（系统工程专业论文）基于遗传算法的物流园区功能区布局方法研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：近年来，我国物流事业在各地蓬勃发展，对当地的经济发展的贡献越来越大， 各地纷纷兴建物流园区，以期通过资源的整合和园区的规模效应进一步发展现代 物流产业，而现在国内物流园区规划处于起步阶段，尚没有形成统一的方法。这 就需要我们进一步研究和探索。 物流园区功能的有效实现取决于合理规划和设计物流园区的内部布局，而各 功能区的布局是首要解决的问题。运用恰当的方法来实现各功能区的最优布局是 物流园区规划建设的基础，也是进一步进行各功能区内部布局设计的前提。 本论文借鉴德国物流园区规划总结出的m s f l b 规划方法，并研究其中的功能 设计和布局设计部分。将广泛应用于车间设备布局的系统化布局方法( s l p ) 应用 在功能区布局中，考虑因素更加客观、可量化，在系统化布局方法( s l p ) 中尝试 加入遗传算法，形成一套完整的从功能划分到功能区布局的方法，最后将该方法 应用于连云港港口后方的某物流园区。并运用加权因素分析法证明该方法得出布 局结果的优越性，为下一步物流园区设施规划打下良好的基础。 关键词：物流园区；功能区；系统化布局设计方法；遗传算法 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s l l r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，o u rc o l m 1 吵sl o g i s t i c si n d u s t r yf l o u r i s h e se v e r y w h e r e i t d o e sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nt ot h el o c a le c o n o m i cg r o w t h t h e c o n s t r u c t i o np r o j e c t so fl o 百s t i c sp a r k sa r ew i t hav i e wt o 锄c rt h ed e v e l o p m e n to f m o d e r nl o g i s t i c si n d u s t r yt h r o u g ht h ei n t e g r a t i o no f r e s o u r c e sa n dt h es c a l ee f f e c to f t h e l o g i s t i c sp a r k b u tn o wt h ed o m e s t i cl o g i s t i c sp a r kl a y o u tm e t h o d sh a v en o tf o r ma u n i f i e da p p r o a c h t h i sr e q u i r e so u rf u r t h c l r e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n t h ee f f e c t i v er e a l i z a t i o no fl o g i s t i c sp a r kf u n c t i o n d e p e n d so nr e a s o n a b l e p l a n n i n ga n dd e s i g no f t h ei n t e r n a ll a y o u t s ot h el a y o u to f t h e v a r i o u sw o r k - a r e a si so u r p r i o r i t yp r o b l e m st os o l v e u s i n ga p p r o p r i a t ew a y t oa c h i e v eo p t i m a lw o r k - a r e a sl a y o u t o ft h el o g i s f i c sp a r k si st h eb a s i so f b u i l d i n gt h ep a r ka n da l s ot h ep r e c o n d i t i o nf o rt h e i n t e r n a ll a y o u to f e v c 巧w o r k - a r e a t h i sp a p e ru s et h em s f l bm e t h o do fg e r m a n yl o g i s t i c sp a r kp l a n n i n gf o r r e f e r e n c e ，s t u d yt h ef u n c t i o n a ld e s i g na n