（管理科学与工程专业论文）零担运输企业干线运输资源优化研究.pdf

乞i r91 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究作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结果由本人承担 学位论文作者签名 智峄 i 1 日期 幻 o 年r 月歹口日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆 院系资料室被查阅 有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索 可以采刚复印 缩印或其他方法保存学位论文 保密论文保密期满后 适用本声明 学位论文作者签名 智峰 日期 础归年 月多 日 导师签名 床蘑衍 日期 矽 r 年 月弓f 日 零担运输企业干线运输资源优化研究 专业 管理科学与工程 硕士生 郭峰 指导教师 宋海清副教授 摘要 近年来 在良好经济环境的带动下 我国的公路货运行业得到了蓬勃发展 一大批 物流公司如雨后春笋般涌现 其中零担货运公司凭借着灵活性强 服务快速 时效性高 等特性 成为了公路运输市场中的重要力量 然而大量零担货运公司的迅猛出现 也加 剧了零担运输市场竞争 同时 全球金融危机的爆发 间接给物流行业带来严重冲击 整个行业的零担货运量呈现下滑念势 因此 在业内竞争加剧和行业低迷的双重不利环 境中 如何合理安排运输资源 尤其是干线运输资源 降低运输成本就成为了零担货运 公司普遍关注的问题 全国性货运公司大多采用轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 在网点 s p o k e 收集货物 然后利用支线运输到中转中心 h u b 对货物进行集中 最后干 线运输资源 主要是大型卡车 在省际间对货物进行运输 以达到提高服务水平 降低 服务成本的目的 但由于我国地区发展的不平衡性 货物在地区之间的流向很不平衡 造成货物运输车辆流向不平衡 零担运输公司为了保证干线运输资源的平衡性 一般都 要求运输车辆完成送货任务后要返回出发的中转中心 以进行下一期运输作业 因此 零担运输企业干线运输过程中经常出现返回车辆载重率较低 甚至车辆空驶的现象 极 大的浪费了干线运输资源 使企业难以进一步降低服务成本 针对此问题 本文进行了 深入研究 提出了一种新的干线运输资源组织方式 即设计一种新的干线运输资源运输 计划模型 通过改变车辆运输规则 增加车辆途径中转中心进行停靠的功能 来提高车 辆的载重率 降低运输成本 本文针对上述问题进行了模型和算法研究 建立了沿途停靠中转中心的干线运输资 源优化模型 达到提高零担运输企业干线运输资源载重率 降低运输成本的目的 本研 究首先通过调研和文献回顾 分析目前干线运输方式的合理性和不足之处 提出改进的 零担货运公司干线运输方式 然后 根据零担运输企业干线运输部分的货运流程和运营 数据 计算各项运输成本 建立基于成本的目标函数及约束条件 最后 通过对模型的 具体分析 找出模型的求解方法 并利用算例进行实验 采用l i n g o 软件进行求解 验 证本文所建模型和模型解法的实用性 关键词 零担运输 轴辐式运输网络 干线运输资源 优化 r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o no fl o n g h a u ln e t w o r kt r a n s p o r t r e s o u r c e sf o rl e s s t h a n t r u c k l o a dc o m p a n y m a j o r n a m e m a n a g e m e n ts c i e n c ea n de n g i n e e r i n g g u of e n g s u p e r v i s o r s o n gh a i q i n g a bs t r a c t d u r i n gt h ep a s t f e wy e a r s t h er o a d f r e i g h ti n d u s t r y h a sw e l c o m eab o o m i n g d e v e l o p m e n ta n dal o to fr o a de x p r e s sc o m p a n i e sw e r ee s t a b l i s h e dw i t ht h i st r e n d a m o n g t h e s ec o m p a n i e s t h el e s s t h a n t r u c k l o a ds e r v i c eb e c a m eav i t a lf o r c eb e c a u s eo fi t sg o o d f e a t u r e ss u c ha s h i g hf l e x i b i l i t y f a s ta n di nt i m e h o w e v e r t h ef a s tg r o w t ho f t h e l e s s t h a n t r u c k l o a di n d u