城市物流配送仿真调度系统设计及实证分析

张 潜

(华侨大学 商学院/物流系统工程研究所，福建 泉州 362021)

城市物流配送仿真调度系统设计及实证分析

张 潜

(华侨大学 商学院/物流系统工程研究所，福建 泉州 362021)

结合仿真调度的特点，提出城市物流配送仿真调度系统总体设计方案，根据准时配送和成本最低的要求，建立城市物流配送仿真调度系统运行机制模型，并对城市共同配送问题进行模拟仿真实例分析，证明该方法的有效性。

城市物流配送；仿真调度；系统设计

20世纪80年代后期，计算机仿真技术不断发展，其研究手段与人工智能相结合，出现了仿真调度。定位-运输路线安排问题(location-routing problem, LRP)是定位-配给问题和运输车辆路线安排问题的集成。城市物流配送多目标LRP优化调度问题具有复杂性，准时完成配送服务并且尽可能减少运输成本是城市物流配送系统仿真调度重点要解决的问题。本文在研究城市物流配送LRP复杂性和建立模型的基础上，提出城市物流配送仿真调度系统总体设计方案，同时建立城市物流配送仿真调度系统运行机制模型，为进一步开发城市物流配送优化调度软件奠定基础。

一、仿真及仿真调度

仿真是使用计算机模拟复杂系统的行为，以对各种条件下系统的性能进行深入的了解。可见，仿真是一种有效的实验手段，它为一些复杂系统创造了一种计算机实验环境，使系统的未来性能和长期动态特性能在极短的时间内在计算机上得到实现。

仿真调度又称拟实调度，是拟实制造中以控制为中心的流派的代表。它是指在计算机中，像在真实世界中一样，用拟实模型描述拟执行的生产调度过程，以期在真实执行之前，预测调度方案的可行性、生产吞吐率、库存量、堵塞率指标，在不同条件下评价与分析生产系统的性能，从而实现优化生产。仿真调度的产生与调度问题在实际生产中所处的地位和研究现状是分不开的。调度问题处在生产与管理系统的中间层，调度决策水平是现代企业稳定高效运转的决定性因素之一，调度问题的解决也是拟实制造得以实施的关键性技术之一。但因调度问题的复杂性，传统的方法难以处理多变的实际情况，因此人们开始尝试使用仿真方法，通过建立人机和谐的环境解决这一难题。仿真调度的优点是可以软件方式进行生产系统与生产过程的优化设计及测试，增进对生产过程及系统的进一步了解，节约成本，在生产过程中实现及时反馈，通过引入具有虚拟现实特征的嵌入式人机接口关系，将人的智慧和能动性融合于系统中，处理复杂多变的实际情况。仿真调度的关键是仿真调度系统与实际生产系统的协调。人们通过探索，得到在仿真拟实系统中利用实际系统资源的途径。在与基础自动化系统进行设备和软件共享方面，Catherine、Arne和Leo提出将仿真与控制系统结合的方法，设计一个具有实时监控和仿真与决策支持两种工作模式的软件。在数据库信息共享方面，探索了模型数据共享历史数据共享。如O.Byung从已有信息数据库中获取模型信息，通过转化生成仿真模型；Arme和Laure也提到可以利用历史数据作为模型的输入，或者从历史数据获取某一变量的统计分布。这些探索为仿真拟实调度的实施提供了很有价值的参考。

仿真(拟实)调度系统由调度算法模块、仿真运行引擎、人机交互模块和相应的数据库组成，其框架结构如图1所示。

图1 仿真调度基本系统框架结构

二、城市物流配送系统分析

城市物流配送系统的定义为：在城市范围内从事物流配送服务的公司在市场经济框架下，对物流和运输活动进行总体优化的过程，在这个过程中还要考虑诸如交通环境、交通堵塞、能源消耗等因素。

城市物流配送系统的构成要素包括物流基础设施、物流装备、物流网络、物流管理、物流信息系统等。[1,2]物流基础设施包括：①运输线路，如公路、河道、管道等；②物流基地，如物流中心、配送中心、仓库等。物流装备包括车辆、船舶、搬运装置、装卸装置等。物流网络包括运输路线的配置、物流基地的配置、物流节点之间的配置。物流管理包括各种设施、装备、网络的运行、指挥、协调、组织等。物流信息系统是架构在整个物流配送系统中的信息系统，其作用主要是组织协调整个物流配送系统的工作，支持系统中各个要素之间的信息交互，存储客户需求、车辆路线安排等历史数据，同时提供科学的系统优化。总之，城市物流配送系统的目标包括两个方面：一方面，物流配送企业为了自身的利益，要尽量降低物流成本，增加客户满意度；另一方面，由于其活动范围是在城市内，其活动要考虑城市的公共利益，即要减少交通堵塞。具体的系统目标如下：准时到达客户点；提高车辆应用率(降低成本)；提高道路应用率(减少交通拥挤)。

三、城市物流配送仿真调度系统的总体设计

物流配送路径优化调度设计要求达到以下目标[3,4]。①功能目标包括：实现对车辆、客户、运输时间等生产资源的管理功能； 实现对配送资源之间以及配送资源与车辆路径之间的约束关系的调整功能；实现各配送要素，包括交货期、装载量、配送路径等的调整功能；实现配送路径多目标组合功能；实现配送优化路径结果的显示输出及调整功能。②效益目标包括：在准时到达客户点(送货)的前提下，提高车辆应用率，最大限度地降低成本；减少提前或拖期送货；提高道路应用率，最大限度地减少交通拥挤；保证客户需求量。城市物流的总体功能结构如图2所示。

