生鮮農產(chǎn)品冷鏈物流配送問(wèn)題及其路徑優(yōu)化

生鮮農產(chǎn)品冷鏈物流配送問(wèn)題及其路徑優(yōu)化

隨著(zhù)生活水平的提高，人們對生鮮農產(chǎn)品的需求量和品質(zhì)要求越來(lái)越高，推動(dòng)了冷鏈相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。冷藏運輸是冷鏈物流的一個(gè)重要環(huán)節。生鮮農產(chǎn)品從生產(chǎn)者到最終消費者的過(guò)程中，有80%以上的時(shí)間在配送運輸上。適宜的運輸條件，不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)還能節約產(chǎn)品資源，保持產(chǎn)品的影響價(jià)值，增加銷(xiāo)售收入和減少能源消耗。歐美經(jīng)濟發(fā)怲國家由于科學(xué)技術(shù)先進(jìn)，加上重視產(chǎn)品安全工作，其易腐產(chǎn)品100%采用冷藏保鮮運輸，運輸質(zhì)量的完好率在95%以上。而中國冷鏈物流市場(chǎng)尚未形成標準的體系，由于運輸過(guò)程中不規范的操作，導致產(chǎn)品損壞和變質(zhì)的情況時(shí)有發(fā)生。1958年，美國的阿薩德等認為溫度變化會(huì )引起質(zhì)量損失，及冷凍產(chǎn)品質(zhì)量取決于產(chǎn)品的溫度（temperature）、冷凍時(shí)間（time）、耐藏性（tolerance）的容許限度，稱(chēng)為3T理論。根據3T理論，在流通過(guò)程中生鮮產(chǎn)品品質(zhì)變化主要取決于溫度，溫度越低，其品質(zhì)保持的時(shí)間越長(cháng)。在流通過(guò)程中因時(shí)間、溫度的經(jīng)歷而引起的品質(zhì)降低量是累積的、不可逆的，并且與所經(jīng)歷的順序無(wú)關(guān)。新鮮和易腐產(chǎn)品的保質(zhì)期通常比較短，質(zhì)量下降是連續的，只有通過(guò)合適的低溫控制，才能延長(cháng)其保質(zhì)期，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。Miroslaw等提出冷鏈運輸過(guò)程中為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量、滿(mǎn)足客戶(hù)需求和服務(wù)時(shí)間的限制，將時(shí)間窗與控制溫度作為車(chē)輛路徑規劃問(wèn)題的約束，建立以成本最小化為目標的模型。彭碧濤等研究多時(shí)間窗車(chē)輛路徑問(wèn)題，建立多時(shí)間窗車(chē)輛路徑問(wèn)題的數學(xué)模型，首先利用基本蟻群算法求解，然后加入變異算子，并采用2-opt算法和元胞自動(dòng)算法對結果進(jìn)行優(yōu)化。Dabia等在合適的時(shí)間為客戶(hù)提供配送服務(wù)，從而實(shí)現減少配送所需時(shí)間和降低配送成本的目的。朱金峰研究城市冷鏈物流配送路徑優(yōu)化問(wèn)題，提出VRPTW問(wèn)題優(yōu)化方法，最終發(fā)現節約成本法不僅能快速找到物流配送路徑最優(yōu)配送路線(xiàn)，同時(shí)滿(mǎn)足客戶(hù)時(shí)間窗要求，可以有效降低物流配送成本。本研究的創(chuàng )新點(diǎn)是根據冷鏈物流配送的特殊性，充分考慮在冷鏈物流配送過(guò)程中時(shí)間、溫度、貨損因素。通過(guò)合理安排配送線(xiàn)路，從而縮短配送時(shí)間，減少貨物損失，同時(shí)滿(mǎn)足客戶(hù)時(shí)間窗要求，提高客戶(hù)滿(mǎn)意度和冷鏈物流企業(yè)的競爭力，符合我國冷鏈物流市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展方向。

