汽車主機(jī)廠A循環(huán)取貨路徑規(guī)劃問題

楊 華，王佳慧，陳超健

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津 300050）

0 引言

為了降低入廠物流成本，提高運(yùn)作效率，對(duì)于小批量、高頻次的汽車零部件，汽車主機(jī)廠委托第三方物流公司，按循環(huán)取貨模式從多家供應(yīng)商提取零部件。對(duì)于第三方物流企業(yè)，以汽車主機(jī)廠入廠物流循環(huán)取貨實(shí)際運(yùn)作需求為依據(jù)，對(duì)循環(huán)取貨過程中取貨器具需求量、運(yùn)輸車輛選配、取送貨順序、路徑規(guī)劃等問題進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[1]以安吉汽車物流公司零部件供應(yīng)商及入廠模式為研究對(duì)象,根據(jù)不同類別的零部件供應(yīng)商分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的零部件入廠模式。文獻(xiàn)[2]提出了基于第三方物流的汽車零部件物流Milk-run模式,并設(shè)計(jì)了實(shí)施該模式的運(yùn)作流程。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用Enterprise Dynamics軟件以一個(gè)汽車生產(chǎn)廠商、三家供應(yīng)商為例,構(gòu)建了汽車零部件物流循環(huán)取貨的仿真模型。文獻(xiàn)[4]分析了某工廠大量弱異性中小尺寸貨物裝車堆碼特點(diǎn)，研究了入廠物流路徑優(yōu)化決策問題。文獻(xiàn)[5]以B汽車制造企業(yè)零部件入廠物流循環(huán)取貨的實(shí)際運(yùn)作模式為基礎(chǔ)，添加了庫(kù)存與時(shí)間窗的限制約束條件,設(shè)計(jì)了改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[6]對(duì)三維裝載約束下的零部件循環(huán)取貨路徑優(yōu)化問題進(jìn)行探討研究。文獻(xiàn)[7]針對(duì)汽車零部件產(chǎn)業(yè)中入廠物流模式進(jìn)行研究，在分析庫(kù)存和配送之間的博弈合作關(guān)系以及考慮時(shí)間窗對(duì)影響下，建立了帶軟時(shí)間窗約束和庫(kù)存約束的循環(huán)取貨入廠物流模型。

上述文獻(xiàn)大多是運(yùn)用算法對(duì)零部件入廠物流循環(huán)取貨路徑優(yōu)化問題進(jìn)行研究。本文以汽車主機(jī)廠A循環(huán)取貨問題為研究對(duì)象,從汽車需求實(shí)施循環(huán)取貨需求出發(fā)，從主機(jī)廠制造部門當(dāng)日零件需求量、取貨器具需求量、車輛裝載率、取送貨順序、路徑規(guī)劃等方面進(jìn)行研究，為有效實(shí)施循環(huán)取貨提供借鑒。

1 汽車主機(jī)廠循環(huán)取貨流程

某汽車主機(jī)廠循環(huán)取貨流程如圖1所示。

圖1 某汽車主機(jī)廠循環(huán)取貨流程圖

（1）主機(jī)廠匯總制造部門對(duì)零部件的生產(chǎn)需求，并將制造部門需求發(fā)送至第三方物流補(bǔ)貨看板；

（2）第三方物流依據(jù)接收的看板指令，拉動(dòng)短駁運(yùn)輸；

（3）第三方物流將補(bǔ)貨的指令發(fā)送至對(duì)應(yīng)供應(yīng)商；

（4）供應(yīng)商登陸系統(tǒng)獲取路線時(shí)間及涉及路線零件等信息，并依據(jù)接收到的看板指令進(jìn)行供貨準(zhǔn)備；

（5）第三方物流卡車到達(dá)主機(jī)廠卸貨口后，由叉車將提前設(shè)定的規(guī)格、數(shù)量的空器具自器具存儲(chǔ)區(qū)域叉運(yùn)至車上。運(yùn)完成后，卡車駛出卸貨口離開主機(jī)廠，按計(jì)劃向指定供應(yīng)商出發(fā)；

