基于3D打印技術的物流運輸體系研究

馬華偉，梁泰鵬，劉 彬，盛 巧

（合肥工業大學 管理學院，安徽 合肥 230002）

基于3D打印技術的物流運輸體系研究

馬華偉，梁泰鵬，劉 彬，盛 巧

（合肥工業大學 管理學院，安徽 合肥 230002）

基于3D打印技術，在物流運輸配送體系中引入3D打印服務商，利用信息傳遞替代了傳統模式中生產商運輸商品到配送中心的環節，建立以運輸配送成本最小化為目標并且考慮運輸損耗的新型物流運輸配送模型。結合具體算例，利用Lingo精準求解運輸配送成本，與傳統模式下的成本進行比較，證明新模式具有成本優勢。

3D打印；物流配送；運輸體系；線性規劃

1 引言

3D打印技術，又稱快速成型技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的增材制造技術。3D打印技術憑借傳遞數字文件以代替實物運輸的優點，將對物流行業產生沖擊，例如，3D打印技術僅需用兩個小時即可制作完成傳統國際物流需要一周才能運達的物品。引入3D打印技術是未來物流行業提高運輸速度與降低配送成本的一條可行之路[1]。

3D打印技術國內外的研究主要集中在教育、醫學、工業設計、航空航天等領域。3D打印技術憑借其高效、精準的特點打印骨骼、模具、零件等相關物品用以醫療、制造及應用[2-5]。除此之外，也有一些人對3D打印材料[6]、3D打印技術應用于圖書館[7]及3D打印技術專利侵權問題[8]進行了研究。在探究3D打印技術對物流行業發展的影響方面，除物流技術編輯部（2013）進行過零散解讀以及喬益民[9]對3D打印在包裝容器成型中的研究外，金玉然[1]和馬國偉[10]從宏觀局面上就3D打印技術對全球物流戰略性影響和對供應鏈的影響分別進行了分析。

現有的3D打印技術對物流行業影響的研究均為宏觀上的定性分析，缺乏定量研究的數據支撐。為探究引入3D打印技術后能否降低運輸成本，筆者在此提出了一種基于3D打印技術的新型物流運輸配送模式，并構建物流成本模型，利用混合整數規劃求解模型，設立算例并與傳統物流配送模式進行定量比較，體現新模式下物流成本的優越性。

2 問題描述及模型構建

傳統路徑優化問題方面的研究都是通過改進算法或適當選址來降低運輸配送成本[11-12]，然而引進3D打印技術后，利用其可以通過電子數據傳輸的形式替代實物運輸的特點，直接改變物流運輸配送的模式，兩種模式對比如圖1、圖2所示。

當確認顧客訂單后，圖1中傳統的物流運輸配送模式將從生產企業運輸商品至配送中心，經揀選分裝后配送至各顧客手中。而應用圖2中的新型物流運輸配送模式，企業只需確定距離顧客最近的3D打印服務商并向其發送打印資料，由3D打印服務商制作完成后配送至相應的顧客手中即可，減少了諸多的中間環節，從而降低了成本。

由上述分析可知，新型的物流配送模式去除了企業運輸商品到配送中心的環節，而是直接傳輸電子信息文件給靠近買家的3D打印服務商，由3D打印服務商進行打印并配送給顧客。因此該問題可描述如下：某一企業通過3D打印服務商向多位顧客提供商品，已知所有3D打印服務商和每位顧客的位置及兩者間單位運費，已知每位顧客的需求量和3D打印服務商供應量，已知單位距離物品損耗率。要求確定進行生產配送的3D服務商使得運輸配送成本最小化。

為使得所建模型構建更加方便，現條件假設如下：（1）運輸路線考慮為兩點之間直線距離。（2）3D打印服務商生產能力滿足其所服務區域的需求量。

圖1 傳統物流配送模式

圖2 引入3D打印服務商后的新型配送模式

2.1 變量假設

商品價值為P；顧客商品需求量為Dj；；生產廠商a，各3D打印服務商地址為 Ii,i=1,2,3,…,n，各顧客位置為Jj,j=1,2,…,m，Ii距離Jj運程為dij，Ii與Jj之間單位貨物單位距離平均運費成本為Cij；Xi為邏輯變量，3D打印服務商供應量為Si；商品單位路程損耗率為P，則運輸成本如下：

式（1）為模式設計的目標函數，即運輸配送成本最小化；式（2）表示3D打印服務商供應能力滿足顧客總需求量；式（3）表示任一顧客訂單由一個3D打印服務商生產配送；式（4）表示3D打印服務商選用決策；式（5）表示參數限制。

2.2 模型求解

優化后的運輸成本最優化問題都為帶約束的整數線性規劃模型，可以利用Lingo編程求解模型，得到精確最優解。

3 算例分析

現有一個飾品加工企業，單個商品價值1 000元，生產廠房位于B地，現向A地的20名顧客發送商品，商品單位路程損耗率為0.000 1，負責A地范圍服務的有3個3D打印服務商（注：為增強可比性，3D打印服務商與配送中心地理位置信息及運費價格一致，為方便起見，表2、表3未同時標注配送中心和3D打印服務商）。生產廠商與配送中心間的距離及運費、3D打印服務商距經顧客距離及運費、顧客需求量見表1-表4。

