下的最优化模型。 m t n i m t z e a 莩乙+ b w 莩军州u 丢c 马+ 1 ，+ h w 军r t + 莓嗷g k + g 七( 七等钒) 七 j 上， s u b j e c tt o 1 8 一 ( 3 1 ) 硕士学位论文 场= 1 ， j 幻场如， j m 历，j ， j n 乃= 码七，坳以 t七 m 七g 彪，v 七k ， j 哦，m ，z ，v ，j ， 名乙， ， 9 g 七， 七 j 0 七0 ，坳，v 南k ， 乃( o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ) ，j ， ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 。 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ，易，z j ，g 七( o ，1 ) ，坳j ，惫k ( 3 1 2 ) 在上面的模型中，目标函数( 3 1 ) 是整个逆向物流成本，由租金，仓储运营成 本，材料管理成本，设立成本和运输成本构成。约束条件( 3 2 ) 保证每个顾客被指 定到一个回收点，约束条件( 3 3 ) 确保服务时间在顾客的可接受范围之内，约束条 件( 3 4 ) 杜绝任何产品从未开的回收点通过，约束条件( 3 5 ) 确保了每个回收点的 输入流和输出流相等，约束条件( 3 6 ) 是中心回收点的容量限制，约束条件( 3 7 ) 确保了每个回收点设立在顾客的可接受距离之内，约束条件( 3 8 ) 和( 3 9 ) 确保回 收点和回收中心最小的设立的个数。 3 3 遗传算法设计与实现 为了求解上节所建立的产品回收逆向物流网络优化模型，我们设计了一个由 两个子程序构成的遗传算法程序。 一1 9 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 3 3 1 编码及遗传算子设计 1 ) 编码：在遗传算法中，每一个染色体代表一个候选解，因为遗传算法在由 一个染色体产生另外一个染色体的过程中采用的是概率转移机制，所以适当的染 色体设计对一个遗传算法是否成功起着至关重要的作用。在本次实验中，染色体是 一个二进制组成的一维数组，分别代表着基本回收点、回收中心、收集期的决策， 每个回收点有4 个基因，第一个基因代表开( = 1 ) 关( = 0 ) 决策，其余3 个基因代表回 收点的作业期，可以取0 到7 的任何一个数。如图3 1 就是种群中的一个染色体：回收 点1 是开的，有一个3 天的集中回收产品的作业期( 3 天= 0 宰4 + 1 木2 + l 宰1 ) ，回收点2 是 关的，每个中心回收点有一个基因，代表开关。 图3 1初始种群的一个染色体 2 ) 复制算子：复制算子的作用是保留较好的解。在这里，我们从当代种群中 复制2 0 较好的染色体到下一代新的种群。 3 ) 父代选择算子：父代选择算子是候选解向较好的解进化的一个重要依据。 在种群中通过选择方法选出两个父代。选择方法有很多，如轮盘选择，精英选择， 联赛选择，随机选择等。在实验中，我们用两组联赛制进行父代选择。每次从当前 种群中随机的选出两个染色体组成一组，每组中最好的染色体被挑选出进行交叉 操作。这样，两个子代产生进入新的种群。 4 ) 交叉算子：杂交可以得到新一代个体，新个体组合了其父辈个体的特性。交 叉概率是交叉操作进行的标准。交叉操作有很多，如单点交叉，多点交叉，均匀交 叉等。这里我们使用两点交叉操作，一点用于基本回收点，另外一点用于回收中心， 点的位置是随机选择的，然后交换两个父代相应的部分。 5 ) 变异算子：变异操作的目的是防止解的退化。在实验中，我们首先随机的 选择一个染色体中的决策变量，然后改变1 到0 或0 到1 。如果改变的基因是回收点的 决策，并且改变后的值是0 ，那就使后面的三个基因全变为0 ，如果是1 ，则后面的三 个基因随机变化。 