（6）到達(dá)供應(yīng)商后，卸下對(duì)應(yīng)空器具，裝上滿器具，完成裝卸后，前往下一個(gè)供應(yīng)商處進(jìn)行相同步驟，直到全部空器具卸下并裝上零件后，返回主機(jī)廠卸貨口卸貨；

（7）零件收貨后，主機(jī)廠卸貨口的人員操作系統(tǒng)收貨。

2 入廠物流零部件循環(huán)取貨問題求解

2.1 假設(shè)條件

（1）卡車取貨零件重量在滿載情況下也不會(huì)達(dá)到載重限制，僅考慮車廂容積限制；

（2）每種零件的包裝適于和別的零件同車運(yùn)輸且零部件在裝車過程中難易程度相同；

（3）零部件供應(yīng)商供貨量已知、地理位置已知，每次循環(huán)取貨每個(gè)供應(yīng)商只被訪問一次，每條循環(huán)取貨路徑上的任務(wù)由一輛車完成；

（4）器具上有固定器具所用凹槽及支架，僅同種器具可以堆垛，本地循環(huán)取貨零件較輕，無壓壞器具及器具內(nèi)零件的風(fēng)險(xiǎn)，均可堆垛。

2.2 求解步驟

（1）列出不同供應(yīng)商兩點(diǎn)之間、主機(jī)廠到供應(yīng)商之間的距離矩陣；

（2）計(jì)算所有供應(yīng)商兩點(diǎn)之間、主機(jī)廠到供應(yīng)商之間的節(jié)約里程量，按節(jié)約里程量的大小排序；

（3）根據(jù)主機(jī)廠生產(chǎn)車型比例、節(jié)拍、生產(chǎn)時(shí)間計(jì)算出當(dāng)日需取貨的零件用量，再根據(jù)器具參數(shù)，計(jì)算出當(dāng)日循環(huán)取貨所需器具數(shù)量；

（4）根據(jù)節(jié)約里程量的大小和各種限制條件，判斷兩點(diǎn)是否可以連接，若不能連接，則換成節(jié)約里程稍小的兩個(gè)點(diǎn)，再進(jìn)行判斷是否可以連接；

（5）重復(fù)步驟4，以當(dāng)日總里程最小為目標(biāo)，直到所有的點(diǎn)被連接起來，形成最終循環(huán)取貨路線。

3 算例分析

3.1 供應(yīng)商兩兩之間距離計(jì)算

本文選取該廠10 家供貨商，只考慮兩兩供應(yīng)商及各供應(yīng)商到主機(jī)廠之間的記錄直線行駛距離，見表1。

根據(jù)表1，利用節(jié)約法計(jì)算出兩兩供應(yīng)商之間的節(jié)約里程量，見表2。

表1 兩兩供應(yīng)商及各供應(yīng)商到主機(jī)廠之間距離

3.2 根據(jù)節(jié)約里程大小排序

依據(jù)表2按節(jié)約里程量的數(shù)值大小，采用降序排列方式得表3。

表2 兩兩供應(yīng)商及各供應(yīng)商到主機(jī)廠之間節(jié)約里程

表3 節(jié)約里程降序表

3.3 循環(huán)取貨器具用量計(jì)算

（1）當(dāng)日零件需求量。A廠主要生產(chǎn)R、S兩種車型，車型比例為3:2；節(jié)拍為70JPH，兩輛車下車間隔1min；每天按8h工作制，稼動(dòng)率為87.5%計(jì)算。按照車型日產(chǎn)量=生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)（H）×節(jié)拍（JPH）×稼動(dòng)率×車型比例計(jì)算，R車型日產(chǎn)量294輛，S車型日產(chǎn)量196輛。