1我國生鮮農產(chǎn)品冷鏈物流現狀

1.1冷鏈運輸難以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求

我國生鮮食品在季節和品種供應方面存在均衡供應的矛盾。隨著(zhù)我國經(jīng)濟增長(cháng)，迫切需要解決菜籃子工程。在保障供給、調節時(shí)間和空間市場(chǎng)方面，落后的冷鏈物流體系難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，供需矛盾日益顯著(zhù)，特別是大型突發(fā)性事件中生鮮食品的不穩定供應、異常天氣因素和不正常的市場(chǎng)競爭等現象。[LM]

1.2生鮮食品耗損嚴重

長(cháng)期以來(lái)，由于現代化冷鏈基礎設施落后以及不適當的包裝方法、材料、容器和處理方法，我國肉類(lèi)、水產(chǎn)品、果蔬等生鮮食品從產(chǎn)地到餐桌的各個(gè)環(huán)節中近80%沒(méi)有經(jīng)過(guò)冷鏈流通，采用常溫運輸銷(xiāo)售，腐壞，損失嚴重。歐美經(jīng)濟發(fā)達國家由于科學(xué)技術(shù)先進(jìn)，加上重視食品安全工作，其易腐食品100%采用冷藏保鮮運輸，其質(zhì)量的完好率在95%以上，物流環(huán)節損失率僅5%。我國冷鏈物流尚處于初級階段，農業(yè)組織化程度低。以果蔬為例，由于果蔬采收和流通設施落后，導致果蔬優(yōu)質(zhì)率低。果蔬的采摘、運輸、儲存等物流環(huán)節上損失率達25%～30%，造成每年約1 200萬(wàn)t水果和1.3 t蔬菜的浪費，經(jīng)濟損失超過(guò)千億元。同時(shí)，生鮮產(chǎn)品裝車(chē)大多在露天環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，而非在冷庫和保溫場(chǎng)所，80%～90%的水果、蔬菜、肉類(lèi)、水產(chǎn)品多采用普通貨車(chē)常溫運輸，冷藏運輸率僅約為10%～20%，由此產(chǎn)生的巨大損耗費并不是增產(chǎn)技術(shù)所能彌補的。

1.3冷鏈運輸設備投入不足

農業(yè)生產(chǎn)集約化、規?；潭鹊?，生鮮農產(chǎn)品加工基本以個(gè)體經(jīng)營(yíng)居多。人力、物力成本高，市場(chǎng)行情不穩定，造成經(jīng)營(yíng)者在冷鏈物流成本上投入不足，從而形成生鮮產(chǎn)品賣(mài)難的局面。對于溫度要求不太高的果蔬產(chǎn)品，大多通過(guò)常溫車(chē)進(jìn)行運輸，少量使用冷藏車(chē)進(jìn)行運輸也是供出口使用，冷鏈物流是制約生鮮農產(chǎn)品銷(xiāo)儲運的瓶頸，是產(chǎn)品無(wú)法快速安全進(jìn)入銷(xiāo)售環(huán)節的重要原因。

1.4粗放式管理、缺乏健全法規

冷鏈物流在總體上仍采用粗放式操作，與國際標準相差很大，沒(méi)有解決設施陳舊、不足、分散，成本高，技術(shù)落后，管理混亂等基本問(wèn)題。此外，相應的冷鏈物流法律法規不健全，冷鏈產(chǎn)品的安全監管沒(méi)有得到廣泛的普及，我國在冷鏈物流區域仍處于初級建設階段。

1.5惡性市場(chǎng)競爭

隨著(zhù)生鮮農產(chǎn)品

市場(chǎng)的快速增長(cháng)，資本的涌入，冷鏈行業(yè)有向惡性競爭發(fā)展的趨勢，其主要原因是經(jīng)銷(xiāo)商有壓縮冷鏈物流成本的目的。在物流服務(wù)同質(zhì)化的情況下，為了擴大營(yíng)業(yè)規模，開(kāi)拓市場(chǎng)份額，就會(huì )造成冷鏈物流成本急劇壓縮，物流利潤徘徊在盈虧之間。惡性競爭勢必會(huì )造成服務(wù)水平的下降和市場(chǎng)的不穩定，最終威脅食品安全和消費者的健康。

2生洰農產(chǎn)品冷鏈物流特點(diǎn)

