貨物配裝優化問題研究及其應用

□ 湖北物資流通技術研究所 湛 信 沈緒明

貨物配裝優化問題研究及其應用

□ 湖北物資流通技術研究所 湛 信 沈緒明

貨物配裝是配送的一個重要環節 運輸成本占配送成本的比重較大 這就要求我們最大程度發揮裝載工具容積和承載能力 在容積和載重量一定情況下 盡量做到滿載滿裝 從而降低配送成本。貨物配裝問題解決得好壞直接關系到車輛空間、載重的利用率和物流成本的高低。因此 合理的配裝有利于物流企業提高空間利用率低、降低運營成本、提高配送效率。

一、貨物配裝問題

貨物配裝問題是當前業界與學術界研究的熱門問題。其廣泛應用于交通和物流業 屬于組合最優化問題和NP完全問題 如同旅行商問題、大合數分解質因數和求大素數問題一樣 加上自身的復雜性 很難求得精確解 只能通過間接的“猜算”來得到結果。經典的貨物配裝問題要求把一定數量的貨物放入容量一定的箱體中在滿足各種限制條件的前提下 使得箱體中所裝入貨物的總體積最大、總質量最大或者是所裝入貨物的總價值最大等 以獲得某種最佳的效益。它在大多數情況下屬于多目標、多約束條件下的高度復雜優化問題 需根據裝載工具和所要裝運的貨物形狀來確定的最優化問題。

目前 在物流配送的貨物配裝環節常采用人工估算拼裝 往往憑借經驗 沒有統一的規劃 造成空間利用率低、貨物擺放混亂、運載空間沒有得到充分利用等問題 有時需反復進行裝卸才能成功 浪費大量的人力和物力。對于約束較少 簡單貨物的配裝優化 可使用市面上已有的一些智能化的貨物裝載軟件進行配裝。但是多數情況下貨物的配裝因配送工具和貨物的多樣化、問題復雜程度的不同 需施加不同的限制。貨物配裝在一定程度上可轉化為集裝箱裝載 可借鑒集裝箱配裝優化的研究成果 針對具體問題開發相應的貨物配裝優化軟件進行貨物的配裝。

二、貨物配裝優化算法

目前 貨物配裝從裝載工具和貨物兩方面可以分為四種配裝情形 即單個裝載工具配裝、多個裝載工具的并行配裝、相同體積貨物的配裝、不同體積的貨物的配裝。在學術研究方面 研究的多為不帶性能約束的配裝問題 而實際貨物配裝要考慮諸多約束 如箱體的重量約束、體積約束等 貨物的方向約束、承載性約束、穩定性約束、隔離限制、是否編組等 更復雜的情況還涉及多目的地、貨物配置順序等。要實現任意約束條件下的三維物體的裝載問題至今尚無成功的通用的方法。目前在配裝優化中常用的方法有窮舉法、啟發式搜索法、遺傳算法、模擬退火算法、神經網絡方法、分層法、圖論法、空間分割法等。

到目前為止 人們對貨物配裝優化提出了許多算法 但都有明顯不足 窮舉法在箱子數目稍大時就存在“組合爆炸” 啟發式搜索法引入的啟發信息依賴于個人經驗 并且同樣存在“組合爆炸” 遺傳算法作為一種隨機化搜索算法 具有很強的全局搜索能力 特別適合求出問題的近似最優解 但在解群分布不均勻時 易于出現未成熟收斂 陷入局部極優 模擬退火算法往往優化過程較長 神經網絡方法在解決裝箱問題時效果明顯 但它收斂速度慢 易陷入局部極優。目前比較流行的是將啟發式算法和遺傳算法、遺傳算法和模擬退火算法等相結合 加之有效設計取長補短 以遺傳算法為基礎 保留其強全局隨機搜索能力 同時又能提高算法的群體多樣性 產生更好的優化效率。