s t r yh a sa l s ob r o u g h tw i t hs e v e r ec o m p e t i t i o n m e a n w h i l e t h eg l o b a l f i n a n c i a lc r i s i sb r o u g h tab a di n f l u e n c et ot h ei n d u s t r ya n do w i n gt oi tt h ea v e r a g ed e m a n di n l e s s t h a n t r u c k l o a ds e r v i c ef a l l sr a p i d l y t h e r e f o r e h o wt ob u i l dar e a s o n a b l et r a n s p o r t n e t w o r k o p t i m i z ev e h i c l er o u t e sa n d r e d u c et r a n s p o r t a t i o nc o s tu n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e sh a s b e c a m eav e r yi m p o r t a n ti s s u ef o rt h el e s s t h a n t r u c k l o a dc o m p a n i e s t h en a t i o n a ll e s s t h a n t r u c k l o a dc o m p a n i e sm o s t l yu s eah u b a n d s p o k et r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k t h a tt h e yu s et h es p o k et oc o l l e c tt h eg o o d st ot h eh u b a n dt h e nt ot r a n s p o r tt h e m b e t w e e np r o v i n c e sw i t hl a r g et r u c k si no r d e rt oi n c r e a s es e r v i c el e v e l sa n dr e d u c es e r v i c e c o s t s h o w e v e r d u et ot h ed i f f e r e n tr e g i o n a ld e v e l o p m e n t t h ed e l i v e r yf l o wo fg o o d si sv e r y u n b a l a n c e d a sar e s u l t m a n yt r a n s p o r tr e s o u r c e sa r ew a s t e d a n dt h es e r v i c ec o s t sa r ev e r y h i g h t h i sp a p e rc a r r i e so u tr e s e a r c h e so nm o d e la n da l g o r i t h m st os o l v et h ep r o b l e ma b o v e a n dd e s i g n sar e a s o n a b l et r a n s p o r t a t i o nw a yw i t hs t o p o v e r sw h i c hc a nr e d u c ec o s t f i r s t a m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt h et r a n s p o r t a t i o nc o s t s t h eo b j e c t i v ei st o m i n i m i z et h et o t a lc o s to ft r a n s p o r t a t i o nc o s tw i t h i nt h ec o n s t r a i n t s s e c o n d s o l v et h e i l l p r o b l e mw i t hs o m eh e u r i s t i ca l g o r i t h m a tl a s t a c a s es t u d yi sm a d et o t e s t i f yt h e p r a c t i c a b i l i t yo ft h em o d e la n d t h eh e u r i s t i ca l g o r i t h m k e yw o r d s l e s s t h a n t r u c k l o a d h u b a n d s p o k en e t w o r k l o n g h a u ln e t w o r kt r a n s p o r t r e s o u r c e s o