付子云

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

煙草行業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展過程中的支柱產(chǎn)業(yè)，是國家主要稅收源泉之一，其中煙草運輸是卷煙物流中非常重要的一部分。隨著Y煙草集團(tuán)產(chǎn)銷規(guī)模的擴(kuò)大，集團(tuán)消費需求結(jié)構(gòu)不斷向多批次、小批量、多品種以及個性化方向發(fā)展，導(dǎo)致中遠(yuǎn)距離中小型貨車發(fā)貨量和頻次逐漸增加，形成了以長途公路運輸為主的高運輸成本現(xiàn)狀，成為煙草集團(tuán)物流業(yè)務(wù)中一個迫切需要解決的問題。在我國極力倡導(dǎo)2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的背景下，促進(jìn)國內(nèi)煙草企業(yè)積極優(yōu)化運輸結(jié)構(gòu)，進(jìn)行“公轉(zhuǎn)鐵”式結(jié)構(gòu)調(diào)整，充分發(fā)揮鐵路在節(jié)能減排、安全集約、規(guī)模效應(yīng)上的優(yōu)勢，努力改變煙草運輸依賴長途汽運的局面，使得煙草企業(yè)實現(xiàn)降本增效，運輸業(yè)務(wù)朝著綠色、安全、集約方向發(fā)展成為必然趨勢。

國內(nèi)對于煙草運輸方面的研究相對較少。高怡杰，等提出了一種求解煙草配送路徑規(guī)劃問題的新型智能優(yōu)化算法ITLBO，在傳統(tǒng)教與學(xué)優(yōu)化（TLBO）算法的框架基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)算法使其能適用于組合優(yōu)化問題，實驗結(jié)果表明，所提出的算法能優(yōu)化配送路線，降低配送成本；高正鵬主要以安徽省工業(yè)煙草物流為例研究了成品卷煙配送路徑規(guī)劃過程中存在的問題，首先重新設(shè)計了卷煙運輸計價規(guī)則，然后提出了集合分割數(shù)學(xué)模型，最后提出了改進(jìn)的拉格朗日松弛優(yōu)化算法，并設(shè)計了基于貪婪思想的上界求解方法，實現(xiàn)企業(yè)降本增效。龔亞琪針對A中煙工業(yè)公司卷煙物流網(wǎng)絡(luò)存在的問題，提出了其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)、原則及建立區(qū)域配送中心完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路，并對區(qū)域配送中心建成后A中煙工業(yè)公司卷煙物流網(wǎng)絡(luò)運作模式進(jìn)行了分析和優(yōu)化。綜上查閱文獻(xiàn)可知，大部分研究集中在卷煙運輸末端的配送路徑優(yōu)化和煙草營銷等方面。對于煙草運輸，還沒有將軸輻式網(wǎng)絡(luò)和公鐵聯(lián)運集裝化運輸結(jié)合應(yīng)用到集團(tuán)卷煙的整個系統(tǒng)構(gòu)建及優(yōu)化等方面的相關(guān)研究。

本文在對Y煙草集團(tuán)的全國型生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和訂單數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合集團(tuán)實際業(yè)務(wù)需求，建立不同運輸形式的精細(xì)化成本數(shù)學(xué)模型，以此為目標(biāo)函數(shù)提出一種適用于煙草行業(yè)集裝箱公鐵聯(lián)運的優(yōu)化解決方案，采用禁忌搜索算法和遺傳算法，選出最佳樞紐節(jié)點并得出最優(yōu)運輸路徑分配。

1 卷煙公鐵聯(lián)運集裝化裝載方案及運輸組織設(shè)計

1.1 集裝化方案設(shè)計

從集團(tuán)長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，為提高運作效率，本文引入單元化、集裝化作業(yè)，并分別從客戶訂單運作模式、成品卷煙包裝以及設(shè)施設(shè)備三方面進(jìn)行全套集裝化設(shè)計。

