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繼國網公司提出“集團化運作、集約化發展、精益化管理、標準化建設”發展思路,以及構建“三集五大”體系的建設要求之后,電能計量裝置的倉儲和配送引起了各地電網企業的重視。對電網企業而言,建立合理的具有前瞻性的電能計量裝置倉儲配送網絡將不僅能提高物流運作效率及服務水平,同時還能夠降低倉儲、配送成本,進而提升整個電網倉儲配送體系的效率。據此,天津電網結合企業長遠發展戰略,積極實踐和探索計量裝置現代物流管理模式,期望通過進一步整合資源,實現整個物流網絡體系的科學規劃。基于此,本文根據天津電網的發展戰略和服務目標,應用物流一體化理論對天津電網計量裝置倉儲配送網絡進行設計與決策。

關于倉儲配送網絡設計問題[1],已有文獻研究主要集中于設施選址和多級配送網絡等方面。Teo和Shu[2研究了配送網絡設計中倉庫的建設數量、地理位置及輻射范圍問題。秦進等[3]研究了多級多商品流物流網絡設計中的多級設施選址和多商品配送問題。Jayaraman和Ross研究了PLOT(Production,Logistics,Outbound Transportation)系統,旨在解決多級生產和多級配送的問題[4]。而電網系統物流管理實踐中存在的鑒定與配送過程依存度高且普通分級配送模式和直配模式并存等特點,使得配送網絡結構復雜,而現階段關于這方面的研究尚不夠充分。為此,本文在已有研究成果的基礎上,進一步研究存在柔性配送服務模式的電網計量裝置倉儲配送網絡的設計與決策問題。

物流一體化(Integrated logistics)最早由英國樸茨茅斯大學Jones教授提出,是指在維持一定客戶服務水平的條件下,通過平衡資源,協調所有物流活動,不斷減少總的物流費用,最大可能地支持企業的戰略發展[5]。而后鞠頌東提出物流網絡是一個涉及人、機、組織、環境的復雜系統,傳統物流業已不再適應經濟全球化的客觀要求,世界經濟一體化要求生產一體化和物流一體化[6]。物流一體化是基于物流本質屬性的準確認知和適應現代企業管理要求而提出的管理理論和方法。它是TOC(Theory of Constraints)、精益生產(Lean Production)等現代管理理論在物流領域的發展,以實物流動過程中的集約化管理(Intensive Management)為核心,綜合考慮內外部影響因素和相互關系,實現物流系統運作能力與供應鏈競爭能力的高度協調。從運作層面,物流一體化理論指導企業應按照物流功能一體化、企業內部物流一體化和供應鏈物流一體化三個階段對既有物流體系進行持續改進。

而國網全國物流一體化是指在全國范圍內,國網系統整合物流網絡和物流資源,形成全國范圍內的物流一體化的運作模式。這種模式將使資源整合的范圍拓展到全國,是未來國網物流一體化發展的趨勢。基于此,對于天津電網計量裝置的倉儲配送網絡的科學設計,可以通過將運輸、倉儲、配送等物料流動的全過程進行系統化管理,同時配合各項資源整合,打破資源屬性邊界,促進其向著供應鏈物流一體化方向發展。

柔性的概念最早來源于柔性制造系統(FMS),指的是制造柔性,現在則通常被定義為對環境不確定性的適應性反應。簡而言之,柔性是一種應變能力。許志端認為物流系統網絡的柔性設計應關注在物流倉儲區域的數量及地點、運輸工具和運輸網絡的類型和能力等易于改變的可能性方面[7]。隨后,王偉和真虹又將柔性理論應用到物流配送系統,并提出配送系統的柔性就是配送系統對環境變化快速而經濟有效的反應能力[8]。可見,柔性化服務具有多樣、靈活、交換、滲透并為服務對象樂意接受等特點。因此,本文將配送服務柔性,即多級配送與直配并存的配送服務模式,考慮到電能計量裝置的倉儲配送網絡設計中,從而實現倉儲配送網絡對需求變化的快速反應。

結合上述物流一體化理論和柔性服務理論,針對考慮柔性服務的電能計量裝置倉儲配送網絡設計問題,首先通過分析電能計量裝置的需求特點、網絡運營成本、設施能力約束、服務水平四方面影響因素得到系統參數和決策原則,進而建立數學模型,通過數學模型找到在滿足服務能力約束條件下最佳的倉儲選址和最優的配送服務模式。由于數學模型相對較為復雜,采用了模擬退火算法對數學模型進行求解,最后通過算例分析對模型和算法進行評價和分析,為管理者提供科學的決策建議。

