突发事件下应急冷链物流配送模型

2016-01-13邹安全,罗杏玲

长沙大学学报 2015年1期

突发事件下应急冷链物流配送模型

邹安全，罗杏玲

(长沙大学经济管理系，湖南长沙 410022；

中南林业科技大学交通运输与物流学院，湖南长沙 410004)

摘要：以响应灾害事件发生后应急冷链物流资源调度时间最短为目标，构建了应急冷链物流调度的数学模型，并基于网络优化和线性规划优化思想，运用启发式算法对应急冷链物流调度模型进行求解，再采用MATLAB算法语言设计了冷链物流的仿真程序，最后提出相应的对策建议。

关键词：突发事件；应急物流；冷链；配送模型

中图分类号:F252；F224

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2015)01-0036-05

收稿日期：2014-12-07

基金项目：湖南省科技厅软科学重点项目“突发事件下应急冷链物流配送模式及对策研究”，编号: 2014zk2058；国家社科基金资助项目“低碳经济下钢铁供应链碳排放测量与控制研究”，编号: 12BJY020。

作者简介：邹安全(1964— )，男，湖南长沙人，长沙大学经济管理系教授，博士。研究方向：物流流程优化理论与方法、工业工程。罗杏玲(1991— )，女，湖南长沙人，中南林业科技大学交通运输与物流学院硕士生。研究方向：物流与供应链管理。

Abstract：In order to response to the disaster event as shortly as possible,the paper builds a mathematical model of the emergency cold chain logistics scheduling, and uses a heuristic algorithm to solve the mode based on the network optimization and linear programming optimization,and then designs the cold chain logistics simulation program by MATLAB. Finally, it puts forward corresponding countermeasures.

重大自然灾害、交通事故以及安全事件等，给人类和社会造成了较大损失。有关资料表明，我国每年因突发事件造成的经济损失占GDP的6%，如汶川地震造成的直接经济损失达4000亿元，相当于中国GDP的3%[1]。在天灾人祸频发的今天，对应急物流系统进行研究具有重要的现实意义。应急冷链物流是应急物流体系中的重要组成部分，高质高效地供给应急物资在应对突发事件时至关重要，能直接降低突发事件造成的危害和损失。因此，关于应急冷链物流的配送模式研究具有重要的理论意义和现实意义。

关于应急物流的研究，很多学者从概念、特征、系统体系构建、保障机制等角度对其进行了探讨。如Thomas(2002)将应急物流分为部署、维持和重新配置3个阶段，主要由筹集、分发、储存、运输、救援设备和人员的一整套过程与方法组成[2]。Sheu，Jiuh-Biing(2005)指出应急物流不同于一般商业物流,它具有难预见性、不确定性、非常规性等显著特征[3]。宋爱华(2011)结合我国国情，从国家应急管理中心、物流指挥中心、信息平台等方面构建了我国应急物流体系[4]。欧忠文等(2005)探讨了应急物流保障机制、实现方法以及途径，比较了国内外在建立应对突发性事件时的应急保障法规、机制和所采取的措施[5]。国内外学者不仅对应急物流进行了定性分析，还主要从应急物流设施选址研究、应急物流资源调度模型研究和应急物流选址调度集成研究三大类对应急物流模型构建进行了定量分析。Balcik等(2008)构建了能够确定急救中心的数量和分布、物资供应的数量的设施选址模型[6]。曾敏刚等(2010)针对减灾系统中的应急服务设施选址和应急资源运输路线安排这两个子问题建立了LRP模型，利用启发式算法进行了求解[7]。从上述文献的分析可以看出，国内外关于应急物流的理论研究成果颇多。但是，应急冷链物流除了具有应急物流的共性以外，还会受到运输设备、运输地点、不同突发事件不同需求类型的影响。因此，应急冷链物流配送模式的研究，有别于普通意义上的应急物流问题的研究，其应急设施的选址、应急资源调度模型的约束条件、求解方法具有自身的特点。本文将考虑实际灾害事故二次灾害发生的情况对多资源多受灾点应急冷链物流调度问题的研究。

