继国网公司提出“集团化运作、集约化发展、精益化管理、标准化建设”发展思路,以及构建“三集五大”体系的建设要求之后,电能计量装置的仓储和配送引起了各地电网企业的重视。对电网企业而言,建立合理的具有前瞻性的电能计量装置仓储配送网络将不仅能提高物流运作效率及服务水平,同时还能够降低仓储、配送成本,进而提升整个电网仓储配送体系的效率。据此,天津电网结合企业长远发展战略,积极实践和探索计量装置现代物流管理模式,期望通过进一步整合资源,实现整个物流网络体系的科学规划。基于此,本文根据天津电网的发展战略和服务目标,应用物流一体化理论对天津电网计量装置仓储配送网络进行设计与决策。

关于仓储配送网络设计问题[1],已有文献研究主要集中于设施选址和多级配送网络等方面。Teo和Shu[2研究了配送网络设计中仓库的建设数量、地理位置及辐射范围问题。秦进等[3]研究了多级多商品流物流网络设计中的多级设施选址和多商品配送问题。Jayaraman和Ross研究了PLOT(Production,Logistics,Outbound Transportation)系统,旨在解决多级生产和多级配送的问题[4]。而电网系统物流管理实践中存在的鉴定与配送过程依存度高且普通分级配送模式和直配模式并存等特点,使得配送网络结构复杂,而现阶段关于这方面的研究尚不够充分。为此,本文在已有研究成果的基础上,进一步研究存在柔性配送服务模式的电网计量装置仓储配送网络的设计与决策问题。

物流一体化(Integrated logistics)最早由英国朴茨茅斯大学Jones教授提出,是指在维持一定客户服务水平的条件下,通过平衡资源,协调所有物流活动,不断减少总的物流费用,最大可能地支持企业的战略发展[5]。而后鞠颂东提出物流网络是一个涉及人、机、组织、环境的复杂系统,传统物流业已不再适应经济全球化的客观要求,世界经济一体化要求生产一体化和物流一体化[6]。物流一体化是基于物流本质属性的准确认知和适应现代企业管理要求而提出的管理理论和方法。它是TOC(Theory of Constraints)、精益生产(Lean Production)等现代管理理论在物流领域的发展,以实物流动过程中的集约化管理(Intensive Management)为核心,综合考虑内外部影响因素和相互关系,实现物流系统运作能力与供应链竞争能力的高度协调。从运作层面,物流一体化理论指导企业应按照物流功能一体化、企业内部物流一体化和供应链物流一体化三个阶段对既有物流体系进行持续改进。

而国网全国物流一体化是指在全国范围内,国网系统整合物流网络和物流资源,形成全国范围内的物流一体化的运作模式。这种模式将使资源整合的范围拓展到全国,是未来国网物流一体化发展的趋势。基于此,对于天津电网计量装置的仓储配送网络的科学设计,可以通过将运输、仓储、配送等物料流动的全过程进行系统化管理,同时配合各项资源整合,打破资源属性边界,促进其向着供应链物流一体化方向发展。

柔性的概念最早来源于柔性制造系统(FMS),指的是制造柔性,现在则通常被定义为对环境不确定性的适应性反应。简而言之,柔性是一种应变能力。许志端认为物流系统网络的柔性设计应关注在物流仓储区域的数量及地点、运输工具和运输网络的类型和能力等易于改变的可能性方面[7]。随后,王伟和真虹又将柔性理论应用到物流配送系统,并提出配送系统的柔性就是配送系统对环境变化快速而经济有效的反应能力[8]。可见,柔性化服务具有多样、灵活、交换、渗透并为服务对象乐意接受等特点。因此,本文将配送服务柔性,即多级配送与直配并存的配送服务模式,考虑到电能计量装置的仓储配送网络设计中,从而实现仓储配送网络对需求变化的快速反应。

结合上述物流一体化理论和柔性服务理论,针对考虑柔性服务的电能计量装置仓储配送网络设计问题,首先通过分析电能计量装置的需求特点、网络运营成本、设施能力约束、服务水平四方面影响因素得到系统参数和决策原则,进而建立数学模型,通过数学模型找到在满足服务能力约束条件下最佳的仓储选址和最优的配送服务模式。由于数学模型相对较为复杂,采用了模拟退火算法对数学模型进行求解,最后通过算例分析对模型和算法进行评价和分析,为管理者提供科学的决策建议。

