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福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 库存与运输系统的集成化研究 摘要：供应链环境下的库存与运输问题，是一个复杂的系统工程。在国外，无论是其理论 研究还是实际应用都已经相当深入，而在我国则尚处于初步阶段。随着我国加入w t o ， 国内企业面临更加剧烈的竞争，迫切需要寻求各种有效措施来提高市场竞争能力。研究库 存与运输的集成化问题有助于企业降低物流成本，提高运作效率，全面提高顾客满意度。 在综述国内外对库存与运输系统的集成化研究的基础上，论文对库存与运输的集成化 问题进行了理论研究，并通过算例分析探讨理论研究在实际应用的可行性。 首先，论文介绍了库存控制的基本模型和运输调度的基本模型，并提出用订货量作为 库存模型的输出和运输调度模型的输入，将两者集成起来。并介绍了库存与运输集成化问 题的作用、评价标准和管理措施。 其次，针对单一配送中心和多个客户点组成的供应链系统，建立在v m i 模式下的库存 与运输集成化模型，并提出求解该模型的迭代算法、蚁群算法步骤和流程图，以系统优化 的角度确定出最优配送量、配送路线。在求解配送费用时，通过对比，分析了蚁群算法的 优点，并采用了最大一最小蚁群算法，设计出求解的步骤和方法。 最后，以某公司的物流系统作为范例，根据论文提出的模型与算法，通过m a t l a b 的编 程计算，进行结果的分析，验证该模型的有效性和实用性。 关键词：库存与运输；集成优化；供应链管理；迭代算法；蚁群算法； 中图分类号：u 2 9 4文献识别码：a 库存与运输系统的集成化研究 a s t u d yo nt h ei n t e g r a t e do fi n v e n t o r y t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a b s t r a c t ：i n v e n t o r y - t r a n s p o r t a t i o np r o b l e mu n d e rt h es u p p l yc h a i ne n v i r o n m e n t i sac o m p l i c a t e d s y s t e me n g i n e e r i n g s t u d i e so n t h e o r i e sa n d a p p l i c a t i o n s o ft h e i n t e g r a t e d i n v e n t o r y - t r a n s p o r t a t i o nh a v eb e e nf r u i t f u la b r o a dw h i l ei nc h i n ai t i ss t i l lo nt h ep r i m a r y s t a g e a sc h i n ah a sb e e no n eo ft h ew t om e m b e r s ，c h i n e s ee n t e r p r i s e sa r ef a c i n gm o r ea n d m o r ed r a s t i cc o m p e t i t i o n st h a tt h e ye a g e r l yr e q u i r ea l lk i n d so fe f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v e t h e i rm a r k e tc o m p e t i t i o n s t u d i e so nt h ei n t e g r a t e di n v e n t o r y - t r a n s p o r t a t i o nw i l lh e l pt h e m r e d u c el o g i s t i c sc o s t ，i m p r o v eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y ，a n de n h a n c ec u s t o m e r ss a t i s f a c t i o nr o u n d l y b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no fc u r r e n ts t u d i e so nt h ei n t e g r a t e di n v e n t o r y - t r a n s p o r t a t i o n h o m ea n da b r o a d ，t h e o r e t i c a ls t u d i e sw e r ec a r r i e do u ti nt h i sp a p e ra n dt h ep r o b a b i l i t i e so ft h e m a p p l y i n gt ot h er e a ls i t u a t i o n sw e r ed i s c u s s e du