基于环境政策的物流配送企业选址研究

基于环境政策的物流配送企业选址研究

1选址模型建立的背景为了实现物流的时间和空间效率，有必要科学调整物流系统的重要组成部分，即物流中心的位置。配送中心是货物从生产厂家到零售商之间的贮存据点,是集中和分散物资,促进货物流转的仓库。配送中心的位置相当重要,合理选址可以有效节省费用,促进生产和消费两种流量的协调和配合,保证物流系统的平衡发展。正是基于配送中心及其位置的重要性,大量科研人员对这一问题展开了研究,建立了一系列的选址模型和算法。如Crainic(1997)分别就单一配送中心和多个配送中心的选址问题建立了数学规划模型,通过求解模型,得出厂家成本最小的选址方案;孙会君(2003)在选址问题中同时考虑了物流企业和顾客的利益,建立了双层规划模型,得到了使企业和顾客相对满意的选址方案;OdedBerman(2002-2003)则从顾客满意度角度出发,给出了具有最大覆盖面的选址模型;马云峰(2006)强调了时间对物流企业的重要性,通过定义一个时间满意度函数,给出基于时间满意的最大覆盖选址模型;杨波(2002)将企业待选的各个城市对其商品的需求量看作是随机变量,建立了选址问题的随机模型,并给出了模型的量化方法。随后,杨波等(2003)在又针对多品种的货物配送问题再次给出了更加全面的随机选址模型。上面这些模型一般是从公司内部减少成本或增加顾客满意度来考虑建立的,没有考虑到一个配送中心的建立是否对其所在的城市甚至整个国家的环境的影响。事实上,经济的快速发展,给自然环境带来了严重的负面影响,使得环境恶化程度不断加剧,人类的生存和发展受到越来越大的威胁。为此,一些国家或国际组织都相继出台了一些与环境保护相关的协议或法律条款。这些条款要求商家必须对自己所经手的产品造成的污染及危害负相应的责任,并且采取相应的措施,否则将会受到严厉的惩罚。物流作为经济活动的一部分,其发展也不可避免地对环境产生危害。这就要求物流企业必须关注环境问题,以降低经营风险和违反法律的成本。因此,对政府而言,追求城市居民生活水平提高的同时,也需要制定政策保护环境,为子孙后代留下一个健康、可持续的生存环境。而对于物流企业,在追求其利润最大化的同时,也应该遵守政府制定的保护环境的各项制度,改善服务,将其生产中对环境的破坏降至最小。但是政府该如何制定政策,才能既保护环境,又不影响企业的生产积极性?目前关于这方面的研究还不多。本文将建立以政府为上层、企业为下层的双层优化模型,通过求解模型,尝试寻求使国家和物流企业相对满意的选址方案。2第j个配送中心的设置及任务配送中心的选址问题包括单一配送中心选址和多个配送中心选址。所谓多个配送中心选址问题是指在一些已选中的销售城市中选出一些来设置配送中心作为货物的中转站,使形成的物流网络的总成本费用最小。目前,在多个配送中心的选址模型中最简单、最经典的模型是度量无容量约束的选址模型:minxf(x‚y)=Ι∑i=1J∑j=1cijxij+J∑j=1gjˆxj(1)subjecttoJ∑j=1xij=1‚i=1‚2‚⋯Ι(2)xij-ˆxj≤0i=1‚2‚⋯Ι‚j=1‚2‚⋯J(3)ˆxj={1‚第j个城市建立配送中心0否则xij={1‚第j个配送中心为第i个顾客提供服务0.否则式中J——预先选定的城市数;I——对该种产品有需求的顾客数;cij——表示从第j个配送中心到第i个顾客的配送成本。这里的cij满足三角不等式性质:(1)cij≥0,(2)cij=cji,(3)cij≤cjk+cik;gi——在第j个城市建立配送中心的固定成本;其中目标函数(1)包含配送中心到顾客的运输成本Ι∑i=1J∑j=1cijxij;各个配送中心的建设固定成本Ι∑i=1giˆxi;约束条件(2)表示只有一个配送中心对第i个顾客配送货物;(3)表示第j个配送中心对第i个顾客配送货物的前提是第j个城市要建立配送中心。