低碳约束下城市冷链物流配送系统优化研究

李亚男,刘联辉,李晓曼,李冬冬

(五邑大学　管理学院,广东　江门　529020)

低碳约束下城市冷链物流配送系统优化研究

李亚男,刘联辉,李晓曼,李冬冬

(五邑大学管理学院,广东江门529020)

[摘要]在城市冷链物流配送过程中,频繁往返运送货物的车辆,由于动力与恒温制冷的燃油消耗及其尾气排放,不仅增加了企业的物流配送成本,而且给城市环境带来污染。冷链物流路径优化是冷链物流企业不可忽视的现实课题。文章基于城市发展理念,以碳排放为约束条件,构建冷链物流配送网络优化模型,并根据配送运输网络模型求解的复杂性,使用遗传算法得出优化模型的最优解,以期为企业物流决策提供依据,实现冷链物流企业减少碳排放、降低物流配送成本的双重目标。

[关键词]低碳约束；冷链物流；配送系统优化

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.10.036

1引言

冷链物流配送系统优化是整个城市配送工程重要组成部分,城市低碳物流配送系统建设是城市物流业必须面对的现实课题,也是低碳城市建设的必然要求。基于此,国内外学者对低碳与冷链物流问题进行了研究。如刘倩晨[1](2010)在冷链物流基础上考虑碳排放量,建立包含碳排放的冷链库存模型,得到低碳目标下的最优库存策略;于一秀、邱灿华[2](2009)从当今资源战争、节能减排角度,分析如今物流业的发展趋势,得出发展低碳物流是理性选择,并且从低碳包装、低碳运输、低碳订货和低碳生产方向给企业提出建议；Zimmermann[3](2009)在维持产品新鲜度的条件下,从使冷链运行维护成本和能量消耗最小的角度进行分析,并得出策略；刘镇、徐优香[4](2013)在针对冷链物流配送车辆路径优化问题上时,利用云计算模式处理配送车辆实时路径的优势；吕俊杰、孙双双[5](2013)、李雅萍[6](2013)分别利用蚁群算法和节约里程法对鲜活农产品的配送路径进行优化,使得配送成本最少,其中吕俊杰、孙双双考虑的成本有固定成本、变动成本、货损成本、能源成本,李雅萍在考虑上述成本基础上,增加了时间惩罚成本。但是前者忽视了配送点对配送时间的要求,后者在考虑能源成本时,只考虑了配送过程中的能源成本,却忽视了在配送点进行装卸时,也会出现能源消耗。故为实现低碳城市交通的管理目标,促进城市冷链物流产业配送运输成本节约,本文在保证城市对冷冻食品需求的基础上,以碳排放为约束条件构建冷链物流配送网络优化模型,并根据配送运输网络模型求解的复杂性,利用遗传算法得到最优解,以期为城市物流管理模式创新提供决策参考。

2模型构建

假设配送中心(用0表示)有K车辆,基本不会出现缺少车辆问题,配送点或者超市共有n个。配送过程中所考虑的配送成本有车辆的启动成本(固定成本和变动成本)、碳排放成本、制冷成本以及时间惩罚成本。

2.1固定成本和变动成本

冷链物流配送中,必须要承担固定成本(司机工资,车辆折旧费用等)和变动成本(燃油消耗、车辆维护和保养、路桥通行费用等),两者之和用c1表示,其中,变动成本大致与运输时间成正比。则成本表示为：

(1)

2.2碳排放成本

城市冷链物流配送过程中,能源消耗量大,车辆碳排放量相对较高,故将碳排放成本纳入考虑因素,用c2表示。根据碳排放量的计算公式,得到如下排放成本式子：

(2)

Ek=Gk×F

(3)

式(2)中,p1为单位碳排放成本,以当日碳交易市场交易价格为准;lij是从顾客i到顾客j的网络距离；mijk表示第k辆车从顾客i到顾客j的载重；式(3)中,Ek单位货物每千米排放的二氧化碳量,Gk表示第k辆车单位货物单位千米消耗的能源数量,F是排放系数,即单位能源消耗所排放的二氧化碳量。

2.3制冷成本

冷冻设备所消耗的能源成本主要是制冷剂的成本,主要考虑配送运输过程中的制冷成本c31和打开车门过程中的制冷成本c32。则总制冷成本c3为：

c3=c31+c32

(4)

(1)运输过程中的制冷成本。

(5)

式中,G1为车箱体热负荷(kcal/h),p2为单位制冷成本；tko表示第k辆车离开配送中心时间；tok表示的是第k辆车配送完成后到达配送中心的时间。G1的计算方式如式(6)：