（1）訂單運作模式集裝化。訂單運作模式集裝化是指為方便快速裝卸搬運，建議客戶訂貨量以托盤為單位來計數(shù)。目前Y煙草集團(tuán)的訂單量大小參差不齊，在設(shè)施設(shè)備集裝化的基礎(chǔ)上，嘗試改變傳統(tǒng)訂貨量標(biāo)準(zhǔn)，與客戶協(xié)商訂單需求量以托盤為計數(shù)單位。以2018年1月1日部分訂單需求量統(tǒng)計為例，表1數(shù)據(jù)顯示了各個卷煙需求點以托盤為單位的訂單需求，單日訂單需求量已能夠滿足以整托盤運輸為單位。

表1 2018年1月1日部分訂單需求量

（2）產(chǎn)品包裝集裝化。我國成品煙包裝規(guī)格較為統(tǒng)一，每件的規(guī)格為458mm×245mm×570mm，1萬支/件。目前Y集團(tuán)卷煙運輸包裝以件為獨立個體。單個托盤上可以放24件、28件、34件，裝卸時為保證貨物穩(wěn)定性，需要大量裹膜固定。Y集團(tuán)卷煙運輸以托盤為單位進(jìn)行集裝箱公鐵聯(lián)運運輸時，依照客戶訂單匹配好每位客戶的訂單量（單位：托盤），結(jié)合紙滑托盤載重量限制，針對單個托盤的量采用最大化單元化包裝，卷煙出庫時以單托盤的量進(jìn)行打碼包裝。一方面節(jié)約大量的薄膜，另一方面簡化了作業(yè)流程。

（3）設(shè)施設(shè)備集裝化。設(shè)施設(shè)備集裝化一方面指鐵路干線運輸使用集裝箱，集裝箱運輸使用標(biāo)準(zhǔn)托盤、紙滑托盤及專用推拉器。成品煙直接儲存在帶有紙滑托盤的標(biāo)準(zhǔn)托盤上，并借助專用的推拉器進(jìn)行裝卸，實行單元化作業(yè)。同時集裝箱公鐵聯(lián)運作為最具代表性的多式聯(lián)運形式，具備公路運輸在中短途運輸中靈活的優(yōu)勢和鐵路運輸批量大、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高的特點，且以標(biāo)準(zhǔn)化的集裝箱作為單元載體能夠提高運輸?shù)募s性，提高運輸效率。本文采用國際標(biāo)準(zhǔn)40英尺和20英尺集裝箱，其尺寸規(guī)格見表2。

表2 集裝箱尺寸規(guī)格

設(shè)施設(shè)備集裝化另一方面是指以托盤為基本運輸單位時，單位托盤件煙的擺放形式及數(shù)量。紙托盤選擇用牛皮紙做成的厚度1mm的臨邊雙翼板滑板托盤，承重300-900kg，內(nèi)嵌RFID芯片，綜合考慮集裝箱的高度以及紙托盤的性能要求，計算后單個托盤可以堆放24件或者20件。以24件/盤為例，件煙在紙托盤上擺放方案如圖1所示。參考40英尺集裝箱尺寸，每40英尺集裝箱可裝載卷煙44托盤（包含22托盤規(guī)格為20件/盤和22托盤規(guī)格為24件/盤）共968件，即48 400條。集團(tuán)設(shè)施設(shè)備集裝化改進(jìn)前車輛容積利用率約為76%，改進(jìn)后以40英尺集裝箱為例容積率提高至81%。

圖1 件煙在紙托盤上擺放三視圖

1.2 集裝箱公鐵聯(lián)運貨物運輸組織流程

本文確定門到門貨源組織類型，運輸環(huán)節(jié)涉及發(fā)貨地（中心庫和煙廠）、發(fā)站、到站、卷煙商業(yè)公司四個節(jié)點，公鐵聯(lián)運貨物運輸組織過程如圖2所示，包含三項基礎(chǔ)服務(wù)即（a）、（b）、（c）。在借閱參考文獻(xiàn)[4-5]的基礎(chǔ)上，集裝箱公鐵聯(lián)運貨物運輸全過程作業(yè)流程如圖3所示。