n d e r t h ec a s ec a l c u l a t i o na n a l y s i s a tf i r s t ，b a s i ci n v e n t o r yc o n t r o lm o d e l sa n db a s i ct r a n s p o r t a t i o ns c h e d u l i n gm o d e l sw e r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，o r d e rq u a n t i t yw a sp r o p o s e d 船t h eo u t p u to fi n v e n t o r ym o d e l sa n d i n p u to ft r a n s p o r t a t i o ns c h e d u l i n gm o d e l s ，a n dt h e s et w o m o d e l s w e r eu n i t e dt o g e t h e r b e s i d e s ， e f f e c t s ，e v a l u a t i o ns t a n d a r d sa n d m a n a g e m e n t m e a s u r e so ft h e i n t e g r a t e d i n v e n t o r y - t r a n s p o r t a t i o np r o b l e m w e r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h es u p p l yc h a i ns y s t e mw h i c h i sm a d eu po fas i n g l ed i s t r i b u t i o n c e n t e ra n das e to fs a l e s - p o i n t s ，t h ei n t e g r a t e di n v e n t o r y - t r a n s p o r t a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d u n d e rt h ev e n d o rm a n a g e di n v e n t o r y ，a n di t e r a t i v ea l g o r i t h m ，a n tc o l o n ya l g o r i t h ma l o n gw i t h t h e i rs t e p sa n df l o wc h a r tw e r ea d v a n c e dt os o l v et h em o d e l s ，t h e r e f o r e ，t h eo p t i m a ld i s t r i b u t i o n q u a n t i t y a n dt h e o p t i m a l d i s t r i b u t i o nr o u t e sw e r ew o r k e do u ti nv i e w o fs y s t e m o p t i m i z a t i o n w h e ns o l v i n gt h ed i s t r i b u t i o nc o s t s ，m e r i t so fa n tc o l o n y w e r ea n a l y z e dt h r o u g h c o m p a r i s o n s ，a n dt h em a x m i na n ta l g o r i t h mw a sa d o p t e dt od e s i g nt h es o l v i n gs t e p sa n d m e t h o d s a tl a s t ，t o o kl o g i s t i c ss y s t e mo fac o m p a n ya sac a s es t u d y ， a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u s m o d e l sa n da l g o r i t h m ，a n a l y s i so ft h er e s u l t sw e r ec a r r i e do u tt h r o u g hc a l c u l a t i o n su n d e rm a t l a b p r o g r a m m i n g ，t h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n so f t h em o d e l sa n dw e r ev e r i f i e d k e yw o r d s ：i n v e n t o r ya n dt r a n s p o r t a t i o n ；i n t e g r a t e do p t i m i z a t i o n ；s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t ； i t e r a t i v ea l g o r i t h m ； a n tc o l o n ya l g o r i t h m c l cn u m b e r ：u 2 9 4d o c u m e n tc o d e ：a h 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完成的研究 成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的地方外， 论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献的同志，都在 论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应 有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 稀嗍汐穆7 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有权送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 指导教师亲笔签名：有勿九蛭 魄z 。口z 厶7 日期7 、占i ，g 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 1引言 1 1选题背景 2 0 世纪9 0 年代，是一个政治与经济都发生了剧烈变革的时代，也是世界各国和企业的 经济活动日益全球化的时代。在全球化市场竞争日益激烈的环境下，产品的寿命周期越来 越短，产品品种数量飞速膨胀，客户对交货期的要求越来越短，对产品和服务的期望也越 来越个性化。经济全球化也使得资金、技术、人员、信息等生产要素和商品在全球范围内 快速、自由流动，世界各国经济日益紧密地联系在一起，相互渗透，相互影响，相互依赖。 在这种背景下，供应链与供应链管理应运而生。所谓供应链，其实就是由供应商、制造商、 仓库、配送中心和渠道商等构成的物流网络。那么供应链管理，就是指在满足一定的客户 服务水平的条件下，为了使整个供应链系统成本达到最小而把供应商、制造商、仓库、配 送中心和渠道商等有效地组织在一起来进行的产品制造、转运、分销及销售的管理方法 1 1 。 近年来，国外出现了一种新的库存管理方法供应商管理用户库存方式( v e n d o r m a n g e di n v e n t o r y ，简称v m i ) ( 女i j 图1 1 ) ，这是基于供应商管理思想而产生的一种新的库存 管理模式。这种库存管理策略打破了传统的各自为政、条块分割的库存管理模式，从系统 的、集成的思想进行库存管理，使整个供应链系统获得同步化的运作，增强了企业的敏捷 性和响应性【2 1 。 图1 1v m i 管理模式 f i g u r el 1m a n a g e m e n tf o r mf o rv m i 因此，在对于供应链管理的理解中，我们可以充分了解到对于库存与运输系统的研究 交得极为重要。最小的投入，最大的产出始终是一个企业不断追求的目标，这就要求我们 l 库存与运输系统的集成化研究 对库存与运输系统有一个整体的把握，以系统的方法来研究整个供应链。为此，本文提出 该选题，借鉴国内外先进的理论与方法，对库存管理与运输调度问题进行综合研究，希望 为企业系统管理库存与运输、降低成本、提高物流经营管理水平、增强竞争力提供参考和 指导。 1 2 库存与运输系统集成优化问题的概述 在理论上，可以说库存控制问题和运输调度问题都是运筹学研究的经典问题，关于它 们的文献都足以千计，但是将两个问题集成到一个系统中，用一个目标函数来描述这两个 互相矛盾而在物流系统优化中又如此重要的领域，则是一个较新的研究方向。库存与运输 费用两者的关系如下：当追求运输的规模经济效益时，就必须增加运输量，运输次数就减 少，运输费用也就随之减小，而库存量就增大，库存费用就增大；当减少库存量时则库存 费用相应减少，势必增加运输次数，运输量减小，运输费用就增多。二者是一种此消彼长 的关系，相互影响，相互制约。在实际的物流管理中，现代企业的大型化、国际化趋势越 来越明显，如沃尔玛，要统一管理分布于1 0 个国家的大约5 3 0 0 个超市；华联公司在上海 有几百家分店；在国内，比如永辉超市这样大的企业也希望能同时协调好库存与运输这两 个方面问题，实现整体收益的最大化。因此如何在平衡这两个“效益背反”的功能要素基础 上，谋求理想的运营业绩就变得十分重要了。 1 2 1 问题的定义 简单的说，库存与运输的集成优化问题( i n v e n t o r yr o u t i n gp r o b l e m ，简称：i r e ) 是在同 时考虑库存与运输相应要素的前提下，研究一种或若干产品从一个或几个供应商处，在一 定时间范围内( 有限或无限) 内运送至一个或多个客户的物流配送管理过程。具体的说，在 计划期内，对一系列的需求点，在满足一定的约束条件( 货物需求量、需求时间、库存水平 等) 下，确定对各需求点补充库存的数量和时间以及车辆的行驶路径，使系统总运行费用( 订 货费、存储费、缺货损失费、运输费等) 极小或总收益最大。