考虑风险和时间窗约束的冷链多式联运路径优化研究.pdf

年第 卷第 期总第 期物流工程与管理 交通运输:./.考虑风险和时间窗约束的冷链多式联运路径优化研究 张珂一刘玲丽代天浩唐艳霞(武汉科技大学 汽车与交通工程学院湖北 武汉)【收稿日期】【作者简介】张珂一()女云南楚雄人硕士生研究方向:运输组织与优化代天浩()男湖北随州人硕士生研究方向:运输组织与优化唐艳霞()女河南信阳人硕士生研究方向:运输组织与优化【通讯作者】刘玲丽()女湖北京山人副教授研究方向:运输组织与优化物流与供应链管理 【摘 要】针对冷链物流高时效性、高成本、高风险的特点综合考虑中间节点及目的地时间窗约束、运输温度以及各地区外界温度差异性的影响、运输途中及节点换装风险因素的影响构建了以运输费用和运输风险最小化为目标的数学模型并采用 算法求解 以重庆到上海的冷藏集装箱多式联运网络为算例对运输路径和联运方式进行决策并针对收货时间窗因素进行灵敏度分析验证了模型和算法的有效性 结果表明:算法可求解模型有效帕累托解集且在不同的收货时间窗下帕累托解集存在差异运输费用和运输风险的偏好都会影响联运方案的选择【关键词】多式联运冷藏集装箱路径优化时间窗风险因素【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】()()【】.【】近年来随着现代农业、食品工业、医药产业、服务业的全面升级和居民消费水平的提高我国冷链物流市场规模快速增长 与普通物流相比冷链物流具有强时效性、高成本、高能耗、高风险等特点一旦发生事故将造成更大的经济损失其风险因素不容忽视 在实现碳达峰、碳中和目标背景下发展冷链集装箱多式联运是推进冷链物流运输结构调整实现可持续发展的重要途径 合理的运输路径规划和选择是降低运输成本、减少碳排放保证冷链运输时效性、控制运输风险的有效措施对于多式联运路径优化问题模型国内外学者已经进行了大量的研究 李魁梅郑波 建立综合运输成本最小化模型设计混合蝙蝠算法对模型进行求解耿娜娜等考虑货物运输和转运环节存在的不确定性从运输成本、运输时间两方面建立双目标优化模型 研究在超额预定或延迟情形下的多式联运路径优化问题 等考虑班期和目的地时间窗的约物流工程与管理第 卷束以运输时间和运输成本最小化为目标建立双目标路径选择模型 近年来冷链多式联运路径优化问题的研究也受到了众多学者的关注如刘松等建立碳排放和班期限制下的冷藏集装箱多式联运总成本最小化模型王露考虑制冷温度和外界温度差的影响建立冷链多式联运综合成本最小化模型李玉民等研究了考虑中间节点混合时间窗以及收货软时间窗约束的生鲜品多式联运路径优化问题等利用非线性衰减函数描述易腐产品的变质率并以包含货损成本在内的运输总成本最小化为目标构建多式联运路径优化模型 等考虑外界温度对冷藏集装箱制冷能耗的影响构建易腐货物生产、储存和配送的混合整数线性规划模型 等以多式联运冷藏总能耗最小化为目标构建混合线性规划模型 总结现有研究冷链多式联运中结合考虑联运风险进行路径优化研究的较少 本文基于联运风险评估构建考虑运输费用、运输风险的路径优化模型并对运输网络加以中间节点时间窗和目的地收货时间窗等约束结合具体环境确定将运输费用与风险综合优化的多式联运方案集 问题描述与假设假设一批冷链货物需从 地运往 地中途经过 个运输节点节点间可以有公路、铁路、水路 种方式供选择节点处可进行运输方式转换在考虑运输网络的约束条件下通过选取不同的运输方式组合实现运输过程的总运输费用最小及运输风险最小 另外除公路运输外中间节点处的铁路和水路运输均设有提供换装服务的空闲时间窗 在多式联运过程中假设条件如下同一批货物在运输中不可拆分且交通工具运输能力和节点换装能力均可满足运输需求货物在转运节点最多只可换装一次货物在 个节点之间最多只能选择一种运输方式冷藏集装箱的运输信息、各交通方式和转运节点的相关信息已知冷链货物、冷藏集装箱均已在运输前预冷且温度在运输过程中保持不变 模型建立与求解.