【毕业学位论文】物流单元网络基础理论及应用研究-交通运输规划与管理博士论文

分类号 密级 博士学位论文 物流单元网络基础理论及应用研究 of 者姓名： 周东北 学科专业： 交通运输规划与管理 学院 （系、 所） ： 交通运输工程学院 指导教师： 陈治亚 教授 论文答辩日期 答辩委员会主席 毛保华 中 南 大 学 二七年五月 中南大学博士论文 摘要 I 摘 要 近年来， 物流业引起了世界范围内的广泛关注。 在我国国民经济发展进程中，客观地需要物流业的繁荣与稳定，物流业本身的发展也需要普遍的、经常的理论指导。 但物流理论， 目前尚处于萌发初创阶段， 而且大多出于实际工作专家之手，从理论的角度看还有待完善，因此，研究物流基础理论具有重要的学术价值和实践意义。 本论文在科研与工作的基础上，系统地叙述了物流的定义及其数学描述、物流单元网络基础理论、物流单元网络节点的状态分析、经典排队理论在物流单元网络理论中的拓展、以及物流单元网络基础理论在城市旅客运输中的应用。以城市旅客运输现象来描述物流单元网络的机理，有效地建立了排队服务系统的模型，不仅通俗易懂，而且拓展了物流定义的内涵；构建随机网络节点和载体在再生点的母函数，建立有限和无限的递推方程组，描述物流在网络上的服务时间分布；应用拉普拉斯变换研究实体在网络上的停留，等待和服务时间分布等；应用经典排队论的思路推导物流单元网络排队的李太勒（ 式，研究随机网络系统工作平稳性的充分和必要条件，这样既拓展了经典排队理论，又找到了建立物流单元网络基础理论的思路和方法； 以当今世界数学界比较常见的整合事件流为泊松流，载体流为泊松流、 k 阶爱尔朗流（ k时为调整流（等间隔流） ） ，概括了物流单元网络的各种情况； 以整合事件到站为泊松流， 载体到站为调整流，提出了载体到站点为再生点，物流过程是嵌入马尔可夫过程，并根据嵌入马尔可夫过程推导了)0()1(作者还注重理论在实践中的应用，以城市旅客运输为例，进一步阐明了理论，应用了理论。 关键词： 物流，单元网络，基础理论，随机网络，排队服务系统 中南大学博士论文 摘要 n of it is to be to be by at of of by in to be on is of on of of of in of in It of of is to of It a of on In it 南大学博士论文 摘要 on as by by of to of to It of as as k） as as as 0()1(of At as an to 南大学博士论文 目录 录 第一章 绪 论 .流理论在国内、外的研究现状 .物流观念与物流管理理论.物流管理的优化理论与方法.物流技术装备的研究. 利用排队论理论研究物流问题现状.究的对象、研究的思路和方法 .究的内容和创新点 .文框架 .章小结 .二章 物流的定义及其数学描述 .流概念的综述 .流定义 .合事件的分布律 . 离散型分布. 连续型分布.络流系统 .章小结 .三章 物流单元网络基础理论 .流单元网络定义 .流单元网络的机理 .流单元网络的可能函数 .流单元网络模型 .流单元网络模型举例 .章小结 .四章 物流单元网络节点的状态分析 .流单元网络起始节点状态分析 . 过程)0()1(+. 过程)0()1(. 起始节点作业过程平稳的充要条件.流单元网络中间节点的状态分析 . 过程)0()1(. 物流单元网络中间节点作业平稳的充要条件.章小结 .五章 经典排队理论在物流单元网络理论中的拓展 .流单元网络理论中的李太勒（ 式 .络节点上货物件数的分布 .南大学博士论文 目录 V 物服务时间的分布 .闲货位服务数目的分布 .流单元网络排队系统中的优化模型 .标准的M/M/. 同时确定.