dt h el a y o u td e s i g np a r t , c h o o s et h es l p m e t h o d sw i d e l yu s e di nt h el a y o u to fs y s t e m a t i cw o r k s h o pe q u i p m e n ta n da p p l yt o w o r k - a r e a sl a y o u t f o rt h ec o n s i d e r a t i o no f m o r eo b j e c t i v ea n dq u a n t i f i a b l e ，p a p e rt r yt o j o i ng e n e t i ca l g o r i t h mi nt h es l pt of o r mas e to fc o m p l e t em e t h o df o rw o r k - a r e e s l a y o u t f i n a l l yt h em e t h o d i sa p p l i e dt oa l o g i s t i c sp a r ki nb a c ko f t h el i a n y u n g a n gp o r t u s i n gw e i g h t e df a c t o ra n a l y s i sm e t h o dp r o v e dt h es u p e r i o r i t yo f t h er e s u l t so b t a i n e db y t h i sm e t h o d , l a i da g o o df o u n d a t i o nf o r t h en e x ts t e po f l o g i s t i c sp a r kf a c i l i t i e sp l a n n i n g k e y w o r d s ：l o g i s t i c sp a r k ；w o r k - a r e a ；s y s t e m a t i cl a y o u tp l a n n i n g ； g e n e t i ca l g o r i t h m c l a s s n o ： 北京交通大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 连云港港战略区位图2 图2 - 1 系统布局设计( s l p ) 方法示意图。1 0 图2 - 2 加入遗传算法的系统化布局设计方法示意图1 1 图3 1 单行布局中各变量与参数示意图1 9 图3 - 2 多行布局中各变量与参数示意图2 1 图3 3 遗传算法一般结构示意图2 7 图3 4 布局图与分割树示意图3 0 图3 5 交叉运算示意图3 1 图3 - 6 变异运算示意图3 l 图3 7 染色体转换为布局示意图3 4 图禾1 功能区间非物流关系示意图4 2 图4 2 集装箱堆场货物流向图4 2 图4 3 保税仓库货物流向图4 3 图4 5 遗传算法功能区表达树图4 6 图4 6 遗传算法功能区布局图4 6 图4 7 功能区间物流关系图4 8 图4 8 功能区间综合关系数字图4 9 图4 9 功能区间综合相互关系图5 0 图4 1 0 关系图法得出布局平面图5 l 北京交通大学硕士学位论文表目录 表目录 表3 - 1 布局块间距与邻近度值表2 3 表7 3 - 2 功能区关系、字母表示与量值表2 4 表4 _ 1 物流园区分货种吞吐量表( 单位：万吨) 4 0 表4 - 2 功能区面积表4 l 表4 3 密切程度代码及其含义表4 l 表4 - 4 功能区之间货物流量流向表( 单位：万吨) 4 3 表禾5 功能区面积及长宽比例上下限参数表4 4 表4 6 遗传算法环境参数表4 5 表4 _ 7 功能区间货物流量表( 单位：万吨) 4 7 表禾8 货物流量与密切关系转换表( 单位：万吨) 4 7 表4 9 相互关系的等级及划分比例表4 9 表4 - 1 0 影响因素权重表5 3 表4 - 1 1 关系图法布局方案评分表5 3 表4 1 2 加入遗传算法的系统化布局设计方法布局方案评分表5 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：者干红籀u 导师签名：弓长瓠3 签字日期：乃。- 7 年i z ni o 日签字日期：y 7 年7 ，月。日 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：椰幺格 签字日期： 勿。7 年2 , 9 o 日 致谢 本论文的工作是在我的导师张智文教授和申金升教授的悉心指导下完成的， 两位教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心 感谢三年来恩师对我的关心和指导。 