基于GIS的高原夏菜冷鏈物流配送系統設計與實驗研究*

刁 鵬 ，蘇軍德

（甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100）

隨著社會經濟的發展，人們對物質生活的要求越來越高[1]，人們的觀念從“吃得飽”向“吃得好”轉變。消費者對飲食既要追求品類豐富多樣，又要求品質優良、新鮮，配送及時。為了達到這些要求，建立完整的高原夏菜冷鏈物流體系尤為關鍵。調查顯示，蔬菜在運送過程中出現腐爛導致的浪費量占運輸總量的40%～50%[2]，這也是菜價雖高但菜農收入依舊不高的原因之一。為了改變這一現象，解決蔬菜配送問題迫在眉睫，而配送車輛路徑的規劃則成為研究重點。此外，蔬菜在運輸過程中多采用常溫保存和簡單加工，這是造成蔬菜損耗過大的另一原因。GIS可以深度挖掘時間與空間信息，為解決蔬菜配送問題提供了契機[3]。本研究基于GIS的高原夏菜冷鏈物流的配送，找出運輸過程中存在的問題并給出解決方法，實現物流體系智能化管理。

1 冷鏈物流目前存在的問題

目前，冷鏈物流配送車輛路徑的研究是借助常溫物流配送方法來解決問題[4]，不僅增加運輸成本，且難以實現智能化管理。因為蔬菜保存的溫度與常規食品的保存溫度大不相同，所以，以此來處理蔬菜冷鏈物流運輸問題，存在許多問題。

1）貨損考慮不全。蔬菜屬于易腐產品，相較于常溫產品的運輸要求，蔬菜的冷鏈物流運輸更加嚴格。因為冷鏈物流不僅要求運送及時，而且要保證新鮮，否則將會出現大量的損耗，導致成本增加，針對常規物流配送車輛的研究并沒有考慮這一因素。

2）額外費用考慮不周。由于需要在常規的運輸車輛上加裝制冷設備，所以額外成本增加，這也是過程配送車輛沒有顧及的。

3）耗能費用考慮不夠。運輸過程一般持續的時間較長，隨著溫度變化，要始終保證車內的溫度恒定，在此過程中車輛的油耗也會增加，所以應考慮由于溫度變化引起的能耗成本的變化。

4）外界環境存在隨機性。在運輸過程中，可能遇到各種外界環境的影響，如突發交通事故、突遇陰雨天氣、交通堵塞等，這都會引起運輸時間的不確定性，且發生概率較大。

2 研究內容

2.1 蔬菜冷鏈物流及特點

冷鏈物流是指根據買賣雙方的需求，在運輸車輛上加裝一定的制冷設備[5]，使易變質的食品存放在低溫環境中運輸，以保證其新鮮，要經過產品加工、貯藏、運輸、分銷和零售整個過程[6]。因此，其具有設備要求高、運輸效率高、保鮮要求高等特點。商品的流通時間80%以上消耗在運輸途中。合理規劃運輸路線可以大大節省時間，降低運輸時間和成本。

冷鏈物流適用商品種類繁多，不同商品對保存溫度要求也不相同，大致分為恒溫、冷藏、冷凍。本研究對高原夏菜的存儲溫度進行調查研究，結果如表1所示。

表1 高原夏菜存放溫度

2.2 GIS在高原夏菜物流配送中的應用

高原夏菜屬于夏季蔬菜，成熟時溫度較高，采摘以后很容易受高溫影響而腐爛，所以對運輸時效性、運輸設備和信息化程度要求較高[7-8]。以甘肅金昌地區為例，該地區運輸設備與條件落后，物流體系不完善，隨著高原夏菜產量的增加，建立現代化的冷鏈物流體系已迫在眉睫。

2.2.1 GIS概述

GIS即地理信息系統，它可以實現對時間與空間信息的挖掘[9]。將GIS技術與GPS技術、計算機軟硬件技術結合，可以對空間數據進行定位、采集、管理、運算、分析。將其運用在高原夏菜冷鏈物流體系中，可以對物流車輛進行定位，對訂單信息進行跟蹤查詢，可以實現對物流體系的信息化管理，提高冷鏈物流的運輸效率，降低損耗[10]。

2.2.2 GIS作用

GIS發展之初是一款地學系統，配套開發的軟件多是地學類軟件，后來經過不斷發展逐漸應用于各個領域。冷鏈物流的含義實際上是賣家到買家之間的商品的轉移過程。傳統的物流方式對運輸信息的要求不高，隨著時代的發展，人們對物流的信息化要求較高。因此，可以借助GIS強大的搜索、管理及分析數據的能力來解決現代冷鏈物流的信息化問題。GIS可解決物流的信息化問題，GIS技術在物流中的作用，如圖1所示。