3 3 2适应度函数 遗传算法中用适应度来评估个体或者解的优劣，并作为以后的遗传操作的依 据。适应度的值等于目标函数值和惩罚函数值之和，目标函数值由各种成本构成， 如租金，仓储运营成本，材料管理成本，设立成本和运输成本等。我们把原问题分 一2 0 硕士学位论文 离成两个子问题来解。第一步把所有的顾客配置到最近的回收点。这里我们采用分 配算法求解，数学表达式如下： m i n i m i 舱a z j + b w r i y i j 昙( t j + 1 )z o z z 一o ) 、j 7 jj i 一 = l ， j 幻场如， j m 乙，j ， j d 巧z ，v i ，坳j ， y 易 o ，1 ，正尼k 第二步的目的是把开的回收点配置到适当的回收中心。我们采用单纯型法对 此求解。数学表达式如下： m i n i m i z e g k ( x j k ；t jc j k d j k ) + q k g k k j k n 乃= 置七，坳j ， tk m 知g 知，v 尼， j 码知o ，坳j ，v 尼k 当解超过所能容忍的距离、服务时间或者回收中心的容量时，我们就加上惩罚 值。惩罚值取迄今为止最大的适配值。 3 3 3遗传算法的基本结构 算法的基本思路及实现过程如下：( 1 ) 读入所需数据，基于种群大小形成初始 种群。( 2 ) 令初始迭代次数为0 ，计算初始种群各个染色体的适配值的大小，适配值 是目标函数值与惩罚值之和。具体来说，目标函数值由租金，仓储运营成本，材料 管理成本，设立成本和运输成本构成。如果有一些候选解不在可行解里面，如超出 了回收中心的的容量、服务时间、顾客的可接受距离等，这时我们要加上一个惩罚 值，这里我们的惩罚值取迄今为止最大的适配值。( 3 ) 通过复制，父代选择，交叉， 变异操作产生一个新的种群。这里我们采取保优策略和联赛制相结合的方式进行 一2 1 硕士学位论文 表3 1回收点和回收中心的潜在的位置 表3 2基本回收点到回收中心的运价表 一2 3 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 表3 3顾客的日需求量和位置 在试验中，我们对算法中的参数选择如下：种群大小= 4 0 0 ；迭代次数= 5 0 ；交 叉概率= 0 8 ：变异概率= 0 0 0 5 。模型中的参数由表3 4 给出，结果由表3 5 给出。 表3 4 输入的参数 一2 4 硕士学位论文 当 雪 臻 m 重 g e n e 怕矗o n 图3 2 服务时间在1 2 小时内的收敛图 表3 5服务时间在1 2 小时内迭代五十次之后所得的结果 回收中心开的数目 回收点开的数目 ( 回收点；收集期) ) 【( 回收点；顾客选择回收点 的情况) ) ( 回收点；回收点的运输 量) ) ( 回收中心；回收点) ( 回收中心；通过的容量) ) 回收点每年总的租金费用 整个的管理成本 回收中心每年总的设立费用 整个的仓储运营成本 整个的运输成本 每年的整个逆向物流费用 3 5 ( 3 ；1 ) ，( 4 ；1 ) ，( 5 ；1 ) ，( 6 ；2 ) ，( 7 ；3 ) ) ( 3 ；1 l ，1 2 ，2 1 ，2 3 ) ，( 4 ；3 ，1 8 ) ，( 5 ；6 ，1 0 ，1 3 ，1 9 ，2 2 ，2 5 ，2 7 ) ， ( 6 ；1 ，2 ，4 ，9 ，1 5 ，2 4 ，2 6 ，2 8 ，2 9 ，3 0 ) ，( 7 ；5 ，7 ，8 ，1 4 ，1 6 ，1 7 ，2 0 ) 】- ( 3 ；2 2 0 ) ，( 4 ；1 1 2 ) ，( 5 ；3 5 2 ) ，( 6 ；8 1 3 ) ，( 7 ；9 4 8 ) ( 2 ；5 ，7 ) ，( 4 ；3 ，6 ) ，( 5 ；3 ，4 ，7 ) ( 2 ；4 4 5 ) ，( 4 ；1 0 0 0 ) ，( 5 ；1 0 0 0 ) $ 1 0 0 0 $ 2 1 2 5 0 $ 9 0 0 0 $ 7 6 4 0 6 e + 0 0 4 $ 1 1 1 1 5 e + 0 0 5 $ 2 1 8 8 l e + 0 0 5 2 5 基于遗传算法的闭环供应链中若干问题研究 3 5对服务时间的灵敏度分析 服务时间与物流成本成二律背反原则。