生鮮農產(chǎn)品作為人們日常飲食的重要部分，其品質(zhì)與安全直接關(guān)系到市場(chǎng)穩定和消費者安全。生鮮農產(chǎn)品具有鮮活性、易腐性，從生產(chǎn)供應的角度來(lái)看又具有季節性、分散性和普遍性特點(diǎn)，因此與一般物流產(chǎn)品相比，生鮮農產(chǎn)品對物流技術(shù)要求更高，管理更嚴格，具體體現在以下幾個(gè)方面。

2.1物流網(wǎng)絡(luò )分散

生鮮農產(chǎn)品的產(chǎn)地多集中在郊區或農村地區，而銷(xiāo)售地多為城鄉區域，因此出現了產(chǎn)銷(xiāo)分離情況，除了穩定的供應關(guān)系，大多數農產(chǎn)品的流量和流向都是分散的。同時(shí)，生鮮農產(chǎn)品的生產(chǎn)具有地域性和季節性特點(diǎn)，流量和流向呈波動(dòng)性變化，為了滿(mǎn)足人們的日常需求，需要龐大的物流網(wǎng)絡(luò )支持。

2.2配送風(fēng)險高

生鮮農產(chǎn)品相對其他農產(chǎn)品更注重產(chǎn)品的新鮮度，在物流環(huán)節中，需要適宜的溫度來(lái)保持產(chǎn)品的品質(zhì)，同時(shí)避免在運輸過(guò)程中造成非必要損害，這些都將影響到生鮮農產(chǎn)品的價(jià)值和銷(xiāo)售。如何科學(xué)安全地進(jìn)行物流配送，是降低生鮮農產(chǎn)品冷鏈物流風(fēng)險高的重要方法。

2.3物流成本高

冷鏈物流成本高主要是因為設備的購置成本高、投入資源多、組織工作復雜、能耗大等。相關(guān)研究表明，冷鏈物流成本比常溫物流成本高40%～60%，隨著(zhù)能源價(jià)格上漲，其物流成本將呈現增長(cháng)的趨勢。

3冷鏈物流配送路徑的優(yōu)化研究

3.1問(wèn)題描述與假設

本研究所創(chuàng )建的冷鏈物流運輸模型，是建立在1個(gè)冷鏈配送中心為多個(gè)客戶(hù)服務(wù)的基礎上。在滿(mǎn)足客戶(hù)需求量、車(chē)輛載重限制、客戶(hù)時(shí)間窗要求等約束條件下，通過(guò)制定合理運輸路線(xiàn)，實(shí)現配送總成本最小，同時(shí)結合冷鏈物流配送特點(diǎn)，作以下基本假設：（1）配送只是單向送貨的過(guò)程；（2）冷藏運輸車(chē)的載重是確定的；（3）必須滿(mǎn)足所有客戶(hù)的貨物需求，且每個(gè)客戶(hù)所需貨物只能由1臺冷藏車(chē)為其配送；（4）車(chē)輛出發(fā)點(diǎn)和結束點(diǎn)必須是同一個(gè)配送中心；（5）各客戶(hù)地理位置和貨物需求量是已知的；（6）確定客戶(hù)指定的服務(wù)時(shí)間，送貨必須在規定時(shí)間段內進(jìn)行，車(chē)輛在客戶(hù)滿(mǎn)意時(shí)間窗內到達，不會(huì )被懲罰；車(chē)輛在客戶(hù)滿(mǎn)意時(shí)間窗外到達，則會(huì )有一定的時(shí)間懲罰，懲罰成本與車(chē)輛到達時(shí)間相關(guān)；（7）配送中心與客戶(hù)之間，以及兩兩客戶(hù)之間的最優(yōu)配送線(xiàn)路已知；（8）產(chǎn)品需要一定溫度來(lái)保持其品質(zhì)和價(jià)值。

結合實(shí)際配送過(guò)程，本試驗將深入研究冷鏈物流配送過(guò)程中造成時(shí)間、溫度和貨損成本，以配送總成本最小為目標函數建立冷鏈物流配送問(wèn)題的基本模型。降低物流配送活動(dòng)能耗成本的同時(shí)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，減少流通中的損耗。