参数说明、:起始点城市:网络节点集合:运输方式集合:承运集装箱量:集装箱单位质量:节点、之间采用 运输方式时的单位运价:节点 处由运输方式 转换到 的单位换装费用:节点、之间采用 运输方式时的运输里程:节点、之间采用 运输方式则取 否则取 其中:节点 处由运输方式 转换到 取 否则取其中:运输方式在节点 间行驶的平均速度:节点、之间采用 运输方式时的运输时间:在节点 处由运输方式 转换到运输方式 所需的时间:在节点 处采用 运输方式的等待换装时间:节点、之间采用 运输方式时的运输风险:节点 处由运输方式 转换到 的换装风险:货物到达节点 的时刻:提前到达节点 处的单位时间等待成本:在节点 处距离到达时刻最近的运输方式 的空闲时间窗:延迟到达目的地的单位时间惩罚费用 :起点到终点花费的总时间:总运输费用:单位能源成本:运输途中集装箱的制冷能耗:单位能源的制冷量:制冷时长:传热系数:箱体内外表面平均传热面积由箱体内外壁表面积之积开平方得到即 :集装箱内外温度差即箱外的平均温度与箱内的平均温度之差.路径优化费用因素分析.运输费用运输费用是指运输工具在行驶过程中产生的费用用 表示 ().中转费用本文在铁路、水路的各节点设置多个提供换装服务的空闲时间窗若在时间窗之外到达节点则需等待下一个时间窗期间产生堆存等费用统称为等待成本 中转费用 由等待成本和换装费用两部分组成 ()()():.惩罚费用设预计收货时间为 要求最晚收货时间为 若在 前送达无惩罚费用在区间内送达会产生一定的惩罚费用超出 则惩罚费用为无限大 惩罚费用 如式()()().制冷费用制冷费用来源于冷藏集装箱为保持箱内货物在运输过程中处于低温环境所消耗能源的费用 不考虑货物的呼吸作用制冷能耗主要是由集装箱传热与漏热引起的 用制冷能耗法计算制冷成本如式().().()()().路径优化风险因素分析第 期张珂一等:考虑风险和时间窗约束的冷链多式联运路径优化研究冷链多式联运风险 主要包括两节点间运输风险 和节点换装风险 ()节点间运输风险主要涉及自然环境、交通环境、制冷设备、人员四个方面节点换装风险主要涉及设施设备因素和人员因素风险评价指标体系如图 自然环境因素会对行驶安全、温度及物流信息传递造成不同程度的影响交通环境的拥挤程度和运输设备的准点率直接影响运输时效制冷相关设备的故障可能引发冷链物流“断链”、物流信息中断等风险设施设备水平直接影响换装效率和物流质量进而影响物流时效人员的冷链专业知识、技术水平直接影响货物制冷效果及换装流程的标准性 这两部分风险分别采用突变级数法计算得出其中突变级数法中各变量的先后次序以熵权法计算的权值结果为依据图 风险评价指标体系.模型建立与求解目标函数:()()约束条件:()()/()()()()()()()目标(式()表示由运输费用、中转费用、惩罚费用和制冷费用组成的总运输费用最小化目标(式()表示风险最小化包括运输和转运过程中的风险式()表示路径总时间包括两节点间运输时间及节点处停留的时间式()表示决策变量式()表示节点 与 之间只能选择一种方式式()表示在节点 处转运次数不超过 次式()保证多式联运过程连续式()保证出发前为运输方式转换预留时间式()保证节点流量平衡本文的模型属于双目标优化模型可采用 算法求 最优解 主要步骤为:初始化种群:初始化种群操作与遗传算法相似随机生成规模为 的初始种群根据非支配排序得到第一代种群个体选择算子:结合父代与子代种群得到新种群通过快速非支配排序对新种群进行分层并计算相同层内个体拥挤度其中子代种群通过锦标赛算子产生交叉变异:对新一代种群进行单点交叉变异种群更新:根据非支配排序按层级从低到高的顺序将个体选入下一代父代种群当添加到某一层级个数超过正常种群规模时比较此层级个体拥挤度优先选择拥挤度大的个体余下部分淘汰迭代操作:上述流程结束后新子代为父代种群再重复上述操作流程至得到 解集 算例分析.