基于GIS的高原夏菜冷链物流配送系统设计与实验研究*

刁 鹏 ，苏军德

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100）

随着社会经济的发展，人们对物质生活的要求越来越高[1]，人们的观念从“吃得饱”向“吃得好”转变。消费者对饮食既要追求品类丰富多样，又要求品质优良、新鲜，配送及时。为了达到这些要求，建立完整的高原夏菜冷链物流体系尤为关键。调查显示，蔬菜在运送过程中出现腐烂导致的浪费量占运输总量的40%～50%[2]，这也是菜价虽高但菜农收入依旧不高的原因之一。为了改变这一现象，解决蔬菜配送问题迫在眉睫，而配送车辆路径的规划则成为研究重点。此外，蔬菜在运输过程中多采用常温保存和简单加工，这是造成蔬菜损耗过大的另一原因。GIS可以深度挖掘时间与空间信息，为解决蔬菜配送问题提供了契机[3]。本研究基于GIS的高原夏菜冷链物流的配送，找出运输过程中存在的问题并给出解决方法，实现物流体系智能化管理。

1 冷链物流目前存在的问题

目前，冷链物流配送车辆路径的研究是借助常温物流配送方法来解决问题[4]，不仅增加运输成本，且难以实现智能化管理。因为蔬菜保存的温度与常规食品的保存温度大不相同，所以，以此来处理蔬菜冷链物流运输问题，存在许多问题。

1）货损考虑不全。蔬菜属于易腐产品，相较于常温产品的运输要求，蔬菜的冷链物流运输更加严格。因为冷链物流不仅要求运送及时，而且要保证新鲜，否则将会出现大量的损耗，导致成本增加，针对常规物流配送车辆的研究并没有考虑这一因素。

2）额外费用考虑不周。由于需要在常规的运输车辆上加装制冷设备，所以额外成本增加，这也是过程配送车辆没有顾及的。

3）耗能费用考虑不够。运输过程一般持续的时间较长，随着温度变化，要始终保证车内的温度恒定，在此过程中车辆的油耗也会增加，所以应考虑由于温度变化引起的能耗成本的变化。

4）外界环境存在随机性。在运输过程中，可能遇到各种外界环境的影响，如突发交通事故、突遇阴雨天气、交通堵塞等，这都会引起运输时间的不确定性，且发生概率较大。

2 研究内容

2.1 蔬菜冷链物流及特点

冷链物流是指根据买卖双方的需求，在运输车辆上加装一定的制冷设备[5]，使易变质的食品存放在低温环境中运输，以保证其新鲜，要经过产品加工、贮藏、运输、分销和零售整个过程[6]。因此，其具有设备要求高、运输效率高、保鲜要求高等特点。商品的流通时间80%以上消耗在运输途中。合理规划运输路线可以大大节省时间，降低运输时间和成本。

冷链物流适用商品种类繁多，不同商品对保存温度要求也不相同，大致分为恒温、冷藏、冷冻。本研究对高原夏菜的存储温度进行调查研究，结果如表1所示。

表1 高原夏菜存放温度

2.2 GIS在高原夏菜物流配送中的应用

高原夏菜属于夏季蔬菜，成熟时温度较高，采摘以后很容易受高温影响而腐烂，所以对运输时效性、运输设备和信息化程度要求较高[7-8]。以甘肃金昌地区为例，该地区运输设备与条件落后，物流体系不完善，随着高原夏菜产量的增加，建立现代化的冷链物流体系已迫在眉睫。

2.2.1 GIS概述

GIS即地理信息系统，它可以实现对时间与空间信息的挖掘[9]。将GIS技术与GPS技术、计算机软硬件技术结合，可以对空间数据进行定位、采集、管理、运算、分析。将其运用在高原夏菜冷链物流体系中，可以对物流车辆进行定位，对订单信息进行跟踪查询，可以实现对物流体系的信息化管理，提高冷链物流的运输效率，降低损耗[10]。

2.2.2 GIS作用

GIS发展之初是一款地学系统，配套开发的软件多是地学类软件，后来经过不断发展逐渐应用于各个领域。冷链物流的含义实际上是卖家到买家之间的商品的转移过程。传统的物流方式对运输信息的要求不高，随着时代的发展，人们对物流的信息化要求较高。因此，可以借助GIS强大的搜索、管理及分析数据的能力来解决现代冷链物流的信息化问题。GIS可解决物流的信息化问题，GIS技术在物流中的作用，如图1所示。