圖1 GIS技術在物流中的作用

2.3 基于GIS的配送系統

2.3.1 系統開發

本研究以MapObjects（簡稱MO）為平臺，使用VB進行再次開發。優點是可以借助MO的圖層添加功能將地圖添加到應用程序中，以此可以建立地理信息系統，實現物流路徑的查詢功能[11]。

2.3.2 系統設計

系統在設計時要考慮系統運行、系統管理、系統的二次開發等，所以開發時要滿足以下要求：1）方便使用。系統要操作簡潔，更新快捷，管理方便，能夠達到進行路徑優化的要求。2）功能完整。系統必須具備完整的數據功能模塊，能夠提供數據屬性的查詢，能夠同時滿足用戶和管理人員的需求。3）維護簡單。當系統出現故障或需要升級時，一般的工作人員就可以完成工作。4）方便二次開發。當需要添加新的數據或進行功能添加時，可容易進行。5）安全性好。系統數據涉及公司內部信息，所以安全性要有保障，一般用戶只能瀏覽查詢，管理員才可以進行維護與更新。

2.3.3 系統功能

本研究所設計的高原夏菜冷鏈物流配送路徑優化系統，多用于城市與城市之間的物流配送。根據其特點，設計工作流程如下：將城市地圖、供貨方和購貨方的信息錄入數據庫中，將供需雙方的地址進行標記，利用系統功能在電子地圖上將兩點之間的最短路徑規劃出來，將結果輸出到MATLAB數據庫中，經過遺傳算法分析形成可視化結果，在MO平臺上顯示，系統功能流程如圖2所示。

圖2 系統功能流程

2.3.4 系統功能結構

系統的主要功能是實現對MO平臺的系統管理，包括對系統的平移、客戶與配送中心之間的位置標記，供需雙方路線統計及最短路線設計等。系統的結構模塊如圖3所示。

圖3 系統的結構模塊

2.3.5 系統預期效果

研究選取甘肅省永昌至金昌物流配送為例，在配送過程中主要有以下幾方面需求：

1）根據需求方提供的詳細地址信息，可以規劃出最佳的運輸路線并能標記出坐標。

2）基于GIS系統可以滿足訂單的排序并實現對運輸車輛的管理。

3）可以使用不同的圖標標記出不同的客戶信息，且要求能反映在地圖上。

4）系統中的圖標或查詢等功能點擊后可以響應，另外可以實現用戶信息的編輯與查看。

5）可以通過企業系統隨時調用GIS，以方便對系統進行管理。

6）系統具備對配送區域的管理功能，如拆分、合并等。

3 基于GIS的冷鏈物流配送車輛路徑優化

物流配送的實質是根據需求方要求，對貨物進行分揀、配貨，并將貨物配送至客戶手中的物流活動。其中，配送作為最后環節尤為重要[12]。物流配送優化問題的實質就是對車輛路線的合理規劃[13]，目前對此類問題的研究也比較多[14]。它是指在收發貨方之間，通過對車輛的路線規劃，在滿足客戶需求的前提下，盡可能減少物流企業的運營成本，使物流企業獲得最佳的收益。通過查閱相關資料發現，遺傳算法可以很好地解決此類問題。

3.1 物流配送路徑優化研究方案

物流配送的關鍵在于車輛路徑規劃，其實質是以低廉的成本、高質量的服務來完成貨物的運輸。車輛路徑問題一直是基于GIS研究的一項熱點問題，也是一個難題。國內外許多學者都進行了此類問題的研究。例如國外的分支定界法、K——樹狀算法、Column generation（列生成）算法等。國內有姜大立等[14]的禁忌搜索求解多路徑運輸問題、鄧連波等[15]的3-opt和禁忌搜索解決多路徑運輸問題、張潛等[16]的啟發式序列優化算法計算運輸調度問題。