算例描述有 冻肉制品用冷藏集装箱在夏季从重庆出发运往上海每箱货重 吨要求集装箱平均温度全程保持在 预计运输时间为 小时不超过 小时 可能途经城市有安康、宜昌、益阳、怀化、襄阳、武汉、九江、南昌、合肥、南京、杭州 节点间可选择的运输方式有公路、铁路和水路运输 运输网络图如图 所示 分别对应城市重庆、安康、宜昌、益阳、怀化、襄阳、武汉、九江、南昌、合肥、南京、杭州、上海 元/元/箱相关参数设置:各运输路段的运输里程()及运输风险如表换装平均时间和单价如表各转运节点的换装风险、节点温度及各运输方式的时间窗限制如表 各运输路段平均温度取该路段两节点温度的平均值公路、铁路、水路的运输单价分别为.元/箱、元/箱、.元/箱平均运输速度分别为/、/、/集装箱内外表面积参考集装箱尺寸规格单位能源成本燃油均价 元/单位能源的制冷量 /传热系数值 ./()图 多式联运网络物流工程与管理第 卷表 各运输路段的运输里程()及运输风险运输路径运输里程运输风险公路铁路水路公路铁路水路().().().().().().().().().().().().().().().().().().().().().().().().().注:数据来源于全国公路里程表、铁路客运运价里程表、船讯网官网表 各运输方式间单位换装费用(元/箱)和平均换装时间()运输方式公路铁路水路单价时间单价时间单价时间公路.铁路.水路表 各转运节点的换装风险、节点温度()及各运输方式的时间窗限制节点时间窗限制铁路水路换装风险温度 .注:表示:开始服务 为出发时间表示此节点无对应运输方式.算例结果采用 多目标遗传算法运用 编程实现算法在 环境下运行 设置种群规模为 迭代次数 交叉概率.变异概率.运行此算法得 解集的空间分布如图 图中每一个点对应一个非支配 解即一个运输方案具体见表 图 有效解集分布图表 最优 解集序号运输方案运输时间/制冷费用/元惩罚费用/元总运输费用/元运输风险 水 水 水 水 水 .铁 铁 铁 铁 铁 .铁 铁 铁 铁 .铁 铁 铁 .解集中第、运输方案分别为对应目标函数值运输费用和运输风险最小的方案第、运输方案为折中方案 如对运输费用有较高要求应选择方案 此方案运输费用是方案 的 是方案 的 是方案 的 但该方案在预计收货时间后送达将产生相应惩罚费用如对运输风险有较高要求应选择方案 此方案运输风险是方案 的 是方案 的约 是方案 的约 对比方案 和其他方案采用单一水路运输明显节约总成本但制冷费用随着运输时间的增加而增加且运输风险也相对较高优化结果表明:合理安排联运方式有助于节省运输时间、减少运输费用及降低联运风险 在实际运输过程中客户会对 种目标函数有不同偏好程度此时可根据偏好选择不同运输要求下的最优解.不同收货时间窗下求解结果对比为研究收货时间要求对运输路径选择的影响在上述联第 期张珂一等:考虑风险和时间窗约束的冷链多式联运路径优化研究运案例的基础上其他参数与上文相同以 为幅度分别递增和递减增加、四个时间窗记录不同目的地收货时间窗下冷链品运输方案的的选择结果如表 和图、表 收货时间窗对运输费用和运输风险的影响收货时间窗序号运输方案运输时间/制冷费用/元惩罚费用/元总运输费用/元运输风险 公 公 公 铁.公 公 公 公.公 公 公.铁 铁 铁 铁.铁 铁 铁.水 水 水 水 水.铁 铁 铁 铁 铁.铁 铁 铁 铁.铁 铁 铁.水 水 铁 铁.水 水 水 铁.水 水 水 水 水 水.铁 铁 水 水 水.铁 铁 铁.