少而必需的载体数量的确定 .多无必要的载体数量的确定 .章小结 .六章 物流单元网络基础理论的应用 . 模型参数的求解 . 确定单元网络起点站参数. 确定单元网络沿途站的参数.城市旅客运输中的应用 . 物流单元网络基础理论概述. 城市客运工作方案的模拟. 数据的搜集和整理. 城市旅客运输情况的综合分析. 最少而必需载体数的确定. 再多无必要（0等待）载体数的确定. 不同工作方案下的应用. 物流功能指标评价.章小结 . 111 第七章 结 论 .文的主要工作 .一步的研究方向 .考文献 . 录 .读学位期间的主要研究成果 . 谢 .南大学博士论文 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪 论 物流是企业利润的“第三”源泉，或称为“黑箱” 。一般商品由厂商到用户的时间中，有 90%消耗在物流上，我国国民经济总产值的 15%用在物流上，在商品成本中， 20%是物流成本。在我国，物流业引起了各个行业的关注，物流公司、配送中心、物流专业等如雨后春笋，蓬勃兴起。但在理论研究领域，关系物流的一些基本概念，如物流的定义、性质等，迄今尚无定论，物流的定性描述，炒得很热，且仅限于定性的宏观方面，至于定量的微观方面，可以说，还处于萌发的初创阶段。 众所周知，市场的商品化，全球化，需要物流业的繁荣稳定；同时，物流业本身的发展也需要有物流理论来指导，而物流理论的发展，也得益于物流业本身的发展历程。物流解决的不仅只限于物流系统和相关企业的效益，而且涉及到全社会的效益。特别当流通职能专业化，流通资本独立化后，流通环节不再属于企业生产过程，而成为全社会分工的一部分时，社会效果尤为明显。我国第十五个“五年计划”纲要指出：积极引进新型业态和技术，推行连续经营，物流配送，代理制方式联运，改造提升传统物 流业（如运输业和邮政服务业） 。因此，系统地、科学地研究物流基础理论具有重要的学术价值和重要的实践意义。 流理论在国内、外的研究现状 流观念与物流管理理论1,2(1)物流观念的启蒙与产生 从理论上认识物流始于 901)，此后 1915)初次论述了物流在流通战略中的作用， L D H 1916)提出了市场营销的 3 种效用，即所有权效用、空间效用和时间效用，这是早期对物流活动较全面的一种认识。将物流活动真正上升到理论高度加以 研究和分析的当数著名营销专家 将市场营销定义为：为商品所有权 转移所发生的、包括物流在内的各种活动，从而将物流纳入到了市场经营行为的 研究范畴中。另外值得一提的是1927)，他在流通时代一书中，初次使用 称呼物流，为物流的概念化奠定了基础。 认识的提高使物流受到重视， 但在地位上， 物流仍被看作是流通的附属机能，是流通机能的一部分。例如 将流通机能划分为交换机能、物流机能和辅助机能三部分。 (2)物流理论的形成 中南大学博士论文 第一章 绪论 - 2 - 现代市场营销理论认为：顾客满意是实现企业利润的唯一手段，顾客服务是企业经营管理的核心要素，物流在提供顾客服 务方面起着重要的作用。因此鲍尔 柏斯 (1954)在一次研讨会上发表了题为“市场营销的另一半”的演讲，指出无论是学术界还是实业界都应重视和研究市场营销中的物流， 真正从战略高度来管理和发展物流。这次演讲是物流管理发展的一个里程碑，它不仅对物流的认识和研究起到了推动作用，而且对物流管理学的形成产生了直接影响。 956)3 人在其合著的 物流中航空货运的作用一书中提出 :航空货运尽管运费较高，但由于它能直接向顾客进行商品配送因而节约了货物的在库维持费和仓库管理费， 因此应当从物流费用总体上来评价运输手段的优缺点。 他们的研究第一次在物流管理中导入了整体成本的概念，深化了物流活动分析的内容。 