此外，纪寿文教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活 上都给予了我很大的关心和帮助，在此向老师表示衷心的谢意。 关伟、王喜富教授、卫振林、黄爱玲老师对于我的科研工作和论文都提出了 许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，胡云超、虞巧颖、曾嘉、武志惠等同学对我 论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 1 选题背景及意义 1 绪论 本论文以连云港港口后方某物流园区规划前期研究为基础，进一步深入分析该物流 园区功能区布局的问题。 连云港地处我国海岸线的中部，是东连东南亚、西接中亚，北连环渤海、南接长三 角经济圈的战略枢纽。作为沿海重要的商贸、交通口岸城市，发展现代物流具有得天独 厚的条件。连云港是新亚欧大陆桥的东端桥头堡，是苏北地区的重要出海口，经济腹地 广阔，区位优势明显。在我国中部崛起，西部大开发的发展战略实施中处于重要地位。 连云港市近年来经济总量高速增长，产业结构不断优化，物流业已经成为连云港经济发 展的基础产业和带动沿桥经济发展的重要产业。 面对经济快速发展对物流的迫切需求，连云港的物流业表现出物流基础设施不健 全，信息化程度不高、港口与城市发展不协调等问题，尤其在物流基础设施方面，缺乏 大型的面向陆桥区域的综合型物流园区，作为支撑连云港港未来发展和承载陆桥物流的 平台。兴建区域性国际物流园区建设项目应运而生。该园区建成后将是未来连云港港口 发展物流的重要支撑平台，也是辐射苏北地区及新亚欧大陆桥区域经济腹地的重要物流 基地。不仅对振兴连云港市和苏北经济，而且对繁荣新亚欧大陆桥沿线区域经济都有极 大的促进和推动作用【1 】。 该物流园区以服务对外贸易和转口贸易的国际物流为主，以保税转口物流为特色， 实现保税物流与非保税物流结合、国际物流、区域物流与城市配送的结合，自营物流与 外协物流结合的格局，将成为中亚、东南亚等地区和亚欧大陆桥沿岸地区国际货物集散 中心之一。研究该物流园区布局问题对拓展连云港港区位优势、服务优势、战略优势都 具有举足轻重的影响作用。 物流园区是物流组织活动相对集中的区域，是具有较大规模和多种服务功能的新型 物流活动的载体。物流园区将众多物流功能聚集在一起，实行专业化和规模化经营，对 充分发挥物流资源的整体优势，促进物流技术和服务水平的提高，共享相关设施，降低 运营成本，提高规模效益，将起至重要作用。物流园区为流通业减少了成本，并使其产 生了增值价值。但物流园区是投资大，见效慢，自身效益低，综合效益高的行业，规划 时也要充分考虑其物流成本的控制。一个物流园区的规划是否合理，物料流动是否顺畅， 都极大程度地影响物流园区的成本控制及快速反应等。所以，物流园区的布局研究有很 大的研究意义和价值。研究港口后方物流园区的布局问题对合理利用港口后方有限的空 北京交通大学硕士学位论文 绪论 间资源，使流通中的物料运输更加高效，缩短物料运送时间，缩短流通周期，降低物流 成本都会起到极大的促进作用，随着布局的优化必然会提高服务质量，增强物流园区的 综合竞争力，为港口服务提供更优质的支撑环蝌2 1 。 图卜1 连云港港战略区位图【1 j f i g1 - 1l i a n y u n g a n gp o r ts t r a t e g i cl o c a t i o nm a p ( 1 l 物流园区的功能除了一般传统意义上的仓储、运输、包装、装卸搬运、配送、流通 加工等功能外，还具有与之配套的信息、咨询、综合服务等功能。各种功能由于其所服 务对象的差别又形成若干具有紧密联系的功能区，在物流园区各功能区之间的联系包括 物流、人流、商流、信息流等活动。而其中物流是这些活动的主要部分，也是产生最大 费用消耗的部分，所以在物流园区功能区布局规划中，主要应考虑各功能区之间的物流 关系，并考虑作业相关度等因素的影响。从而物流园区布局也就进一步转变为解决园区 物流活动的时空分布及优化组合的问题。可以说物流园区在本质上是众多功能的有效组 合，而在表现形式上则是多功能区的有效组合。 不同的物流园区由于不同功能定位，其分区不尽相同，但共同点就是功能区的数量 比较多，而且它们之间的联系非常紧密，随着园区规模的增大和功能的进一步扩充，组 合优化问题的搜索空间也急剧扩大，所以必须合理布局这些功能区以达到货畅其流，物 尽其用的效果。 物流园区功能区布局的主要的目标就是使物流园区物流合理、通畅和最大限度的减 少物料搬运，优良的平面布局可使物料搬运费用及施工费用至少减少1 0 3 0 l3 1 ，这 将为园区赢得可观的效益，从而使园区在激烈的竞争中占据领先地位。可以说，功能区 的合理布局会使整个物流园区具备更大优势，反之则会对人力物力造成极大的浪费。因 此，从经济效益上来看，对物流园区功能区布局的深入研究是很有必要的，且具有一定 的代表性。所以本文决定把对物流园区功能区布局研究作为研究的主要对象。 