天津电网目前已建设有计量中心1个,多个二级计量分库,以及数量众多的下属站所,服务人口超过1 400万。其中,在计量装置的配送体系中,计量中心类似一级配送中心,周转站是配送的末端,即客户点,而计量分库作为二级配送中心,承担计量装置由计量中心到周转站的中转任务。但为了实现对客户需求的快速反应,天津电网尝试采用柔性化服务模式进行配送,即对于配送末端的周转站所可以灵活性地选择普通三级配送模式或直配模式,如图1所示,天津电网正在建设和完善的三级计量装置仓储配送网络中普通三级配送模式(实线)和直配模式(虚线)并存。因此,在这样的服务模式需求下,需要对计量分库重新选址,使其既要满足库房地理位置和配送范围的合理性,同时还能实现网络结构中柔性服务模式的配送需求,亟需在具体的网络建设过程中采用科学方法辅助决策。针对以上现实需求,本文提出了物流一体化网络设计(ILND)模型。

基于以上电网实际情况和理论分析的需要,在模型构建之前需要做出如下必要假设:

图1 天津电网计量装置仓储配送网络布局示意图   下载原图

(1)计量中心提供的计量装置总能满足周转站的需求,且有足够的运力可以实现对所有需求配送;

(2)计量分库节点不产生需求;

(3)周转站的需求不可分割,每个周转站只能由一个计量分库或计量中心提供配送服务;

(4)一个周转站只能选择一种配送模式;

(5)周转站作为配送末端的客户点,这里不考虑其库存成本问题;

(6)计量中心能够满足周转站的所有需求,因此不考虑计量中心的库存能力限制;

(7)在直配模式下,计量装置由计量中心检定后直接配送给周转站,因此不考虑库存相关成本。

为了便于模型建立,还需要对一些重要参变量进行定义,见表1。

从提升计量装置仓储配送网络效率和服务水平出发,根据天津电网绝对保证满足电能计量装置需求的要求,结合计量分库的库容能力约束和柔性配送服务模式要求,通过最小化网络运营成本建立如下ILND模型:

表1 模型相关参数及变量定义     下载原表

其中,模型以最小化网络的总运营成本为目标,网络的总运营成本包括网络建设费用,储存费用和运输费用,网络建设费用主要指计量分库的总建设费用,这里把网络建设费用分摊到规划期内所有年度进行考虑,记分摊系数为:

总储存费用包括计量装置在各计量分库上的固定储存费用和可变储存费用。其中,可变储存费用与仓库存储的计量装置数量有关。根据Baumel-Wolfe方法[3],总可变储存费用应为。

此外,约束条件(1)是计量分库建设数量约束;约束条件(2)是周转站配送模式选择约束,要求同一周转站只能对应一种配送模式,即由计量分库中转配送或由计量中心直配,同时该条件还保证周转站的需求得到满足且不被分割;约束条件(3)要求周转站的需求必须分配给建设的计量分库,同时保证了建设的计量分库必须有计量装置流通;约束条件(4)是计量分库储存能力约束;约束条件(5)是相关变量的定义范围约束。特别注意的是,本文中的配送服务水平约束通过配送路径可达性体现,当网络节点间的距离超出配送范围时,对应两个网络节点间的单位运输费用将作为一个极大的惩罚费用设置为无穷大[2]。

由于上述物流一体化网络设计模型(ILND)结构较复杂,属于NP-hard问题,因此需采用启发式算法对其进行求解。模拟退火算法(SA)作为一种基于Mente Carlo迭代求解的随机搜索算法,目前已被广泛应用于设施布局、生产调度、控制工程、计算机网络设计等多个领域[4],其特点是在达到局部最优解时,能够以一定概率跳出原有搜索区域,并通过随机游走逐渐收敛于全局最优解。该算法对求解复杂物流网络设计模型效果良好。

算法的具体操作步骤如下:

(1)设置模拟退火计划表,令初始温度为T(充分大),设置温度控制函数update(T),并给定初始解S,令S为当前最优解;

(2)执行邻域函数,产生新解S';

(3)计算增量Δt'=G(S')-G(S),其中G(S'),G(S)分别为解S,S'的目标函数值。若Δt'<0,则令S=S';若Δt'≥0则在区间(0,1)随机产生一个小数ρ,若ρ<exp(-Δt'/T),则令S=S',否则不接受新解S';