1962 年，美国著名经营管理学家彼德德鲁克在财富 杂志上发表了著名的“经济的黑暗大陆”一文，强调应高度重视流通过程中的物流管理，对物流理论和实践的发展都产生了重要的推动作用。此后， M 976)对在库评价的会计方法进行了卓有成效的研究， 指出在整个物流活动所发生的费用中，在库费用是最大的一部分。 (3)物流理论的成熟与物流管理现代化 20 世纪 70 年代末 80 年代初，美国对运输业放松管制，相继出台了航空规制缓和法 (1978 ),斯塔格斯铁路法 (1980),汽车业法 (1980)和航运法(1984 ),使物流活动的经营环境发生了巨大变化，运输市场实现了全面自由化。运输业的放松管制使物流市场的竞争更加激烈，物流企业为了争取市场，必须做到物流服务高质量和低成本，同时尽量在服务内容上实行差别化，以满足不同客户的需求，这对物流管理提出了更高的要求。 90 年代，又相继通过了 协议费率法 、 机场航空通道改善法和 卡车运输行业规章制度改革法案 ，从而减少了联邦法案的约束，推动了物流业更接近 “自由市场体系”3。 从理论上看， I、 I , 先进管理方法己经在物流管理中得到运用4，人们己经认识到需从生产的全过程来把握物流管理，而计算机等现代科技的发展，为物流全面管理提供了物质基础和手段。 1989 年，哈佛商业评论上发表了题为“物流再认识”一文，指出现代物流对市场营销、生产和财务活动具有重大影响，因此，物流应该在战略意义上得到企业高层人员的充分重视。最具历史意义的是 1985 年美国物流管理协会正式将其名称从 f 从而标志现代物流观念的确立、以及对物流战略管理的统一化。 中南大学博士论文 第一章 绪论 - 3 - (4)物流管理理论和实践的纵深化发展 80 年代中期以后，随着人们对物流管理认识 的提高，经济环境、产业结构和科学技术的迅猛发展、物流理论和实践开始向纵深发展。在理论上，人们越来越清楚地认识到物流与经营、生产紧密相连，已成为支撑企业竞争力的三大支柱之一。 1985 年， 密西根州立大学发表了题为“市场营销与物流的再结合历史与未来的展望” 的演讲， 并指出， 从历史上看，物流近代化的标志之一是商物分离， 但是随着 1965 年以 代表的顾客服务研究的兴起，在近 20 年的顾客服务研究中，人们逐渐从理论和实证上认识到现代物流活动对于创造需求具有相当大的作用。因此，在这一认识条件下，如果再像原来那样在制定营销组合特别是产品、价格、促销等战略过程中，仍然将物流排除在外，显然已不适应时代的发展，因此，非常有必要强调营销与物流的再结合。这一理论己对现代物流的本质给予了高度总结，也推动了物流顾客服务战略以及供应链管理战略的研究。经营管理已经进入了战略管理的年代，对于物流行业也不例外，法国管理学家塔威尔说，确定行之有效的战略已经成为企业生存与发展的关键，对于物流行业也不例外。日本的公司在从事物流作业的同时， 引进信息系统来改善他们的物流， 并且在信息系统的使用上取得迅速进展，而且已经认识到了一个成功的物流战略的重要性，例如 于供应链战略的管理，这些工作都积极地促进现有物流渠道合理化，争取在物流系统的革新上有所建树5。同时，对于物流基本环节的研究趋于专业化。 物流系统是由各个相关的环节有机组合成的一个统一的整体，在研究各个环节之间相互关系、保证各个环节之间的相互协调的同时，对于物流基本环节的深入研究，一方面有助于发挥各个环节本身的优势，更重要的是随着环节研究的专业化的深入，会发现环节之间的新的联系，从而有可能改善整个系统的结构。 因此专业技术人员不断加强物流基本环节的研究， 从库存论、运输优化直到包装现代化， 运用表上作业法、 库存模型、 最短路等等运筹学方法。