圖2 公鐵聯(lián)運貨物運輸組織過程示意圖

圖3 集裝箱公鐵聯(lián)運全過程作業(yè)流程

2 集裝化卷煙單分配混合軸輻式公鐵聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

本文在上述集裝化裝載方案與公鐵聯(lián)運運輸組織流程設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合對集團(tuán)實際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，根據(jù)不同區(qū)域的需求偏好、件煙的規(guī)格尺寸以及訂單物流信息等，找準(zhǔn)迫切待研究的問題，充分考慮卷煙運輸公鐵聯(lián)運應(yīng)用各種場景，建立符合實際訂單需求的公鐵聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)模型，明確優(yōu)化目標(biāo)與約束條件，建立單分配混合軸輻式公鐵聯(lián)運模型。

單分配混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型屬于LRP問題，此模型解決的核心問題即樞紐選址和路徑規(guī)劃，有效提高煙草運力、優(yōu)化資源配置、降低物流成本?；旌陷S輻式網(wǎng)絡(luò)包含非樞紐節(jié)點之間直接聯(lián)通，在實際應(yīng)用中即直達(dá)運輸，使得運輸具有柔性化，其路徑示意如圖4所示，其運輸路徑包括非樞紐節(jié)點之間直送和經(jīng)過樞紐中心中轉(zhuǎn)到達(dá)兩種。假設(shè)共有n個區(qū)域，每個區(qū)域中包含多個節(jié)點城市，每兩個節(jié)點之間既可以滿足公路運輸條件也可以滿足鐵路運輸條件，如節(jié)點1、2、3、…、n。同時樞紐節(jié)點之間的鐵路運輸享有規(guī)模效應(yīng)帶來的優(yōu)惠折扣，折扣因子是變化的，不同的樞紐節(jié)點對以及不同的貨物流量都會影響折扣因子。

圖4 單分配混合軸輻式網(wǎng)絡(luò)公鐵聯(lián)運路徑示意圖

2.1 模型假設(shè)及變量設(shè)置

假設(shè)如下：（1）不同節(jié)點之間公鐵轉(zhuǎn)換時貨物換模單位成本、裝卸單位成本和裝卸單位時間相同；（2）貨物整批單向運輸，且只在節(jié)點處一次性裝卸完整批的貨物；（3）每個起訖點之間最多通過兩個樞紐節(jié)點且樞紐中心數(shù)量固定；（4）每一個節(jié)點都有被選為樞紐節(jié)點的機(jī)會；（5）本文假設(shè)樞紐節(jié)點的中轉(zhuǎn)能力無限制即容量無限；（6）不同運輸方式的單位運輸成本事先給定，且樞紐節(jié)點之間的折扣系數(shù)事先已知。

