基于蚁群算法的甩箱运输

王宝远，赵鲁华，管德勇，李 洋，窦新宇

（山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590）

1 引言

与国外相比，国内使用甩箱运输方式比较晚。交换箱在国内20世纪90年代开始使用，比甩挂运输推广的时间要早，但是甩箱运输方式的推广极其缓慢。随着中国电子商务的快速发展，物流行业也飞速发展，货运量迅速增长，对物流配送的时效性和货物的完好性等方面提出更高的要求。但目前国内的基础设施还不够完善，普通仓库功能简单，立体自动化仓库成本高，人工操作仍较为普遍。而甩箱运输在提高货物周转率、缩减装卸搬运时间以及降低货损率方面比传统运输方式更有优势。本文综合考虑甩箱运输效益因素，建立配送成本核算模型，然后搜集相关数据进行对比分析，以验证甩箱运输的优势。

2 甩箱运输模式分析

2.1 甩箱运输概念

甩箱运输在国内发展较缓慢，目前针对甩箱运输的研究较少，概念性的认知仍在不断完善。综合其它文献以及查找资料的基础上对甩箱运输做以下总结，甩箱运输（Swap Body）是指使用具有举升功能的载货汽车，将具有活动支腿的交换箱从起始地按照预定的路线运输到目的地[1]。到目的地后，将交换箱直接卸载，换上新的交换箱运往下一个目的地的运输组织方式，如图1所示。甩箱运输利用一个运输车搭载多个同标准箱体，并且不用将货物装卸，在一定程度上缩短了货运汽车停驶和货物待转环节，进而提高了整个运输环节的效率。

图1 甩箱运输示意图

一般较长距离、运输量大采用甩挂运输，而较短距离、多批次运输适合采用短小灵活的甩箱运输，甩箱运输可以成为甩挂运输的有力补充方式。

2.2 甩箱运作模式分析

（1）物流配送甩箱组织模式。选择物流分拣中心或物流配送中心作为甩箱运输的场站，选择带有小型交换箱的甩箱运输车进行货物运输。具体应用为甩箱运输车在配送中心装上小型交换箱，送往目的地。在目的地附近的空地利用车辆内部的举升装置将小型交换箱抬高，把交换箱支腿放下，然后装上其他交换箱或空车返回。配送车辆可以携带一个或多个全挂交换箱，可以实现对一个地区多个地方的批量配送[2]。物流配送甩箱模式如图2所示。

图2 物流配送甩箱模式

（2）多式联运甩箱组织模式。多式联运甩箱模式是使用标准交换箱，依托联运枢纽，利用铁路平车运输以及海洋船运，实现公铁、公水等交通方式的联运。集装箱公路运输时需要使用装卸搬运装置将集装箱从挂车上卸下，设备成本较高且程序繁琐。甩箱运输在多式联运中的优势体现在交换箱具有容积优势，三种交通方式之间的对接更加顺畅，可以大大提高多式联运的效率，降低成本[3]。

图3 多式联运甩箱模式

（3）甩挂与甩箱相结合模式。较长距离、运输量较大适合采用甩挂运输，而较短距离、多批次运输适合采用短小灵活的甩箱运输。有些情况下，需要将甩挂甩箱方式相结合。使用甩挂运输运送重量大、运距长、用时久的货物，在各个城市之间或城市内部运送则使用甩箱运输方式。规模较小的场站，不一定具有满足甩挂运输的条件，甩箱运输容量小，操作灵活，对场地的要求比较低，适合做末端运输。甩挂甩箱结合模式如图4所示。

图4 甩挂甩箱结合模式

2.3 甩挂运输、甩箱运输与集装箱运输的比较

甩挂运输、甩箱运输与集装箱运输都具有组织效率高、标准化要求高和降低运营成本等特点，在欧美许多国家已经大范围的应用，在我国这三种运输方式开始应用的时间与发展速度各不相同。其中，集装箱运输发展最早，发展速度最快，规模最大。甩箱运输要比甩挂运输起步早，但发展极其缓慢。随着中国经济的进一步发展，国内外货运量进一步提升，政策制度进一步改善，货运企业规模化发展，这三种运输方式必然会更加的普遍[4]。这三种运输方式在某些方面比较相似，为区别不同，对比分析三种运输方式，具体见表1。

表1 三种运输方式对比表

3 配送模型构建

甩箱运输在提高货物周转率、缩减装卸搬运时间以及降低货损率方面与传统运输方式相比更具优势，所以构建甩箱运输的配送模型要考虑时间性、货损等因素。在成本分析中，汽车油耗往往容易统计，但装卸过程中的时间成本与货物损耗受环境、人为等因素影响，难以量化。在模型的构建过程中，将各辆车单位里程的运输成本、装卸场所的时间成本作为反映具体车辆的差异的因子，假设所构建模型中每辆车的两个评估系数值一致，即配送车技术参数、装卸点水平等外部条件一致，以甩箱运输的配送成本最小为优化目标，所构建的目标函数成本中包含配送车运输成本、时间成本等两个主要部分，可构建以下模型[5]。

3.1 模型的假设

假定该模型只有1个配送中心，并且配送中心的位置可以用坐标表示；配送中心有满足配送需求的车辆，每辆车型号、最大装载量一致，车辆有里程限制；配送中心和配送点的坐标已知，配送点的需求量及配送要求时间已知并不变；每辆配送车在配送过程中成本可以计算[6]。

3.2 配送成本目标函数

假定配送中心拥有的车辆数为m，客户需求点的数量为n，k表示车辆k∈[1,m]，Vk表示第k辆车的额定载质量，Lk为第k辆车的最大配送里程，a，b分别是需求点，a,b∈[1,n]；每一个配送点的需求量为[7]。