F.Chudak以及J.Byrka等十几位专家分别就上面的经典选址模型的近似算法进行了研究,通过不断改进算法的近似值,给出了使该模型更加有效、实用的求解算法。本文将以这个模型为基础,进一步给出满足环境保护条件的双层优化选址模型。3基于环境保护的双重优化布局模型为了便于建立模型,我们在这里假定该公司只提供一种货物;仅在给定的被选范围内考虑设置配送中心;每个备选城市至多建立一个配送中心。3.1物流企业的成本—经典选址问题的双层规划模型由于各地政府为了保护环境,会针对不同的行业设定一些环境标准,并通过罚款方式督促企业在生产、运营过程中达到这些标准。因此,对于物流企业来说,确定选址方案时不仅要考虑通常意义上的物流成本(包括运输、装卸、建设成本等),还要考虑环境不达标而承担的惩罚。由于任何的产品都可以看成是环境的污染源,所以为了便于建立模型,我们这里先假定政府对物流企业运输的所有产品都其进行处罚。基于这些考虑,在经典的选址模型基础上,可以将物流企业的成本最小模型建立如下:minxf(x‚y)=Ι∑i=1J∑j=1(cij+zj)xij+J∑j=1gjˆxjsubjecttoJ∑j=1xij=1‚i=1‚2‚⋯Ιxij-ˆxj≤0i=1‚2‚⋯Ι‚j=1‚2‚⋯Jˆxj={1‚第j个城市建立配送中心0否则xij={1‚第j个配送中心为第i个顾客提供服务0.否则式中符号J,I,cij,gj意义同前。变量z=(z1,…zJ)是上层政府的决策变量,上层政府的规划为:minzF(x(z)‚y(z)‚z)=J∑j=1Ι∑i=1xijˆxjβj0≤zj≤bj‚j=1‚2‚⋯Jxij‚ˆxj∈{0‚1}‚i=1‚2‚⋯Ι‚j=1‚2‚⋯J其中,βj表示第j个城市对该种产品设定的环境标准。zj表示第j个城市对于环境不达标的企业给予惩罚的金额,zj≤bj(j=1,2,…J)表示第j个城市的处罚不高于给定的上限;下层企业的目标函数包含运输成本和被政府罚款的金额之和Ι∑i=1J∑j=1(cij+zj)xij以及各个配送中心的建设固定成本Ι∑i=1gixi;上层目标函数中F(x‚y‚z)=Ι∑i=1J∑j=1xijˆxjβj则表示该城市环境发展的效益函数,政府可以通过调整环境标准βj和惩罚额度zj来督促物流企业在配送过程中达到环境标准。3.2上层规划模型如果政府不是对企业的所有产品都进行处罚,而只是对其环境不达标的产品或垃圾等污染物进行罚款。同时假定企业为了减少由于环境不达标而承担的成本、树立更佳的企业形象,而主动对各个配送中心产生污染物进行净化处理。则可以将上面的双层规划模型调整如下:minzF(x(z)‚y(z)‚z)=J∑j=1(Ι∑i=1αijxij-yj)ˆxjβj0≤zj≤bj‚j=1‚2‚⋯J其中(x,y)是下层规划在上层变量z给定了的前提下的最优解:minx‚yf(x‚y)=Ι∑i=1J∑j=1cijxij+J∑j=1gjˆxj+J∑j=1(Ι∑i=1αijxij-yj)ˆxjzj+J∑j=1djyjˆxjsubjecttoJ∑j=1xij=1‚i=1‚2‚⋯Ιxij-ˆxj≤0i=1‚2‚⋯Ι‚j=1‚2‚⋯Jˆxj‚xij∈{0‚1}‚0≤yj≤Ι其中αij——从第j个配送中心到第i个顾客的配送过程中形成污染的比例(0≤αij≤1)。