3.1.1 冷鏈車輛路徑影響因素

影響物流車輛路徑的主要因素有目的地、運輸車輛、貨物中心、貨物種類、客戶需求。

1）目的地。即運輸終點，目的地將直接影響運輸車輛的路徑，可以根據目的地對運輸路徑進行詳細規劃，得出最優路線。

2）運輸車輛。即運輸貨物的載體，可以根據客戶需求和運輸路線選擇合適的車輛，節約運送成本。

3）貨物中心。即產品所在地，從產品所在地對貨物進行加工、選擇、裝車、集貨等工作，并組織將貨物送達客戶手中。

4）貨物種類。即配送物，可以根據商家的需求將貨物分門別類，包括名稱、外包裝、大小、質量、運輸要求等。

5）客戶需求。即客戶的需求貨物時間，是指要求貨物送達的時間。

3.1.2 帶時間窗的車輛路徑問題

時間窗車輛路徑問題是指有n位有貨物需求的客戶，一個始發地，K臺貨車，已知：始發點坐標，各客戶坐標，貨物需求量，許可服務時間窗，各汽車最大載重。通常時間窗分為硬時間窗和軟時間窗兩種，硬時間窗是指在客戶要求的時間范圍內完成貨物運送，超過該時間范圍后，客戶將不再有需求。此時，得到的解是無法執行的解。軟時間窗是指如果沒有在規定時間內完成某項任務[17]，將通過懲罰的手段來處理問題。如果車輛最終在規定時間的最晚情況下到達，服務不及時，需要繳納罰金。所有車輛的路線要滿足以下條件：

1）各路線的始發地必須是貨物中心，完成所有配送任務后返回終點，即貨物中心。

2）各條路線上的貨物重量必須在允許范圍內，不得超載。

3）各指定客戶只需服務一次。

4）每個客戶必須在其規定的時間窗限制范圍內提供服務，卡車提前到達客戶接收點后，必須等待客戶批準服務。

隨著客戶需求的不斷增加，對配送時間的要求也變得嚴格，這樣將會出現多方原因導致貨物出現損失[18]。所以，在配送運輸中時間窗就變得尤為重要。帶時間窗車輛路徑優化問題由于其時間限制的嚴格性，通常情況下，軟時間窗出現的問題更多，也更符合實際，因此研究將重點放在軟時間窗口上。一般來說，有兩個目標：一是最少的車輛數量，二是最低的運輸成本。時間窗是雙向的，即客戶應該在規定時間內享受服務，不能出現早到或延誤。

3.1.3 物流車輛配送的工作流程

一個優秀的配送方案應該包括設計配送方案、配送任務下達、按照方案確定商品數量、分貨、裝載、運輸、財務部門下發任務、配送開始、送達等，車輛配送工作流程如圖4所示。

圖4 車輛配送工作流程

3.2 冷鏈物流配送路徑優化案例分析

3.2.1 節約成本法

節約成本法是指利用GIS系統首先在供需雙方之間建立多條運輸路線，然后選出一個最優的車輛運動軌跡，只有一個起點與終點，并添加溫度控制與時間窗口來進行約束，通過計算運營成本來評價路線好壞。該方法采用極限思想來求解最佳運輸路徑，操作簡單，結果準確，而且可以兼顧各類影響因素，所以有較大的優勢。計算流程如下：1）在規定時間內下達運輸任務；2）選擇最短運輸路徑為第一配送點，然后根據路徑由短到長依次配送，直至車輛載重與時間上限最大為止；3）合理安排所有運輸任務，避免重復運送。

3.2.2 案例分析

本研究通過案例來驗證方法的合理性。選取6個配送點，用阿拉伯數字來進行編號，距離以“km”為單位，用Si表示；時間以“h”為單位；產品價格以“元”為單位；重量以“t”為單位。每個客戶的貨物需求總量用di表示，每個客戶的配貨時間取值范圍為[Ai，Bi]。對客戶要求配送時間賦值為Ai=0，Bi=2.5，規定貨車在運輸時的速度為40 km/h，貨車的最大載重為4 t，產品價格為8 000 元/t，時間窗成本系數設為α=0.02，β=0.04，貨物損失系數&取值為0.2%和0.4%。貨物運輸途中的制冷成本為12元/h，由于車輛內外溫差產生的費用為2.5元/h。客戶信息如表2所示。

結合表2的內容，關于上述問題進行計算，求出最優運輸路徑x，公式如下：

表2 客戶信息

依據成本節約法，通過計算得出最佳路徑：

0→6→4 →1→0 0→3→5→0 0→2→0

代入公式計算出配送總路程為161 km，費用為1 327.4元。

假如以最短路徑的方案進行配送，最優方案為：

0→6→4 →0 0→3→5→1→0 0→2→0

代入公式計算出配送總路程為139 km，費用為1 316元。

通過對比兩種運輸方案可得，優化前的路徑方案時間成本較高，客戶體驗較差。

改進后的方法在時間窗口滿足要求的前提下，成本可以大大降低，配送更高效。具體數值如表3所示。

4 結論

本研究分析了高原夏菜冷鏈物流存在的問題、GIS系統在高原夏菜運輸路徑規劃的可行性、GIS系統設計及功能介紹。研究分析影響物流車輛運輸效率的因素，從冷鏈物流流程出發探究了基于時間窗的路徑優化辦法。在此基礎上，以案例為樣本，提出了基于GIS系統的路徑優化算法——節約成本法，通過與常規方法對比發現，該方法可以大大節約成本，提高運輸效率。

表3 路徑優化前后指標對比表