它是从系统化、集成化的思想 出发，将物流管理的两大功能，库存控制和运输调度，作为一个整体进行优化，在确定配 送对象( 或进货来源) 、运输产品种类、数量以及运输车辆分配和路线优化方案的过程中， 不仅考虑运输成本，还要考虑各项库存成本，以实现整个系统的成本最小化。 一般来说，不同的实际问题有其重点要解决的关键决策变量，但总的来说库存与运输 系统的集成优化所需解决的主要问题为如下几个方面： 1 ) 时间或频度：如果计划期长度已确定，则需要决策在什么时候为哪些客户提供配送 2 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 服务；如果计划期长度未知，则需要决策在整个计划期内以什么样的频率为客户提供配送 服务。 2 ) 配送量：在了解客户需求信息后，决策者需要确定在每次配送时为每个客户提供的 配送量是多少。 3 ) 配送路线：配送车辆选择怎样的路线依次访问不同的客户从而完成配送任务。 其中前两个决策主要考虑的是库存管理与控制问题，后者主要考虑的是运输调度问 题。 1 2 2 问题的研究特性 论文主要从以下6 个方面介绍库存与运输系统的特性： 1 ) 研究对象：i r p 研究的是由供应方( 可为生产企业、批发企业、配送中心等) 和需求 方( 可为零售企业、配送中心和客户) 。 2 ) 拓扑结构：i r p 的拓扑结构指得是由供应方和需求方所组成的物流系统的网络拓扑 结构，可以是单对单( o n e - o n e ) 、单对多( o n e - m a n y ) 、多对单( m a n y o n e ) 或多对多( m a n y - m a n y ) 。 由于受求解算法的影响，大多数文献都是基于单对多。 3 ) 货物的种类：指在供应方和需求方之间运输的货物种类的数量。可以是一种或多种 货物。当处理多种货物时，一般也是首先对每种货物单独处理。 4 ) 费用因素：主要涉及库存和运输费用。库存相关费用主要由货物保管费、缺货损失 费和订货费构成。运输相关费用主要包括启用运输工具的固定费用及与行驶距离相关的可 变费用，有时也包括运载工具在需求方停留的费用。 5 ) 需求特性：需求可分为三种情况：需求方的需求量已知；需求量是随机的，但需求 的概率分布特性已知；需求特征完全未知。 6 ) 限制因素：涉及的具体问题不同，求解问题的限制也不同。一般都包含几个主要因 素，如供应方的供应能力，需求方的存储能力，运载工具的载重量，运载工具每天的最大 行驶距离，需求方的时间窗限制1 3 】。 1 3国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外学者l u c ab e r t a z z i 和g p a l e t t a 4 】等人把库存与运输整合的一体化配送系统分成两 种类型：一种是内部配送系统，在这些系统中，供应商和客户是一个公司内部的不同层面； 另一种是外部配送系统，供应商以给定的服务水平和以总成本最小化为目标向客户补充供 给。一般情况下，人们在应用数学模型来解决库存与运输的整合优化问题时，首先是确定 气 库存与运输系统的集成化研究 一个周期模型，按时间确定策略，可能把周期作为一个数据参数，也可能作为一个问题的 决策变量，然后进行多次迭代，最后求出最优化的结果。 b u m s 等人【5 】是较早研究库存与运输集成化问题的学者。他们的研究考虑的是无限时 间长度、单供方多需方的单物品配送系统。在假设需方的需求量是确定的、所有客户的库 存维持费用相同且运输费用仅与走行距离相关的情况下，他们分别研究了两种使库存和运 输费用最小的配送策略：直达运输( 每辆车每次为一个客户送货) 和零担运输( 每辆车每次为 多个客户送货) 。文中也建立了类似于e o q 的模型，并设计了相应的求解方法。他们采用的 解析法的实质是在不影响所研究问题的本质特性的前提下，采用有代表性的统计数据 ( a g g r e g a t e dd a t a ) 而非繁杂的具体数据来寻求实际问题的解决。由这种思想建立的模型易于 理解和求解，尤其对于大规模物流系统来讲，更易于求解。所以这篇论文指出，管理者如 果采用他们设计的方法，用计算器就可以进行辅助决策和对系统进行敏感性分析。 f e d e r g r u e n 和z i p k i n ( 1 9 8 4 ) 【6 】也是较早对此问题进行研究的学者。他们研究了一种资源 的一对多配送网络的库存与运输整合优化问题。在研究中，他们假设客户需求是随机的， 费用因素包括可变因素和由库存保管费和缺货损失费构成的非线性库存费用。他们建立了 一个非线性混合整数规划模型并采用广义斑德分解算法( b e n d e r sd e c o m p o s i s i o na p p r o a c h ) 来求解。 1 9 8 5 年，d a n g a n z o 和n e w e l l 【7 】分析了一对多的配送类型。假定产品总需求可以预测， 但消费点每天都随机变动( 以机场的客运服务汽车为例) ，每种产品要求一个车辆停靠点， 问题的决策变量是：配送区域个数与大小、车辆数、每辆车的停站数、每一配送区域的发 运频率等，目的是使运输和库存成本最小化。作者认为，运输成本伴随距离的增加而增加 的幅度很小，但是节约比重随配送区域的增加而减少。1 9 8 8 年，d a n g a n z o 还研究了多对多 配送网络中散货场站的作用。