3.2冷鏈物流配送成本定義

根據決策目標，冷鏈物流配送模型以總成本最低作為目標函數。冷鏈物流配送的成本根據冷鏈物流特性可分為3個(gè)部分，即時(shí)間成本、溫度成本、貨損成本。其中，時(shí)間成本包含車(chē)輛運輸成本、客戶(hù)時(shí)間窗成本；溫度成本包括運輸過(guò)程中的制冷成本，以及在卸貨過(guò)程中溫差變化產(chǎn)生的額外能耗成本；貨損成本包含隨著(zhù)時(shí)間變化而產(chǎn)生的產(chǎn)品貨損成本和裝卸過(guò)程溫差變化產(chǎn)生的貨損成本。

3.2.1時(shí)間成本

3.2.1.1運輸成本

運輸是配送過(guò)程中重要的部分，也是時(shí)間花費最長(cháng)的部分。因此，運輸成本是3T成本中時(shí)間成本的重要組成部分，配送車(chē)輛運輸成本與車(chē)輛行駛里程數、車(chē)輛行駛時(shí)間呈正相關(guān)。對于配送車(chē)輛運輸成本，采用下式來(lái)計算：

[JZ（]C11=[DD（]ni=0[DD）] [DD（]nj=0[DD）] [DD（]mk=1[DD）]xkijckij。[JZ）][JY]（1）

式中：ckij表示第k部車(chē)輛從客戶(hù)i到客戶(hù)j的運輸成本；xkij為0、1變量，若第k部車(chē)輛完成客戶(hù)i到客戶(hù)j的配送，則xkij=1，否則，xkij=0。

3.2.1.2時(shí)間窗成本

為了獲取更高效優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，客戶(hù)會(huì )要求商家在規定時(shí)間內送達貨物，然而現實(shí)情況中，由于配送線(xiàn)路的不合適，導致客戶(hù)無(wú)法在規定的時(shí)間內收到貨物，這種由于時(shí)間窗而產(chǎn)生的成本是一種隱性成本，與運輸成本、溫度成本和貨損成本這3種顯性成本相比，雖然不能實(shí)質(zhì)改變配送過(guò)程中的成本，但是這將影響客戶(hù)滿(mǎn)意度和服務(wù)體驗，并存在質(zhì)量下降和丟失客戶(hù)的風(fēng)險。如果將隱性時(shí)間窗成本用數學(xué)模型進(jìn)行顯性表達，就可以作為衡量物流配送效率和成本的重要指標。所以，時(shí)間窗成本應作為物流配送成本中的重要部分。時(shí)間窗成本如下所示：

[JZ（]C12=[DD（]nj=1[DD）]pqjFj（sj）max{（Ej-sj），（sj-Lj），0}。[JZ）][JY]（2）

式中：p表示產(chǎn)品的單價(jià)；qj表示客戶(hù)j的需求量；sj表示到達j客戶(hù)的時(shí)間；Ej或Lj表示j客戶(hù)要求的最早或最晚配送時(shí)間；Fj（sj）表示違反客戶(hù)時(shí)間窗所造成的損失成本系數函數。