p t i m i z a t i o n 目录 第1 章绪论 1 1 1 选题的背景 1 1 2 研究内容 2 1 3 研究意义 6 1 4 研究思路和内容安排 7 第2 章相关文献评述 9 2 1 零担运输的概念及特点 9 2 2 轴辐式网络概念及研究现状 9 2 3 轴辐式网络干线运输资源优化研究现状 1 2 2 4 线路安排问题的求解算法综述 1 5 第3 章轴辐式网络干线运输资源优化 1 8 3 1 问题的描述 1 8 3 2 模型的假设 1 9 3 3 数学模型 2 2 3 4 问题的求解 2 9 第4 章上海a 物流公司干线运输资源优化实例 3 2 4 1 公司简介 3 2 4 2 现行的干线运输网络 3 3 4 3 计算结果分析 3 5 第5 章总结与展望 3 9 5 1 本研究的主要工作总结 3 9 5 2 需进一步研究的问题 4 0 参考文献 4 1 附录 4 5 后记 5 l v v i 1 1 选题的背景 第1 章绪论 本文的研究对象为零担运输企业干线运输资源优化配置的问题 一直以来 困扰物 流运输企业和物流运输行业的一个问题是运输资源 如各种类型的运输车辆 利用率不 高 尤其是零担运输网络干线运输部分 由于各种原因 车辆平均利用率比较低 导致 资源浪费比较严重 陈听和王海洋 2 0 0 4 指出 由于全国范围的运输协调 调度及综 合控制能力大大滞后于公路与车辆的发展速度 全国运营车辆的平均实载率只有5 6 公路上跑的车辆中有4 4 处于空驶状态 零担运输的主要组织形式是公路快速货运 彭涛和杭文 2 0 0 6 定义公路快速货运 为 以高时效的货物为服务对象 以高等级公路与通达的城市道路为基础 依托多层次 网络化的货运场站体系集散货源 使用技术先进 结构合理的车辆载运货物 利用高效 的通信信息技术作为管理手段 通过科学有效的运输组织 实现货物和信息安全 准确 快速流动的公路货运系统 公路快速货运可以分为零担运输和整车运输两种 本文研究 的是零担运输这种运输方式 零担运输是当一批或一个所有者的货物的重量或者容积不 够装满一辆货车时 与其他货物共用一辆货车装运的运输方式 也有学者从计费方式的 角度定义零担运输 为按车辆所载货物的件数及每件重量计算运费的为零担货物 使用 零担运输方式运输货物时 货物的运费与货量成正比 当货量在某一水平下时 零担运 输比整车运输便宜 而当货量超过某一数量后 用整车运输比零担运输便宜 零担运输组织方式是 承运人从不同的网点 s p o k e 收集货物并将其汇集到中转 中心 h u b 装入干线运输车辆进行运输 运至目的地的中转中心 货物再进行分拣 通过支线运输送到网点 多数情况下 零担货运的支线运输司机下午进行收货 并将收 集到的货物运至中转中心 公路零担运输主要有快速 便捷 及时等特点 主要适合时效要求高 批量较小 价值较高和附加值较高的货物的运输 随着社会经济的发展 人民生活水平不断提高 产品结构也发生了显著变化 质轻 价高 附加值高 批量小 品种多的商品越来越多 同时货主对便捷 准时等服务质量的要求也越来越高 公路零担运输以其快速 灵活的 特性 迅速出现并满足了这一需求 并逐渐承担更多时效性强的短 中 长途货物运输 据美国交通运输部门 u s d e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n 统计分析 美国的零担运 输行业是货运市场中最重要的运输方式之一 作为一种新的运输形式 公路零担运输在 我国仍处于发展的初级阶段 随着运输市场的发展 运输需求的提高和运输设备性能的 提高 可以预见 零担运输将在运输市场中扮演越来越重要的角色 但是 目前我国公路零担运输公司的可持续发展意识不高 企业的可持续发展受到 极大的限制 当前 我国中小零担运输企业主要依靠同等服务更低的价格或同等价格更 更高的服务作为竞争的手段 但是 企业提高核心竞争能力最根本的途径是提高作业效 率 降低成本 并且不以牺牲服务水平为代价 为了实现这一目标 企业应当不断的优 化运营网络 改进作业流程 采用先进的运输资源管理方法 充分挖掘已有资源的潜力 使企业运作效率的提高建立在资源高效利用的基础之上 本文针对零担运输企业干线运输车辆利用率低的问题进行研究 提出干线网络运输 资源的优化设计方案 以帮助零担运输企业提高干线运输车辆的利用率 降低单位货物 的运送成本 提高企业的核心竞争力 最终实现零担运输企业的可持续发展 1 2 研究内容 1 2 1 公路零担运输的组织流程 公路零担运输要经过一系列的环节 简单来说 主要有货物受理 集中 发运 接 收 到达送货等 不同类型的公司在具体操作细节上略有差别 网点 s p o k e 向货主 收集需要运输的货物 通过支线运输到中转中心 h u b 中转中心将货物进行分拣 装车 将不同的货物运输到相应的中转中心 然后通过支线将货物运输到收货人手中 其流程如图1 1 所示 2 图1 1 公路零担运输组织流程图 1 2 2 零担运输网络干线运输方式 目前 多数零担运输网络的干线运输方式比较单一 以公路运输为主 就我国零担 运输公司来说 一般在1 个省有1 到几个中转中心 h u b 具体数量视该省的货运量 决定 每个中转中心负责几个网点 s p o k e 货物的省外运输 也就是比较典型的轴辐 式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 