(4)若不满足同温度下的Metropolis抽样收敛准则,返回步骤(2);否则更新温度T←update(T);

(5)收敛性检验。若不满足算法终止准则,则返回步骤(2);否则算法终止,输出最优解S。

根据模拟退火算法的原理,上述步骤中的参数及变化过程在仓储配送网络设计中的具体含义见表2。

根据电网企业的实际情况模拟生成三层计量装置仓储配送网络设计问题进行实验计算。其中,该网络共有10个周转站(需求点),5个候选计量分库以及1个计量中心。此外,网络规划年限为P=10年,银行年利率γ=0.049,计量分库的最大修建数目限制为M=4,运输费用和存储费用的权重系数分别为α1=1,α2=2,其他相关数据随机生成,详见表3-表5。

表2 SA术语在仓储配送网络设计中的含义     下载原表

表3 周转站相关参数数据     下载原表

注:∞代表超出配送范围。

表4 计量分库相关参数数据     下载原表

表5 计量分库到周转站的单位运输费用     下载原表

根据上述条件,建立物流一体化网络设计(ILND)模型,并应用MATLAB软件编程进行求解。考虑到启发式算法的优化结果质量可能与初始解的选取有关,为此在算法实现过程中记录了5组不同初始解下的最优值,以检验模型和算法的有效性。

由表6数据可知,不同初始解下得到的最优目标函数值较接近,且相对于初始解均有20%以上的相对费用节省率,因此模拟退火算法和模型均有效。

最后通过计算得出,在满足约束条件的前提下,使得网络总费用最低的网络结构如图2所示。

表6 不同初始解对应的最优目标函数值     下载原表

图2 最优仓储配送网络结构   下载原图

由图2可知,最优仓储配送网络结构中舍弃了第5个备选计量分库,建设其余4个计量分库,并由这4个计量分库和计量中心共同负责各周转站的配送任务。其中,周转站2和9由计量中心统一直配,其余由计量分库中转配送,具体对应关系是:计量分库1为周转站5配送;计量分库2为周转站1、4、7配送;计量分库3为周转站6、10配送;计量分库4为周转站3、8配送。

结合参数表(表3至表5)对上述结果分析可知:(1)在计量分库选址方面,影响选址结果的重要因素之一是计量中心到计量分库的运输成本。相比于其余四个计量分库,计量分库5到计量中心的单位运输成本较高,而在其他费用方面计量分库之间没有太大区别,因此在网络优化过程中将计量分库5淘汰。(2)在配送方面,运输费用同样是影响配送模式选择和配送任务分配的重要因素,由于周转站2和9到计量中心的单位运输费用较小,选择直配模式可以节省运输费用,因此从降低配送成本的角度,周转站2和9应该采用直配模式。其它周转站则通过权衡计量分库的流通能力和配送成本选择由最合适的计量分库配送。总而言之,运输费用是仓储配送网络设计过程中影响网络结构调整的重要因素。

本文在已有研究的基础上,应用物流一体化理论,对电能计量装置仓储配送网络的设计与决策问题展开研究,并得到以下成果:(1)结合天津电网的实际情况,将普通三级配送和直配并存的柔性化配送服务模式考虑到计量装置仓储配送网络一体化设计中,提出物流一体化网络设计(ILND)模型,并使用模拟退火算法实现模型求解;(2)通过算例分析论证了物流一体化网络设计(ILND)模型在电能计量装置仓储配送网络设计与决策中的适用性,同时还发现运输费用是影响网络结构优化的重要因素;(3)物流一体化网络设计(ILND)模型可以确定需要建设的计量分库节点,并明确每个周转站的配送模式,可以同时解决计量分库的节点选址和周转站柔性化配送模式选择问题。

本文研究的结果有助于管理者从物流一体化角度重构天津电网计量装置仓储配送网络,获取进一步规划建设的决策建议。但是,本文提出的模型中没有考虑周转站所的仓储费用以及直配模式下计量中心的仓储管理费用,而在实践中这些费用的产生也将影响企业的决策。此外,对于生产、库存、选址与配送耦合决策的复杂问题本文没有深入分析,这些问题将是本文后续研究的重点。