三、貨物配裝優化在家電行業中的應用

目前 中國家電業發展迅猛 中國已名符其實地成了世界家電第一大國。近年來 隨著國內市場的價格戰和跨國公司的強勢進入 中國家電行業壓力驟增。物流競爭在如今的家電業競爭占有重要地位 高效率、低成本的現代家電物流是必由之路。家電行業的物流配送流程中 由于配送量大、產品種類繁多采用傳統的人工估算操作不僅工作量大 而且配送人員的工作效率和配送的準確率、車輛空間利用率都受到限制 導致產品運輸成本居高不下 不利于提高企業競爭力。開發專業的家電配裝軟件 實現家電自動配裝優化就顯得至關重要了。

家電的貨物配裝在貨物配裝問題研究上很有代表性 常采用廂式運輸車和高低板掛車作為運輸工具。采用廂式運輸車作為運輸工具 體積一定且封閉性強 類似集裝箱貨物裝載。針對廂式運輸車的體積和實際裝載過程中的各種約束條件 對家電配裝問題進行抽象和界定 設計模型求解的算法 借鑒集裝箱配裝優化方法 編制相應程序 按照客戶要求 產生裝箱方案 完成家電的配裝優化。

高低板掛車沒有側壁和箱頂 裝載靈活性高 裝載空間較大 因此被廣泛用來進行家電產品的配送運輸。由于車廂廂體的非規則性 高低板掛車配裝優化問題難度較大。根據其箱體特性以及實際裝載過程中的各種約束條件（家電產品屬輕密度產品 不考慮車輛的載重約束）進行詳細分析 將高低板掛車的配裝過程抽象為一般意義上的規則三維裝箱模型 借鑒集裝箱配裝優化方法 采用分層裝載思想以及空間劃分合并原則 將基于空間分解的構造式啟發式規則融入基本遺傳算法中 利用計算機強大的數據處理功能 實現了家電的自動配裝優化。

四、常用的裝箱軟件

裝箱軟件能為客戶提供高度優化的集裝箱裝箱方案 幫助客戶提高裝貨效率 節省計算方案的時間降低貨物運輸環節的費用 已被廣泛應用于集裝箱裝箱、拼箱、卡車裝貨配載、托盤裝載、貨柜排柜設計、裝柜計算、包裝箱設計和企業物流系統管理等領域。常用的裝箱軟件有很多 這里僅介紹Loadmaster、LoadExpert、MaxLoad Pro、Cube-IQ。

1. Loadmaster

Loadm aster裝箱大師由北京達緯恒通信息技術有限公司開發 是目前國際市場上集裝箱裝載率非常高且廣泛使用的智能優化裝箱軟件。Loadmaster裝箱大師致力于解決貨物在集裝箱、廂式貨車等容器中的最優擺放問題 適用于計算貨柜裝柜、集裝箱、拼柜、卡車裝箱、火車裝箱、紙箱裝箱、托盤裝柜 幫助貨主、貨代和承運企業簡單快速地設計高效的集裝箱優化裝載方案 達到對空間和載重能力最大利用 提供給客戶高度優化的集裝箱優化裝載方案。

2. LoadExpert

LoadExpert裝柜專家是廣州王石信息技術有限公司開發的一款集裝箱智能優化裝箱軟件 目前在國內市場上占有率非常高且用戶極廣。裝柜專家適用于各種貨柜拼柜排柜、卡車排柜、火車排柜、紙箱排柜、托盤 棧板 裝柜 能夠根據貨物的重量、體積、集裝箱的規格等條件自動分析自動安排裝箱的順序 并可以打印出裝箱清單和裝箱步驟分解圖等。

3. MaxLoad Pro

MaxLoad Pro是至今為止 全世界物流行業公認的最優秀的裝載包裝產品的策劃及優化軟件。MaxLoad Pro 采用參量驅駛的科學算法及廣泛的堆碼規則來決定最佳的運貨模式。它具有成本運算功能支持多站式及優先式裝貨、廣泛的堆貨、裝貨規則及載重計算 支持裝載物品和運輸工具的多樣化以及裝貨計劃和過程的立體圖像顯示功能可協助客戶準確地計算所需的集裝箱數目 提高裝箱效率及將貨運成本減低10%-25%。