2 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 2 国内外发展现状 国外在进行物流园区系统规划与设计过程中，有相对可行的规划标准指导其操作， 规划的科学性、可行性、前瞻性都比较强。在区域经济发展中发挥着极其重要的作用。 其中以日本和德国的物流园区最具代表性。物流园区建设在日本的历史较长，日本政府 在发展物流园区的时候，最初的考虑是解决交通拥挤问题、理顺城市功能。日本政府在 2 0 世纪6 0 年代就开始组织有关部门做全国的物流产业调查，至今已经建成2 0 多个物 流园区。为了能够吸引物流企业进驻，政府采取了各种措施，将规划的物流园区用地卖 给各物流行业协会，然后由协会以股份制的形式向其会员企业融资，用来购买土地和兴 建物流设施，不足的部分政府可提供低息贷款。这样，企业、协会和政府就结成了一个 利益共同体，企业成了物流园区的股东，自然也就是物流园区的客户。由于物流资源相 对集中，园区内的企业可以充分发挥资源的互补性。欧洲的物流园区是近十几年发展起 来的，德国在规划物流园区的时候有一个条件，就是园区必须有两种以上的运输方式可 供选择，目的就是通过园区来整合各种物流资源。 国外物流园区布局规划研究的进展，与地理学、经济学、运输物流和计算技术的发 展密切相关，由于物流园区的形成与空间布局结构的演变涉及众多具有错综复杂关系的 因素，以及不同层次的空间系统，所以，对物流园区的布局规划的理论研究需要将运输 物流、经济学和地理学等几方面的研究有机结合起来，以便更清晰地认识物流园区的特 征，探究物流园区布局的客观规律【4 j 。 我国物流业刚刚起步，国内许多城市的政府部门已经意识到物流园区所具有的经济 和环境优势，积极规划和开发物流园区，通过政府投资和政策优惠，促进园区建设和吸 引物流企业入驻。 继深圳规划建设六大物流园区、上海提出建设三大物流园区之后，北京也规划了3 个物流园区和1 7 个综合、专业物流配送区，以使北京成为亚太地区重要的物流枢纽城 市，而天津则规划了开发区工业物流园区、空港物流园区等五大工程。截至到2 0 0 3 年 底，全国至少有3 0 多个中心城市都在物流发展规划中提出了建设物流园区的设想，并 制定了配套的扶持政策。可以说形成了一个从南到北、从东到西的物流园区建设热潮。 1 3 论文研究思路 本文的研究思路如下： ( 1 ) 问题提出：针对实际的情况分析问题。分析物流园区的物流运行的特点和功 能需求，明确研究要达到的目标，即实现物流园区布局最优化。 ( 2 ) 方法借鉴：借鉴国外比较成型并收到良好效果的m s f l b 方法来解决物流园 北京交通大学硕士学位论文 区的布局问题，并选择其中较为基础和关键的功能设计和布局设计部分进行研究。 ( 3 ) 机理研究：在收集文献资料和总结先前研究成果的基础上发现，研究布局问 题的方法中比较认可的是系统化布局设计方法。经过大量实例验证系统化布局设计方法 是对规划项目进行布局的一套有条理的、循序渐进的、对多种布局问题都适用的方法。 这是一种基本的程序模式，不仅适合于各种规模或种类的工厂、医院、办公室的布局， 也适合对实验室、仓库、商店等的布局设计。本文将其应用于物流园区功能区布局设计 上。 ( 4 ) 功能区布局优化模型的建立：根据机理分析的结果确定目标约束，以功能区 之间物流费用最小及相关度最大为目标，建立布局优化模型。 ( 5 ) 求解优化模型：由于布局问题是一个复杂的组合优化问题，利用传统的优化 方法无法准确高效求解，通过比选本文采用遗传算法( g a ) 进行求解。 ( 6 ) 将研究得出的模型、算法应用于连云港港口后方物流园区功能区布局研究中。 ( 7 ) 评价加入遗传算法的系统化布局设计方法和关系图法这两种方法得出的布局 结果，验证方法的可行性。 1 4 论文创新点 论文的创新点主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 将遗传算法加入系统化布局设计方法( s l p ) 中，根据物流园区设计规划的 特点，建立物流园区功能区布局规划流程，对已有的关系图布局方法尝试改进。 ( 2 ) 提出了以物流费用最小和功能区相关度最大为目标的多目标布局优化模型， 加入罚函数使之转化为单目标，并采用混合遗传算法进行求解，利用该方法可在较客观 的程度上及较短的时间内得出物流园区功能区的最佳布局。 ( 3 ) 该模型及与之相适应的遗传算法能有效处理有多个功能区( 优越性随着功能 区数量的增加会更好地体现) 的物流园区的布局问题，并在较短的时间内得出满意的布 局方案，为物流园区规划研究提供了一个可探索的方向。 4 北京交通大学硕士学位论文 功能区布局方法综述 2 1 布局设计问题 2 功能区布局方法综述 布局设计问题( l a y o u td e s i g np r o b l e m ) 是给定一个布局空间和相应的待布局物体， 在满足必要的约束条件下，将待布局物体合理地摆放在空间中，并达到某种最优指标的 活动5 1 。 布局设计是复杂而广泛的问题，它存在于各行各业中，例如：在土木建筑工程中的 整体结构布局，在电子工程中大规模集成电路的布局，制造领域中的设备布局与物流领 域的设施规划布局等。