一应急冷链物流内涵及现状分析

(一)应急冷链物流内涵

应急冷链物流是指为了应对突发性灾难事件，以追求灾难损失最小化、时间效用最大化、冷链物品保质保量送达需求地的特殊物流活动。该物流活动的开展是应急冷链资源的运输、配送、储藏等多个部门根据突发事件的发展和应急冷链物流力量的实际情况协调管理的一个动态过程。应急冷链物流作为应急物流的一个专业化模块，主要针对重大突发事件，如地质灾害等自然灾害，重大交通运输事故等事故灾难，重大传染病疫情等突发公共卫生事件和突发社会安全事件。应急冷链物流的突发性、非常规性等特征使得应急冷链物流的风险尤为突出，为了提高应急冷链物流资源调度的有效性，应充分考虑应急冷链物流的风险识别问题，进而从根本上保证应急冷链物流的有效开展。

应急冷链物流最显著的特点表现在：要求在灾害事件发生后最短的时间内保证品质合格的冷链物流资源抵达受灾点。也就是说，决策者应该根据应急救护人员、岀救点冷链物流资源供给量，从n个可供选择且有应急冷链资源数量约束的出行点确定m个受灾点以及各自的资源数量和行驶路线，使冷链物流资源在尽可能短的时间内到达应急地点从而保证应急开始时间最早。因此，本文认为，应急冷链物流的关键技术指标约束应包括：时间约束、品质安全以及应急冷链资源供应量制约。

(二)应急冷链物流管理现状分析

应急冷链物流在我国尚属一个新兴概念，目前我国应急物流管理缺乏系统深入的理论与实践研究，具体现状及存在的问题如下[8-12]：

1.法律法规薄弱，组织机制不健全。由于应急冷链物流涉及的行业多，各行业的标准制定又有分散性和独立性，造成了冷链物流各行业之间难以统一和配合，在标准的制定上协调性、一致性较差。目前在国内尚缺乏关于应急冷链物流方面内容的统一性标准和相关法律法规。同时，突发事件下应急冷链物流的组织多为缺乏沟通交流与整合、缺乏系统性和预见性的临时性组织，组织机制不健全，指挥绩效低，缺乏能充分利用民间非政府组织力量的统一的领导机构与专业的应急冷链物流人才。

2.信息化程度偏低，配送网络欠发达。应急冷链物流对于硬件水平、信息化的配置等都有较强的刚性要求。目前我国网络技术发展很快，但现行应急冷链物流信息化程度偏低，不能很好的利用EDI、GPS、GIS等现代信息技术进行灾害营救工作。另外，缺乏统一的应急物流信息共享和发布平台。如灾区冷链物质需求情况、冷链物资供应情况、冷链运力情况等信息不能及时发布和传递，导致信息不对称，进而影响救灾工作的效率和效果。同时，我国应急物资配送网络欠发达，配送环节的供需信息传递渠道不通畅。

3.储备仓库布局不合理，运输组织衔接不畅。我国用于应急条件下的冷藏、冷冻设备不足，冷藏保温汽车的占有率低，储备仓库布局也不合理。目前我国仅在沈阳、天津、武汉等10 个城市设立了中央急救物资储备库，仓库多集中于中东部，且物资储备单一，多为帐篷、棉被等基本生活物资。同时，运输工具的落后和应急运输专业队伍数量较少，严重影响了应急物流的运输保障效率。

二应急冷链物流配送数学模型

(一)问题假设

根据突发事件应急冷链物流的特点以及技术指标约束的要求，将动态规划的最短路问题以及整数规划中的指派问题应用于应急冷链物流配送数学模型的建立。同时考虑到当突发灾害事故发生时，受灾点及其他区域往往伴随着二次灾害的发生，而且二次灾害的发生往往让人措手不及，因而也会有对应急冷链物流资源需求的情况。在这种情况下，对原发灾害和二次灾害应急冷链物流应该进行统一调度，从而可将应急冷链物流配送问题转化为多资源应急冷链物流的分类调度问题。