以P1 為例,廠家提供代碼為I 的零件，零件類型為大件，用于生產(chǎn)R型汽車，單車用量為2件零件，當(dāng)日取貨比例為0.5。根據(jù)公式零件單日用量=車型日產(chǎn)量×單車用量×當(dāng)日取貨比例，得出P1需求I零件為294 件。按這種方法依次算出其他廠家的零件的需求量。循環(huán)取貨當(dāng)日零件需求量見表4。

表4 循環(huán)取貨當(dāng)日零件需求量

（2）當(dāng)日器具需求量。當(dāng)日循環(huán)取貨的零件采用托盤或周轉(zhuǎn)箱作為集裝單元組織運(yùn)輸。

供應(yīng)商P1、P3、P5、P7、P8、P9、P10所取零件類型為大件，采用周轉(zhuǎn)箱裝車運(yùn)輸。以P1為例，零件代碼I 的當(dāng)日需求量為294 件，周轉(zhuǎn)箱容量為40 個(gè)，依據(jù)零件單日器具量=零件單日需求量/單個(gè)周轉(zhuǎn)箱容量，計(jì)算得出P1 所需周轉(zhuǎn)箱的數(shù)量約為7.35，近似為8個(gè)。其他廠家按同樣計(jì)算方式依次得出單日所需周轉(zhuǎn)箱的數(shù)量，見表5。

供應(yīng)商P2、P4、P6 所取零件類型為小件，先是選用周轉(zhuǎn)箱集裝，再放在托盤上裝車運(yùn)輸。以P2為例，零件代碼為II的當(dāng)日需求量為1 470件，單個(gè)周轉(zhuǎn)箱容量為20 件零件量，整托盤容量為20 個(gè)周轉(zhuǎn)箱量。依據(jù)零件單日器具用量=零件單日需求量/單個(gè)周轉(zhuǎn)箱容量*整托盤容量，計(jì)算得出所需整托盤數(shù)量約為3.675，近似為4 個(gè)托盤，所需周轉(zhuǎn)箱的數(shù)量為400個(gè)。其他廠家按同樣計(jì)算方式依次得出單日所需器具量，見表5。

表5 循環(huán)取貨當(dāng)日器具需求量

（3）運(yùn)輸車輛選配。由于進(jìn)行循環(huán)取貨路徑規(guī)劃，需考慮供應(yīng)商循環(huán)取貨器具量占車輛體積之間的占比，故選定合適的車輛是重要的一環(huán)，同時(shí)考慮器具的長(zhǎng)度、寬度和托盤的長(zhǎng)與車輛寬度的匹配度。

為方便卸貨操作，選定使用9.4m*2.45m*2.45m的三開翼廂式卡車進(jìn)行運(yùn)輸。從表5可知除P1使用器具寬度為1.2m 外，其余廠家托盤及大件器具長(zhǎng)度均為1.2m，在車廂寬度方向可容納2排托盤或器具。

（4）單車器具體積占比。對(duì)循環(huán)取貨路徑進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，考慮供應(yīng)商循環(huán)取貨器具量占車輛體積之間的占比為約束，計(jì)算公式為：器具體積占比=器具體積/車輛體積。

以P1 為例，按周轉(zhuǎn)箱長(zhǎng)為1.4m、寬為1.2m、高為1.15m，根據(jù)車廂尺寸，在長(zhǎng)度方向可排6列，在高度方向可堆垛2層。根據(jù)表5可知需取10個(gè)周轉(zhuǎn)箱，只堆碼一層即可，器具體積占比=8*1.4*1.2/（9.4*2.45）/2，約為29.8%（留有空間）。

其他供應(yīng)商按同樣的計(jì)算方式依次得到器具單車體積占比。供應(yīng)商器具單車體積占比見表6。

表6 供應(yīng)商器具單車體積占比表

3.4 循環(huán)取貨的路徑規(guī)劃

根據(jù)節(jié)約里程順序表和各個(gè)供應(yīng)商循環(huán)取貨器具占比約束條件，逐步對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃。若某供應(yīng)商的器具體積能占用整車容積的85%，則該部分采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸”，即路線由主機(jī)廠出發(fā)，前往該供應(yīng)商取貨后直接返回主機(jī)廠卸貨。若兩家供應(yīng)商合并路線后器具體積占用整車容積不足85%或超過100%時(shí)，應(yīng)重新規(guī)劃路線，路徑規(guī)劃以節(jié)約里程優(yōu)先。