图 不同收货时间窗下各运输方式占比图图 不同收货时间窗下运输费用和运输风险变化图 根据表 和图、实验结果可知收货时间窗的变化对冷链运输方案的选择和路径优化结果具有一定影响 随着时间窗的放宽多式联运运输时间、运输风险整体呈正相关而总运输费用整体呈下降趋势 当时间窗为时公路运输占比较高采用全程公路运输可节约换装时间从而缩短总运输时间显然这时的运输费用最高风险相对较高当收货时间窗增至、时铁路运输里程占比逐渐提高总费用大幅下降风险相对较低当收货时间进一步增加至时水路运输、水铁联运开始发挥价格优势但风险有小幅上涨当时间窗增加至时全程水路运输可以实现费用的最优为 元但风险也相对较高为.实验结果表明:降低收货时间窗要求可以提高运输速度相对较慢且费用较低的铁路和水路运输方式的占比从而达到降低总费用的目的但也可能造成运输风险增加的现象 目前我国冷藏技术的发展、冷链多式联运设施的完善和运输结构的调整优化可保障长距离冷链运输故对于时间要求相对宽松的货物可适当延长收货时间窗增强铁水联运的市场竞争力物流工程与管理第 卷 结论基于冷链多式联运的特点本文构建了风险评价指标体系采用突变级数法对联运风险进行量化评估并将风险因素引入到路径优化研究中同时考虑了节点空闲时间窗及目的地收货时间窗的限制以实现运输费用和运输风险的综合优化 另外针对目的地收货时间窗的变化进行灵敏度分析论证了适当调整收货时间窗可得到目标更优的运输方案 结果验证了模型和算法的可行性可为决策者选择合理货物联运路径提供参考但对于更加符合实际情况的冷藏集装箱多式联运路径优化问题还需进一步研究如考虑运力限制、不同运输货物的易损程度等参考文献 国家发展和改革委员会.“十四五”冷链物流发展规划.北京:中国计划出版社.李魁梅郑波.考虑综合运输成本的多式联运路径优化问题.工业工程():.耿娜娜何燕高海瑛赵淑月.不确定条件下的物流运输路径优化研究 以中欧班列多式联运为例.物流工程与管理():.():.:.刘松邵毅明彭勇.碳排放限制下的冷藏集装箱多式联运路径优化.应用数学和力学():.王露.低碳背景下中欧生鲜农产品冷链多式联运方案研究.大连:大连海事大学.李玉民邱梦闫凯丽刘颀欣.高铁参与下考虑时间窗的生鲜品多式联运路径选择.重庆交通大学学报(自然科学版)():.():.():.:.():.张浩邱斌唐孟娇何明珂.基于改进突变级数法的农产品冷链物流风险评估模型.系统工程学报().郑金华邹娟.多目标进化优化.北京:科学出版社:.(上接第 页)由政府统一领导明确各部门监管职责加强部门间协调沟通严格按照国家颁布的冷链物流监管法律法规从市场准入要求、技术水平、设施设备等方面确定相关参与主体资格要求及完善日常监管制度严格执行市场准入制度和溯源制度推广冷链物流企业采用标准化温湿度自动监控技术、定位技术、射频识别技术实现冷链全程信息自动化采集和实时监控 推动区块链技术在冷链溯源中的应用掌握各市场参与主体基本数据信息推动农业部、交通运输部、市场监管部等部门实现跨部门监管依靠省冷藏冷冻食品追溯体系形成冷链全环节溯源机制构建行业信用机制结合冷链物流标准体系构建冷链物流企业评价指标完善冷链物流企业信息和从业人员信息完善信用评估及公示制度对于信誉优良企业予以激励对于失信企业予以警示处罚 结语目前正处于冷链物流高速发展的黄金期面对消费者对于高品质、安全放心的农产品不断增长的需求广东省需要不断挖掘农产品冷链物流市场潜力从冷链物流硬件和软件方面加强农产品冷链物流建设完善冷链物流支撑体系打造农产品冷链物流示范省推动广东省冷链物流高质量发展参考文献 杨其幸陈伟.广东省生鲜食品冷链物流发展探究.现代食品():.李小玲闻铭梁美静.广东省果蔬冷链物流发展现状及对策研究.中国储运():.张旭.广东生鲜农产品冷链物流发展问题研究基于三阶段 模型的技术效率分析.广州:仲恺农业工程学院.严雪晴.广东省茶叶冷链物流发展的瓶颈、路径选择及对策.茶叶通讯():.黄海盈.广东省农产品冷链物流发展分析.中国储运():.