基于MATLAB的动态湖北省省内运粮路径选择

○冯妮丹 刘 颖 (华中农业大学经济管理学院 湖北武汉 430070)

一、引言

粮食物流是指粮食从生产、收购、储存、运输、加工到销售整个过程中的实体运动以及在流通环节的一切增值活动。它是涵盖粮食运输、仓储、装卸、包装、配送、加工增值和信息应用的一条完整的环节链。在众多的环节之中，粮食的运输方式和运输路径选择是最重要的环节也是最为核心问题。粮食物流的效率高低，很大程度上取决于能否科学地选择粮食运输方式，以及能否运用科学的方法规划粮食运输路径。

二、传统的三种运输方式

众所周知，在我国粮食物流过程中主要有三种运输方式供选择——铁路、水路和公路，并且每一种运输方式都有其各自的优点和缺点。

1、铁路运输特点分析

铁路运输粮食最大的特点就是运输量比较大，速度相对其他方法来说较快。但是铁路运粮的缺点也比较明显，由于受到铁路铁轨铺设地域的限制，一些相对落后的地区会因为没有铁路线路经过而无法通过铁路运输直接获取粮食。以湖北省境内的铁路线路网的铺设状况来看，仅在几个主要铁路干线沿线的城市可以实行铁路运粮，缺乏运输上的灵活性和广泛适用性，因此铁路运输短期内不太可能成为省内最主要的粮食运输方式。

2、水路运输特点分析

水路运粮，总体上来说，从全国范围来看使用率都是比较低的。这可能主要因为水路运输对于天然的河流湖泊等航道水运条件和港口作业条件都有较高的要求。因此，水路运粮尽管被公认为是成本最低，消耗和污染最小的绿色物流方式，但是长期以来也缺乏实际操作上的可行性和便捷性，不可能成为我国最主要的粮食运输方式。湖北省是千湖之省，其中长江是最为重要的“黄金水道”。虽然在长江和汉江的两岸分布有我省众多的县市，但是如果仅仅依靠水路运输粮食，仍然会有很多远离江河湖泊的地区面临粮食运输上的困难。

3、公路运输特点分析

相比之下，公路运输具有上述两种运粮方式不可比拟的优点。首先，不像铁路和水路运输那样，公路运输可以轻易实现“门对门”运输,尤其是运用在湖北省省内粮食物流这样的中短途运输。由于货运汽车相对于火车和船舶来说体积较小，且不受铁路轨道或路径的限制，因此，汽车运粮不仅在公路网上实现，还可以深入铁路和水运交通不太发达的山区、农村、工厂企业和居民住宅区，基本上可以实现“门对门”的运输。其次，湖北省省内粮食物流运输属于中短途运输，而公路运输在中短途运输中恰好具有机动灵活，便于调配管理的特点。一般来说，公路运输网要比铁路运输网和水路运输网的密度大十几倍，并且分布非常广泛，这一特点对于其实现灵活调配非常重要。公路运输车辆可以轻易实现随时调度、装运和各环节之间无缝衔接。根据具体运粮量的不同，汽车可以很容易进行运量的调整，很快适应，比如，运量小时可以单个车辆运输，运量大时可以组成车队集体运输，这一特点在出现紧急情况的时候显得尤为重要。再次，公路运输的主要的固定投入为货运汽车购置费用，相对于其他运输方式原始投入最少，资金周转最快。据有关资料表明，在正常经营情况下，公路运输的投资每年可周转1—3次，而铁路运输则需要3—4年才能周转一次。然而，公路运输的缺点也显而易见。汽车运输的运量是铁路、水路和公路三种方式中最小的一种。与此同时运输成本也是最高的，据统计我国的公路运输成本大致相当于铁路运输成本的8倍左右。汽车运输消耗的燃料量很大，且是价格较高的液体汽油或者柴油。

三、运输方式的选择

综合以上分析，公路运输由于其本身固有的便捷和灵活的特性成为这三种主要粮食运输方式中使用最为主要的一种运输方式，因此，在规划湖北省粮食物流运输方式的时候，应该着重考虑采用公路运输并且辅之以其他可行的粮食运输方式。诚然，在具体的公路运送粮食的过程当中，更多的细节性的问题需要科学地规划。比如，众所周知汽车相比较铁路和水路运输成本来说较高，但是由于其使用上的灵活性，在湖北省省内运输中就不可回避的大量使用汽车运输粮食。因此，为了达到降低消耗和提高效率的目的，就应该在使用汽车运输的时候运用科学的方法设计最优的运输线路，尽可能提高汽车运输的效率，减少消耗。

四、基于MATLAB的湖北省粮食物流动态公路路径规划

1、MATLAB 简介

MATLAB软件是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，是一种以矩阵形式对数据进行高效分析的专业软件。该软件编程语言通俗易懂，程序可读性很强，并且通过运用系统自带的各种工具箱很容易满足数据分析的各种需求。本文采用MATLAB7.0软件及其系统自带的最优化工具箱经行程序运行和物流公路路径的选择。

2、动态公路路径规划及MATLAB算法简介

动态规划是由Richard Bellman在1959年引入最优化领域的一个新的理论，该理论为现代控制论的三个基础之一，因此具有举足轻重的作用。由于在实际的粮食运输时候，运输方需要考虑路线寻优问题，而物流运输路线往往是无向的。也就是说，比如考虑在两个城市武汉和襄樊之间，既可能存在从武汉运向城市襄樊的情况，也可能有从襄樊运向武汉的时候。因而，本文涉及的是无向图的公路路径最优搜索。无向图处理的关键在于构造关联矩阵，表示各个城市之间的道路连接情况。可以先按照有向图的方式构造关联矩阵R，则无向图的关联矩阵可由R1=R+RT计算。

