地理信息系统在物流行业中的应用.doc

地理信息系统在物流行业中的应用引言物流业的发展已经成为社会经济发展的重要组成部分。现代的物流企业不是只靠自身力量与本行业的对手竞争，而是靠增强与所有在供应链上的批发商、制造商以及供应商的联盟来实现竞争，其成功依靠的是供应链上所有物流环节的高效合作。地理信息系统（GIS）技术在我国已广泛应用，在资源环境及设施的管理及规划中发挥日益重要的作用，逐渐形成一门新兴的信息产业。GIS应用于物流方面，主要指利用GIS强大的地理数据功能来完善物流分析技术，集成各种模型。GIS在物流业中的应用是一个新兴的研究课题。本文首先介绍了现代物流和GIS的基本理论，接着对物流GIS系统进行了分析，同时对基于GIS的物流车辆路径规划问题进行了分析，并对基于GIS的物流系统设计进行了探讨。关键词：物流，GIS，路径规划，物流配送一、 理论基础（一） 地理信息系统原理地理信息系统（Geographic Information System或 GeoInformation system，GIS）又称 “地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。它的基本功能是将表格型数据转换为地理图形显示。GIS通过地理空间拓扑结构建立地理图形的空间数据模型并定义各空间数据之间的关系，从而实现地理图形和数据库的结合。地理信息系统的核心是空间数据管理子系统，它由空间数据处理和空间数据分析构成。空间数据的主要来源有专题地图（等水位线图、地形地质图等）、遥感图像数据、统计数据及实测数据等。地理信息系统具有七大功能：数据的提取、转换和编辑，数据的存储与管理，数据重构和数据转换，空间数据的查询和检索，空间操作和分析，空间显示和成果输出以及空间数据的更新。（二）现代物流及物流系统原理1现代物流现代物流可以理解为从原材料供应者到生产者，经过生产过程直到最终产品到达使用者或消费者的过程。而GIS在物流中的应用主要有车辆路线模型、最短路径模型、网络物流模型、分配集合模型和设施定位模型等1。显然，这些应用模型都需要处理与地理相关的数据信息。2物流系统物流系统是指在一定的时间和空间里，由所需位移的物资、包装设备、装卸搬运机械、运输工具、仓储设施、人员和通信联系等若干相互制约的动态要素所构成的具有特定功能的有机整体。物流系统的目的是实现物资的空间效益和时间效益，在保证社会再生产顺利进行的前提条件下，实现各种物流环节的合理衔接，并取得最佳的经济效益。物流系统是社会经济大系统的一个子系统或组成部分。物流系统和一般系统一样，具有输入、转换及输出三大功能，通过输入和输出使系统与社会环境进行交换，使系统和环境相依存。物流系统是由人、财、物、设备、信息和任务目标等要素组成的有机整体，其目标是获得宏观和微观两个效益。我们建立和运行物流系统时，要有意识地以实现这两个效益为目标。具体来讲，物流系统要实现的有服务、快速及时、节约、规模优化和库存调节等五大目标。（三）地理学信息系统与物流的关系因此，将GIS融入到物流系统中，利用其空间数据管理与分析能力以及图形化的显示功能可以更方便地管理物流系统中货物的运输、仓储、装卸、送递等各个环节，特别是对如运输路线的选择、配送车辆的调度、仓库和配送中心位置的选择、仓库的容量设置、仓库的布局和合理装卸策略等问题进行有效的管理和决策分析，有助于企业有效地利用现有资源，降低成本消耗，提高效率。实际上，随着电子商务、物流和GIS本身的发展，GIS技术将成为全程物流管理中不可或缺的重要组成部分。二、地理信息系统在物流信息系统中的应用（一） 地理信息系统应用简介物流学是一门新兴的学科，而物流业在我国也是一个方兴未艾的行业。在社会生产力和科学技术高速发展的今天，企业要想在激烈的市场竞争中保持发展，就必须具有现代化的管理思想、方法和手段。管理手段现代化的核心是计算机技术为核心的信息技术的应用。随着技术的发展和社会需求的增大，GIS应用日趋广泛，它不但在资源和环境管理与规划中成功应用，同时还进入物流配送、商业选址以及人们的日常生活领域之中。