模型符號表示如下：

：卷煙需求節(jié)點集，n∈N，i和j表示具體的普通節(jié)點城市；

：樞紐節(jié)點集，樞紐節(jié)點個數(shù)，p∈P，和表示具體的樞紐中心，()表示樞紐節(jié)點數(shù)量集；

S：節(jié)點i，j之間的貨物流量，表示同一節(jié)點對之間的貨運量總和；

：運輸方式集合，{}，m∈M，表示公路運輸方式，表示鐵路運輸方式；

Q：節(jié)點被選為樞紐節(jié)點建立的固定費用；

R：節(jié)點i和j之間的運輸距離；

ST：運輸方式由轉(zhuǎn)換為的單位中轉(zhuǎn)成本；

:運輸方式由轉(zhuǎn)換為的單位換模成本；

:單位裝卸成本；

:集裝箱的單位裝箱、掏箱時間；

T:節(jié)點i到j(luò)的實際運輸總時間；

節(jié)點i到j(luò)采用運輸方式時所用的時間；

lt：節(jié)點i到j(luò)運輸時間上限，即最晚運輸時間；

：實際運輸時間大于最晚運輸時間的懲罰系數(shù)；

：公路末端配送車輛，(12)；

()：配送車輛的額定裝載量；

y：客戶在車輛上有數(shù)量的貨物。

2.2 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

根據(jù)問題描述，結(jié)合背景資料，發(fā)貨點和需求點之間的貨物運輸包含直達(dá)運輸、雙樞紐網(wǎng)絡(luò)運輸和單樞紐網(wǎng)絡(luò)運輸。由此建立模型如下：

…S，f∈(1)，表示貨物流量數(shù)值。

3 算法設(shè)計

本文將禁忌搜索算法和遺傳算法相結(jié)合，選出最佳樞紐節(jié)點并得出最優(yōu)運輸路徑分配。算法實現(xiàn)流程如圖5所示。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)模型中樞紐節(jié)點集合為,為個總節(jié)點的集合，的鄰域()()，為集合的長度，表示從中換出的點，表示從中換入的點。目標(biāo)函數(shù)()表示樞紐節(jié)點為時的最低物流成本，()的大小由遺傳算法階段求出。()表示節(jié)點的禁忌狀態(tài)，比如()3表示再繼續(xù)迭代3代節(jié)點可以解禁。

圖5 禁忌搜索算法和遺傳算法實現(xiàn)流程

4 數(shù)值實驗與案例分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

為驗證上述模型的有效性，以河北省內(nèi)和云南省內(nèi)共19個節(jié)點城市某年某月的訂單數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行算法計算，假設(shè)選擇的運輸方式只有公路和鐵路兩種，通過構(gòu)建模型進(jìn)行樞紐選擇和路徑分配，得出整個軸輻式集裝箱公鐵聯(lián)運運輸網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)成本下最佳樞紐節(jié)點和最優(yōu)的路徑選擇。并將該最優(yōu)成本和公路運輸進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步從實踐上驗證集裝箱公鐵聯(lián)運的成本優(yōu)勢和服務(wù)水平上的可行性。

首先部分貨源點到需求點的鐵路運輸距離矩陣見表3。其他有關(guān)運輸成本參數(shù)、公路鐵路運價率均參照最新市場數(shù)據(jù)。假設(shè)公鐵聯(lián)運服務(wù)時間上限定為三天。MATLAB中通過UT（時間上限）=ones(19,19)*72進(jìn)行時間上限賦值。

表3 部分貨源點到需求點的鐵路運輸距離矩陣 單位：km

4.2 結(jié)果分析

通過MATLAB多次運行求得最優(yōu)樞紐中心節(jié)點和相對應(yīng)的最優(yōu)路徑選擇。其中禁忌搜索算法在10代左右算法收斂，收斂速度較快，整個運輸網(wǎng)絡(luò)成本從1 835 000元收斂至1 760 000元。若采用長途汽車進(jìn)行卷煙運輸，通過計算成本為1 801 100元，節(jié)省運輸成本開支41 100元。上述汽車成本未考慮車輛折舊和維護(hù)、職工福利、過橋費和養(yǎng)路費等費用，因此實際上汽車直送的費用要大于1 801 100元，而且隨著公鐵聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)的完善，鐵路的折扣系數(shù)會繼續(xù)降低，軸輻式集裝箱公鐵聯(lián)運將會更有優(yōu)勢。軸輻式公鐵聯(lián)運運輸網(wǎng)絡(luò)中O-D圖如圖6所示。