根据布局空间和待布局物体的形状，把实际的布局问题抽象归纳 分为以下四类： ( 1 ) 二维规则物体布局问题 待布局物和布局空问都是矩形或圆形，如装盘问题、刀切问题。 ( 2 ) 二维不规则图形布局问题 待布局物体和布局空间中至少有一个是二维不规则图形。如服装裁剪中的划印布置 问题，造船业板材切割中拼装问题，机械行业冲压下料问题。 ( 3 ) 三维规则物体布局问题 包括长方体、圆柱体及球体的布局问题，常见的是待布局物体和布局空间都是长方 体的情况，典型的如集装箱摆放布局。 ( 4 ) 三维不规则实体布局问题 待布局物体和布局空间是三维不规则实体。如坦克舱布置设计，航天器舱内的仪器 设备布局问题。 迄今为止，关于布局问题大量的理论研究仅限于第( 1 ) 、( 3 ) 类问题的矩形物体范 围内。这两类中的部分问题可以抽象为纯数学模型的表达形式，然后用数学规划和启发 式方法求得理想的解。此两类的其它问题已变成n p 完全问题( n o n d e t c r m i n i s t i c p o l y n o m i a lc o m p l e t ep r o b l e m ) ，随着布局物体数量的增加，解空间呈指数倍扩大，出现 组合爆炸现象，用基于穷举思想的算法将无法解决1 6 】。目前，关于它们的求解算法都是 基于特定应用领域的启发式算法，它们的求解效果随着具体问题的不同有很大的差别， 并且只能找到近似可行解。至于第( 2 ) 、( 4 ) 类问题，由于布局对象形态的随意性，使 得问题变得异常复杂，目前国内外对这类问题的理论研究进展非常小，相关研究报导也 很少见。 自1 8 3 1 年g a u s s 研究网格的有关布局问题开始，布局问题研究至今已有百余年的 5 北京交通大学硕士学位论文 功能区布局方法综述 历史。1 9 3 0 年k a n t o r o v i c h 的俄文文献对当时近2 0 年的二、三维布局问题做了较为全 面的综述。1 9 9 2 年s w e e n y 等统计了从1 9 4 0 年到1 9 9 2 年全球关于布局方而的研究文献 4 0 0 余篇，涉及1 4 0 多个应用领域，其中涉及非矩形形体的2 7 篇，而涉及三维非矩形 形体的只有3 篇。一般布局问题的布局对象都具有相同的形状和大小，大都采用基于矩 形体布局的经验式方法，即工程师根据经验将不规则物体通过合并、简化等手段转化为 矩形体，再利用启发式方法求解【7 l o 虽然布局问题得到了广泛而深入的研究，但对于复杂布局问题仍没有太多进展，布 局问题在建模和求解上具有如下多重复杂性： ( 1 ) 建模复杂性 包括布局空间和待布局物体的建模，用来描述布局空间及待布局物体的几何特征和 非几何特征，模型要适合布局过程的计算和决策特点。布局物体往往不限于矩形、圆形 等简单几何形体。 布局过程的建模用来描述布局问题的约束和求解目标。布局约束包括几何、物理、 工艺、动力学等约束。布局求解目标往往是多目标优化问题，这些约束和目标有些可用 数学模型描述，有些则无法用模型描述。 此外，布局过程涉及大量布局专家的认知活动，包括求解和决策活动。其中有些部 分可以找出规律性，表示为知识，并用一定形式化的方法描述，但也有相当部分的布局 专家的认识活动无法用模型来表示。 ( 2 ) 求解复杂性 布局问题属于组合最优化问题，用数学优化模型描述的布局问题尽管已做了简化， 但仍与实际相差甚远，属于n p 完全问题。在数学上，n p 完全问题存在计算复杂性， 在有限时间内得不到精确解【s j 。 在我国，物流园区的功能区布局研究属于起步阶段，如何有效的规划，达到物流的 高效、顺畅运转是物流园区规划设计者面临的一个关键问题。需要结合中国国情对物流 园区布局规划的方法进行研究，进行实证分析，这项研究工作对保证我国物流业健康有 序地发展具有重要意义。 本文将结合在众多的国际性物流园区规划项目实践中总结出的基于需求驱动、竞争 驱动和最佳实践驱动的m s f l b 物流园区规划方法，并借鉴广泛应用于车间设备布局问 题的系统化布局设计方法( s l p ) 的思想，加入在求解组合优化问题上有良好表现的遗 传算法，尝试进行物流园区功能区布局的普适性方法的研究。 2 2 m s f l b 规划方法 借鉴德国弗劳恩霍夫物流研究院在众多国际性的物流园区规划项目中总结出的一 6 北京交通大学硕士学位论文 功能区布局方法综述 套行之有效的方法，物流园区规划要通过5 个步骤来实施，也称为“物流园区规划五步 曲”，分别是：市场分析、战略定位、功能设计、布局设计和商业计划| 9 1 。 每个步骤的具体内容如下： ( 1 ) 市场分析( m a r k e ts t u d y ) 为了深入了解区域物流园区周边地区的经济发展状况、市场需求、基础设施、服务 竞争等情况。必须对物流园区辐射地区的宏观经济、产业和微观环境情况进行全面调查 和研究，根据远期和近期的物流量，确定物流园区长远和近期的建设规模。 参照该地区g d p 最近几年的增长率以及未来几年的预期增长率，以此数据作为该 区域物流园区的物流作业量的年增长率，就可以得到物流园区未来几年物流发生量的预 测数据。