例如 :现代包装技术用信息技术协调设计、生产、运输、使用和回收的各个环节，将心理学、美学用于产品设计与宣传，将现代化技术用于原材料生成，将生化技术用于产品回收利用，同时用 成上述各个环节为一个整体6,7。 流管理的优化理论与方法 20 世纪后半叶以来，随着运筹学的产生，优 化理论和方法得以发展，在工程技术和经济管理中的应用也日益广泛。 人们在物流管理中的运用更促进了物流优化理论的研究，为现代物流的合理化提供了强有力的工具和手段。物流领域常用的优化方法可归纳为如下几类 : 中南大学博士论文 第一章 绪论 - 4 - （ 1）解析方法 它是利用数学模型来研究物流问题的方法。采用这种方法，要首先根据问题的基本特征、外部条件和内在联系建立起数学模型或图解模型，然后对模型求解得到最佳解决方案。数学方法的特点是能够获得精确的最优解，但对某些实际问题往往难以建立起恰当的模型，或由于模型太复杂，使求解困难或求解付出的代价太高。因而这种方法在实际应用中受到限制，常用于物流系统的局部优化，再结合其他方法以求得物流系统的次优解。 常用的解析方法包括 :运用微分法和图解法解决一元网点的布局问题8;运用线性规划解决生产计划问题、 物资调运问题和运输问题9;运用混合整数规划解决物流中心的选址及物流规划问题等等。此外，结合物流本身的特点，人们开发了一些专门运用于物流问题的解析方法， 如 11等等。对某些具体问题究竟采用什么样的解析方法，建立什么样的优化模型，应根据实际情况分析而定。 （ 2）系统模拟方法 系统模拟方法又称系统仿真法，它是利用数学公式、图表、坐标等抽象概念来表示实际物流系统的内部状态和输入、输出关系，以便通过计算机对模型进行试验，通过试验取得改善物流系统和设计新的物流系统所需的信息采用这类方法进行物流系统优化时， 分析者必须提供预定的各种组合方案， 以供分析评价，寻找最优的组合。因此，决策的效果依靠于分析者预定的组合方案与最佳方案的接近程度，具有很强的随机性和主观性，这是此类方法的不足之处。但由于物流系统结构复杂， 不确定情形多， 所以模拟方法仍以其描述和求解问题的能力优势，成为物流建模的主要方法。 物流系统常用模拟模型有 :库存模型13;复杂的排队等待问题模拟模型14;物流费用分析模拟模型15。目前，系统模拟技术主要运用于物流管理的如下几个方面 :物流大系统的优化16;物流设施的平面布置 ;库存控制系统17;仓库规划 ;装卸搬运系统的分析 ;装配流水线作业计划等等18。近几年，计算机模拟技术在建模方法、模拟优化方法、模拟语言发展、模拟结果分析等方面均有很大发展，并开发了一些专用于物流系统的模拟模型，其中较典型的有 :克莱顿 哈佛大学的物流系统模拟模型19。 当前，国内的学者大多采用建立基于 的网络模型的方式来研究物流系统，研究对象还主要是生产物流，其基本思想是用库所集 P 代表系统中实体和活动的状态，用变迁集 T 代表系统中的事件。例如，山东工业大学自动化系的常发亮、刘长有20分析了自动化立体仓库输送系统的若干调度问题，建立了该离散系统的仿真 模型。上海交通大学自动化研究所李霄峰21,22等针对宝钢炼中南大学博士论文 第一章 绪论 - 5 - 钢连铸物流系统及制造业的复杂物流系统，采用分层有色 进行建模。 此外，有的国内学者还引入了面向对象的离散事件系统建模和仿真方法。例如，山东工业大学的张丹羽等23。基于面向对象方法学，采用窗口界面技术，提出了一种面向对象和基于图形的建模仿真环境的技术方案， 面向对象技术解决了性制造系统 )中的模型复杂性高和可重用性差的问题 ;上海交通大学自动化研究所戴晓明24等基于面向对象方法开发了离散事件动态系统仿真工具 运用 件技术，采用图形窗口环境，通过拖放方式组态系统，联线方式建立模型间逻辑联系，并具备系统扩展功能，已经在某一炼钢连铸物流系统得到了成功地运用。 