他首先提出不用场站的情形，得出使库存和运输成本最小化 的最佳发运频率和停站数。他认为，通过修改车辆在收集货物阶段的行驶路线，利用散货 场站，可获得更好的优化效果。他的研究表明，在确定的条件下，在一对多配送体系中， 转运是一种非常优越的方式。 1 9 9 0 年，a n i l y 和f e d e r g r u e n 【8 】假设每一零售商以恒定的速率吸收产品，研究了单产品、 确定性需求、时间连续的库存及车辆路线优化问题，他们建立的模型假设系统只有一个配 送中心但并不持有库存，他们所采用的方法是通过将客户按需求之和进行分组并由指定的 车辆服务，最后他们确定出每组每个客户的最优进货周期，从而得到最优库存策略和派车 策略。 4 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 1 9 9 4 年，c h a n d r a 和f i s h e r g j 讨论了单产品、一对多配送( 车队从单一原点运输产品到多 个需求点) 的联合运输和库存模型，作者考察了库存控制和运输作业相互协作的优点，并通 过实例分析，得出两者之间协作可以导致较大费用节约的结论，然而，他们没有讨论解的 质量和算法执行情况。 1 9 9 6 年，d a n g a n z o 1 0 1 对一对多配送进行了更为深入的研究，目的在于给读者一些一般 指导，而不是提出解决物流网络中配送问题的精确方法。由此也产生了一些近似算法，比 如在进行优化时，不是根据消费地的精确位置而是根据消费地的集中程度进行计算。他首 先证明，最优的发运频率一定会在车辆满载的条件下，然后，在给定消费点的分布密度情 况下，较好地解决了“配送区域”概念基础上的运行线路的优化问题。配送区域就是一辆车 必须访问的一组消费点的集合，区域大小可根据配送数目多少来确定。配送线路问题可以 这样解决：首先确定配送区域大小，然后确定属于每个区域的消费点数目，最后按最小运 距原则，往每一区域派出满载车辆。 1 9 9 7 年，v i s w a n a h a n 和m a t h u r t l l 】研究了由一个中心仓库和多个客户多产品组成的配送 系统，各种产品由一卡车车队负责从中心仓库向客户运输交付。库存只保存在中心仓库， 作者的启发式算法求解出了具体交付数量和配送路线，以使长期运行的库存和运输平均总 费用最小。 国外己经发表的关于库存与运输系统集成优化问题的文献，对决策层的3 个层次，即 战略、战术和作业层都有涉及，但多集中于后两者，对于战略层的研究较少。从采用的方 法来看，大多数是按照一定的规则将客户划分到不同的子集中，然后再对每一个子集进行 库存和运输优化，最后通过对所有子集集成来实现系统优化。所用的数学模型有混合整数 规划，非线性规划，网络流等。 1 3 2 国内研究现状 一直以来，库存与运输问题是被分别研究的，没有作为完整的系统引起足够的重视。 黎青松在b c 电子商务配送系统规划理论研究中提到了此类问题在配送系统设计中的 重要性，但是没有具体进行研究。王佐在配送系统设计中的综合模型一选址、运输和库 存综合决策一书中编译了一篇关于配送系统设计中的选址、运输、库存和决策方面的文 章，侧重点在于运输方案的选择【1 2 】。不过，单独对于物流系统中存在问题或运输问题的研 究，尤其在近几年“物流热”的影响下，在国内还有一些。如关于运输问题的研究，郭耀煌 在车辆优化调度一书中比较全面的从车型、车场和载重情况的不同组合角度研究了车 辆优化调度问题，文中对些基本的相关原理和方法进行了阐述【1 3 】；而李影刚的配送运 输车辆优化调度模型及其应用研究、郭耀煌的货运汽车调度的一种启发式算法、李 5 库存与运输系统的集成化研究 军的车辆调度问题的分派启发式算法以及姜大力等的车辆路径问题的遗传算法， 研究则采用不同的启发式算法，如分派启发式算法、遗传算法以及其他近似算法对不同应 用背景的车辆路线问题展开了研究【1 4 1 5 1 。 随着物流配送系统中的单一环节研究上的突破，人们对库存与运输的集成优化研究也 已经起步。 大连海事大学的孟小平( 2 0 0 1 ) 研究连锁企业的二级库存系统优化问题，将运输成本和 库存成本作为连续函数，运用求导的方法进行了求解【1 6 】。 袁庆达1 1 7 ( 2 0 0 2 ) 在他的论文里介绍了多路径的公路配送物流系统，从决策的三个层次 即战略、战术和作业层次，扩展了已有研究的决策范围，构造了描述此类问题特征的数学 模型和有效的启发式算法，对随机需求情况下的库存与运输优化问题进行了探讨。 西南交通大学的叶志坚、杜文、王清荣等【1 8 1 ( 2 0 0 3 ) 主要讨论了v m i 模式下供应商自身 库存补充和配送的整合优化问题。论文通过( o ，q ) 库存补充策略，以长期期望总成本最小 的优化模型来确定系统最佳库存补充量和配送周期。 西南交通大学的蒋赛1 m 1 ( 2 0 0 4 ) 在其硕士论文中针对单供货方多客户的配送系统，并基 于确定的客户需求，在运输环节中，提出了混合时间窗模型，并利用单亲遗传算法进行求 解。 南京理工大学的谢苏苏【2 0 1 ( 2 0 0 7 ) 讨论了一类智能算法在i i 冲中的应用，文章的研究对 象也是单供方多需求方，其文章首先对运输调度和库存控制问题分别进行研究，在运输环 节中采用改进后的v r p 蚁群算法求解，并验证了改进后的蚁群算法对求解较大规模v r p 时， 能以较快速度收敛至全局最优解。