图1 GIS技术在物流中的作用

2.3 基于GIS的配送系统

2.3.1 系统开发

本研究以MapObjects（简称MO）为平台，使用VB进行再次开发。优点是可以借助MO的图层添加功能将地图添加到应用程序中，以此可以建立地理信息系统，实现物流路径的查询功能[11]。

2.3.2 系统设计

系统在设计时要考虑系统运行、系统管理、系统的二次开发等，所以开发时要满足以下要求：1）方便使用。系统要操作简洁，更新快捷，管理方便，能够达到进行路径优化的要求。2）功能完整。系统必须具备完整的数据功能模块，能够提供数据属性的查询，能够同时满足用户和管理人员的需求。3）维护简单。当系统出现故障或需要升级时，一般的工作人员就可以完成工作。4）方便二次开发。当需要添加新的数据或进行功能添加时，可容易进行。5）安全性好。系统数据涉及公司内部信息，所以安全性要有保障，一般用户只能浏览查询，管理员才可以进行维护与更新。

2.3.3 系统功能

本研究所设计的高原夏菜冷链物流配送路径优化系统，多用于城市与城市之间的物流配送。根据其特点，设计工作流程如下：将城市地图、供货方和购货方的信息录入数据库中，将供需双方的地址进行标记，利用系统功能在电子地图上将两点之间的最短路径规划出来，将结果输出到MATLAB数据库中，经过遗传算法分析形成可视化结果，在MO平台上显示，系统功能流程如图2所示。

图2 系统功能流程

2.3.4 系统功能结构

系统的主要功能是实现对MO平台的系统管理，包括对系统的平移、客户与配送中心之间的位置标记，供需双方路线统计及最短路线设计等。系统的结构模块如图3所示。

图3 系统的结构模块

2.3.5 系统预期效果

研究选取甘肃省永昌至金昌物流配送为例，在配送过程中主要有以下几方面需求：

1）根据需求方提供的详细地址信息，可以规划出最佳的运输路线并能标记出坐标。

2）基于GIS系统可以满足订单的排序并实现对运输车辆的管理。

3）可以使用不同的图标标记出不同的客户信息，且要求能反映在地图上。

4）系统中的图标或查询等功能点击后可以响应，另外可以实现用户信息的编辑与查看。

5）可以通过企业系统随时调用GIS，以方便对系统进行管理。

6）系统具备对配送区域的管理功能，如拆分、合并等。

3 基于GIS的冷链物流配送车辆路径优化

物流配送的实质是根据需求方要求，对货物进行分拣、配货，并将货物配送至客户手中的物流活动。其中，配送作为最后环节尤为重要[12]。物流配送优化问题的实质就是对车辆路线的合理规划[13]，目前对此类问题的研究也比较多[14]。它是指在收发货方之间，通过对车辆的路线规划，在满足客户需求的前提下，尽可能减少物流企业的运营成本，使物流企业获得最佳的收益。通过查阅相关资料发现，遗传算法可以很好地解决此类问题。

3.1 物流配送路径优化研究方案

物流配送的关键在于车辆路径规划，其实质是以低廉的成本、高质量的服务来完成货物的运输。车辆路径问题一直是基于GIS研究的一项热点问题，也是一个难题。国内外许多学者都进行了此类问题的研究。例如国外的分支定界法、K——树状算法、Column generation（列生成）算法等。国内有姜大立等[14]的禁忌搜索求解多路径运输问题、邓连波等[15]的3-opt和禁忌搜索解决多路径运输问题、张潜等[16]的启发式序列优化算法计算运输调度问题。

3.1.1 冷链车辆路径影响因素

影响物流车辆路径的主要因素有目的地、运输车辆、货物中心、货物种类、客户需求。

1）目的地。即运输终点，目的地将直接影响运输车辆的路径，可以根据目的地对运输路径进行详细规划，得出最优路线。

2）运输车辆。即运输货物的载体，可以根据客户需求和运输路线选择合适的车辆，节约运送成本。

3）货物中心。即产品所在地，从产品所在地对货物进行加工、选择、装车、集货等工作，并组织将货物送达客户手中。

4）货物种类。即配送物，可以根据商家的需求将货物分门别类，包括名称、外包装、大小、质量、运输要求等。

5）客户需求。即客户的需求货物时间，是指要求货物送达的时间。

3.1.2 带时间窗的车辆路径问题

时间窗车辆路径问题是指有n位有货物需求的客户，一个始发地，K台货车，已知：始发点坐标，各客户坐标，货物需求量，许可服务时间窗，各汽车最大载重。通常时间窗分为硬时间窗和软时间窗两种，硬时间窗是指在客户要求的时间范围内完成货物运送，超过该时间范围后，客户将不再有需求。此时，得到的解是无法执行的解。软时间窗是指如果没有在规定时间内完成某项任务[17]，将通过惩罚的手段来处理问题。如果车辆最终在规定时间的最晚情况下到达，服务不及时，需要缴纳罚金。所有车辆的路线要满足以下条件：