算法如下：各个粮食运输城市的地理坐标以（北纬，东经）的方式给出，且给出各个城市之间的公路连接关系，将连接的权值设置成1。边权值可以由两城市间的Euclid距离计算处理，这样一来，粮食运输的公路路径规划问题便可以的到解决。两个运粮城市之间的最短公路路径可以通过Dijkstra最短公路路径算法直接求出。如果指定了起始城市坐标，该城市到其他所有城市的最短公路路径可以一次性求出来。Dijkstra算法的具体程序如下：

3、应用举例

考虑从襄樊到湖北省各主要州市的粮食运输公路路径选择问题。襄樊市位于鄂西北，是我国重要的粮食主产区，国家大型商品粮基地和“一优两高”农业示范区，湖北省产粮大市，辖区之内有襄城粮库、宜城粮库、枣阳粮库、樊东粮库等四座粮库。目前，襄樊粮油仓储及农副产品现代物流园区的建设工作正在进行当中。该粮食物流园区的建设，将使得襄樊依托其自身粮食生产和加工的优势，使其成为现代粮食物流的主要节点。

为了简化问题，现仅选取湖北省的十二个主要城市进行粮食运输公路路径规划。其中涉及的湖北省十二个主要城市的地理坐标如表1所示。

表1 湖北省十二个主要城市的地理坐标

表1所有地理坐标数据来源于GOOGLE EARTH并经过整理得到。以下程序中的关联矩阵中的数据来源于百度地图，表示湖北省省级以上级别公路在这十二个城市间分布情况。公路铺设情况数据来源于《中国高等级公路网（地图册）》。例如，当n1=1,n2=2时表示在武汉和鄂州之间有一条省级以上级别公路。以从襄樊到宜昌的运粮路线规划为例进行说明，本例中涉及的MATLAB动态公路路径规划程序如下：

4、结果说明

经过MATLAB软件运行过后得到的最短公路路径选择结果是8→5→11。即通过该公路路径规划程序运行得到的结果显示，从襄樊运送粮食到宜昌，在仅考虑十二个城市节点以及这些城市之间省级以上公路分布情况来看，最优的公路路径为从襄樊出发，途径荆门，最后到达宜昌。

表2 从襄樊到其他十一个城市的路径规划结果

另外，只需要修改dijkstra(R.*D,8,11)中的第二个城市的序号，就可以通过以上的程序很快得出任意襄樊到其他任意十一个城市之间粮食运输的最优公路路径选择结果。最优路径选择结果如表2所示。

5、可行性说明

本文所运用的公路路径选择方法具有形象直观，操作简便等优点。当需要考虑湖北省更多的城市间的公路路径选择问题时，仅需要添加额外的城市地理坐标——增加或者修改x,y的参数，增加公路分布情况数据——增加或者修改n1,n2的数据即可，并不需要重新编程。

6、几个需要注意的问题

第一，为了提高公路运输的质量，粮食物流企业应该想办法保证上路运输车辆的质量和性能，以此来降低车辆的维修和油耗成本。与国内的物流企业不同，但凡国外营运良好的物流企业都非常重视物流作业车辆的性能和养护，使用清洁燃料，减少能耗及尾气排放。他们通常不惜花重金去购置性能优越的货运车辆，希望减少物流车辆的维修率，提高单台车辆的使用率。

第二，应该注意大力发展第三方物流，充分发挥专业化优势。湖北省传统的粮食物流很多都是由粮食生产和销售企业兼营的，并不成为主营业务，因此效率低，成本高，不能实现粮食物流资源的合理优化配置，更加无法发挥专业化的优势。而现有的物流企业又大多规模较小，管理及运作效率低下，很难享受规模经济带来的好处。如果在以后粮食物流产业发展过程之中注意整合资源，粮食生产企业更多的将粮食物流业务外包给专业的物流企业，必定会对提高效率，扩大规模，降低成本有所帮助。

第三，着重建立粮食物流信息平台，使交易信息更加透明，使市场交易更加活跃。这样一来，可以以整个粮食物流市场为基础，对运输线路进行合理布局与规划，通过缩短运输路线，提高车辆装载率等措施，实现节能减排的目标。

五、小结

经过将铁路，水路和公路等三种运送粮食的方式经行分析和比较，鉴于湖北省省内运送粮食的中短途运输的特点，以及公路运送粮食在中短途运输中特有的便捷性和灵活性，湖北省粮食物流运输应该主要采取公路运输方式并且辅之以其他可行的运输方式。粮食物流企业在运输过程中应该运用科学的方法将整个粮食物流过程进行规划，比如应该正确选择最佳运输公路路径以节省时间和费用。本文介绍了一种基于MATLAB软件的动态公路路径规划方法就是其中一个可以借鉴的公路路径选择方法之一，只需要改变其中的参数就可以便捷地计算出任意两个城市之间的最短运输路线。

[1]薛定宇、陈阳泉：高等应用数学问题的MATLAB求解（第二版）[M].清华大学出版社，2008.

[2]中国高等级公路网（地图册）[Z].西安地图出版社，2002.

[3]候立军等：中国粮食物流科学化研究[M].中国农业出版社，2002.