商业管理部门拥有的商业网点的统计数据具有数据量大、分布范围广、信息种类繁多、具有地理位置等特点，采用GIS的可视化技术将它们通过地图管理起来，将给商业管理部门带来极大的方便。信息技术（IT）是有效进行供应链管理的重要工具7。GIS在供应链管理的许多领域都发挥着重要的作用，其中包括物流网络分析、路线选择、商业设施选址等等。在所有这些应用中所贯穿的思想便是GIS同数学模型和运算法则的集成。在集成系统中，GIS提供地理数据，而属性数据（Attribute Data，例如需求信息、成本、产品、仓储能力等）则从标准数据库下载得到。在当前的供应链管理领域中，由于能够引入大量数据并存储对这些数据进行复杂分析的结果，因此人们对供应链管理的许多兴趣被激发了。面向具体的应用领域，GIS可以回答以下问题：定位(Location)：对象在何处?条件(Condition)：哪些地方符合特定的条件?趋势(Trends)：从何时起发生了哪些变化？模式(Patterns)：对象的分布存在何种空间模式？模拟(Modeling)：将如何发展?GIS最明显的吸引力是通过地图来表现数据。这是通过把空间要素和相应的属性信息关联起来实现的。地理信息技术的特点使之成为与传统方法迥然不同的解决问题的先进手段。但是制作专题地图并没有超出传统的关系数据库的功能范围，把空间要素和属性信息关联起来所能支持的应用还远不止这些。在传统的关系数据库中，各数据域是平等的，它们按照关系规范化理论组织起来。而在GIS中，空间信息和属性信息是不可分割的整体，它们分别描述地理实体的两面，以地理实体为主线组织起来。不仅如此，空间信息还包括了空间要素之间的几何关系。因而GIS能够支持传统的关系数据库所不能支持的空间查询和空间分析，这是制定规划和决策的基础。（二） 地理信息系统与物流系统的结合物流使用嵌入的GIS（或者商业GIS）作为地理数据输出的平台或者服务系统。其中物流网络设计、销售与营销区域划分、配送资源计划、生产地点选址/设施布置以及车辆计划等，应用GIS的地理显示或者图表都能够得到比较不错的效果。通常在使用GIS进行物流建模时，我们需要估计运输时间。在大多数的物流应用中，为了估计运输时间和运输成本，我们有必要计算出两个位置之间的距离。通常有以下几种做法：其一是计算两个坐标之间的直线距离并将它同一个因子相乘，以此来估计两点之间的迂回路程，这当然是一个非常简单的方法，除了两点的坐标之外，我们并不需要其他的信息，在这种方法中，根据不同的地区而使用不同的因子，另一种计算运输距离的方法是使用实际的路线网络，从中找到最好的一条路线，接着确定它的距离，这种方法需要有关道路网络的大量精确信息，其中可能包括单向行驶街道、转弯障碍以及类似的其他细节材料。此外，物流网络中的各个节点（如工厂、仓库、零售/服务中心等）的选址也是一个十分重要的决策问题，它决定了整个物流系统的模式、结构和形状。早期的选址模型研究通常把运输成本作为重要的因素。物流网络中设施选址不仅要考虑运输服务水平，还影响着库存战略决策，同时要考虑上游提供服务的供应商以及下游接受服务的客户，因此十分复杂。其中的供应商/客户位置定位、配送中心的位置、仓库的布局、运输的最佳路径规划都是空间信息的基本应用。因此，可以以GIS技术为支持，结合最短路径分析，构建物流网络中设施选址模型。物流设施选址是一个复杂的决策过程，一个最佳的位置是由许多的因素决定的，传统的选址方法几乎都是先建一个模型，然后经过一系列的计算得出设施点的位置，缺乏计算机和决策者的动态交互过程，而这样的功能只有GIS能够实现，这就是基于GIS建立物流设施选址模型的基础。物流具有空间尺度和空间特征的性质是GIS技术与物流技术集成的基础，GIS应用于物流，从根本上改变传统物流的管理方式和分析模式，具有广阔的应用前景。物流活动具有资源庞杂、流动空间广、过程复杂的特点，而地理信息技术具有强大的空间信息获取、管理、分析、决策及其他的强大功能。将地理信息技术应用于与人们生活有密切关系的精确物流，对于解决物资的高效、合理流动，达到物资配给效益最大化问题将具有广阔的应用前景，具有很强的时代特征。