中转中心之间的运输工具一般是大型卡车 根 据货运量的不同 不同中转中心之间需要有不同数量的卡车进行货物的运输 一般来说 干线运输车辆的装载率越高 货物的单位运输成本越低 同时 使用大型卡车直接运输 会大大提高货物到达的时间 因此 当两个中转中心之间的货物运输需求达到一定程度 后 基于成本 时效和管理方面的考虑 货运公司都会使用自有车辆进行直接运输 然 而 中转中心之间货运量较少时 由于大型卡车的持有成本和固定出车成本较高 使用 自有车辆进行运输时所运货物的单位成本要急剧上升 公司一般会选择延期运输或者外 包给其他的货运公司代理运输 由于干线运输网络在解决货运时效性方面有特殊的优势 近年来 我国零担货运行 业干线运输网络建设突飞猛进 各地的零担运输企业纷纷开设整车 大型柜式卡车 运 输专线 发往全国各地的众多城市 有些零担货运公司已经具有了相当规模的运输网络 但支撑高效运输网络的大型卡车 在装载率较高时单位货物运输成本较低 但当出现低 装载率甚至空驶的情况时 单位货物运输成本却非常高 尤其是 目前我国地区发展的 3 不平衡性导致的货物流向不平衡性 使零担货运公司的干线运输在保证高服务的同时 承担了较高的运输成本 为此 本研究着眼于干线运输网络的运输规划 重点在于干线运输资源 大型柜式 卡车 的路线安排 以某零担运输企业为例 对现行的车辆线路安排进行优化 优化后 的网络将使运输车辆具有沿途停靠中转中心 h u b 的功能 从而大大提高了车辆的装 载率 现有的和优化后的干线运输网络可以从图1 2 和图1 3 中直观看出 图1 2 是现行 的基于直接运输的干线运输网络 图1 3 是改进后的基于混合运输的干线运输网络 基于直接运输的干线运输网络 d i r e c tn e t w o r k 是指 所有车辆只往返于两个中转 中心之间 只负责两个中转中心之间货物的运输 具体来说 某车辆从中转中心1 出发 经过一定时间 到目的地中转中心2 然后进行装卸货物的作业 最后按照规定时间从 中转中心2 出发并返回中转中心1 如图1 2 所示 图1 2 现行的基于直接运输的干线运输网络图 混合运输的干线运输网络 m i x e dn e t w o r k 是指 运输车辆的行驶路线不局限于两个 中转中心之间 它可以负责三个中转中心之问相应货物的运输 具体来说 某车辆从中 4 转中心1 出发 经过一定时间 到目的地中转中心2 之后进行装卸货物的作业 之后 按照规定时间从中转中心2 出发并返回中转中心1 返回途中 车辆可以经过中转中心 3 并携带中转中心2 到中转中心3 的货物 到达中转中心3 后 进行装卸货操作 同 时 携带中转中心3 到中转中心1 货物 在规定时间出发返回中转中心1 如图1 3 所 示 图1 3 改进后的基于混合运输的干线运输网络图 改进后的干线运输网络 其车辆线路安排突破了原来一辆车只负责两个中转中心间 的货物运输的线路安排方式 变为可以负责两个或三个中转中心间货物运输的线路安排 方式 虽然一部分货物在一定程度上造成了绕道成本 但是提高了车辆的装载率 也减 少了车辆和人员的投入 使得线路安排更加灵活 提高了车辆的利用效率 因此是优于 现有的干线运输网络运输车辆线路安排方式 本研究的模型的总目标是最小化运输成本 运输成本可以分成三部分 分别是车辆 固定运输成本 货物运输成本和货物外包运输成本 其中 固定运输成本主要是固定出 车成本和人力成本 本研究的模型的决策变量是每一辆车在中转中心与中转中心之间的 路线选择和所装载货物的选择 可以将决策变量定义为0 1 变量从而构造整数规划模型 进行求解 5 1 3 研究意义 当前 我国零担运输行业存在一个比较普遍的现象 即各零担运输企业干线网络上 的运输资源利用率较低 严重制约了企业运输成本的降低 通过分析 本文认为这种现 象出现的原因是 我国地区经济发展的不平衡 地区发展的不平衡导致了地区之间货物 流向的不平衡 货物流向的不平衡导致了零担运输行业多数企业干线货物流向的不平 衡 进一步导致了货物运输载体 货运车辆流向的不平衡及回程车辆装载率低 这种 不平衡反映到企业层面 就是干线货运车辆利用率低 运输成本高 本文的目标是 提 出一种新的货运方式 提高干线运输车辆装载率 降低干线运输成本 1 3 1 理论意义 1 指出目前对轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 研究的不足 当前 学术界对零担运输轴辐式运输网络的研究 主要集中在轴辐式运输网络的经 济性和如何构建合理的轴辐式运输网络两部分 对于网络上的运输资源尤其是干线运输 资源研究不足 2 探索轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 干线运输资源优化方法 通过对轴辐式运输网络的深入研究可以发现 由于各种原因导致的干线运输车辆流 向的不平衡极大的制约了轴辐式运输网络优势的发挥 因此 本文在前人研究的基础上 探讨了优化轴辐式运输网络干线运输资源的方法 1 3 2 现实意义 目前我国公路运输车辆平均装载率低的主要原因 曲衍国 2 0 0 4 认为 可以从宏 观和微观两个方面进行说明 宏观层面的原因如下 1 社会物流信息系统不健全 导致运输需求信息不对称 企业难以找到合适的 货物 物主难以找到合适的企业 造成了社会运输资源的浪费 