基于3D打印技术的物流运输体系研究

马华伟，梁泰鹏，刘 彬，盛 巧

（合肥工业大学 管理学院，安徽 合肥 230002）

基于3D打印技术的物流运输体系研究

马华伟，梁泰鹏，刘 彬，盛 巧

（合肥工业大学 管理学院，安徽 合肥 230002）

基于3D打印技术，在物流运输配送体系中引入3D打印服务商，利用信息传递替代了传统模式中生产商运输商品到配送中心的环节，建立以运输配送成本最小化为目标并且考虑运输损耗的新型物流运输配送模型。结合具体算例，利用Lingo精准求解运输配送成本，与传统模式下的成本进行比较，证明新模式具有成本优势。

3D打印；物流配送；运输体系；线性规划

1 引言

3D打印技术，又称快速成型技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的增材制造技术。3D打印技术凭借传递数字文件以代替实物运输的优点，将对物流行业产生冲击，例如，3D打印技术仅需用两个小时即可制作完成传统国际物流需要一周才能运达的物品。引入3D打印技术是未来物流行业提高运输速度与降低配送成本的一条可行之路[1]。

3D打印技术国内外的研究主要集中在教育、医学、工业设计、航空航天等领域。3D打印技术凭借其高效、精准的特点打印骨骼、模具、零件等相关物品用以医疗、制造及应用[2-5]。除此之外，也有一些人对3D打印材料[6]、3D打印技术应用于图书馆[7]及3D打印技术专利侵权问题[8]进行了研究。在探究3D打印技术对物流行业发展的影响方面，除物流技术编辑部（2013）进行过零散解读以及乔益民[9]对3D打印在包装容器成型中的研究外，金玉然[1]和马国伟[10]从宏观局面上就3D打印技术对全球物流战略性影响和对供应链的影响分别进行了分析。

现有的3D打印技术对物流行业影响的研究均为宏观上的定性分析，缺乏定量研究的数据支撑。为探究引入3D打印技术后能否降低运输成本，笔者在此提出了一种基于3D打印技术的新型物流运输配送模式，并构建物流成本模型，利用混合整数规划求解模型，设立算例并与传统物流配送模式进行定量比较，体现新模式下物流成本的优越性。

2 问题描述及模型构建

传统路径优化问题方面的研究都是通过改进算法或适当选址来降低运输配送成本[11-12]，然而引进3D打印技术后，利用其可以通过电子数据传输的形式替代实物运输的特点，直接改变物流运输配送的模式，两种模式对比如图1、图2所示。

当确认顾客订单后，图1中传统的物流运输配送模式将从生产企业运输商品至配送中心，经拣选分装后配送至各顾客手中。而应用图2中的新型物流运输配送模式，企业只需确定距离顾客最近的3D打印服务商并向其发送打印资料，由3D打印服务商制作完成后配送至相应的顾客手中即可，减少了诸多的中间环节，从而降低了成本。

由上述分析可知，新型的物流配送模式去除了企业运输商品到配送中心的环节，而是直接传输电子信息文件给靠近买家的3D打印服务商，由3D打印服务商进行打印并配送给顾客。因此该问题可描述如下：某一企业通过3D打印服务商向多位顾客提供商品，已知所有3D打印服务商和每位顾客的位置及两者间单位运费，已知每位顾客的需求量和3D打印服务商供应量，已知单位距离物品损耗率。要求确定进行生产配送的3D服务商使得运输配送成本最小化。

为使得所建模型构建更加方便，现条件假设如下：（1）运输路线考虑为两点之间直线距离。（2）3D打印服务商生产能力满足其所服务区域的需求量。

图1 传统物流配送模式

图2 引入3D打印服务商后的新型配送模式

2.1 变量假设

商品价值为P；顾客商品需求量为Dj；；生产厂商a，各3D打印服务商地址为 Ii,i=1,2,3,…,n，各顾客位置为Jj,j=1,2,…,m，Ii距离Jj运程为dij，Ii与Jj之间单位货物单位距离平均运费成本为Cij；Xi为逻辑变量，3D打印服务商供应量为Si；商品单位路程损耗率为P，则运输成本如下：

式（1）为模式设计的目标函数，即运输配送成本最小化；式（2）表示3D打印服务商供应能力满足顾客总需求量；式（3）表示任一顾客订单由一个3D打印服务商生产配送；式（4）表示3D打印服务商选用决策；式（5）表示参数限制。

2.2 模型求解

优化后的运输成本最优化问题都为带约束的整数线性规划模型，可以利用Lingo编程求解模型，得到精确最优解。

3 算例分析

现有一个饰品加工企业，单个商品价值1 000元，生产厂房位于B地，现向A地的20名顾客发送商品，商品单位路程损耗率为0.000 1，负责A地范围服务的有3个3D打印服务商（注：为增强可比性，3D打印服务商与配送中心地理位置信息及运费价格一致，为方便起见，表2、表3未同时标注配送中心和3D打印服务商）。生产厂商与配送中心间的距离及运费、3D打印服务商距经顾客距离及运费、顾客需求量见表1-表4。