相对来说，国外对物流的研究时间更长，己经形成一个比较完整的体系，目前研究的重点主要集中在整个供应链或者物流链的管理和控制方面。 工业动态理论 (961)已经用来检验供应链的动态行为 (991)， 同时使系统产生不稳定性。相对供应链中零售业务的微小变化来说，顾客、销售、制造和采购定单的摆动则要大得多。在供应链优化控制领域，研究者们也己经做了大量的工作，但所开发的模型大多数仅仅考虑供应链的某些部分，其中最早的模型是用来解决串行两阶段生产和存货控制问题的 型 (959)， 988)基于随机优化理论开发了一个具有代表性的对整个供应链的分析模型25。 此外，很多国外学者用仿真技术来分析供应链。例如， 人 (1988)用一个离散事件仿真系统来评价不确定数据对供应链性能的影响，如顾客定单、工厂交纳周期26。在此基础上， 7等开发了一个特殊的仿真工具来分析生产供应链在不确定面前的行为和性能。他们认为在生产供应链中存在的不确定性有 :(1)顾客需求， (2)供应与配送， (3)外部供应。 理的供应链包含一个原材料存货点，许多中间处理存货点，一个最终产品存货点以及它们之间连成一串的生产设备。在 包括两类模型 :(1)供应链模糊分析模型， (2)供应链仿真模型。其中供应链模糊分析模型是 生成部分，用来决定供应链中每个存货点的最佳的订货点量和补充数量。 他们用模糊集合来翻译和表示用模糊的和不精确的状态描述的不确定性， 建立了在不同控制策略下的模糊供应链模型 :(a)分散控制下孤立的存货点的模 糊模型，包括仅考虑模糊需求不考虑供应不确定性以及同时考虑模糊需求 和模糊供应两种情况下的模糊模型， (b)整个供应链的模糊模型28。供应链仿真模型是 评价部分，用来评估应用供应链模糊分析模型所推荐的订货点 量和补充数量后供应链所达到的性能，如需求满足率 (总成本等。 中南大学博士论文 第一章 绪论 - 6 - 供应链模糊模型和供应链仿真模型覆盖了整个供应链控制过程， 其目标是在一个有限的时间范围内， 以一个合理的整个供应链的总成本来获得一个可接受的运送性能。 29开发了一个叫做 成物流评价战略模型 )的决策支持系统，它能够预报荷兰在 大量产品和运输模式的清况下的货运流。这个基础的模型在三个层次上描述了物流链 :生产，库存和 (多模式 )运输。第二个层次用包含处理、库存和运输成本的综合成本函数、一种新的根据物流需求来分割物资的方法来解决仓库存货问题。斯洛伐克工业工程研究所的 0总结了如何将离散事件仿真用于复杂制造和物流系统的设计、运作和连续的改进。 (3)启发式方法 启发式方法又称逐次逼近法，它是从初始解开始，对所求得的解进行反复判断，实时修正直到满意为止31。此类方法的特点是模型简单、需要进行方案组合的个数少，因此便于寻求最终答案，且能同时满足详细描绘问题和求解的需要，比一般优化方法更为实用。其缺点是难以确定满意解的标准，因而在结果的满意度和计算时间之间的平衡就需要分析者来掌握 ，带有一定的随机性和主观性32,33。一般情况下，只有当解析法和模拟法不能解决和解决所需付出的代价很大时，才使用启发式方法。 物流系统中最常见的启发式方法就是鲍姆尔沃尔夫法 (它可以解决多元网点的布局问题，避免了混合整数规划模型的困难，大大降低计算成本，而且它还较好地解决了网点存储费用非线性的问题。 事实上，物流管理中最常遇到的行车线路问题 ( 是著名的 题 ( 即对问题求解的最坏时间复杂度与优化变量的个数呈指数关系。所以，对于实际中遇到的一些较大的 题，一般都采用启发式方法来避开计算维数的灾难34。近几十年来，人们针对特定的问题，开发了很多特殊的启发式算法。如 :神经网络算法、遗传算法、退火算法等都属于启发式算法。 