2 货运企业众多 集约化程度低 规模以上企业数量少 很难形成统一的货源 组织和车辆调配 6 微观层面的原因如下 1 公路运输企业 运输市场缺乏统一管理 不能按照科学 合理的运输线路规 划方法安排车辆运行和配载 2 货物流向的不对称性 一般来说 沿海发达地区流向内地的货物量要大于内 地流向沿海地区的货物量 造成一部分返程车辆没有货物进行运输 装载率不高 甚至 出现空驶的情况 国内学者对宏观方面 政府作用的体现 如何提升我国物流业运作效率及整体竞争 力做了大量有效的研究 本文认为 在零担运输企业难以靠自己的力量改变宏观环境的 前提下 应该加强自身建设 尤其是在省际干线运输方面的科学规划 提高本企业在该 行业的竞争优势 本文对零担运输企业干线运输资源优化问题的研究 是在系统科学理论的指导下进 行的 综合运用了管理科学 经济学 运筹学和计算机科学的理论知识 通过对国内外 零担运输干线网络研究的比较 结合我国物流运输企业的实际情况 提出一个切实可行 方便易用的干线网络运输资源优化模型 本研究所建立的模型具有一定的普遍意义 对于多数物流企业改善干线运营效率和 降低干线运营成本都有可借鉴的价值 并为公路快速货运企业如何在激烈竞争的市场中 脱颖而出 提升竞争力开辟了新的思路 1 4 研究思路和内容安排 本文通过对我国零担运输企业干线运输资源利用率较低这一现象的分析 提出了需 要研究的问题 如何优化零担运输企业轴辐式运输网络干线运输资源 通过对该问题 相关研究文献的查阅 本文提出了一种新的解决该问题的方法 在满足假设的基础上 将干线货运需求进行转化与分类 通过分析货运需求的构成 寻找优化干线运输资源的方法 通过对干线网络运输资源的优化配置 可以降低企业的 运营成本 提高运输效率 从而在整体上提高货物运输服务水平 提升市场竞争力 本文的内容安排如下 第一章是绪论 从总体上介绍该文章 介绍研究背景 研究内容 研究意义以及研 究思路与内容安排 第二章是文献综述 阐述了零担运输的概念 轴辐式运输网络的概念 国内外学者 7 关于轴辐式运输网络的研究现状及轴辐式运输网络干线运输相关问题的研究现状 同时 对线路优化问题的模型求解方法进行了描述 说明了本文采用启发式算法的合理性 第三章对本论文所研究的问题进行了详细的描述 描述了干线运输资源优化的思路 和方法 构造了干线运输资源优化模型及模型的求解的方法 第四章给出本文的研究实例 以检验模型的可行性 本章首先介绍了企业的具体情 况 之后给出了模型所需的数据 并进行求解 第五章为研究结论和展望 对本文的研究进行了总结 既指出了本文研究的成果 也说明了本文研究的不足 为后续研究提供了方向 8 第2 章相关文献评述 2 1 零担运输的概念及特点 我国 道路零担货物运输管理办法 1 9 9 6 指出 零担货物是指一次托运 计费 重量不足3 t 的货物 组织人员和工具对零担货物进行从初始点到目的地运输的活动就 是零担运输 零担货运是公路快速货运的主要方式之一 其特有的货物形式和组织性质 决定了 零担运输的特点 作为全球快递与物流行业的领导者 d h l 公司总结多年的零担运输经 验 认为零担运输的特点为 1 货源不稳定 零担运输的货物多为普通货物 货物流量 货物数量 货物流向具有一定的不确定 性 多为随机性发生 难以通过运输合同方式将其纳入计划管理范围 2 组织工作复杂 零担货物运输环节多 对货物配载和装载要求也相对较高 因此 作为零担货物运 输作业的主要执行者 货运站 中转中心 要完成零担货物质量的确认 货物的有 效配载等大量的业务组织工作 3 单位运输成本较高 为适应零担货物运输的需求 货运站要配备一定的仓库 货栅 站台 以及相应的 装卸 搬运 堆置的机具和专用厢式车辆 此外 相对于整车货物运输而言 零担货物 周转环节多 更易于出现货损 货控 赔偿费用相对较高的情况 导致了零担货物运输 成本较高 2 2 轴辐式网络概念及研究现状 轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 最初只在航空业中应用 随着其降低 运输成本功能的逐渐被发现 才逐渐应用到公路运输行业 1 9 7 8 年 美国航空业放松 航空运输管制 为了应对不断加剧的市场竞争 航空公司不断探索新的运输模式 即采 9 用简单的轴辐式运输网络 它是以某一个大型中转中心为轴 众多由此辐射出去的线路 连接各个运营网点 如同车轮的构成 以轴为中转中心 提供货物转运服务 o k e l l y 1 9 8 7 最早对轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 进行研究 他 在对航空客运网络研究的基础上 第一个针对中转中心定位问题建立了单中转指派的数 学模型 即一个中心对应多个节点 如图2 1 所示 图2 1 单中转中心的轴辐式运输网络 单中转中心轴辐式运输网络中只有一个中转中心 网络中所有货运站 节点 f b j 相 互联系都必须通过此中转中心 此类运输网络一般在服务范围较小的情况下采用 随着 服务范围的扩大 全国性零担运输公司的出现 使得轴辐式运输网络得到进一步发展 由单中转中心向多中转中心发展 如图2 2 所示 1 0 图2 2 多中转中心的轴辐式运输网络 当前 零担运输行业常见的是多中转中心的轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k