yj——第j个配送中心处理污染物的总量;dj——第j个配送中心处理污染物的成本;分析模型,我们看到在各地环境标准给定的前提下,上层政府每制定一个政策z,下层的物流企业就会得到一个相对成本最小选址方案(x,y)。反过来,下层的决策变量(x,y)又会反馈给上层政府,使它根据(x,y)调整方案z。通过这种相互影响,最终使双方达到相对的最优,从而得到模型的最优解。文章所建的两个模型上下层均是带有离散变量的线性规划,可以用遗传算法、分支定界算法以及近似算法等来求解。本文在下面的例子中将用分支定界算法来求解所建模型。4煤气厂的配送中心现在我们来通过一个简单的例子来说明此模型是如何使政府和企业实现相对最优的。假设某煤气厂生产的煤气主要负责其所在城市中固定的三个煤气中心。这三个中心直接负责其所在区域的居民的煤气供应,也是煤气厂的三个主要顾客。由于煤气是危险品,所以厂址远离市郊,而煤气又是老百姓的日常生活必需品,故三个煤气中心均位于城市内部。如果由厂家直接负责三个煤气中心的需求,厂家的成本可能会很大。因此,为了减少成本,该厂在这个城市中选取了两个地点(1号地点和2号地点)准备建立一个或两个煤气配送站。厂家到1号地点和2号地点以及这两个地点到各个煤气中心的距离见图1。同时,假定该城市对煤气厂设定的环境指标为1.2;对于不达标的煤气单位位罚款z元(z不能高于产品单价的10倍);该种产品每单位售价为500元;两个地点处理污染物的成本分别约为200元和800元;两个地点的固定建设费用分别约为8万元和10万元,每次运输煤气时泄露或污染的比例为αij=110。则厂家该如何决策?根据条件建立模型为:minzF(x(z)‚y(z)‚z)=β∑j=12(∑i=13αijxij-yj)x^j0≤z≤5000‚x^j‚xij∈{0‚1}‚j=1‚2其中(x,y)是下层规划在上层变量z给定前提下的解:minx‚yf(x‚y)=∑i=13fix¯i+∑i=13∑j=12cijxij+∑j=12gjx^j+∑j=12djyjx^j+∑j=12(∑i=13110xij-yj)zx^jsubjectto∑j=12xij=1‚i=1‚2‚3xij-x^j≤0i=1‚2‚3j=1‚2x^j={1‚第j号地点建立配送中心0否则x¯i={1‚厂家直接对第i个煤气中心供货0否则xij={1‚第j个配送中心为第i个煤气中心提供服务0.否则fi表示由厂家第i个煤气中心的运送成本,模型中用到的一些参数的具体值如下(单位元:元):f1=6000,f2=10000,f3=4000,d1=2000,d2=4000,g1=80000,g2=100000,c11=1000,c12=1500,c13=4000,c21=3500,c22=1500,c23=1000经过计算我们发现如果没有政府的环境政策干预,那么煤气厂的最佳选址方案是同时选择两个地点来建配送中心(1、2号地点分别负责煤气中心1和3,而它们对煤气中心2的配送成本是一样的),此时其最低成本是18.35万元,其中固定成本为18万元。如果设这两个配送中心的平均使用寿命为10年,每年只运2次,则建立两个配送中心后平均每次的配送成本约为0.96万元(远小于由厂家直接配送的成本2万元)。而当政府的环境政策参与到选址问题中时,得到最优方案是:各地政府对企业环境不达标的产品均罚最高额5000元,而煤气厂的最优策略是只在1号地点建立配送中心来负责三个煤气中心的需求,并将配送中心产生的污染物全部进行清理、净化,使之达到环境标准。此时,政府的目标函值为0,而煤气厂每次配送的成本约为1.1万元。这样,既保证了厂家的成本不是非常大,又可使政府达到保护环境的目的,从而避免了因建配送中心给城市带来的破坏和影响。5算例对模型的验证本文以环境保护为前