基于效用函數的木材物流網絡中的運輸木材量控制研究

李 萌，陳來榮，唐 亮

(北京林業大學 工學院，北京 100083)

木材運輸是指從物流中心運送采伐后的木材到需材點的過程[1]，它包含了從林區運到物流中心的運輸，物流中心到需材點的運輸，以及運輸過程中的運輸木材量管理。木材運輸是木材物流網絡的核心組成部分，木材物流網絡的優化設計是木材物流系統中的重要問題之一。在木材物流網絡中，如何降低木材物流成本，提高木材物流效率成為亟待解決的突出問題。因此在木材物流網絡中研究運輸木材量控制有重要的意義，已吸引了國內外學者廣泛的研究興趣。木材量的控制對于木材物流網絡的交通成本控制，是一個極具挑戰性的問題，因為木材量的運輸成本在整個木材物流系統中占據了很大的一部分[2-3]。有大量的研究工作通過研究運輸路徑的優化來實現運輸成本的控制[4-11]。Lin等學者[4-5]通過研究物流中心的選址問題來降低木材物流過程中的成本，而 Troncoso等學者[6-10]通過路徑優化來降低木材物流過程中的成本。但是在運輸路徑優化中，運輸木材量的控制是一個關鍵性問題。

本文研究探討了木材物流網絡中的運輸木材量控制問題，設計了基于效用函數的木材量控制模型，其中所采用的效用函數理論，已經被廣泛的應用在木材物流網絡中的控制和優化問題中。

1 系統模型

木材物流網絡模型如圖1所示。假設木材物流中心建立在木材的采伐點，存在M={1，2，3，…，m}個物流中心，以及N={1，2，3，…，n}個需材點。物流中心i與需材點j之間的運輸成本為Cij，且Cij可以通過公式(1)得到。

Cij=rijdijWij。

(1)

式中：rij為物流中心i與需材點j之間的單位運輸成本；dij為物流中心i與需材點j之間的運輸距離；Wij為物流中心i與需材點j之間的運輸的木材量。

圖1 木材物流網絡模型

一般的，針對木材物流中心，其中轉木材量的能力有一個上限，如公式(2)所示。

(2)

其中通過Wi來表示物流中心i的中轉(存儲)上限。

針對每一個物流中心，為了將所需木材實時、及時的運輸到需材點，它需要對木材進行存儲，因此將會花費一定的存儲成本。用Sij來表示木材物流中心i為需材點j存儲木材時的存儲成本，且Sij可以表示為，

(3)

其中μij是木材量的單位存儲成本。因此木材物流中心i與需材點j之間的運輸效用函數(成本函數)可以用公式(4)表示。

(4)

當應用效用函數來解決運輸木材量控制的問題的時候，首先要理解一個重要的概念，即效用在這里反映的是運輸成本。基于上述模型，研究一個效用函數，來解決木材物流網絡中的運輸木材量控制問題。所有的運輸路徑所構成的效用函數可以用公式(5)表示。

(5)

在木材物流網絡中，優化目標是最小化網絡中木材運輸的運輸成本，目標是在物流中心的中轉能力限制條件下，最小化公式(5)所給出的效用，如下面的公式(6)所示。

(6)

約束條件為：

對于所有的i∈M,M={1,2,3,…,m}。

(7)

基于上述的目標函數，可以通過計算最優的木材量來得到最小化的成本。公式(6)是整個木材運輸網絡的運輸成本(效用)，公式(7)是每一個木材物流中心的中轉能力限制條件。通過解決公式(6)和公式(7)的最優化問題，可以得到每一條運輸路徑的最優運輸木材量，從而最小化網絡的整體運輸成本。

2 解決方案

討論并給出最優控制問題，即公式(6)和公式(7)的解決方案。

證明：最優控制問題(6)和(7)可以通過拉格朗日算子方法來解決。針對公式(6)，其拉格朗日方程可由下面的公式得到：

(8)

對公式(8)求導數，可以得到：

(9)

令偏導數等于零，可以得到：

rijdij+2μijWij-λi=0。

(10)

解上面的方程，并得到其解表達式如下：

(11)

將公式(11)帶入公式(7)中，可以得到每一個節點的拉格朗日算子λi的表達式如下：

(12)

因此，拉格朗日算子λi可以表達為：

(13)

將公式(13)帶入公式(11)中，可以得到最優的運輸木材量如下：

(14)

3 仿真驗證

對木材物流網絡中的木材運輸進行數字化仿真。假設網絡中存在5個木材物流中心，以及3個需材點。假設所有的木材物流中心與需材點都是兩兩互聯的。給出了仿真所需要的參數設置(見表1)。給出了最終的仿真結果如圖2和圖3所示。從仿真結果，可以得到木材物流網絡中的最優木材量配置，來最小化整個網絡的運輸成本。

圖2 每一條路徑的最優運輸木材量

圖3 每一條路徑的最優運輸成本

表1 仿真參數

4 結束語

本文討論了木材物流網絡中的運輸成本最小化問題，提出了一種新的基于效用函數的優化模型。在模型中，通過考慮木材運輸中的運輸成本和存儲成本兩個因素，構建了木材物流過程中的成本控制效用函數，從而得到了網絡成本最低時的運輸木材量。實例表明，所構建的模型可以獲得木材物流網絡所需的最優木材量，從而實現運輸成本的最小化。所得模型與求解結果為木材物流網絡的構建及

優化提供了有益的決策參考。

在后續的研究中，可能需要考慮更多的影響整個木材物流成本的因素，進一步研究在木材物流網絡中的各參數的動態變化對成本的影響。

【參 考 文 獻】

[1]劉娜翠，林雅惠，邱榮祖.我國木材物流的現狀與發展趨勢[J].物流技術，2006(8)：19-22.

[2]周新年，邱榮祖，張正雄，等.環境友好型的木材物流系統研究進展[J].林業科學，2008，44(1)：1.

[3]Carlsson D，R?nnqvist M.Supply chain management in forestry-case studies at S?dra Cell AB[J].European Journal of Operational Research，2005，163(3)：589-616.

[4]林雅惠，鐘曉燕，鐘聰兒，等.基于遺傳算法的木材物流中心選址研究[J].運籌與管理，2008，16(6)：51-56.

[5]邱榮祖，林雅惠，鐘聰兒.基于 ArcGIS 的木材物流中心選址[J].林業科學，2010，46(6)：113-117.

[6]Fellows M R，Fernau H.Facility location problems：A parameterized view[J].Discrete Applied Mathematics，2011，159(11)：1118-1130.

[7]張利城，吳金卓，何 榮.基于循環取貨模式的車輛路徑優化研究[J].森林工程，2013，29(4)：86-89.

[8]Troncoso J J，Garrido R A.Forestry production and logistics planning：an analysis using mixed-integer programming[J].Forest Policy and Economics，2005，7(4)：625-633.

[9]Gen M，Choi J，Ida K.Improved genetic algorithm for generalized transportation problem[J].Artificial Life and Robotics，2000，4(2)：96-102.

[10]Syarif A，Gen M.Solving exclusionary side constrained transportation problem by using a hybrid spanning tree-based genetic algorithm[J].Journal of Intelligent Manufacturing，2003，14(3-4)：389-399.

[11]陳 誠，邱榮祖.基于混合整數規劃模型的木材物流網絡優化[J].中南林業科技大學學報，2013，33(1)：94-98.