e n e t w o r k 也就是典型的轴辐式运输网络 0 k e l l y 之后也有很多学者对此进行了研究 h a l l 1 9 8 9 在研究货运线路选择的过程中 发现了轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k e n e t w o r k 的规模经济的特性 指出 当线路运量达到某临界流量时 轴辐式运输网络 运输方式比直接运输更为有效 翁克瑞和杨超详 2 0 0 6 对轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 进行了研 究 分析了轴辐式运输网络的各种形式及其优缺点 总结出了设计轴辐式运输网络的基 本内容与方法 翁克瑞和杨超详指出 轴辐式运输网络的的优点是促成了运输网络中转 中心之间运输的规模效益 提高了运输车辆装载率 节约了干线运输资源 降低了干线 运输成本 翁克瑞和杨超详同时也指出 轴辐式运输网络并不适用于所有零担运输公司 j 下如h a l l 指出的 只有当货运量达到某临界流量时 采用轴辐式运输网络进行运输才 是有效的 轴辐式运输网络存在的缺点主要是 货物通过中转中心进行中转运输时会产 生绕道成本 并增加了货物的装卸次数 加重了中转中心的作业成本 钟山和汪寿阳 2 0 0 3 从理论上阐述了轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 的优点 然后用实例说明采用轴辐式运输网络可以使航空运输企业具有一定的竞争优 势 虽然文中没有明确说明 但隐含的假设是货运需求足够大 才能显示出轴辐式运输 网络的成本和时效优势 零担运输轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 分为两部分 内部营运网络 干线 和外部地区服务网络 支线 外部服务网络指的是顾客可以接触到的网络部 分 该部分网络的功能是负责顾客货物的收集和配送 将货物从顾客手中通过支线运输 到中转中心 或将货物从中转中心配送到顾客手中 内部运营网络主要是指中转中心与 中转中心之间的网络 这部分网络不与顾客发生直接的接触 所以内部营运网络又叫干 线运输网络 2 3 轴辐式网络干线运输资源优化研究现状 国内外学者对轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 干线运输资源优化问题的 研究 主要从如下四个角度进行的 2 3 1 考虑干线运输车辆库存 零担运输企业干线运输车辆平均装载率低的最主要原因是 所运输货物流向的不平 衡导致回程车辆装载率低 这种不平衡造成了运输资源的利用率较低 运输成本较高现 象的出现 为了解决货物流量不平衡导致的干线运输车辆流向不平衡的问题 许多学者 提出了基于分布式网络的车辆库存管理模型 p h i l i pa n ds u s s m a n m e n d i r a t t aa n d t u m q u i s t d ua n dh a l l 分别于1 9 7 7 1 9 8 2 和1 9 9 7 年提出了自己的车辆库存模型 对该 类问题最为典型的研究是r a n d o l p hw h a l l 和h o n g s h e n gz h o n g 于2 0 0 0 年 提出的多 对多运输网络中分布式车辆库存策略 该文章研究的是比较典型的零担运输网络 如图 2 3 所示 1 2 图2 3 典型的零担运输网络 该类论文中都包含一个重要的假设 每个中转中心都有属于自己的干线网络运输资 源 运输车辆 根据历史数据 统计预测每个时间点某中转中心车辆的库存状况 确 定其安全库存 最低库存和最高库存量 根据不同的库存水平做相应的决策 该文献特点在于 在一定程度上解决了干线运输资源流向不平衡的问题 但是 这 种解决方式需要企业付出很高的成本 其成本包括运输车辆库存持有成本 车辆调度成 本 因为这种解决方式的前提是 各个中转中心都持有一定的车辆库存 但现实中 持 有车辆库对企业来说是资源的极大浪费 同时 对车辆的调度 可以看做是车辆在干线 运输网络上的空驶 对于整个公司的运营来说 成本是非常高的 这种方式解决了车辆 流向的不平衡问题 但没有解决经济性问题 因此 本文认为 目前中国的中小企业在资金实力不是很雄厚的情况下 通过在中 转中心持有车辆库存的方式来解决干线运输资源流向不平衡的问题是不可取的 因为以 大型柜式卡车为主的干线运输资源的持有成本非常高 2 3 2 考虑干线运输司机满意度 国外学者对零担运输企业干线网络的研究中 还有一个比较关注的问题是运输车辆 司机的流动性较高的问题 c e n kc a l i s k a n r a n d o l p hw h a l l 2 0 0 1 注意到 美国许多 1 3 长途运输车辆的司机流动率比较搞 严重影响了公司的正常运营 于是 这两位学者于 2 0 0 1 年 提出了一种基于时间窗的干线运输模型 将司机的在途时间考虑到模型中 在对司机的工作进行排班时 充分考虑司机上班时间和与家人团聚时间的平衡 通过比较研究 笔者认为 由于在国外 尤其是欧美发达国家 人力成本较高 而 且技术性人才缺口较大 鉴于不同的国情 这种情况目前在中国不是主要考虑因素 因 此 在论本文的模型中 