表1 配送中心到厂商之间距离及运费表

表2 配送中心（或3D打印服务商）到顾客间运费表（元/km·件）

表3 配送中心（或3D打印服务商）到顾客间距离表（km）

表4 顾客需求量表（件）

新型物流运输配送模式3D打印服务商选择结果见表5，成本计算结果如下：运输总成本为18 465元，商品价值损耗总成本为314.5元。新模式最终成本为18 779.5元。

表5 新模式下逻辑变量X选择表

传统物流运输配送模式配送中心选择结果见表6，成本计算结果如下：3个配送中心接收商品数分别为150、25、323件，厂商到配送中心运输成本为40 660元，配送中心到顾客配送成本为21 609元，商品损耗成本为3 508.3元。最终总成本为65 777.3元。

表6 传统模式下逻辑变量X选择表

由此可见新型模式下的物流成本较传统模式有极大的缩减。

此外，为探究需求量增长对新旧模式成本的影响，笔者以100为单位将各地区需求量区间从100-200逐步增加至900-100 0，分别求得其成本，计算较上一区间的成本增长率，并在各区间随机选出5组需求量数据并取平均，折线图如图3、图4所示。

由图4可知，两模式下成本增长率随着需求量增长逐渐降低，两模式成本增长率趋于重合，但是由图3可知传统模式下的成本初始值远高于新型模式，所以传统模式的成本随着需求量的增多，会远高于新型模式的成本。

4 结束语

本文研究了基于3D打印技术的新型物流运输配送体系，以运输配送成本最小化为目标，通过引入3D打印服务商优化模式，去除了传统物流运输配送模式下产品由生产地运输至配送中心的环节，从而降低了总体物流运输配送成本，同时考虑商品运输途中的价值损耗，更加贴近实际。通过算例中求出的新模式下精确解与传统模式相比较，新模式下的成本有显著降低。但本文建模没有考虑3D打印的诸多限制因素，且算例直接利用Lingo编程求出精确解，不适用于节点大于等于30的情况。

本文为企业运输配送商品的模式提供了理论性的借鉴，进一步的研究可以从以下方面进行考虑：考虑加入3D打印相关限制因素如打印时间、打印尺寸后，对运输配送成本的相关影响；研究3D打印服务商加入产量限制下的配送路径优化。

图3 新模式与传统模式成本随需求量变化图

图4 新模式与传统模式成本增长率随需求量变化图

[1]金玉然,戢守峰,李天柱,等.3D打印对物流产业的影响及对策创新[J].技术经济与管理研究,2014,(8):105-108.

[2]王萍.3D打印及其教育应用初探[J].中国远程教育,2013,(8):83-87.

[3]王镓垠,柴磊,刘利彪,等.人体器官3D打印的最新进展[J].机械工程学报,2014,50(23):119-127.

[4]张楠，李飞.3D打印技术的发展与应用对未来产品设计的影响[J].机械设计,2013,30(7):97-99.

[5]杨恩泉.3D打印技术对航空制造业发展的影响[J].航空科学技术, 2013,(1):13-17.

[6]姚妮娜,彭雄厚.3D打印金属粉末的制备方法[J].四川有色金属,2013, (4):48-51.

[7]刘奇扉.探析国外图书馆3D打印服务[J].图书馆论坛,2014,(6):112-115.

[8]刘强.3D打印技术专利侵权问题研究[J].武陵学刊,2014,39(1):55-60.

[9]乔益民,王家民.3D打印技术在包装容器成型中的应用[J].包装工程, 2012,(22):68-72.

[10]马国伟.3D打印对供应链的影响[J].科技广场,2014,(1):175-180.

[11]王恒伟，赵振民.供应链运作模式设计中物流配送中心和转运中心选址研究[J].物流技术,2013,32(10):140-142.

[12]郎茂祥，胡思继.用混合遗传算法求解物流配送路径优化问题的研究[J].中国管理科学,2002,10(5):51-56.

Study on Logistics Transportation System Based on 3D Printing Technology

Ma Huawei,Liang Taipeng,Liu Bin,Sheng Qiao
(School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230002,China)

In this paper,we introduced the 3D printing service provider into the logistics distribution system,used information transmission to replace the transportation of the producer goods to the distribution center,built the innovative logistics distribution model that aimed at minimizing the logistics distribution cost and considered the in-transit loss,and at the end,through a numerical example,proved the cost advantage of the model.

3D printing;logistics distribution;transportation system;linear programming

F259.2

A

1005-152X(2015)10-0072-03

2015-08-05

国家自然科学基金项目“基于物联网的集装箱甩挂运输协同机制与动态调度方法”（71472058）

马华伟（1977-），男，安徽滁州人，合肥工业大学管理学院，副教授，博士，研究方向：物流与供应链；梁泰鹏（1995-），男，山西运城人，合肥工业大学管理学院学生，研究方向：物流管理；刘彬（1994-），男，安徽人，合肥工业大学管理学院学生，研究方向：物流管理；盛巧（1994-），女，安徽六安人，合肥工业大学管理学院学生，研究方向：会计学。

10.3969/j.issn.1005-152X.2015.10.021