为了验证顾客服务时间对整个物流成 本的影响程度，我们对服务时间进行灵敏度分析实验。实验结果( 表3 6 ) 表明：服 务时间越长，物流成本越高，服务时间是与物流成本成反比的。 表3 6 针对服务时间的灵敏度分析 3 6本章小结 6 ) ) 随着全球化制造业的发展以及可持续发展理念的兴起，逆向供应链越来越受 到社会的关注。而逆向供应链的核心问题是产品回收。本章模型在考虑降低物流成 本的同时考虑了顾客服务时间要求，提高了企业的核心竞争力。一个企业要想获得 更多的市场份额，就要不断的提高顾客的服务水平，而满足顾客的服务时间要求就 是一个主要的方面。本章的模型采用了与当代经济发展的经济背景，能很好的适应 闭环供应链的要求，具有积极意义。数值模拟的结果表明，本章所提出的模型与实 际情况相吻合。 一2 6 硕士学位论文 第4 章基于遗传算法的第三方物流网络的动 太赦厶 ，必正口 4 1 引言 当今的商业环境导致了供应链成员间更多的协作。企业的成功与否依赖于它 是否能整合供应链中的成员。当前供应链管理的热点已经从正向供应链管理转向 整合正向供应链和逆向供应链，这也就意味着对环境、顾客服务水平、资源的充 分利用更多的关注。然而，更多的企业只是关注正向供应链，因为他们错误地认 为逆逆向供应链的利润空间很少。对于逆向供应链管理的一个主要的难点就是废 旧产品的数量和时间的不确定性，这直接导致了第三方物流公司的业务不断的增 长。1 9 9 9 年，美国的第三方物流服务市场超过了4 5 亿美元，并且每年都以1 8 的速 度在增长【4 5 j 。在2 0 0 0 年，世界5 0 0 强公司的7 4 都利用第三方物流的服务，如运输 管理、仓储管理、逆向物流等等。在第三方物流市场上，仓储与运输管理是物流服 务的关键。客户希望通过第三方物流公司来提高订单处理能力，缩短配送服务时 间，优化库存水平和退货渠道等以达到提高自身核心竞争力的目的。然而，任何一 家第三方物流公司每时每刻面对的是不同的客户和每个客户不同的市场。在这样 一个动态市场环境中，为了更好地对供应链进行管理，第三方物流公司应该随时调 整自己的物流网络，始终维持一个具有高效率和高竞争力的物流网络。为了解决这 个问题，本章提出了一个多时段，两层次，多商品，有容量限制的，以时段为单位 的动态网络模型。通过对模型的求解，确定物流公司所有的配送中心在这个时段的 开关，相应的产品运输问题和退货运输问题，使总成本最低。 4 2第三方物流网络的动态模型 4 2 1建立模型的有关假设 1 ) 假设客户的市场布局是已知； 2 ) 假设每个配送中心能同时处理产品出货和退货的问题： 3 ) 假定所有的产品都必须经过配送中心。 4 2 2记号 a 记：在时间内生产企业i 的最大的产品生产能力 一2 7 硕士学位论文 ) 昭0 舰o ，p 只，坳，v 七k ，t ， 】譬：幻越o ，p p ，坳j ，v 惫k ，t ， 扬f o ，1 ) ，坳，t ( 4 6 ) ( 4 7 ) ( 4 8 ) 这个模型的目的是使整个物流网络的总成本最小，总成本由配送中心固定管 理成本，配送中心设立成本，正向和逆向物流运输成本组成。约束条件( 4 2 ) 表明生 产企业在合约期间限制了药品的容量；约束条件( 4 3 ) 保证了顾客的市场需求被满 足：约束条件( 4 4 ) 确定了退回产品被送回到生产企业：约束条件( 4 5 ) 是配送中心仓 库的空间限制；约束条件( 4 6 ) 和约束条件( 4 7 ) 保证了决策变