没有将主干线路运输车辆上的工作人员的满意度作为一个主要 的因素考虑 2 3 3 考虑使用外租车辆 c h i n g w hc h u 2 0 0 2 针对干线运输资源流向的不平衡性问题 提出可以适当使 用外祖车辆来减弱或抵消这种不平衡性 但是 运输相同的货物 使用自有车辆和使用 外祖车辆的成本是不同的 同时 使用外祖车辆时 公司对货物到达时间 安全性的控 制也较难 很难达到一种满意的结果 虽然使用外租车辆来弥补干线运输车辆流向的不 平衡的做法是不经济的 但是 在每年运输需求高峰时段 公司自有运输车辆不足的情 况下 使用一定的外租车辆来满足运输需求 是非常合理的做法 因此 本论文认为 仅仅使用外祖车辆来解决运输车辆流向的不平衡性问题有非常 高的局限性 同时 运营成本也较高 但c h i n g uc h u 提出的使用外祖车辆的想法具 有创新性 在本文的模型构建中 也将此因素做了考虑 2 3 4 考虑多式联运 c a l a u d i ob c u n h a 和m a r c o sr o b e r t os i l v a 2 0 0 4 提出 轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 有效的降低了零担货运公司的运输成本 其创新点在于 它对干线运输的成本的计算 按照货物干线运输中不同的装载率给与不同的运输成本折 扣 装载率越高 折扣越大 该论文之所以能够做到该点 是因为 它创新的将a b 两点间的一条运输路线 分为a 到b 和b 到a 两条线路来考虑 虽然这种建模方法加 大了模型的复杂度 但该模型的解更接近于最优解 t o r eg r u n e r t 和h a n s j u r g e ns e b a s t i a n 于1 9 9 9 年研究了一家全球性快递公司的干线 运输资源的优化问题 文中指出 近几年 各个零担运输公司为了缩短送货时间 提高 1 4 服务水平 购置了大量的运输资源 尤其是干线运输资源 这种现象造成了公司资源的 极大浪费 运输成本的极大提高 该文章的运输模式有三种 空运 海运和陆运 其中 关于陆地运输的假设条件如 下所示 1 每一个需求 货物运输需求 都必须在它的时间窗内完成 2 司机必须在一个规定的时间内到达目的地 3 h u b 中转中心 有工作窗 只能在规定的时间范围内可用 4 每一个中转中心 它所具有的车辆数目是不可改变的 5 货物的运输需求必须得到满足 6 在一个时间段内到达某个中转中心的车辆数目是有限制的 7 中转中心的最大分拣工作量可以满足工作需要 8 对各个中转中心的库存水平有实时了解 9 运输车辆达到中转中心后 工作人员有足够的时间对货物进行分拣工作 这 个限制加大了对时间窗的要求 1 0 有充足的时间进行货物的运输 装卸和分拣作业 t o r eg r u n e r t 和h a n s j u r g e ns e b a s t i a n 在文章中提出 所研究公司的运输网络已经 存在 一般是比较典型的轴辐式运输网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 运输网络的设计 尤其是干线运输网络的设计 与运输资源优化配置不是同一类问题 也不是同一个层面 的问题 因此 本论文将此假设作为一个非常重要的假设 2 4 线路安排问题的求解算法综述 运输车辆线路安排问题的求解算法大体上可以分为两类 一类是精确算法 一类是 启发式算法 2 4 1 精确算法 求解车辆调配问题的精确算法包括动态规划法 分枝定界法和割平面法 下面分别 介绍三种算法的计算思路 动态规划法 d y n a m i cp r o g r a m m i n g 的基本思路将求解问题逐渐转化 找到最终 需要的解 基本步骤是 将一个多阶段的决策问题依次转化 转化为求解各个具有递推 关系的单阶段的决策问题 以此将简化计算过程 分枝定界法 b r a n c ha n db o u n d 可用于解纯整数规划或混合整数规划问题 是在 枚举法基础上的改进的一种算法 是求解整数规划的较好方法 b a r djf g e o r g ek 2 0 0 2 通过寻找问题的目标函数最优解的上界和下界 并不断减小上界和增大下界 最终找到问题的最优解 割平面法 c u t t i n gp l a n e s 的基础是用线性规划的方法求解整数规划的问题 基本 方法是 增加线性的约束使得原可行域中切割掉只包含非整数规划的部分 但不能切割 掉任何整数可行解 这个方法就是找到适当的切割面 使切割后最终得到的可行域中 有一个整数坐标的极点恰好是问题的最优解 但此解法的弊端在于求解时间长 不适用 于大规模问题 上面三种算法的不足之处在于 不适合求解大规模问题 结合本文的具体情况 本 论文对模型的求解没有采用精确算法 2 4 2 启发式算法 启发式算法是指一种基于经验或受到某种现象的启发而构造出的算法 该算法虽然 难以明确的找到问题的最优解 但可以在可接受的计算时间内找出问题的满意解 虽然 这种满意解与最优解有一定程度的背离 但鉴于寻找最优解的时间是难以接受的这一实 际情况 利用启发式算法寻找满意解是一种更为明智的选择 目前的启发式算法很多 主要有以下两类 1 构造算法 构造算法是根据某些既定的标准 依次将不在线路上的点增加到当前的线路 每一 次加入一个点 