[JZ（]Fj（sj）=[JB（{][WB]sjej或sjlj[DW]ejsjEj0[DW]EjLj[DW]Ljsjlj[JB）]。[JZ）][JY]（3）

式中：ej或lj表示j客戶(hù)可接受的最早或最晚的配送時(shí)間；、表示違反客戶(hù)時(shí)間窗所造成的損失成本系數（）。

3.2.2貨損成本

冷鏈物流的運輸對象一般多為易腐性產(chǎn)品，產(chǎn)品的質(zhì)量和價(jià)值常常受溫度、濕度、時(shí)間等因素的影響。在配送過(guò)程中，為了降低產(chǎn)品的腐壞變質(zhì)，保證其質(zhì)量，通常采用低溫運輸的方式。但是低溫運輸只是控制和減緩產(chǎn)品腐壞的一種手段，不能完全阻斷這一現象發(fā)生，因此冷鏈物流配送過(guò)程中產(chǎn)品損壞所引起的貨損成本也是必須考慮的重點(diǎn)。影響冷鏈配送產(chǎn)品腐壞的因素很多：（1）假定在運輸過(guò)程中不考慮其他的影響因素，產(chǎn)品僅在恒定的溫度下進(jìn)行運輸，則產(chǎn)品的腐壞僅與配送時(shí)間有關(guān)；（2）在裝卸過(guò)程中，由于車(chē)內外溫度差，形成空氣對流，導致車(chē)廂內溫度變化，從而加速產(chǎn)品的損耗。這2個(gè)部分的貨損成本可用如下公式表示：

[JZ（]C2=p[DD（]mk=1[DD）][DD（]nj=1[DD）]xkjqj（1tk0j+2tkj）。[JZ）][JY]（4）

式中：xkj為0、1變量，若第k部車(chē)輛完成客戶(hù)j的配送，則xkj=1，否則，xkj=0；tkoj表示第k部車(chē)輛從配送中心到客戶(hù)j車(chē)輛行駛時(shí)間；tkj表示表示第k部車(chē)輛在客戶(hù)j的裝卸貨時(shí)間；1和2表示產(chǎn)品貨損系數。

3.2.3溫度成本

溫度是維持冷藏品的決定條件，在合適的溫度下，降低或減緩產(chǎn)品的腐壞速度，對冷鏈物流有重要意義。生鮮農產(chǎn)品的腐壞變質(zhì)，主要是由微生物的作用、酶的作用、氧化作用、呼吸作用和機械損傷造成的，溫度對以上5種腐壞變質(zhì)因素具有重要的影響作用，控制溫度可以有效降低腐壞。在冷鏈配送過(guò)程中，溫度成本主要由冷藏車(chē)的制冷機能耗產(chǎn)生。因此，在研究時(shí)忽略其他影響因素，將生鮮品的溫度成本分為2個(gè)部分：第一，隨著(zhù)車(chē)輛運輸過(guò)程中的溫度變化，制冷機能耗成本也枿之變化，計算公式為

[JZ（]C31=[DD（]ni=0[DD）][DD（]nj=1[DD）][DD（]mk=1[DD）]xkij3tkijT。[JZ）][JY]（5）

式中：tkij表示第k部車(chē)輛從客戶(hù)i到客戶(hù)j車(chē)輛行駛時(shí)間；3表示產(chǎn)品制冷成本系數；T車(chē)內溫度。

第二，裝卸生鮮產(chǎn)品過(guò)程中，由于車(chē)內外溫度差（T），形成空氣對流，導致車(chē)廂內溫度發(fā)生急劇變化，從而增加制冷機的能耗成本。計算公式為

[JZ（]C32=[DD（]ni=0[DD）][DD（]nj=1[DD）][DD（]mk=1[DD）]xkij4tkjT。[JZ）][JY]（6）

式中：4表示產(chǎn)品制冷成本系數。

3.3模型建立

綜上，構建的冷鏈物流配送優(yōu)化模型如下：

minZ=C11+C12+C2+C31+C32=[DD（]ni=0[DD）][DD（]nj=0[DD）][DD（]mk=1[DD）]xkijckij+[DD（]nj=1[DD）]pqjFj（sj）max{（Ej-sj），（sj-Lj），0}+p[DD（]mk=1[DD）][DD（]nj=1[DD）]xkjqj（1tk0j+2tkj）+[DD（]ni=0[DD）][DD（]nj=1[DD）][DD（]mk=1[DD）]xkij3tkijT+[DD（]ni=0[DD）][DD（]nj=1[DD）][DD（]mk=1[DD）]xkij4tkjT。[JY]（7）