按照以上方法做出路徑規(guī)劃，結(jié)果如下：

路線1：主機(jī)廠→P7→主機(jī)廠；

路線2：主機(jī)廠→P8→主機(jī)廠；

路線3：主機(jī)廠→P3-P5→主機(jī)廠。

依據(jù)表3節(jié)約里程降序表、表6供應(yīng)商器具體積占比表，優(yōu)先選擇序號(hào)為1 的路線，連接P3 與P5，合并路線后，兩個(gè)廠家的零件裝載至同一車廂中，路線中車廂體積占比為89.6%，驗(yàn)證車廂可以容納，P3、P5在后續(xù)規(guī)劃中剔除。

路線4：主機(jī)廠→P10→P2→P1→主機(jī)廠。

依據(jù)表3節(jié)約里程降序表、表6供應(yīng)商器具體積占比表，在剩余的供應(yīng)商中選擇，按照距離表順序，連接P2 及P10。合并路線后，體積占比為54.8%，體積占比低于85%的標(biāo)準(zhǔn)值，又因?yàn)镻1在P2、P10合并路線后的必經(jīng)之路上，故路線4中合并P1，合并后的體積占比為87.8%，驗(yàn)證車廂可以容納，P1、P2、P10在后續(xù)規(guī)劃中剔除。

路線5：主機(jī)廠→P4→主機(jī)廠；

路線6：主機(jī)廠→P9→P6→主機(jī)廠。

除去上述剔除的模型外，剩下P4，P6，P9。分別兩兩組合，生成以下路線：①主機(jī)廠→P4→P6→主機(jī)廠，主機(jī)廠→P9→主機(jī)廠；②主機(jī)廠→P4→P9→主機(jī)廠，主機(jī)廠→P6→主機(jī)廠；③主機(jī)廠→P6→P9→主機(jī)廠，主機(jī)廠→P4→主機(jī)廠；④合并P6,、P9 加上P4 的一部分，P4 剩下的再取一趟；⑤合并P4 與P9 的一部分，P6 與 P9 剩下的合并；⑥合并 P4 和 P6 的一部分，P9與P6剩下的合并。

一共6 種方案，按照上述方式計(jì)算，生成的路線③：主機(jī)廠→P6→P9→主機(jī)廠，主機(jī)廠→P4→主機(jī)廠的方案最為合適，路程最短。P4、P6 及P9 從模型中剔除。模型中已無待取零件，本日循環(huán)取貨結(jié)束。

由上可以得到循環(huán)取貨供應(yīng)商路徑規(guī)劃圖，如圖2所示。

圖2 循環(huán)取貨供應(yīng)商路徑規(guī)劃圖

4 結(jié)語

本文結(jié)合汽車主機(jī)廠A循環(huán)取貨的實(shí)際運(yùn)作模式，對(duì)循環(huán)取貨路徑規(guī)劃問題進(jìn)行了研究。在對(duì)當(dāng)日零件需求量、器具需求量、運(yùn)輸車輛選配、單車器具體積占比提出計(jì)算方法基礎(chǔ)上，選取了汽車主機(jī)廠A的部分供應(yīng)商分布數(shù)據(jù)，運(yùn)用節(jié)約里程法對(duì)循環(huán)取貨路徑規(guī)劃問題進(jìn)行了研究，以便對(duì)其他汽車制造企業(yè)設(shè)計(jì)循環(huán)取貨路徑優(yōu)化方案，使循環(huán)取貨問題在當(dāng)今復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下保持高效和便利提供借鑒意義。