天津電網目前已建設有計量中心1個,多個二級計量分庫,以及數量眾多的下屬站所,服務人口超過1 400萬。其中,在計量裝置的配送體系中,計量中心類似一級配送中心,周轉站是配送的末端,即客戶點,而計量分庫作為二級配送中心,承擔計量裝置由計量中心到周轉站的中轉任務。但為了實現對客戶需求的快速反應,天津電網嘗試采用柔性化服務模式進行配送,即對于配送末端的周轉站所可以靈活性地選擇普通三級配送模式或直配模式,如圖1所示,天津電網正在建設和完善的三級計量裝置倉儲配送網絡中普通三級配送模式(實線)和直配模式(虛線)并存。因此,在這樣的服務模式需求下,需要對計量分庫重新選址,使其既要滿足庫房地理位置和配送范圍的合理性,同時還能實現網絡結構中柔性服務模式的配送需求,亟需在具體的網絡建設過程中采用科學方法輔助決策。針對以上現實需求,本文提出了物流一體化網絡設計(ILND)模型。

基于以上電網實際情況和理論分析的需要,在模型構建之前需要做出如下必要假設:

圖1 天津電網計量裝置倉儲配送網絡布局示意圖   下載原圖

(1)計量中心提供的計量裝置總能滿足周轉站的需求,且有足夠的運力可以實現對所有需求配送;

(2)計量分庫節點不產生需求;

(3)周轉站的需求不可分割,每個周轉站只能由一個計量分庫或計量中心提供配送服務;

(4)一個周轉站只能選擇一種配送模式;

(5)周轉站作為配送末端的客戶點,這里不考慮其庫存成本問題;

(6)計量中心能夠滿足周轉站的所有需求,因此不考慮計量中心的庫存能力限制;

(7)在直配模式下,計量裝置由計量中心檢定后直接配送給周轉站,因此不考慮庫存相關成本。

為了便于模型建立,還需要對一些重要參變量進行定義,見表1。

從提升計量裝置倉儲配送網絡效率和服務水平出發,根據天津電網絕對保證滿足電能計量裝置需求的要求,結合計量分庫的庫容能力約束和柔性配送服務模式要求,通過最小化網絡運營成本建立如下ILND模型:

表1 模型相關參數及變量定義     下載原表

其中,模型以最小化網絡的總運營成本為目標,網絡的總運營成本包括網絡建設費用,儲存費用和運輸費用,網絡建設費用主要指計量分庫的總建設費用,這里把網絡建設費用分攤到規劃期內所有年度進行考慮,記分攤系數為:

總儲存費用包括計量裝置在各計量分庫上的固定儲存費用和可變儲存費用。其中,可變儲存費用與倉庫存儲的計量裝置數量有關。根據Baumel-Wolfe方法[3],總可變儲存費用應為。

此外,約束條件(1)是計量分庫建設數量約束;約束條件(2)是周轉站配送模式選擇約束,要求同一周轉站只能對應一種配送模式,即由計量分庫中轉配送或由計量中心直配,同時該條件還保證周轉站的需求得到滿足且不被分割;約束條件(3)要求周轉站的需求必須分配給建設的計量分庫,同時保證了建設的計量分庫必須有計量裝置流通;約束條件(4)是計量分庫儲存能力約束;約束條件(5)是相關變量的定義范圍約束。特別注意的是,本文中的配送服務水平約束通過配送路徑可達性體現,當網絡節點間的距離超出配送范圍時,對應兩個網絡節點間的單位運輸費用將作為一個極大的懲罰費用設置為無窮大[2]。

由于上述物流一體化網絡設計模型(ILND)結構較復雜,屬于NP-hard問題,因此需采用啟發式算法對其進行求解。模擬退火算法(SA)作為一種基于Mente Carlo迭代求解的隨機搜索算法,目前已被廣泛應用于設施布局、生產調度、控制工程、計算機網絡設計等多個領域[4],其特點是在達到局部最優解時,能夠以一定概率跳出原有搜索區域,并通過隨機游走逐漸收斂于全局最優解。該算法對求解復雜物流網絡設計模型效果良好。

算法的具體操作步驟如下:

(1)設置模擬退火計劃表,令初始溫度為T(充分大),設置溫度控制函數update(T),并給定初始解S,令S為當前最優解;

(2)執行鄰域函數,產生新解S';

(3)計算增量Δt'=G(S')-G(S),其中G(S'),G(S)分別為解S,S'的目標函數值。若Δt'<0,則令S=S';若Δt'≥0則在區間(0,1)隨機產生一個小數ρ,若ρ<exp(-Δt'/T),則令S=S',否則不接受新解S';