4冷鏈物流配送路徑優(yōu)化算例分析

4.1節約成本法

節約成本法通過(guò)將各個(gè)單獨點(diǎn)與源點(diǎn)相連，形成只具有1個(gè)原點(diǎn)的輻射線(xiàn)路的思想，從而通過(guò)計算各點(diǎn)之間可節省的最大值。在此基礎上，加入時(shí)間窗和溫度控制等約束，結合節約成本法的特點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的成本節約法用來(lái)解決問(wèn)題。該算法的特點(diǎn)是：它屬于逐次逼近法的一種，具有技術(shù)步驟簡(jiǎn)單、易懂、計算速度快且易于考慮各種實(shí)際問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，在求解中小企業(yè)車(chē)輛配送路徑問(wèn)題等小規模車(chē)輛配送路徑時(shí)有自身的優(yōu)勢。目前，冷鏈物流發(fā)展的瓶頸在于配送成本高，其中重要的一個(gè)方面就是配送時(shí)間的要求。而加入改進(jìn)有時(shí)間窗的節約法，將會(huì )要求冷鏈企業(yè)在有時(shí)間約束的情況下對配送路線(xiàn)方案作出最優(yōu)的選擇。因此，加入有時(shí)間和溫度限制的節約法將更加適合現實(shí)冷鏈物流企業(yè)的車(chē)輛配送情況。

根據冷鏈物流配送模型公式（7），考慮冷鏈物流配送過(guò)程中造成時(shí)間、溫度和貨損成本約束，使目標函數總成本最小。本研究利用節約成本法對冷鏈物流車(chē)輛配送路徑進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，涉及的相關(guān)因素包括節約的運輸成本、節約的貨損成本、節約的制冷成本和懲罰成本。在滿(mǎn)足時(shí)間窗、車(chē)輛載重等約束條件下，考慮該配送路線(xiàn)是否可行，找出各點(diǎn)之間可節約的最大值，計算得到節約最多的運輸路線(xiàn)，求解步驟歸納如下：（1）根據客戶(hù)收貨時(shí)間的先后順序進(jìn)行排序；（2）以最早時(shí)間窗的客戶(hù)作為第1個(gè)配送點(diǎn)，根據節約總成本最大的客戶(hù)確定下一個(gè)配送點(diǎn)，以此類(lèi)推，直到達到車(chē)輛載重和時(shí)間窗的限制；（3）刪除已選客戶(hù)，重復以上步驟，直到完成所有客戶(hù)的配送任務(wù)。

4.2案例分析

為了驗證模型的有效性，通過(guò)1個(gè)算例進(jìn)行分析。已知8個(gè)客戶(hù)需求點(diǎn)（編號為1，2，，8），配送中心0與各客戶(hù)之間的距離（km），各客戶(hù)的貨運量qi（t）和要求的時(shí)間范圍[Ei，Li]（h）見(jiàn)表1。此外，客戶(hù)可接受時(shí)間ei=0，li=2.5，設車(chē)輛的平均行駛速度為40 km/h，車(chē)輛載重4 t，產(chǎn)品單價(jià)p=8 000元/t，時(shí)間窗成本系數=0.02，=0.04，貨損系數=0.2%、0.4%，運輸過(guò)程制冷能耗成本為12元/h，但溫差導致的制冷成本2.5元（℃/h）。

5結束語(yǔ)

本研究先對我國生鮮農產(chǎn)品冷鏈物流進(jìn)行概述，根據其特殊性，以冷鏈物流配送作為出發(fā)點(diǎn)，分析配送過(guò)程中時(shí)間、溫度、貨損成本對配送成本的影響，從而構建以總成本最小為目的的目標函數，并提出基于時(shí)間窗的改進(jìn)節約成本法，以提高算法的性能和效率。通過(guò)冷鏈物流配送實(shí)例驗證，結果表明優(yōu)化的配送路徑可以達到既節約配送成本，又滿(mǎn)足客戶(hù)需求時(shí)間的雙重要求。冷鏈物流發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，為了適應市場(chǎng)的需求，積極推進(jìn)城鄉結合的冷庫建設，從原產(chǎn)地對生鮮農產(chǎn)品實(shí)行預冷、初加工、貯藏保鮮技術(shù)，推進(jìn)低溫控制的運輸模式的建立，形成完整的冷鏈流程。構建特色產(chǎn)區到大中城市的冷鏈物流體系，形成跨區域和反季銷(xiāo)售模式，促進(jìn)我國冷鏈物流市場(chǎng)的發(fā)展。