在测算过程中，可以建立不同的预测模型，例如，指数回归分析法和灰色模型 g m ( 1 ，1 ) 。这样就能使预测值更加贴近区域物流未来发展的实际情况。 ( 2 ) 战略定位( s t r a t e g i cp o s i t i o n i n g ) 在完成具体的定性分析和定量市场预测研究之后，参照测算得到的园区规划的各方 面原始数据，借鉴国内外物流园区的发展经验，对物流园区的目标定位、发展策略、及 发展规模、发展速度进行战略定位。 在战略定位的过程中常采用专家调查法，广泛征求经济专家、物流专家、规划专家、 园区建设者、各大物流企业等与未来物流园区相关的专业人士的意见，经过多次调查、 反馈、综合、整理、归纳、修正，进而能够对物流园区的发展目标、策略以及规划等进 行科学的定位。 ( 3 ) 功能设计( f u n c t i o nd e s i g n ) 物流园区的功能设计主要采用自项向下的方法，在分析和借鉴国内外物流园区成功 的经验并明确其发展定位的基础上，确定物流园区的规划原则并对物流功能设计所涉及 的核心因素进行列举和分析，随后整个物流园区将被划分为几个大功能区域，例如物流 产业区和管理服务区，规划者再从国际最佳实践经验，以及市场调查得到的实际需求两 方面入手，为每个功能区域命名、定义、分配相应的面积、引入相关的设施、设备和 7 北京交通大学硕士学位论文 功能区布局方法综述 r r 系统。功能设计的最后一步是对物流园区的核心流程进行定义和描述。这些流程包 括：集装箱服务、生产原材料供应和配送、生活资料采购和配送流程、保税物流作业流 程以及空港、海港、铁路物流服务流程等。 ( 4 ) 布局设计( l a y o u td e s i g n ) 物流园区的布局设计是指根据物流园区的战略定位和经营目标，在已确认空间场所 内，按照从货物的进入、组装、加工等到货物运出的全过程，力争将人员设备和物料所 需要的空间做最适当的分配和最有效的组合，以获得最大的经济效益。 目前，我国在物流园区布局规划方面可以参考的案例不多。欧洲物流园区最佳实践 案例可使国内物流园区在布局方面有不少值得借鉴的经验有： 校园化的设计理念，分割不同的功能区域； 按照物流密切程度来安排相关产业； 地块规划面积能满足柔性需求并有可选的扩展空间； 多式联运的设施规划，如水路、铁路、公路和航空； 充分考虑地理和生态环境，有吸引力地设计并考虑环保预留用地。 物流园区规划与布局的合理性可以通过各种评价方法来进行检验，正确运用评价方 法可以起到优化规划成果的作用。 ( 5 ) 商业计划( b u s i n e s sp l a n ) 商业计划包括物流园区管理公司的组织架构和职责、物流园区业务模式预测、客户 分析、园区销售、市场推广策略、投资收益等内容。 物流园区的开发一般分阶段进行，后一个阶段可以吸取前一个阶段的经验，同时进 一步调整和优化下一步的营销策略和其它细节。物流园区典型的业务模式有物业支持、 建设支持、财务支持、人力资源支持、环境支持、安全支持、质量支持、设备支持等【1 0 】。 物流园区内部功能区规划设计，必须从设施规划说起。设施规划起源于早期制造业 的“工厂设计”，最初主要解决操作法工程( m e t h o d se n g i n e e r i n g ) 、工厂布局( p l a n t l a y o u t ) 、物料搬运( m a t e r i a lh a n d l i n g ) 。在此期间，主要凭经验和定性方法开展工厂 设计。随着研究的深入，运筹学、统计数学、概率论广泛应用到生产建设，同时系统工 程理论、电子计算机技术也得到普遍应用，工厂设计和物流分析逐渐运用系统工程的概 念和系统分析方法，工厂设计的原则和方法也逐渐扩大到非工业设施，“工厂设计”也 逐渐被“设施规划”、“设施设计”所涵盖。管理科学、工程数学、系统分析的应用，也 为设施规划设计由定性分析转向定量分析创造了条件】。 r i c h a r d m u t h e r 提出了著名的系统化布局方法( s y s t e m a t i c l a y o u t p l a n n i n g ，s l p ) ， 系统化布局方法是一种以大量的图表分析为手段、以物流费用最小为目标、条理性很强、 物流关系分析与非物流关系分析相结合、求得合理布局的技术。它使布局规划与设计由 定性阶段发展到定量阶段，并且广泛的应用到了包括物流设施在内的各种生产系统与服 8 北京交通大学硕士学位论文 功能区布局方法综述 务系统中【12 1 。 2 。3 系统化布局设计方法及其改进 系统化布局设计方法( s l p ) 是典型的布局设计方法。系统布局设计方法提供了一 种以作业单位物流与非物流的相互关系分析为主线的规划设计方法，采用一套表达力极 强的图例符号和简明工作表格，通过一套条理清晰的设计程序进行物流园区布局设计。 这种方法被设计人员和管理人员广泛采用，实践验证效果较好【”】。