在库存控制中，结合e o q 公式提出基于个体最优的库存 补货策略方案。最后，对库存与运输问题进行联合，并采用提出的算法，并结合两阶段法 进行求解。 合肥工业大学的左妍妍【2 1 1 ( 2 0 0 8 ) 研究了确定需求且客户点不允许发生缺货的情形下， 对单一配送中心多客户和多配送中心多客户组成的两级供应链系统，进行了探讨。在求解 单供方多客户的车辆路径中，将传统的c w 节约算法与车辆满载运输相结合。在对多配送 中心多客户中如何确定配送对象，采用一种基于梯森分割的新的配送分区模型。 同济大学的于涛【捌( 2 0 0 8 ) 在其硕士论文中建立了以系统总费用最小为目标函数的库 存管理与运输调度整合优化模型，并提出了求解模型的迭代算法、遗传算法步骤与流程图， 求解了最优的补货频率、配送量、配送路线。 总体而言，国内关于i r p 的研究正在逐步深入，在模型的建立中，更多的考虑了实际 6 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 问题的约束，如确定性需求变为随机性需求，货物的种类也趋于多样化，配送的拓扑结构 也在开始趋于m a n y - m a n y 。实际的应用系统也正在开发。但是在该问题方面的研究与国外 还存在一定的差距。 1 4 本文的研究内容 库存与运输的整合优化问题有着丰富的内涵，论文对如何考核供应商的绩效，以及如 何在供应商和客户之间分配成本以达到双赢的局面等等管理层面的问题并不关注，本文主 要对库存方面的问题及其运输方面的问题进行阐述与研究，并主要建立基于v m i 模式下的 库存与运输集成化模型，对其进行求解算法的研究。在求解库存与运输集成模型时采用迭 代算法，在解决运输调度问题寻找最优路径时采用的是蚁群算法。文章着重解决如何制订 高效低成本的库存补充和货物配送计划这一核心问题。论文的主要内容如下： 第一章：绪论。主要介绍选题的背景，库存与运输问题的概况及其国内外对该问题的研究 现状。 第二章：库存控制与运输调度概况。分开介绍库存问题和运输问题，阐述了库存控制的基 本原理、库存控制的几种策略，库存控制的几种常见模型、运输调度的基本过程、构成因 素、分类情况及其基本的数学模型。然后，提出通过订货量q ，将库存与运输的模型进行 集成研究，并介绍了将库存与运输集成的作用、评价标准和管理措施。 第三章：库存与运输系统的集成化模型。对库存管理与运输调度所研究的物流系统及决策 变量进行描述，建立以系统总费用最小为目标函数的库存管理与运输调度集成优化模型， 并提出求解该模型的迭代算法步骤与数学表达式( 以助于编写求解程序) 。建立车辆运输调 度的模型，对求解运输调度问题的算法进行分析，介绍了蚁群算法的基本原理，并以t s p 问题为例对蚁群算法的具体过程进行了阐述，设计了求解车辆运输调度模型的最大一最小 蚁群算法步骤与流程图。 第四章：算例分析。内容包括：以某公司的配送系统为例，根据已经给出的客户坐标和需 求量等条件计算出使库存与运输系统的总成本最小的配送量、配送路线。 第五章：结论。对本文的研究成果做简要总结，并提出下一步的研究方向。 7 库存与运输系统的集成化研究 2 库存控制与运输调度概况 2 1 库存控制的基本原理 2 1 1 库存的定义与作用 从物流的观点来看，库存是为了满足未来需要而暂时闲置的资源，流速为零的存货( 原 材料、在制品、产成品等) 就是库存。它包括两大类：一类是静态库存，往往存放于物流节 点的仓库中；另一类是动态库存，也叫在途库存，通常处于汽车、火车、轮船、飞机等交 通工具上。 对于企业而言，库存主要有以下几个作用： 1 ) 协调供求关系，维持均衡生产。生产的产品具有季节性，或者所需的供应具有季节 性的企业，为实现均衡生产，降低生产成本，就必须适当储备一定的半成品库存或保持一 定的半成品库存或保持一定得原材料库存，否则会导致生产成本的提高，甚至由于缺货而 发生生产地非正常的中断。因此，库存可以使产品的大批量消费和生产避开季节性因素。 2 ) 稳定生产、经营的规模，使企业获得规模经济的效益。保持一定量的库存能够使企 业在采购、运输和生产准备过程中实现单件订货无法实现的规模经济效益。在采购过程中， 大批量的采购可以获得价格折扣，同时也使订货费用得以分摊；在运输过程中，由于整车 运输通常比零担货运的费率更低，因此，大批量的运货可以降低运输费用。 3 ) 减少需求和订货周期的不确定性对企业的影响。由于主观或客观的原因( 如预测、 计划不准确、生产事故、运输不畅、价格上涨等) ，原材料的供应经常会出现短缺的现象， 为此，就需要拥有原材料的库存以维持供应。另外，一个产品的各个组成部分在生产中未 必能以同样的速度进行，设备出现故障会引起停工，这就需要在工厂内的制造工序之间保 持一定量的在制品。 4 ) 促进制造的专业化和物流系统的合理化。库存使企业制造的专业化成为可能。原材 料能够从仓库中被合理的配送到各地工厂，满足生产的需要，并通过从供应链上游到下游 的不断流动，由原材料、半成品，最终形成产品满足客户的需要。 由此可见，维持适当的库存，对于保证生产经营平稳而有序地运行，并获得良好的经 济效益和客户满意度是十分重要的。 2 1 2 库存控制的内容与目标 库存控制是以控制库存为目的的方法、手段、技术以及操作过程的集合，它是对企业 的库存量( 包括原材料、零部件、半成品以及产品等) 进行计划、协调和控制的工作。