直到所有的点都被安排进线路为止 常见的的构造算法主要包括扫描算 法 最近邻点法 最近插入法 节约里程法 节点交换法等 下面对与本轮文相关的算 法做简要介绍 扫描算法是一种先分组后路线的算法 其基本思路是 以初始点为坐标原点 任意 选择一方向定义为零角度 建立极坐标系 然后建立一个新组 按逆时针方向将客户加 入组中 直到需求总量超出负载总量 重复之前的步骤 直到所有节点都被纳入到不同 1 6 的线路中 最近插入法是依序将节点插入路径中构建配送路线的方法 基本思路是 首先 从 初始点出发 寻找未被服务的节点中离初始点最近的一个 加入路线 构成一个回路 在未被安排的节点中寻找一个离回路中某节点最近的节点 记为v k 在回路中找到一 条边 i j 使得c i k c k j c u 最小 将节点v k 插入在v j 和v j 之间 重复上述步骤 直 到用完车辆容量 重复上述步骤直到所有节点都已安排车辆 节约罩程法是由c l a r kg 和w r i g h tj 于1 9 6 4 年提出的 主要是针对v r p 问题的求 解 该算法的基本思想是 将初始解定义为n 条路线 每条线路的要求是只含一个配送 点 考虑将两条线路进行合并 合并后的线路依次经过之前两条线路上的配送点 然后 根据一定的的规则检验合并的线路 如果合并后的线路满足所有的约束条件 则认为这 样的合并是可行的 并计算合并后的节约值 如果合并后的线路不满任何一条约束条件 则认为这样的合并是不可行的 对所有的节约值进行比较 选择合并后产生最大节约值 的两条线路进行合并 依次对所有线路进行该规则的合并 当不存在可行合并时 算法 结束 2 两阶段法 两阶段法是启发式构造算法的一种延伸 基本思路是 第一阶段通过运用构造法得 到可行解 第二阶段对可行解进行适当调整得到更优的可行解 使目标函数值得以改进 1 7 第3 章轴辐式网络干线运输资源优化 3 1 问题的描述 传统的零担运输网络干线运输车辆的线路安排 都是每辆车仅限于两个中转中心 h u b 之间进行长途货物的运输 而不允许一辆车负责三个中转中心之间部分货物的 运输 如图3 1 所示 图3 1 传统的零担运输网络干线运输车辆的线路安排示意图 在传统的干线运输网络中 每一个中转中 i h u b 都要发出车辆将该中转中心的货 物送达目的地的中转中心 该车再从目的地中转中心装入需要运回的货物回到出发的中 转中心 车辆行驶路线相对固定 在每个中转中心货物量比较充足 流向比较平衡的情 况下 即车辆装载率较高 这种运输方式的经济性好 时效性高 是一种非常适用的 运输方式 但在中转中心的货运量较少 或货运量大但流量不平衡的情况下 这种干线 运输方式 虽然保证了时效性 但经济性较差 不是最优的选择 因为 当中转中心的 货运需求较少时 运输车辆的装载率较低 难以达到出车一次的盈亏平衡 当货运需求 大 但货物流向不平衡时 按照满载运输优先安排的原则 在两个中转中心之间 随着 较大货物流向安排的运输车辆 返程时 因为货运需求的不足 只有一部分返程车辆可 以满载 或者达到装载率要求 剩余车辆会出现低装载率甚至空驶的现象 对运输资源 1 8 造成了极大的浪费 为了节约运输成本 提高车辆的装载率 本文提出将传统的干线网络运输方式进行 改进 改进的基本思路是 将现有的干线网络的运输方式由直接运输 d i r e c tt r a n s p o r t 变为混合运输 m i x e dt r a n s p o r t 即改进后的干线网络运输方式由直接运输和间接运输 共同组成 在进行送货时 满足车辆装载率要求的送货车辆直接从中转中心出发 丌往 目的地的中转中心 返回时的车辆分为两部分 一部分是满足装载率要求的运输车辆 第二部分是无法满足装载率要求的送货车辆 第一部分送货车辆装载货物后 直接返回 出发的中转中心 第二部分车辆 可以选择途径某个中转中心后回到初始的中转中心 这种线路安排 使得第二部分车辆在返程中 可以经过三个中转中心 可以满足的货运 需求范围变大 由最初两个中转中心间的货运需求扩大为三个中转中心间的货运需求 大大提高了车辆的利用率 降低了运输成本 如图3 2 所示 图3 2 改进的零担运输网络干线运输车辆的线路安排示意图 改进的干线运输方式 一方面最大可能的保持了原来运输方式的时效性 另一方面 较大的降低了运输成本 是一种比较合理的运输方案 3 2 模型的假设 在参考前人对该类问题研究及对问题解决方法研究的基础上 本论文针对研究的具 1 9 体问题 提出了一定的假设 在介绍模型假设之前 首先介绍一下本论文研究的一类企 业在货运组织方面的一些特点 了解这些特点有助于对模型假设有一个清楚的认识 本论文研究的一类企业 大范围内的货物运输方式为公路运输 相比于其他货物运 输方式如航空运输 水上运输 管道运输及铁路运输等 公路运输由于其时效性高 特 别适合零担货物的运输 因此 我国零担运输企业大都采用公路这种运输方式进行货物 的运输 同时 货物干线上的运输线路一般是高速公路或者国道 此类企业公路运输网 络为轴辐式网络 h u b a n d s p o k en e t w o r k 轴辐式运输网络主要由中转中心 h u b 也称为主节点 网点 s p o k e 也称为客户端 连接中转中心之间的线路和连接中转 中心与所属网点之间的线路组成 一个中转中心可以连接多个网点 中转中心可以接收 其他中转中心运输来