三、基于GIS的物流车辆路径规划（一） 路径规划的描述首先描述一个简单的物流配送过程，如图3.1。假想有供应商，配送中心,以及客户（零售商或最终客户）如图所示，现某零售商需要一定单位的商品G，物流供应商（这里指第三方物流）接到订单之后，首先必须确定哪个配送中心拥有所需商品的库存（在信息共享的条件下，甚至可以知道那个工厂拥有库存以及数量多少），确定由哪个配送中心发货之后，在货源地和客户目的地之间计算出货物最优的配送路径，最后派出车辆完成任务。在整个过程中，我们都在与地理有关的信息打着交道，单纯的数学方法，如运筹学方法，求解配送路径规划的过程非常抽象；而GIS的运用正克服了这一缺点，在图形界面下调用原先的算法，再利用图形处理技术把求解得出的最优路径高亮显示在地图上。同时GIS的应用优势还在于它与数据库的结合，因为在物流系统中，大部分数据都与地理位置发生关系，将这些数据与图形相结合之后，极大地方便了物流数据的显示和管理。随着计算机的普及以及地理信息科学的发展，GIS因其强大的功能得到日益广泛和深入的应用。网络分析作为GIS最主要的功能之一，在电子导航、交通旅游、城市规划以及电力、通讯等各种管网、管线的布局设计中发挥了重要的作用，而网络分析中最基本、最关键的问题是最短路径问题。最短路径不仅仅指一般地理意义上的距离最短，还可以引申到其他的度量，如时间、费用、线路容量等。相应地，最短路径问题就成为最快路径问题、最低费用问题等。由于最短路径问题在实际中常用于汽车导航系统以及各种应急系统等（如110报警、119火警以及医疗救护系统），这些系统一般要求计算出到出事地点的最佳路线的时间应该在1 秒3 秒内，在行车过程中还需要实时计算出车辆前方的行驶路线，这就决定了最短路径问题的实现应该是高效率的。其实，无论是距离最短、时间最快还是费用最低，它们的核心算法都是最短路径算法。（二） 最短路径的系统实现在路径规划中常用的技巧是在每个节点的数据结构中包含禁止状态。通常，任何道路网都包含相当数量的道路终点、阻塞道路或单行道，以及转向限制，不能把它们用作路径规划的畅通道路。同样，在路径规划中，在一个单行道中走错方向也是不允许的，处理这个问题的简单方法是动态地把这一信息加入到节点数据结构所对应的禁止状态中。禁止节点在路径搜索时不能使用，所有系统可以自动避开禁止的道路。另一种选择是如果一有效节点与一个禁止路段相连时，则不对其进行迭代搜索。我们可以进一步扩展这一思想以增强路径规划的功能。例如，一个用户可能想在一特殊旅行中避免高速公路。如果系统以这样的方式设计，即在执行规划算法前用户可以做如上选择，那么系统可以将所有的高速公路标上禁止状态屏蔽以满足用户需求。最短路径算法通常用于寻找一个已知图的解，或在脱机情况下，预先计算路径存储起来，当需要进行物流配送时，可以即从最佳路径库找到与零售商匹配的道路节点,提出相应的最佳路径。现实世界中由于每条道路的每个时间段的交通状况都在变化，再加上国情，道路流量的实测设备落后或根本没有，因此，可能需要对物流配送进行实时的路径规划。根据观察，某条道路的阻塞状况在排除偶发因素外是有规律可寻的。因此我们可以建立分时段的最佳路径库。最短路径分析是GIS网络分析的一个基本的问题，国内外学者都对此进行了大量的研究。其中1959年迪克斯特拉（Dijkstra）提出的单源问题算法是最适合拓扑网络中两节点最短路径搜索的算法之一。Dijkstra算法是目前多数系统解决最短路径问题采用的理论基础，只是不同系统对Dijkstra算法采用了不同的实现方法。四、 基于GIS的物流配送系统(一) 需求分析在货物需求信息复杂，拥有运输车辆较多的情况下，单纯采用人工方法在规定时间内连续确定配送车辆整体调度的每日最佳方案是不可能的。因此开发以GIS为基础平台，集成物流配送车辆管理和数据库管理于一体的系统是货运组织提高工作效率，增加经济效益的必要手段。基于GIS的物流配送车辆路径规划以区域电子地图为基础地理信息来源，同时连接各种动态数据库。