库存 量的变化，取决库存过程，一个完整的库存过程可以分为订货过程、进货过程、保管过程 r 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 和出库过程。 库存控制的目标有两个：一是降低库存成本，二是提高客户服务水平。这两个目标之 间是一个相互制约、相互权衡的关系。降低库存，意味着企业有可能停工待料、销售下降， 必定带来客户服务水平的下降；而保持高水平的客户服务水平，这就需要维持一个较高的 库存水平，致使库存成本提高，因此库存控制就是要这两者之间找一个平衡点【2 引。 2 1 3 库存控制的一般方法跚 1 ) 库存的分类管理- a b c 分类管理方法 a b c 分类管理方法又称巴雷特( p a r e t o ) 分类法或重点管理法，它是运用数理统计的方 法，对企业库存物料、在制品、制成品等按其重要程度，价值高低，资金占有和销售情况 进行分类、排序，以分清主次、抓住重点，并分别采用不同的控制方法。要点就是要找出 关键的少数( a 类) 和次要的多数( b 类和c 类) ，并对关键的少数进行重点管理。 ( 1 ) a b c 分类标准 a b c 三类库存物资的划分通常按库存物资所占总库存资金的比例和所占库存品种总 数的比例这两个指标来分类。具体来说，a 类库存品种数目少但资金占用大，即a 类库存 品种约占库存品种总数的5 至2 0 ，而其占用资金占库存总资金的6 0 至7 0 。c 类库 存品种数目大但资金占用小，即c 类库存品种约占库存品种总数的6 0 至7 0 ，而其占用 资金占库存总金额的1 5 以下。b 类库存介于两者之间，品种约占库存总数的2 0 至3 0 ， 其占用资金大约占库存总资金的2 0 左右【2 4 】。 ( 2 ) a b c 管理方法 a 类库存物品数量虽少但对企业却极为重要，是最需要严格管理和控制的库存。对这 类库存定时进行盘点，详细记录并经常检查分析物资使用、存量增减、品质维持等信息， 加强进货、发货、运送管理，在满足企业内部需要和顾客需要的前提下维持尽可能低的经 常库存量和安全库存量，加强与供应链上下游企业合作，降低库存水平，加快库存周转率。 b 类库存属于一般重要的库存，对于这类库存的管理强度介于a 类库存和c 类库存之 间，对b 类库存一般进行正常的例行管理和控制。 c 类库存物品数量最大但对企业的重要性最低，因而被视为不重要的库存。对于这类 库存一般进行简单的管理和控制。例如：大量采购、大量库存、减少这类库存的管理人员 和设施、减少盘点次数等。对这三类库存的管理和控制要求如表2 1 所示【2 5 】。 9 库存与运输系统的集成化研究 表2 1a b c 分类管理 t a b l e2 - 1m a n a g e m e n tb a s eo nt h ec l a s s i f i c a t i o no f a b c 2 ) 库存补给策略 所谓库存补给策略就是要解决再订货点的策略。再订货点是用于确定再补给库存应该 何时启动，补货多少。最基本的库存补给策略有四种： ( 1 ) ( q ，r ) 策略。连续性的检查库存，当库存量下降到预定的最低库存数量( 再订货点) 时，按规定数量进行订货补货的库存管理方式。 ( 2 ) ( r ，s ) 策略。该策略和( q ，r ) 策略一样，都是随时检查库存的状态，也就是要随时 检查库存状态，当发现库存降低到订货点水平r 时，开始订货，订货后使最大库存保持不 变，即为常量s ，若发出订单时库存量为i ，则其订货量q 即为( s i ) 。该策略和( q ，r ) 策 略不同之处在于其订货量是按实际库存而定，因而订货量是可变的。 ( 3 ) ( t ，s ) 策略。该策略是按照预先确定的订货间隔t 检查库存，发出订货，把现有的 库存补充到最大库存水平s ，如果检查时库存量为i ，则订货量为s i 。它与( r ，s ) 方式不 同在于后者是随时检查库存状态。 ( 4 ) 综合库存策略，即( t ，r ，s ) 策略。该策略是策略( t ，s ) 和策略( r ，s ) 的综合。这种 补给策略有一个固定的检查周期t ，最大库存量s 。固定订货点水平r 。当经过检查周期t 后，若库存低于订货点，则发出订货；否则不订货。订货量的大小等于最大库存量减去检 查时的库存量 2 6 1 。 1 0 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 2 1 4 基本库存控制模型 根据需求和补充中是否包含随机性因素，库存问题分为确定型和随机型两种。 2 1 4 1 常见的确定型库存模型【2 7 】 所谓确定型库存模型，是指单位时间的需求量是一个确定的值，而且在相当长一段时 期内是不变的；此外，备货期也是确定的值。制定确定型库存模型的订货策略的基本方法 是经济订货批量法( e o q ) 。e o q 理论广泛用于各种各样的库存模型以确定最经济的订货批 量，用于确定型时，不但可以确定订货量，而且还可以确定订货周期，既解决了“什么时候 订货”问题，又解决了“订多少”的问题。以下将给出各种确定型库存模型的e o q 问题，其 中，最基本的假设是需求率( 单位时间内的需求) 是确定的常数。 - 1 ) 不允许缺货，即时补货 这种类型的库存量变化如图2 1 所示。