表1 配送中心到廠商之間距離及運費表

表2 配送中心（或3D打印服務商）到顧客間運費表（元/km·件）

表3 配送中心（或3D打印服務商）到顧客間距離表（km）

表4 顧客需求量表（件）

新型物流運輸配送模式3D打印服務商選擇結果見表5，成本計算結果如下：運輸總成本為18 465元，商品價值損耗總成本為314.5元。新模式最終成本為18 779.5元。

表5 新模式下邏輯變量X選擇表

傳統物流運輸配送模式配送中心選擇結果見表6，成本計算結果如下：3個配送中心接收商品數分別為150、25、323件，廠商到配送中心運輸成本為40 660元，配送中心到顧客配送成本為21 609元，商品損耗成本為3 508.3元。最終總成本為65 777.3元。

表6 傳統模式下邏輯變量X選擇表

由此可見新型模式下的物流成本較傳統模式有極大的縮減。

此外，為探究需求量增長對新舊模式成本的影響，筆者以100為單位將各地區需求量區間從100-200逐步增加至900-100 0，分別求得其成本，計算較上一區間的成本增長率，并在各區間隨機選出5組需求量數據并取平均，折線圖如圖3、圖4所示。

由圖4可知，兩模式下成本增長率隨著需求量增長逐漸降低，兩模式成本增長率趨于重合，但是由圖3可知傳統模式下的成本初始值遠高于新型模式，所以傳統模式的成本隨著需求量的增多，會遠高于新型模式的成本。

4 結束語

本文研究了基于3D打印技術的新型物流運輸配送體系，以運輸配送成本最小化為目標，通過引入3D打印服務商優化模式，去除了傳統物流運輸配送模式下產品由生產地運輸至配送中心的環節，從而降低了總體物流運輸配送成本，同時考慮商品運輸途中的價值損耗，更加貼近實際。通過算例中求出的新模式下精確解與傳統模式相比較，新模式下的成本有顯著降低。但本文建模沒有考慮3D打印的諸多限制因素，且算例直接利用Lingo編程求出精確解，不適用于節點大于等于30的情況。

本文為企業運輸配送商品的模式提供了理論性的借鑒，進一步的研究可以從以下方面進行考慮：考慮加入3D打印相關限制因素如打印時間、打印尺寸后，對運輸配送成本的相關影響；研究3D打印服務商加入產量限制下的配送路徑優化。

圖3 新模式與傳統模式成本隨需求量變化圖

圖4 新模式與傳統模式成本增長率隨需求量變化圖

[1]金玉然,戢守峰,李天柱,等.3D打印對物流產業的影響及對策創新[J].技術經濟與管理研究,2014,(8):105-108.

[2]王萍.3D打印及其教育應用初探[J].中國遠程教育,2013,(8):83-87.

[3]王鎵垠,柴磊,劉利彪,等.人體器官3D打印的最新進展[J].機械工程學報,2014,50(23):119-127.

[4]張楠，李飛.3D打印技術的發展與應用對未來產品設計的影響[J].機械設計,2013,30(7):97-99.

[5]楊恩泉.3D打印技術對航空制造業發展的影響[J].航空科學技術, 2013,(1):13-17.

[6]姚妮娜,彭雄厚.3D打印金屬粉末的制備方法[J].四川有色金屬,2013, (4):48-51.

[7]劉奇扉.探析國外圖書館3D打印服務[J].圖書館論壇,2014,(6):112-115.

[8]劉強.3D打印技術專利侵權問題研究[J].武陵學刊,2014,39(1):55-60.

[9]喬益民,王家民.3D打印技術在包裝容器成型中的應用[J].包裝工程, 2012,(22):68-72.

[10]馬國偉.3D打印對供應鏈的影響[J].科技廣場,2014,(1):175-180.

[11]王恒偉，趙振民.供應鏈運作模式設計中物流配送中心和轉運中心選址研究[J].物流技術,2013,32(10):140-142.

[12]郎茂祥，胡思繼.用混合遺傳算法求解物流配送路徑優化問題的研究[J].中國管理科學,2002,10(5):51-56.

Study on Logistics Transportation System Based on 3D Printing Technology

Ma Huawei,Liang Taipeng,Liu Bin,Sheng Qiao
(School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230002,China)

In this paper,we introduced the 3D printing service provider into the logistics distribution system,used information transmission to replace the transportation of the producer goods to the distribution center,built the innovative logistics distribution model that aimed at minimizing the logistics distribution cost and considered the in-transit loss,and at the end,through a numerical example,proved the cost advantage of the model.

3D printing;logistics distribution;transportation system;linear programming

F259.2

A

1005-152X(2015)10-0072-03

2015-08-05

國家自然科學基金項目“基于物聯網的集裝箱甩掛運輸協同機制與動態調度方法”（71472058）

馬華偉（1977-），男，安徽滁州人，合肥工業大學管理學院，副教授，博士，研究方向：物流與供應鏈；梁泰鵬（1995-），男，山西運城人，合肥工業大學管理學院學生，研究方向：物流管理；劉彬（1994-），男，安徽人，合肥工業大學管理學院學生，研究方向：物流管理；盛巧（1994-），女，安徽六安人，合肥工業大學管理學院學生，研究方向：會計學。

10.3969/j.issn.1005-152X.2015.10.021