图2 物流配送路径优化调度系统总体功能

四、城市物流配送仿真调度系统的设计分析

1.城市物流配送仿真调度系统的设计核心

在城市物流配送仿真调度系统中，其核心的调度程序要完成的工作有：依照控制程序调入的数据选择发货的配送中心，选取车辆，配载车辆，安排发车时间，选择行车路线。如果把所有的配送中心看做潜在的设施，而把实际的道路虚拟成行车路线，这个调度程序实质上就是一个带有时间限制的LRP优化过程。这是整个系统的核心，也是研究的难点。城市物流配送系统的具体实现方案是千差万别的，这主要是由配送业务自身的定位决定的。比如服务的客户是企业还是普通居民，配送的货物是品种相对单一的大批量货物还是品种繁多的小批量货物等，都将影响其信息系统的具体实现方案。每个物流配送系统都要涉及选址、安排路线等决策过程，因此,LRP优化方法是整个系统的核心。

2.城市物流配送仿真调度系统的运行机制

在静态仿真调度系统的运行机制基础上，提出基于遗传算法的自适应辨识型多目标LRP仿真调度系统。既保证调度方案的最优选择，又可获得根据实际物流配送的调度方案，确定实际配送系统的特性，如送货时间、运输成本，提供给仿真器，实现准确模拟实际系统。通过引入辨识器[5,6]，作为自校正控制机制，适应对象特性的缓慢变化。系统输入经过过滤器实现了实际数据的预处理[7，8]。其结构如图3所示。

图3 自适应辨识型物流配送系统

五、模拟仿真算例

1.模拟仿真算例说明

某区域内7家零售企业现共有19家销售门店Ai(i=1,2，…，19)，5处配送中心Pj(j=1,2,…，5)。为了提高物流配送效率，降低物流运作成本，现决定在原有的配送基础上(如表1所示)实行共同配送。现在以原来5处配送中心作为备选中心，选择3处建立共同配送中心。已知各配送中心及销售门店的坐标以及需求量、单位量、单位距离的配送费率。

表1 各配送中心所负责的销售门店

2.模拟共同配送方案

通过仿真调度实验，可初步确定该区域7家零售企业实施共同配送所需3处共同配送中心建设位置、配送中心覆盖范围和配送路径(以P1负责范围为例说明)。建设共同配送中心的位置分别为：P1、P2、P4。被选定配送中心所负责配送销售门店分别为：P1负责A1、A2、A3、A4客户的配送；P2负责A5、A6、A7、A8、A9客户的配送；P4负责余下客户的配送。P1所负责销售门店的配送路线为：(P1→A4→A1→A2→P1)和(P1→A3→P1)。依据表1，可计算出原有配送中心的总配送费用为82 812.42元，重新选址后产生的总配送费用为24 276.35元，可见实行共同配送在重新选址之后，理论上配送费用得到大幅度减少。

六、结 语

本文以系统仿真调度的原理为基础，设计了城市物流配送系统的总体功能结构、仿真调度系统结构，从而完成了城市物流配送多目标LRP的优化调度仿真系统设计。结合共同配送仿真调度实验，建立共同配送仿真调度方案，是提高企业配送效率、提升企业竞争力、优化社会资源配置、保护社会生态环境的有效途径。应用定量和定性相结合方法的城市物流共同配送是现代城市物流配送的发展趋势。

[1]BOWERSON D T，DAVID J K.物流管理:供应链过程一体化[M].林国龙，宋 柏，沙 梅，译.北京：机械工业出版社，1999.

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[3]张 潜. 集成化物流中的定位——运输路线安排问题的模型及优化算法研究[D].沈阳：东北大学，2004.

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[5]杨自厚.自动控制原理[M].北京：冶金工业出版社，1980.

[6]卢立磊，高立群，张嗣瀛.一类线性不确定组合系统的鲁棒控制器和观测器设计[J].控制理论与应用,1997,14(5):773-776.

[7]高 林.并行多机成组工作调度问题的研究[D].沈阳：东北大学，1999.

[8]张 潜,高立群,胡祥培.集成化物流中的定位-运输路线问题(LRP)优化算法评述[J].东北大学学报:自然科学版,2003,24(1): 31-34.

Systemdesignofsimulationschedulingforcitylogisticsdistributionandempiricalanalysis

ZHANG Qian

(College of Business/Institute of Logistics Systems Engineering, Huaqiao Univ., Quanzhou 362021, China)

Combined with the characteristics of simulation scheduling, the paper proposed the general design scheme of simulation scheduling system for city logistics distribution. Then it built up the operation mechanism model of simulation scheduling system for city logistics distribution according to two demands, i.e. distribution on time and the total cost minimized. Finally, the example analysis of simulation was given to city joint distribution problem to prove the effectiveness of this method.

city logistics distribution; simulation scheduling; systematic design

1671-7041(2010)01-0045-03

F253.4

A*

2009-07-23

霍英东教育基金会第十届高等院校优选资助课题(104009)；辽宁省教育厅青年基金资助项目(2004F013)；厦门市2009年产学研项目(2009022)

张 潜(1971-),女，沈阳人，博士，副教授