圖6 集裝箱公鐵聯(lián)運運輸網(wǎng)絡(luò)O-D圖

由圖6可知，建立節(jié)點城市4和節(jié)點城市12為樞紐點，完成從省內(nèi)卷煙廠到目標(biāo)銷售地區(qū)的卷煙運輸，由于節(jié)點城市4與節(jié)點城市7距離較近，所以編號4未標(biāo)出，以7共同表示樞紐城市4和節(jié)點城市7。在整個卷煙運輸網(wǎng)絡(luò)中，運輸方式主要有公鐵聯(lián)運、鐵路直送、汽車直送和公路接駁四種路線。公路接駁對應(yīng)同市內(nèi)煙廠間轉(zhuǎn)運存儲。公路直送節(jié)點對為市內(nèi)短距離運輸，鐵路直送多為發(fā)貨點距離樞紐站較遠(yuǎn)且運量較大的節(jié)點城市。節(jié)點城市2、節(jié)點城市3和節(jié)點城市1均有一定運量通過樞紐點進(jìn)行軸輻式公鐵聯(lián)運。同時省內(nèi)各點之間的移庫作業(yè)均為汽車直送形式。從節(jié)點城市2運往節(jié)點城市12和節(jié)點城市9的運輸方式為汽車直送，節(jié)點城市2位于省內(nèi)最北方，距離樞紐點4的距離較遠(yuǎn)，但節(jié)點對之間的運量相對較少，為避免繞行增加額外成本以及受運量限制，鐵路運行成本優(yōu)勢不足以抵消火車的開行費用；且其貨運量加入到鐵路樞紐節(jié)點間干線運輸不能產(chǎn)生更優(yōu)惠的折扣系數(shù)，因此采用汽車直送運輸。

由于河北省地形限制，各個需求點較為分散，在河北省內(nèi)只選用一個樞紐節(jié)點運輸成本降低幅度不大，在一定范圍內(nèi)增加樞紐節(jié)點數(shù)目，軸輻式集裝箱公鐵聯(lián)運的成本優(yōu)勢會更加明顯。

5 結(jié)語

本文首先對集裝箱公鐵聯(lián)運集裝化裝載及運輸組織進(jìn)行設(shè)計，構(gòu)建了單分配混合軸輻式公鐵聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)模型，運用禁忌搜索和遺傳算法，充分考慮多方面因素，在最短的時間內(nèi)得出近似最優(yōu)解。實驗結(jié)果表明，此公鐵聯(lián)運方案能夠達(dá)到降本增效的目的。同時提出以下三點建議：

（1）針對部分區(qū)域?qū)嶋H情況，一定程度上繼續(xù)發(fā)揮集團(tuán)現(xiàn)有的汽運優(yōu)勢，卷煙運輸公鐵聯(lián)運規(guī)模需由小及大，逐步積累經(jīng)驗，并要積極與當(dāng)?shù)卣丸F路部門溝通協(xié)調(diào)，進(jìn)一步改善貨車通行條件，做好現(xiàn)有站場的基礎(chǔ)改造工作。并積極進(jìn)行揀選、存儲、裝卸搬運作業(yè)的技術(shù)改造，與有條件的商業(yè)公司合作，積極落實，為公鐵聯(lián)運的具體實施提供保障。

（2）實現(xiàn)集裝化。一方面需要升級現(xiàn)有樞紐節(jié)點的配套設(shè)施，根據(jù)各個樞紐節(jié)點的需求量和需求密度增設(shè)集裝箱吊裝設(shè)備，提升裝卸搬運能力和作業(yè)效率。另外需要各個煙草公司和生產(chǎn)廠倉庫配備相應(yīng)的紙滑托盤、叉車等基礎(chǔ)設(shè)施，提高整個公鐵聯(lián)運過程中的集裝化服務(wù)水平。

（3）加強(qiáng)物流信息化建設(shè)，縮短集結(jié)時間。由算法計算過程中知，集裝箱集結(jié)時間占總時間比例較大。在具體實施中，應(yīng)該加強(qiáng)公鐵聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)的信息化建設(shè)，增加每個樞紐節(jié)點的覆蓋范圍，形成規(guī)模效應(yīng)，減少公鐵聯(lián)運成本，提高公鐵聯(lián)運網(wǎng)絡(luò)的運輸效率。