1）各路线的始发地必须是货物中心，完成所有配送任务后返回终点，即货物中心。

2）各条路线上的货物重量必须在允许范围内，不得超载。

3）各指定客户只需服务一次。

4）每个客户必须在其规定的时间窗限制范围内提供服务，卡车提前到达客户接收点后，必须等待客户批准服务。

随着客户需求的不断增加，对配送时间的要求也变得严格，这样将会出现多方原因导致货物出现损失[18]。所以，在配送运输中时间窗就变得尤为重要。带时间窗车辆路径优化问题由于其时间限制的严格性，通常情况下，软时间窗出现的问题更多，也更符合实际，因此研究将重点放在软时间窗口上。一般来说，有两个目标：一是最少的车辆数量，二是最低的运输成本。时间窗是双向的，即客户应该在规定时间内享受服务，不能出现早到或延误。

3.1.3 物流车辆配送的工作流程

一个优秀的配送方案应该包括设计配送方案、配送任务下达、按照方案确定商品数量、分货、装载、运输、财务部门下发任务、配送开始、送达等，车辆配送工作流程如图4所示。

图4 车辆配送工作流程

3.2 冷链物流配送路径优化案例分析

3.2.1 节约成本法

节约成本法是指利用GIS系统首先在供需双方之间建立多条运输路线，然后选出一个最优的车辆运动轨迹，只有一个起点与终点，并添加温度控制与时间窗口来进行约束，通过计算运营成本来评价路线好坏。该方法采用极限思想来求解最佳运输路径，操作简单，结果准确，而且可以兼顾各类影响因素，所以有较大的优势。计算流程如下：1）在规定时间内下达运输任务；2）选择最短运输路径为第一配送点，然后根据路径由短到长依次配送，直至车辆载重与时间上限最大为止；3）合理安排所有运输任务，避免重复运送。

3.2.2 案例分析

本研究通过案例来验证方法的合理性。选取6个配送点，用阿拉伯数字来进行编号，距离以“km”为单位，用Si表示；时间以“h”为单位；产品价格以“元”为单位；重量以“t”为单位。每个客户的货物需求总量用di表示，每个客户的配货时间取值范围为[Ai，Bi]。对客户要求配送时间赋值为Ai=0，Bi=2.5，规定货车在运输时的速度为40 km/h，货车的最大载重为4 t，产品价格为8 000 元/t，时间窗成本系数设为α=0.02，β=0.04，货物损失系数&取值为0.2%和0.4%。货物运输途中的制冷成本为12元/h，由于车辆内外温差产生的费用为2.5元/h。客户信息如表2所示。

结合表2的内容，关于上述问题进行计算，求出最优运输路径x，公式如下：

表2 客户信息

依据成本节约法，通过计算得出最佳路径：

0→6→4 →1→0 0→3→5→0 0→2→0

代入公式计算出配送总路程为161 km，费用为1 327.4元。

假如以最短路径的方案进行配送，最优方案为：

0→6→4 →0 0→3→5→1→0 0→2→0

代入公式计算出配送总路程为139 km，费用为1 316元。

通过对比两种运输方案可得，优化前的路径方案时间成本较高，客户体验较差。

改进后的方法在时间窗口满足要求的前提下，成本可以大大降低，配送更高效。具体数值如表3所示。

4 结论

本研究分析了高原夏菜冷链物流存在的问题、GIS系统在高原夏菜运输路径规划的可行性、GIS系统设计及功能介绍。研究分析影响物流车辆运输效率的因素，从冷链物流流程出发探究了基于时间窗的路径优化办法。在此基础上，以案例为样本，提出了基于GIS系统的路径优化算法——节约成本法，通过与常规方法对比发现，该方法可以大大节约成本，提高运输效率。

表3 路径优化前后指标对比表