(4)若不滿足同溫度下的Metropolis抽樣收斂準則,返回步驟(2);否則更新溫度T←update(T);

(5)收斂性檢驗。若不滿足算法終止準則,則返回步驟(2);否則算法終止,輸出最優解S。

根據模擬退火算法的原理,上述步驟中的參數及變化過程在倉儲配送網絡設計中的具體含義見表2。

根據電網企業的實際情況模擬生成三層計量裝置倉儲配送網絡設計問題進行實驗計算。其中,該網絡共有10個周轉站(需求點),5個候選計量分庫以及1個計量中心。此外,網絡規劃年限為P=10年,銀行年利率γ=0.049,計量分庫的最大修建數目限制為M=4,運輸費用和存儲費用的權重系數分別為α1=1,α2=2,其他相關數據隨機生成,詳見表3-表5。

表2 SA術語在倉儲配送網絡設計中的含義     下載原表

表3 周轉站相關參數數據     下載原表

注:∞代表超出配送范圍。

表4 計量分庫相關參數數據     下載原表

表5 計量分庫到周轉站的單位運輸費用     下載原表

根據上述條件,建立物流一體化網絡設計(ILND)模型,并應用MATLAB軟件編程進行求解。考慮到啟發式算法的優化結果質量可能與初始解的選取有關,為此在算法實現過程中記錄了5組不同初始解下的最優值,以檢驗模型和算法的有效性。

由表6數據可知,不同初始解下得到的最優目標函數值較接近,且相對于初始解均有20%以上的相對費用節省率,因此模擬退火算法和模型均有效。

最后通過計算得出,在滿足約束條件的前提下,使得網絡總費用最低的網絡結構如圖2所示。

表6 不同初始解對應的最優目標函數值     下載原表

圖2 最優倉儲配送網絡結構   下載原圖

由圖2可知,最優倉儲配送網絡結構中舍棄了第5個備選計量分庫,建設其余4個計量分庫,并由這4個計量分庫和計量中心共同負責各周轉站的配送任務。其中,周轉站2和9由計量中心統一直配,其余由計量分庫中轉配送,具體對應關系是:計量分庫1為周轉站5配送;計量分庫2為周轉站1、4、7配送;計量分庫3為周轉站6、10配送;計量分庫4為周轉站3、8配送。

結合參數表(表3至表5)對上述結果分析可知:(1)在計量分庫選址方面,影響選址結果的重要因素之一是計量中心到計量分庫的運輸成本。相比于其余四個計量分庫,計量分庫5到計量中心的單位運輸成本較高,而在其他費用方面計量分庫之間沒有太大區別,因此在網絡優化過程中將計量分庫5淘汰。(2)在配送方面,運輸費用同樣是影響配送模式選擇和配送任務分配的重要因素,由于周轉站2和9到計量中心的單位運輸費用較小,選擇直配模式可以節省運輸費用,因此從降低配送成本的角度,周轉站2和9應該采用直配模式。其它周轉站則通過權衡計量分庫的流通能力和配送成本選擇由最合適的計量分庫配送。總而言之,運輸費用是倉儲配送網絡設計過程中影響網絡結構調整的重要因素。

本文在已有研究的基礎上,應用物流一體化理論,對電能計量裝置倉儲配送網絡的設計與決策問題展開研究,并得到以下成果:(1)結合天津電網的實際情況,將普通三級配送和直配并存的柔性化配送服務模式考慮到計量裝置倉儲配送網絡一體化設計中,提出物流一體化網絡設計(ILND)模型,并使用模擬退火算法實現模型求解;(2)通過算例分析論證了物流一體化網絡設計(ILND)模型在電能計量裝置倉儲配送網絡設計與決策中的適用性,同時還發現運輸費用是影響網絡結構優化的重要因素;(3)物流一體化網絡設計(ILND)模型可以確定需要建設的計量分庫節點,并明確每個周轉站的配送模式,可以同時解決計量分庫的節點選址和周轉站柔性化配送模式選擇問題。

本文研究的結果有助于管理者從物流一體化角度重構天津電網計量裝置倉儲配送網絡,獲取進一步規劃建設的決策建議。但是,本文提出的模型中沒有考慮周轉站所的倉儲費用以及直配模式下計量中心的倉儲管理費用,而在實踐中這些費用的產生也將影響企業的決策。此外,對于生產、庫存、選址與配送耦合決策的復雜問題本文沒有深入分析,這些問題將是本文后續研究的重點。