流技术装备的研究 物流技术装备是物流活动的物质基础， 现代物流观念的兴起推动了物流技术装备的研究，物流技术装备的研究也体现了现代物流管理的重点和方向。 (1)运输装备35,36。载运工具是运输装备的主体。目前载运工具的研究主要集中在安全、高效、节能和环保等几个方面，以液化气、氢气、电能、太阳能等清洁能源为动力的载运工具己开始走出实验室。我国的北京、深圳等几个城市也在推行液化气汽车，以保护城市环境、降低营运成本。 载运工具的自动化、专业化和多样化也是发展方向之一。为适应不同的物流中南大学博士论文 第一章 绪论 - 7 - 运输工作而开发的各种新型载运工具已在铁路、公路、水运和航空等多种运输方式中得到运用。 运输线路设施主要以适应高速、重载的载运工具为目标，高速公路、高速重载铁路和深水航道已在全世界兴起；同时，运输线路的自动化和高效率也是研究的方向之一。 将先进的信息技术、数据通讯技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面运输管理系统， 可以建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时、准确、高效的综合运输和管理系统，即智能交通系统 (37。不论国内还是国外， 术都是运输装备领域比较前沿和富有挑战性的研究方向。 （ 2）物流存储与装卸搬运装备。传统的货运 场站已经难以适应现代物流的要求，为了发挥物流的规模优势和专业优势，实现物流资源的共享，大量物流配送中心己经出现。我国虽然起步较晚，但各地在建或将建的项目也不少 :为适应现代物流运作， 仓库的功能也在发生变化， 流通型和通过型仓库的比例越来越大，存贮型仓库的比例越来越小38。 所以各种类型的自动仓库、 高架仓库、 立体仓库、冷藏仓库的建设己经启动，与之配套的各种设备的研制也正在展开。在我国，昆明船舶设备集团有限公司已经成功地为几家卷 烟厂开发出了无人导引自动车(39、工业机器人、高速分拣机等仓储设备，在国内处于领先水平。 从国际上看，单机产品主要采用最新的红外、激光、无线、编码、认址、识别、调速、定位、数据库等光、机、电、信息技术提高设备的运行速度和停位精度 ;通过提高作业能力来减少机台数量、 提高设备的可靠性 ;同时进一步向自动化、无人化、网络化、智能化方向发展，将生产线的工业过程自动化、物流自动化、信息自动化相互渗透、有机结合，形成智能化网络4041。 (3)信息技术。有人说现代物流就是传统物流加信息技术，可见信息在现代物流中的重要作用。物流实现网络化经营的虚拟前提就是信息网络，物流企业如何开发基于 信息管理网络体系是实现经营方式变革的关键， 国内外理论和实务界都在这方面进行了深入的研究。 为加快信息采集速度而出现的条码技术 (, 术 (of 射频技术 ( 为加快信息传递速度而出现的 术 (42；为货物和载运工具的定位和跟踪服务的 术 (43;作为决策支持工具的 术(44、专家系统 (都在物流实践中得到应用。这方面的研究和开发正是物流信息技术研究的热点。例如 :惠普公司在俄勒冈的喷墨打印机工厂在进行自动化物流改造时选择了 拟软件中南大学博士论文 第一章 绪论 - 8 - 包，可以实现从装配线接到一个电子定单开始， 30所有的装配工作组件送达装配工作站，生产企业还通过建立与运作系统化的配送模式，从而适应企业发展的战略性与系统性。同时，流通企业物流进一步灵活化。随着时代的发展，消费需求向个性化、多样化的方向发展，而商品的生命周期越来越短，为了应对这种情况，很多厂商实行多品牌战略，产品生产与销售向多品种、小批量转变，同时，由于政策、环境和房地产价格等原因，限制了店面与仓库的规模扩大，并且在个性化小批量的条件下，库存的增加必然带来风险的增大，因此，流通企