它为用户的商业配送货业务提供全面的解决方案、信息搜索、管理、统计分析，主要功能包括：电子地图编辑、配送车辆调度、信息查询、系统管理等等2930。系统的主工作流程是：用户输入送货点需求信息，经过有效性检验合格之后，选择不同的调度方案模式，并把数据通过公共变量的形式传递到运输计划生成系统，算法模块检验传递过来的数据，进行计算，把结果及各项统计指标以文字的形式在窗体上显示，然后用户可以选择以地图的方式在电子地图上显示行进路线，看是否满意此调度方案，然后用户可以选择放弃、修改或保存调度方案，然后再进行如上步骤，或进行别的操作功能。主工作流程如图4.1所示：（二） 系统总体设计系统以电子地图为基础，集优化算法与数据库管理分析于一体，进行货物配送方案的优化，并以地图和报表的形式向用户提供方案，实现了配送方案的可视化、运行数据的可视化，促进了运输部门管理的科学化、信息化的进程。在此基础上，进一步全面跟踪、分析货物流向，进行区域分析，为企业的决策提供科学的参考依据。其总体内容分为以下几个部分：1.桌面地图功能：对电子地图提供基本操作，如分层显示、分层控制、无极缩放、任意漫游、直线选择定位等功能；对电子地图的编辑操作；对电子地图进行综合信息分析。并创建专题图。2.基础数据建立：将收集到的用户、车辆、司机信息录入系统，并可做相应修改。3.信息维护：输入货物需求计划，并对建好后的基础数据发生变化时进行变更处理。4.运输计划制定：通过车辆优化调度模型的计算，形成优化配送方案。具体可以：求解任意两点间的最优路径；求一天内所有货运任务的分派方案。5.查询：系统可按照给定的查询条件从不同方面查询用户、车辆、司机和运输货物信息，并可结合地理图形进行综合信息查询。6.统计分析：系统可根据给定的统计条件从不同方面统计用户、车辆、司机和运输货物信息，并可结合地理图形进行综合信息统计分析。7.系统管理：提供整个系统的管理和维护功能。（三） 主要功能1.基本的地图操作功能包括地图简单编辑工具、绘图工具及查看地图使用的工具，如：分层控制、无极缩放、任意漫游、直接选择定位等功能。1）创建图这部分包括两部分内容，一是依据地理要素创建相关的专题地图，对地图进行区域分析和货物流向分析；二是根据上面的依据，创建统计图表。2）地理编码地理编码是地理信息系统特有的一项功能，它将数据库的数据与地图有机结合，实现在地图上对数据库进行操作。它可以将我们已有的数据库轻而易举地在地图上进行显示、分析及创建专题图和统计图。2.配送车辆调度计划图4.2 系统结构1）两点间最优路径两点间最优路径可按照用户输入的地点寻找这两点之间距离最短或行驶时间最少地路径，给出相应统计指标，并在电子地图上以可选择地线条和颜色进行渲染。2）单车运输调度计划主要是由于存在运输货物量很小（不超过一辆车的装载容量），但运输地方却很多，对时间窗限制不严格的这种情况。系统针对这种情况，按照距离和行驶时间提供可供选择的两种方案及相应统计指标，并以地图的直观形式表现出来。3）多车运输调度计划多车运输计划分为有时间窗约束的多车运输调度计划和无时间窗约束的多车运输调度计划。有时间窗约束主要是考虑到送货时间限制这种情况，为管理人员作出可靠的决策。3.配送查询管理1）实时信息查询：通过订单编号，在地图上显示监控的配送车辆；通过配送点，显示当前所有前往该点的车辆列表，点击具体车辆转为单车监控。2) 历史信息查询：通过订单编号显示配送车辆、到达时间、装缺货时间并在地图上显示具体的行驶路线，通过配送点显示某时间段内达到该配送点的订单，具体的送货车辆以及行车路线；通过车辆，显示某时间段内该车辆执行的配送任务，送货的配送点，以及具体的行车路线。五、 结束语物流管理是管理领域的重要课题，而GIS只是一种新兴的技术观念。在物流GIS系统中，仍应以管理信息系统思想为核心，以GIS作为应用框架，辅以物流和其它专业的成熟的分析技术和方法。新系统以数字地图作界面，将数据和空间位置相结合，在后台进行分析处理，结果再以图形显示，操作简便，输出结果图形化，直观而容易理解。路径规划是物流活动的一个主要内容，特别是最短路分析，还牵涉到物流网络其他环节的应用。加强基于GIS的物流配送