由图可以看出，随着时间的推移，库存量逐渐 下降。由于需求量为常数，因此呈倾斜直线下降，其斜率为单位时间的需求量d 。经过时 间t 后，库存量用完，此时进货q 。库存量由于得到补充，瞬时上升为q 。然后开始下一 个周期，周而复始，形成多周期库存模型。这种模型的库存量始终在0 以上，不允许缺货。 q 0t2 t 图2 - 1不允许缺货，即时补货情形下的库存模型 f i g u r e2 - 1i n v e n t o r ym o d e lw i t hi n s t a n t a n e o u s 脚l e n i s h m e n ta n da l l o w i n gn o tb e i n go u to fs t o c k 每隔t 时间补货一次，那么订货量必须满足时间t 的需求d t ，记订货量为q ，q = d t ， 订货费为k ，货物单价p ，则订货费为k + p d t 。时间t 的平均订货费为k t + p d 。而时间 t 内的平均存储量为( 1 2 ) d t ，设单位存储费为h ，则时间t 内所需平均存储费用为昙d 砌。 时间t 内总的平均费用为： c(f)=+pd+dth(z-z) 库存与运输系统的集成化研究 利用微积分可以求出最小费用，、订货间隔r 及相应的订货量q 分别为： 下犀 1 2 、面 出时= 浮 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 2 ) 允许缺货，即时补货 在此种情况下，企业可以不保证一定要满足顾客需求的数量。当库存水平降至0 以后， 可以有一段时间不补充库存，使之处于缺货状态。如图2 2 s a 0 图2 - 2 允许缺赁，即时补赁的厍存模型 f i g u r e2 - 2i n v e n t o r ym o d e lw i t hi n s t a n t a n e o u sr e p l e n i s h m e n ta n da l l o w i n gb e i n g o u to fs t o c k 设：单位存储费用为h ，每次订购费为k ，单位缺货费用为b ，d 为需求速度，每隔t 时间补货一次。求最佳库存策略，使平均总费用最小。 设最初库存量为s ，可以满足丁一五时间的需求，丁一五时间的平均存储量为丢s ，在石的时 间的存储为o ，平均缺货量为丢d 石。由于s 仅能满足r 一五时间的需求s ：o ( r 一五) ，有 ( h ) = 昙。 在t 时间内所需存储费i 1 舾( r 一五) = 圭j l l 吾 ( 2 5 ) 1 2 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 在t 时间内的缺货费圭6 。五z ：兰6 ( d 丁r - s ) 平均总费用c ( l s ) = 土t l 笠2 d + 6 ( d t 云s ) 2 + k ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 7 ) 式中有两个变量，利用多元函数求极值的方法，求出最小费用，求得的结果如下： 平均存储缺货费用为 因- c 一等 得到争等一尹k 故争2 万b 币h ( 2 - 8 ) 2 1 4 2 常见的随机库存模型 2 7 1 在随机型库存问题中常见的随机性因素是需求和拖后时间。它们的统计规律性往往需 要通过历史统计资料的频率分布来估计。对于随机型存储模型，有几种基本的订货策略。 如按决定是否订货的条件划分，有订购点订货法和定期订货法；如按订货量的决定方法划 分，有定量订货法和补充订货法。应用时，可以将上述基本订货法组合起来，构成适当的 存储策略。在对存储策略进行评价时，常采用损失期望值最小或获利润期望值最大的准则。 1 ) 需求是连续的随机变量 设单位货物进价为k ，售价为p ，存储费为h 。又设货物需求r 是连续随机变量，其密 度函数为矽( ，) ，分布函数为f ( 口) = r 矽( ，) 办( 口 o ) 货物订购量q 为多少时，赢利最大。 实际销售收入为p , m i n r ，q 】； 进货成本为k q ； 货物存储费枷q ) _ - ，)髫 ( 2 - 9 ) 订货量q 时的赢利为w ( q ) ，则 w ( q ) = p - m i n r ，q 一垃- h ( q )( 2 1 0 ) 赢利期望值： 库存与运输系统的集成化研究 研缈( q ) 】- fp 矽( ，) d r + p q q k ( ，) 咖卜尥一r 五( q 一，) 矽( ，) 办 = f p r q k ( ，) d r 一州( ，) d r + e p q q k ( ，) d r k q fj i l ( q 一厂) p ) d r ( 2 - 1 1 ) = p e ( ，- ) 一 e p ( ，一q ) ( ，) a r + f l l ( q 一，) 矽( ，) d r + k q ( 2 - 1 1 ) 式中第一g j p e ( ，) = p f ，矽( ，沙为平均赢利，同订购量无关，是一常数；中括号中第 一项为缺货损失期望值( 只考虑失去销售机会而未实现的收入) ，第二项为滞销损失期望值 ( 只考虑存储费支出) ，第三项为货物进货成本。因此，中括号内三项表示损失期望值( 含货 物进货成本) 。 记研h ( q ) 】：p ( ，一q