系统化布局设计方 法通常由四个阶段组成： 在系统化布局设计方法程序中，一般经过以下几个步骤【1 4 1 ： ( 1 ) 准备原始资料。在系统布局设计开始时，首先必须明确给出基本要素货 物p 、运量q 、货物流动过程r 、辅助服务部门s 及时间安排t 等原始资料，同时也需 要对作业单位的划分情况进行分析，通过分解与合并，得到最佳的作业单位划分状况， 所有这些均作为系统布局设计的原始资料。 ( 2 ) 物流分析与作业单位相互关系分析。功能区间物料移动是产生费用的主要部 分，所以物流分析是布局设计中最重要的方面，对某些辅助服务单元或某些物流量小的 单位来说，各作业单位之间的相互关系( 非物流关系) 对布局设计就显得更重要了。介 于上述两者之间的情况，则需要综合考虑作业单位之间物流与非物流相互关系。物流分 析的结果可以用物流强度等级及物流相关表来表示。非物流的作业单位间的相互关系可 以用量化的关系密级及相互关系表来表示。在需要综合考虑作业单位问物流与非物流的 相互关系时，可以采用简单加权的方法将物流相关表及作业单位间相互关系表综合成综 合相互关系表。 ( 3 ) 绘制作业单位位置相关图。根据物流相关表与作业单位相互关系表，考虑每 对作业单位间相互关系等级的高或低，决定两作业单位相对位置的远或近，得出各作业 单位之间的相对位置关系。这时并未考虑各作业单位具体的占地面积，因此得到的仅是 作业单位相对位置，称为位置相关图。 9 北京交通大学硕士学位论文功能区布局方法综述 ( 4 ) 作业单位占地面积计算。各作业单位所需占地面积与设备、人员、通道及辅 助装置等有关，计算出的面积应与可用面积相适应。 ( 5 ) 绘制作业单位面积相关图。把各作业单位占地面积附加到作业单位位置相关 图上，就形成了作业单位面积相关图。 ( 6 ) 修正。作业单位面积相关图只是一个原始布局图，还需要根据其它因素进行 调整与修正。此时需要考虑的修正因素包括物料搬运方式、操作方式、存储周期等，同 时还需要考虑实际限制条件如成本、安全和职工倾向等方面是否允许。考虑了各种修正 因素与实际限制条件以后，对面积图进行调整，得出数个有价值的可行的布局方案。 ( 7 ) 方案评价与择优。针对得到的数个方案，需要进行技术、费用及其他因素评 价，通过对各方案比较评价，选出或修正设计方案，得到最终布局方案图。 系统化布局设计方法( s l p ) 的一般结构如图2 1 所示： 图2 1 系统布局设计( s l p ) 方法示意图 r i 9 2 - 1s k e t c h o f s y s t e m a t i c l a y o u t p l a n n i n g ( s l p ) 黄国萍、陈定方对于基于功能的空间布置设计理论和方法进行了研究，提出三个求 解层次：基于功能的空间布置概念设计层、基于功能的布置装配几何建模层和基于功能 的数学建模的详细设计层【1 5 】。 张伟仁应用系统化布局设计方法进行石墨电极厂总平面布置设计，过程包括基本要 素分析、物流分析、作业单位之间非物流相互关系分析、总平面布置【。 姚冠新、刘正刚提出设施布置问题的非线性目标规划模型及其遗传算法，将设施布 置问题建模为新的非线性目标规划模型，并采用了一种新的遗传算法进行求解【盯】。 刘淑红尝试用遗传算法来解决物流中心的布局问题，但是其编码形式采用单纯的浮 1 0 北京交通大学硕士学位论文 功能区布局方法综述 点制，使布局问题只能局限在一维层面【1 8 】。 从上述研究中可以看出，系统布局设计( s l p ) 是一种采用严密的系统分析手段及 规范的系统设计步骤的布局设计方法，具有很强的实践性。由于对布局单位之间的物流 分析通常用物流强度等级和物流相关表来表示，但这种方法可量化的程度和精确性不高 1 9 2 0 1 ，所以考虑对其进行改进，鉴于遗传算法在组合优化问题上的良好表现，尝试用 遗传算法进行量化求解，改进后的系统化布局设计方法( s l p ) 示意如图2 - 2 所示： 图2 - 2 加入遗传算法的系统化布局设计方法示意图 f i g2 - 2s k e t c ho fs y s t e m a t i cl a y o u tp l a n n i n g ( s l p ) j o i n e dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) 国内已有学者对遗传算法应用在布局问题方面进行了研究。 王金敏等在基于遗传算法的布局求解法中，在分析布局问题的基础上，对编码 方式、交叉操作等做了改进，提出一种基于遗传算法的布局求解方法。计算结果表明， 算法具有良好的全局搜索能力和较快的收敛速度【2 ”。 陈炼、万芳等在基于遗传算法的布局问题的实现中，为了克服单一遗传算法的 早熟现象，提出了将启发式算法和遗传算法结合的一种新算法，进行布局优化的求解。 实验证明，在一定程度上提高了解的质量【2 2 】。 印鉴、李明在基于遗传算法的最优布局问题求解中，将基于遗传算法的求解方 法应用到服装计算机辅助设计中去，给出了此问题的形式化描述，并将问题归约为一种 关于多边形运动规划的等价形式1 2 3 1 。 