为了简化决策模型和分析过程，考虑存在原发灾害和二次灾害的情况下对多资源应急冷链物流建模约定如下假设条件：

1.灾害链中原发灾害与二次灾害同质，原发灾害点到二次灾害点为供给网格最近距离，除需求量不同外，同种冷链剩余物质可以就近输送。

2.假定应急冷链物流网格任意两地间的运输时间为常数，忽略运输的应急冷链物质的种类对运输效果及要求的影响。

3.统筹调配应急冷链物流资源，将应急冷链资源的需求划分为原发灾害需求和二次灾害需要，并且满足概率独立性要求。

4.假定应急管理部门在事前已经将应急冷链资源供给的网格布局及供给量优化。

(二)模型构建

模型构建的目标为响应灾害事件发生后两类应急冷链物流资源调度时间之和为最短，因而可以建立如下抽象的数学模型：

s.t

其他定义如下：

从岀救点i到原发灾害点f的最短耗用时间tif，i∈F,c∈G∪H

从岀救点i到灾害点v(可能发生)的最短耗用时间tiv，i∈F,c∈G∪H

从原发灾害点f到灾害点v(可能发生)的最短耗用时间tfv，v∈G,f∈H

决策变量：

Ufv表示出救点i的救援物质到达受灾点f能够继续驰援灾害点v则为1，否则为0。

约束条件说明如下：

(三)算法及程序

本文的应急冷链资源调度模型属于混合整数规划问题，传统方法主要是使用精确算法中的整数规划方法求解。但是混合整数规划是NP-完全问题，当问题规模较大时，精确算法具有指数复杂性，不存在多项式算法，很难得出有效解[13]。所以，对于具有时间紧迫性的多资源应急物流调度问题，传统解法都不能满足实时性要求。为此，受Min等所提出的先分类-分配后安排运输线路的二级启发式算法思路的启发，针对上述数学模型中的约束条件和目标，设计多资源的分类调度的响应算法[14]。

1.算法的基本思路。本算法的基本思路是先对应急冷链资源需求进行分类，再对根据受灾点情况对应急冷链资源分级。首先根据灾害链中原发或二次灾害点的应急冷链资源需求规律，将应急冷链资源分为两类：一类是仅是原发或二次受灾点单独应急需要的冷链资源；另一类是原发和二次受灾点都需要的公用应急冷链资源。

对仅是原发或二次应急需要的冷链资源，分别根据原发灾害受灾点需求量和二次灾害受灾点需求期望建立受灾点资源供给规则，然后按照领域岀救点搜索方法分配资源；对于原发和二次灾害都需要的公用应急冷链资源，则需要分级处理。原发和二次灾害都需要的公用应急冷链资源，在给定的应急网络中，进行统筹调度。先满足原发灾害点冷链物流资源的需求量，然后再从原发灾害点选择适当的运输线路将同类应急冷链物流资源运往二次灾害点，以降低问题的复杂性，减少算法的计算时间。

2.变量定义。根据算法的基本思路，作如下定义：

Wf表示原发灾害受灾点f的冷链资源调度方案，f∈G，Wv表示二次灾害受灾点v的冷链资源调度方案，v∈H，则有：

第j行表示各岀救点向受灾点f(或v)调度第j种冷链资源的向量，第i列表示岀救点Ai向受灾点f(或v)调度的冷链资源向量。

3.预备知识。预备知识一：任一方案w，如果上述矩阵定义中某个行向量能够满足目标函数中的约束方程，那么方案w关于某种冷链资源是最优的，如果对于∀j∈R皆成立，则称方案w为可行方案。

预备知识二：将岀救点集合中的任一岀救点到受灾点c(既包括原发灾害点也包括二次灾害点)的时间距离组按降序排序，也就是说，记λ1c为最长距离，λ2c为次长距离，…，λ|L|c为最短距离。这样，可以构造一个岀救点到受灾点的距离排序矩阵：

其中矩阵D|F|×|G∪H|的每一个元素D(ρ,c)=(iρc,λρc)为一个二元组，第一项表示到受灾点c第ρ-短距离的岀救点(iρc∈L),第二项为对应的最短距离。

4.算法程序。针对应急冷链物流管理的特点，设计应急管理配送方案。研究发现，冷链物流应急管理具有网络节点数量大、不同节点需求波动大，节点对物流反应时间要求强等特点。设计方案中，采用分级配送与移动仓库相结合的方式实现快速、及时和鲁棒的配送方案。在每个配送周期到来以前，快速预测网络的每个节点配送需求，考察一段合理的配送时间，可以得到配送需求矩阵D：