G1=(1+α)×R×S×ΔT

(6)

(2)打开车门时的制冷成本。

(7)

式中,G2为开门热负荷(kcal/h),其中：

G2=(0.54V+3.22)(Tw-Tn)×β

(8)

式中,V为车厢体的体积；Tw、Tn分别表示车外和车内温度；β为开门程度系数。

2.4时间惩罚成本

则惩罚成本为

(9)

式中，η,λ为常数,tcik表示第k辆车到达顾客点i的时间,故时间惩罚成本为：

(10)

yik为0-1变量,若值为1,表示第i个顾客点由第k辆车负责。

综上所述,可以建立如下模型

minz=c1+c2+c3+c4

(5)设到第i个顾客点的时间为tci,下一个配送的顾客点为j,sij为第i个顾客点到第j个顾客点的距离,vij为第c个顾客点到第j个顾客点的车辆平均行驶速度,Ti为第i个顾客点卸货交接作业时间,则

上述约束条件中,式(1)表示车辆所载货物不超过最大载重量；式(2)表示每个顾客点只有一辆车满足其需求,且车辆的起点和终点都在配送中心；式(3)表示车辆能够配送全部的顾客点；式(4)表示车辆在配送顾客点时,满足其配送时间需求；式(5)表示车辆在配送下一配送点时满足此配送点的时间需求。

3算例分析

某市某物流配送中心向城市的15个超市进行鲜奶配送,该配送中心拥有同种冷藏车型号。在配送期间,温度必须保持为10℃,假设各超市之间的交通条件相同,车速均为50km/h,根据计算,单位运输成本为1.0元/吨,鲜奶的单位价格为10000元/吨。各超市在时间窗的基础上能够接受提前30min或者推迟30min进行配送,根据经验每次配送所需的固定成本为200元/车,每辆车每千米大约消耗为2.5元。超市对鲜奶的需求量与配送时间如表1所示。

表1　配送点的需求以及时间要求

根据上述算例利用MATLAB软件使用遗传算法,进行10次求解,第7次运行获得最优配送方案,其迭代第91次时收敛,最优总成本为9363.3元,最优配送路径有7条：

路线1:0—超市12—超市11—0

路线2:0—超市2—超市13—超市7—0

路线3:0—超市1—超市15—0

路线4:0—超市8—超市6—0

路线5:0—超市4—超市5—0

路线6:0—超市9—超市3—0

路线7:0—超市14—超市10—0

上述结果中,随机选择一条路径0-12-7-0-4-14-0-8-11-0-1-15-10-0-9-6-0-5-13-3-2-0,将此路径和所获得的最优配送路径进行比较得到表2：

表2　最优路径、随机路径的总成本和碳排放量

对表2进行观察、分析,可以发现：相较于随机路径,最优路径所需的总成本和释放的二氧化碳量有大幅度下降,其中总成本减少35.9%,计5235.2元,碳排放量减少4.8%,计1.5吨。

4结论

文章中,对运输成本和碳排放量两个方面进行研究,构建了城市冷链网络优化模型。利用遗传算法和MATLAB对目标函数进行分析和计算,得到最优路径,使得运输成本最少,碳排放量最少,这对于企业和环境都具有很强的现实意义。

参考文献:

[1]刘倩晨.考虑碳排放的冷链物流研究[D].北京：清华大学,2010.

[2]于一秀,邱灿华.我国低碳物流问题研究[J].广西财经学院学报,2010(5)：63-65.

[3]Zimmermann R.Energy efficiency Quality and freshness along the distribution of the cold chain: Intelligent direction reduces consumption of energy and minimizes operational costs[J].Fleischwirtschaft,2009,89(6)：54-55.

[4]刘镇,徐优香,王译.基于云计算的冷链物流配送车辆路径优化方法研究[J].电子设计工程,2013(17):122-127.

[5]吕俊杰,孙双双.基于鲜活农产品冷链物流配送的车辆路径优化研究[J].广东农业科学,2013(9)：178-181.

[6]李雅萍.鲜活农产品冷链物流配送路径优化研究[J].价值工程,2013,31:25-27.

[作者简介]李亚男(1990—),女,四川人,硕士。研究方向：物流仓储、物流配送；刘联辉(1965—),男,湖南人,教授,硕士。研究方向：物流管理；李晓曼(1990—),女,河南人,硕士。研究方向：系统工程；李冬冬(1990—),河南人,硕士。研究方向：物流仓储配送。