从以上研究中可以看出，遗传算法应用在布局领域均收到良好效果。由于解决布局 问题时的条件和侧重点不同，应用遗传算法时所选择的编码形式也不尽相同。 李郝林在其基于生物遗传算法的车间布局优化算法中采用对每台设备的x 轴 和y 轴的坐标值进行编码，这样的编码方式简便易行，但它的代价是容易产生大量的 北京交通大学硕士学位论文功能区布局方法综述 不合理后代并且算法的运行效率低下【2 4 l 。 经小川在其遗传算法在布局设计中的应用研究中采用分隔符、机器符号、净间 距3 个列表的扩展换位表达式，序列号代表布局块在行上所有可能的换位( 或布局块排 序) ，分隔符代表布局块在列上的分配，净间距序列记录布局块之间的相对位置。但这 种编码形式的缺点是必须首先设定行数，而且适合于布局块间距与布局块自身面积相比 较大的情况【2 5 】。 于瑞峰在其求解工作地设施布局的改进遗传算法研究中采用设施符号和净间距 两个列表的扩展位表达方式，这种编码机制采用动态分行的技术来对各设施进行布局设 计，用设施序列和净间距序列得到每个设施的坐标。然后用工作地的长度限制来切割设 施符号序列，得到多行布局结果【2 6 】。 陈希在其论文面向设备布局和作业调度的车间虚拟制造关键技术研究中采用基 于块树表示法的整数编码方法构造染色体，由基本块染色体、分隔线染色体、方向染色 体组成。但随着布局块数目的增多，染色体成倍的增加，使模型求解的效率低下【2 ”。 本文在研究遗传算法各方面性质的基础上，尝试在物流园区功能区布局时加入该算 法，使得布局工作比利用关系图法更客观、便捷，得出的结果更优越。 2 4 关系图布局方法概述 加入遗传算法前，进行功能区之间的布局时，功能区物流关系与非物流关系均由相 互关系图来表示。用物流关系和非物流关系图共同布局功能区平面图【2 8 】【2 9 1 【3 0 】。其步骤 如下： ( 1 ) 确定物流和非物流相互关系的相对重要性。此加权值的大小说明了平面布局 时考虑问题的重点。 ( 2 ) 量化物流的强度等级和非物流的密切程度等级。通常这些量化的数值取为 a = 4 ，e ；3 ，i - - 2 ，o = 1 ，u = 0 ，x = i 。 ( 3 ) 计算量化后的作业单位相互关系。设任意两个作业单位分别为a i 和a 其物 流关系相互等级为m r i j ，非物流相互关系密切程度等级为n r i ，则作业单位a i 和a i 之间的综合相互关系密切程度c & 为：c r j i = 如m r 日+ n n r i j 。 ( 4 ) 综合相互关系等级划分。c r i i 是一个量化值，必须划分成一定的等级才能建 立起符号化的作业单位综合相互关系表。综合相互关系的等级也同样为a 、e 、i 、o 、 u 、x 各级间c r i j 值逐步递减。 ( 5 ) 再根据经验和实际约束情况，可调整综合相互关系图表。 ( 6 ) 绘制综合相互关系图解。 ( 7 ) 根据综合相互关系图解布局各功能区，其步骤如下： 北京交通大学硕士学位论文 功能区布局方法综述 选定第一个进入布局的功能区；选择具有最多“a ”关联的功能区开始。若有多 个功能区同时符合条件，则依下列顺序加以选定：最多“e ”的关联，最多“i ”的关联， 最少“x ”的关联；最后如果仍然无法选定，就在这些条件完全相同的功能区中，任意 选定其中一个功能区。 选定第二个进入布局的功能区。第二个被选定的功能区，是与第一个被选定的功 能区之间具有“a ”的关联，而且是在未被选定的功能区中具有最多“a ”关联的功能 区。如果有多个功能区具有相同优先，仍依步骤的优先顺序法则加以处理。 选定第三个进入布局的功能区。第三个被选定的功能区，应与已被选定的前两个 同时具有最高的接近关系；与前两个功能区之问关系组合的优先顺序依次为a a 、a e 、 a i 、a o 、e e 、e 1 、e o 、及1 0 ，如果遇到多个功能区具有相同的优先顺序时，仍采 用步骤的顺序法则来处理。 选定第四个进入布局的功能区。第四个功能区选定的逻辑与步骤相同，被选定 的功能区应与前三个功能区，具有最高的接近组合关系；此时，组合的优先顺序为： a 从、a a e 、a a i 、a a o 、a e e 、a e i 、a e o 、a 、a i o 、a o o 、e e e 、e e l 、e e o 、 e 、e 1 0 、e o o 、i 、玎o 、1 0 0 。 根据步骤和的法则来依照次序布局剩余的功能区。如遇优先次序相同的情 形，都可以利用步骤的优先法则加以处理。 在发展关联线图时，可使用方块样板来代替每个功能区。在相对位置确定后，即 可依照各功能区的实际尺寸，完成最终的实际布局。但由于放置样板的位置受主观因素 影响较大，因此最后可能会产生多个最终布局方案。 根据作业单位面积，得出布局平面图。 1 3 北京交通大学硕士学位论文物流园区功能区布局建模及求解 3 物流园区功能区布局建模及求解 3 1 布局设计目的和原则 在预定的区域内合理地布局好各功能块的相对位置是非常重要的。合理布局这些功 能区的主要目的有1 3 1 l ： 有效地利用空间、设备、人员和能源； 最大