其中dij表示第i个节点，第j个时间周期内的需求量。

每个列向量表示当前时刻网络的节点需求，根据这一需求，可以采用移动仓库实现快速配送，即将某区域的所有配送物质转载在一辆大型货车(移动仓库)上，大型货车(移动仓库)开到指定地点以后，再采用分级配送。

其关键问题是，移动仓库的位置和每次需要配送的物资总量。这一部分采用matlab建模，具体程序如下：

functionw=MoveWarehouseLocation(a,b)

%a为输入参数，为n*n的矩阵，用加权网络来表示被配送网络的结构%

%b为输入参数，为1*n的向量，用来表示被配送网络的每个节点的物流需求量%

%w为输出参数,为给定网络和需求条件下的移动仓库位置%

n=size(a);

%表示网络的规模%

c0=inf*ones(n);

%中间存储变量%

%采用floyd算法求解最短路矩阵%

n=length(a);

d0=a;

d1=d0;

d2=d1;

d=0;

fori=1:n

d1=d2;

forj=1:n;

l=zeros(1,n);

fork=1:n

d=d1(i,k)+d1(k,j);

l(k)=d;

end

min_d=min(l);

d2(i,j)=min(d1(i,j),min_d);

end

l=d2;

%中间存储变量%

fori=1:n

forj=1:n

ifi~=j

ll=l;

l0=zeros(n);

l0(i,:)=ll(i,:);

l0(:,i)=ll(:,i);

l0(j,:)=ll(j,:);

l0(:,j)=ll(:,j);

fork=1:n

ifl0(k,i)>=l0(k,j);

l0(i,k)=0;

else

l0(j,k)=0;

end

l0(:,j)=0;

l0(:,i)=0;

cc=b*l0;

c0(i,j)=sum(cc);

end

w=(find(min(min(c0))==c0))

%w为所求的移动仓库位置%

三结论与对策

本文以突发事件的情况下冷链物流配送模式为研究对象，以达到为需要低温保存的应急物资提供了稳定可靠的质量保证和及时有效的配送保障的目的。从应急冷链物流的内涵及特点出发，总结出其关键技术约束指标：时间约束、品质安全以及应急冷链资源供应量制约。在此基础上考虑原发灾害和二次灾害中的应急冷链物流应进行统一调度的特点，将应急冷链物流配送问题就转化为多资源应急冷链物流的调度问题。接着以响应灾害事件发生后应急冷链物流资源调度时间最短为目标，构建了应急冷链物流调度的数学模型，并基于网络优化和线性规划优化思想，运用启发式算法对应急冷链物流调度模型进行求解，再采用MATLAB算法语言设计了冷链物流的仿真程序，最后提出相应的对策建议，具体如下：

(一)加强应急冷链物流立法，构建统一指挥中心

系统全面的应急冷链物流政策法规体系是保障应急冷链物流各项职能正常运行的关键。结合突发性自然灾害的具体情况以及应急冷链物质的相关特性完善现有应急冷链物流立法中的不足之处，适时适量地进行各种应急事件预演。建立一个专门用于应急冷链物流指挥工作和整合资源的联动机制，调集多方力量联合处理突发事件，特别是有秩序地组织非政府民间救援者，并把军事物流很好的结合起来，保障应急冷链物流高效运行。

(二)完善应急冷链物流设施建设，建立专用通道

重点投资和建设冷库设施、冷藏技术以及交通运输薄弱的环节，构建冷藏车辆多元化、交通运输系统水陆空多维立体化的运输网络。开通一条或者多条应急冷链物流专用通道，构建政府与第三方物流企业相结合的应急冷链物流配送中心，保障冷藏救援物资及相关技术人员能够在24小时之内送至受灾地区，降低了应急冷链物流中心的运营成本，缩短应急冷链物流作业时间，最大限度地减少损失。

(三)搭建应急冷链物流信息平台，推进技术创新

依托政府公共信息平台建立应急冷链物流信息网络，完善自然灾害监测管理体系。优化网络信号，扩大覆盖范围，增强网络数据传递承载能力，尽快消除通讯盲点，及时准确地发布受灾情况，以及冷链仓储及运输的最新信息，提高应急冷链物流的实施效率。鼓励应急冷链物流专业型人才推动应急冷链技术的创新和开发，学习借鉴国外先进技术和经验，开创具有我国自主知识产权的创新型应急冷链物流技术和专业设施设备。

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