4. Cube-IQ

Cube-IQ裝載優化軟件是美國MagicLogic公司開發的一套解決配載問題的優化軟件。其內嵌了世界領先的數模優化引擎 能夠成功地幫助某些企業解決在物流配載、管理過程中所面臨的種種問題 諸如如何根據貨物的運送順序以優化的方式裝載貨物 如何組合訂單 如何選用不同的運輸工具才能達到運送成本最低的目的等等。Cube-IQ的運行速度也非常快 能提供最可行的裝配解決方案。與傳統的手工配載方案相比 使用Cube-IQ系統可提高裝載容器（海運集裝箱 板條箱 貨盤 卡車等）10%-15%的利用率 能最大限度提高裝載容器利用率。

五、貨物配裝優化問題的研究方向和趨勢

隨著社會的發展 新方法新技術層出不窮 作者認為今后對貨物配裝優化問題的研究方向和趨勢將會有如下特點

1. 建立一種算法集成框架

當前大多數文獻所研究的方法僅僅針對配裝問題的某一兩個方面 如載重量、容積、穩定性等 不能完全適用實際的復雜情形。加上新的方法的不斷提出 目前各種方法的改進 以及混合優化策略的發展等 因此可以集合每種方法的特長 形成一個貨物配裝優化框架方案 從各近似解中選取最優解。

2. 建立貨物約束條件庫并進行優先級排序

貨物配裝在實際操作中要考慮諸多約束 如箱體的約束、貨物的約束等等 可結合配載結果 通過建立貨物約束條件庫 設定貨物約束優先級 編寫優先級排序算法 遇到具體的貨物配裝只需勾選相應的貨物約束條件 并進行優先級排序 得到當前優先級裝載方案 混合相應的貨物配裝優化算法進行貨物的配裝。

3. 多車型多包裝配裝

當前對于多車型多包裝配裝研究仍然處于初始階段 針對產品品種繁多 包裝形態、儲運性能不一在保證貨物質量和數量完好的前提下 應用集合區分、排程方法最大程度提高車輛在容積和載貨兩方面的裝載量。

4. 非方形及不規則形狀貨物配裝

迄今為止 大多數文獻只是針對長方體包裝貨物的配裝對于不規則形狀的貨物少有敘述。因此針對軍事、服裝、電纜、造紙等行業的產品配裝研究 也將有很重要的工業應用價值。

5. 單元化裝載

加快集裝容器 托盤、集裝箱 的標準化 推廣單元化裝載系統在物流配送中的應用 不僅有利于裝卸作業 也會帶來可觀的經濟效益 已經成為有效客戶響應的一種手段。

6. 貨物配裝配載結合研究

以車輛為研究對象 從配送中心的角度出發 將配送分為配載和配裝兩個階段 配載在前 選擇車型優化配載 配裝在后 車型一定時 配裝貨物使車輛的空間利用率最大 合理運用車輛的運能運力 節約配送成本 提高物流一體化配送水平。

六、貨物配裝優化對我國物流配送的影響和意義

貨物配裝問題在大部分企業中一直得不到很好解決 這里面既有企業自身不愿投資開發或購買配裝優化軟件的原因 也有當前商業化的智能裝箱軟件不能很好地滿足各企業的實際需要的原因。

隨著物流系統的集約化、一體化發展 需要將配送的各作業環節綜合起來進行考慮。配裝質量的好壞直接關系到配送的效率 貨物配裝又是配送企業節約運送成本的一個著眼點。因此 針對具體行業和運輸情況 開發相應的貨物配裝優化軟件有利于物流企業提高車輛裝載率、減少貨物損壞、減少對公共資源

如道路、鐵路等 的占有率 這對提高物流效益、降低運營成本、滿足消費者多樣化要求以及提高配送效率等都有著十分重要的保證作用。同時 貨物配送優化對減少噪聲污染、節能減排、保護環境均有十分重要的意義。

[ 綜 述 ]