（1）运输成本。甩箱运输成本构成是指在一定时间段内，物流企业使用甩箱运输方式运送货物过程中与运输、装卸等环节直接相关的各项费用，具体可以分为固定成本和变动成本。固定成本包括场站投资力度、车辆购置费、人力成本（工资）、保险费用、折旧费用、信息化程度、甩箱运输管理成本等。变动成本包括燃油成本、高速收费、装卸搬运成本、维修保养[8]。公式如下：

式（1）中Q为甩箱运输车的数量；p1j为第j类甩箱运输车购置费；p2j为增加的第j类挂车购置费；N为驾驶司机工资；I为甩箱运输车保险年检费用；x为车辆使用年限；b为场站投资成本；pj为j类车辆及挂车总的购置费用；c为物流技术提升成本。

式（2）中cij为第i次第j类甩箱运输车高速公路收费；di为第i次高速公路行驶里程；fj为第j类甩箱运输车每公里油耗；li为甩箱运输行驶里程；zj为油的单价；e为车辆燃油税；hj为第j类甩箱运输车每公里维修保养费；mj为第j类甩箱运输车每公里装卸搬运费用[9]。

（2）时间窗惩罚成本。甩箱运输所运货物一般是对时间要求较高的货物，超出运输时间则收取一些惩罚费用。其惩罚成本可表示为：

式（3）中：R为货物的单价；te为软时间窗的下界；t1为软时间窗的上界；G为需求点客户可以接受的时间上限；ta为到达a点的时间；qa为第a个点的需求量；L为需求点客户可以接受的时间下限；U（ta）为一次时间窗惩罚成本；λ为惩罚系数[10]。

3.3 基于蚁群算法的配送成本模型构建

以运输网络配送成本最小为目标，通过考察配送车运输成本、时间窗惩罚成本等，对配送路径进行优化，安排合理的配送路线。为较好描述配送车辆的最低目标成本模型，需考虑模型的各类前提条件，如配送中心配送量大，能满足各个需求点的需求量；每个需求点只能由1辆车配送；每辆车规划配送路径上需求点的需求量总和不超过车辆额定载质量；配送车结束配送任务后返回配送中心；车辆配送里程不超过其最大配送里程[11]；货物需在规定的时间窗内送到，则模型构建如下所示：

式（5）为总成本目标函数，可求得目标函数最小值；式（6）表示每辆车的载质量不超过额定载质量；式（7）表示每个需求点只配送1次，不重复配送；式（8）表示每个需求网点都配送；式（9）表示每个需求点只被1辆车服务；式（10）表示配送车辆不能超过车自身的最大配送里程；式（11）表示车的配送时间窗需满足客户可接受的时间范围[12]。

4 算法设计

利用MATLAB软件，基于蚁群算法，在运行过程中增加装载量以及时间约束，优化配送成本模型并求解。目标函数中对车辆的载重和需求点运达时间有限制，所以在选择allowed集合的时候需要配送车的载质量不大于车辆的最大载重量以及配送车在规定的时间范围内到达需求点[13]。其一般步骤如下：

（1）初始化变量和系数，计算各城市之间的距离。

（2）把蚂蚁放到配送中心，每只蚂蚁从配送中心出发，直到达到最大迭代次数。

（3）NP只蚂蚁按照要求的方法选择客户，并完成周游。以一定概率的贪婪方法选择城市，轮盘赌法选择下一个城市，计算汽车行驶距离，如果超载或超程回到配送中心。保证每辆车都返回配送中心。

（4）计算路径长度并更新信息素。

（5）到达迭代次数，输出计算结果。

5 算例分析

设有1个配送中心和16个配送站，配送中心有甩箱运输车20辆，每辆车的最大载质量为1.49t，车辆行驶速度平均为每小时60km。经测算，装卸1m3普通货物大约需要4.5min。以一辆厢式货车装载22m3货物计算，装卸时间大约需要90min。由于货物可以“先装后卸”，交换时间可以缩短至15min。为了简化起见，设定各辆车及装卸点技术装备水平一致且仅考虑线路的优化。配送中心与配送点的坐标、需求量、时间窗以及装卸所用时间见表2[14]。

表2 配送中心、配送点坐标客户的需求量、满意服务时间窗和装卸时间

利用MATLAB软件进行算法编程，对算例进行求解，运行结果如图5所示，可求得运输车的最佳路径以及行驶距离。

图5 运输路线图

经过算法求解，为完成此次任务共需要5辆运输车，甩箱运输车与普通运输车采用相同的车型，跃进牌超越c500plus-33型。

为验证甩箱运输的高效性及经济性，将此次甩箱运输车与普通货车运输的经济性进行对比分析，见表3。普通货车运输成本计算方式与甩箱运输车计算方式一样，基本数据都由网络搜集得到，在MATLAB中用同样的算法编程进行求解。

表3 普通货车运输与甩箱运输车对比

搜集资料结合算例表明，对比传统运输方式，甩箱运输在购置一辆甩箱运输车、提高管理水平和信息化水平以及驾驶费等方面的成本提高，但甩箱运输的变动成本相较于传统模式降低。甩箱运输模式还可以获得时间效益，物流企业在保证有充足的货源、资金的条件下，要想提高货物到达的时效性并降低运营成本，可以使用甩箱运输方式。

6 结论

甩箱运输发展在我国尚处于起步阶段，甩箱运输的应用范围与应用方式应符合我国物流市场发展的实际需要，不断创新与改变。甩箱运输具有容量较小、能耗较低、对场地要求低、组织方式灵活的优点，可以作为小运量、多批次的城际物流运输的优选方式，但甩箱运输的固定成本、管理成本较高，对信息化、标准化要求高。甩箱运输的应用及推广对于降低运营成本、加快货物周转、节省人力成本、发展现代物流等具有积极意义。