智能优化算法在物流中心选址问题求解中的应用研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 623.47KB 54 页 15积分

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摘要

本文研究的是物流中心选址问题的数学模型及其算法，该课题是系统工程、

运筹学、计算机科学的交叉学科,课题中的问题（即物流中心选址的数学模型的

建立及其求解）属于 NP-Hard 问题，具有极大的挑战性。由于物流中心选址的数

学模型在建立时要考虑很多的现实因素，因此建立的数学模型难于计算，且目前

尚无法用有效算法精确求解，但这些问题在现实领域中有着许多广泛的应用，因

而建立数学模型并寻找其实际而有效的算法就显得颇为重要了。近年来，该领域

中引入了一系列来自自然界的演化型算法，其思想吸收了许多看似无关的其它学

科中的概念和方法，典型的有：遗传算法等。

本文介绍了论文选题的意义以及国内外关于物流中心选址问题的研究现状，

介绍了遗传算法、MATLAB7.0 语言的基本概念和应用，概述了几种主要的物流

中心选址模型及其常用的求解方法，并对算法的优劣进行简单的分析。在分析总

结已有文献中相关数学模型及其求解方法的基础上，以物流中心选址的 0-1 整数

规划数学模型为基础，建立一个非线性 0-1 规划的数学模型，并设计了一个能

有效求解该模型的算法——将遗传算法与线性规划方法相结合的求解方法，文中

给出了该算法的具体步骤，通过对三个实例的求解，获得了理想的效果，验证了

算法的可行性，同时也将本算法的求解结果与文献中给出的算法的求解结果进行

了比较，所有解均好于文献中给出的解，验证了算法的有效性。

总之，本文的研究从理论上提出了一种改进的物流中心选址问题的数学模

型，并给出对应的算法。在应用上为复杂困难的物流系统规划问题提供了一种新

的数学模型及求解算法，经实例验证取得成功。

关键词：遗传算法线性规划方法物流中心选址

ABSTRACT

This dissertation studies mathematical modelling and its solving for logistic

centre location problems. It is an interdisciplinary field of systems engineering,

operational research and computer science. It contains problems that are mathematical

modelling and solving method for logistic centre location problems and that have

great challenge and are nondeterministic-polynomial-hard (Abbreviated as NP-hard)

problems. These problems cannot be solved accurately by efficient algorithms up to

now because of their intrinsic characteristics of hard computability. Since these

problems have many applications in real situations, it is quite important to model in

mathematics and find its applicable algorithms. In recent years, there appeared several

evolutionary algorithms from nature in this field. The fundamental ideas of these

evolutionary algorithms come from some unrelated concepts and methods of other

subjects, typically like genetic algorithm, ant algorithm and etc.

This dissertation generally introduces the meaning of the topic and the current

result of research both here and abroad and recommends the basic concepts and the

application of genetic algorithm and MATLAB7.0. It also surveys several main

models of logistic centre location and its resolving algorithm and analysis simply the

merit and shortcoming of the algorithm. Based on analysing and concluding the model

and its algorithm given in the preference, the dissertation sets up a non-line

programming model of the logistic centre location and designs an effective algorithm

that integrates the genetic algorithm and the line programming to solve the model. It

gives the universal algorithm logic flowchart and gets promising results by resolving

three instances. The feasibility of the algorithm is tested by the trials. Compared with

other algorithms, we get better results by solving instances given in the preferences.

The effectiveness of the algorithm is tested by the experiments.

In short, the research results of the dissertation theoretically provide an improved

mathematical modelling and give the corresponding algorithm. In practice, the

dissertation provides a new kind of mathematical model and its solving algorithm and

are successful in applying the concrete examples.

Key Word: Genetic Algorithm, Liner Programming，Logistic Centre

Location

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

§1.1 选题背景及意义 ............................................1

§1.2 国内外物流中心选址问题的研究现状 ..........................3

§1.3 本文的主要研究内容 ........................................5

第二章物流中心选址方法 ............................................ 8

§2.1 物流中心选址的基本问题 ....................................8

§2.2 物流中心选址的步骤 .......................................10

§2.3 物流中心选址模型 .........................................11

§2.3.1 重心法 .............................................. 12

§2.3.2 Cluster 法与 CFLP 法 .................................13

§2.3.3 Baumol-Wolfe 法 ..................................... 14

§2.3.4 P—中心点选址模型 ................................... 15

§2.3.5 0-1 混合整数规划模型 .................................16

§2.3.6 双层规划法 .......................................... 17

第三章算法概述 ................................................... 18

§3.1 引言 .....................................................18

§3.2 遗传算法基本原理 .........................................18

§3.2.1 遗传算法算子 ........................................ 19

§3.2.2 遗传算法流程 ........................................ 20

§3.2.3 遗传算法示例 ........................................ 22

§3.2.4 遗传算法应用领域 .................................... 23

§3.4 MATLAB 语言 .............................................. 24

§3.5 本章小结 .................................................27

第四章非线性 0-1 规划的物流中心选址模型及其求解方法 ............... 28

§4.1 引言 .....................................................28

§4.2 0-1 非线性规划的物流中心选址模型 ......................... 29

§4.2.1 问题描述 ............................................ 29

§4.2.2 0-1 混合整数规划模型 .................................29

§4.2.3 非线性 0-1 规划的物流中心选址数学模型 ................ 30

§4.3 求解 0-1 非线性规划模型的算法 .............................32

§4.4 仿真试验 .................................................34

§4.4.1 仿真试验Ⅰ .......................................... 34

§4.4.2 仿真试验Ⅱ .......................................... 37

§4.4.3 仿真试验Ⅲ（与启发式算法的比较） .................... 39

§4.5 本章小结 .................................................43

第五章研究总结与展望 ............................................. 45

参考文献 .......................................................... 47

在读期间公开发表的论文 ............................................ 51

致谢 ............................................................. 52

第一章绪论

-1-

第一章绪论

§1.1 选题背景及意义

物流管理学是近二十年来在国内外兴起的一门新科学，研究的是如何实现物

流管理合理化以及获取最大的经济利润，要用到系统工程中的许多原理和解决问

题的手段。随着我国经济的高速增长和全球经济一体化进程的加快，物流业在我

国也呈现蓬勃发展之势，其在国民经济中的地位越来越重要，直接影响和制约着

社会经济的发展，已成为运输界及物流相关企业的热门话题。现代物流是以满足

消费者的需求为目标，把制造、运输、销售等市场情况统一起来思考的一种战略

措施。国际贸易往来的不断扩大，市场经济的快速发展以及市场竞争的日趋激烈

使得物流服务业得到了很大的发展。实现物流的系统化、现代化、社会化和合理

化，并且不断提高物流效益，无论对于物流企业本身还是对于社会都至关重要。

长期以来国内认为物流是一种没有效益的活动，把物流看作是需要支付的费

用。在物流管理方面，“物流是经济的黑暗大陆”，“物流是第三利润源”以及“物

流成本冰山说”等观点都说明了物流成本问题是物流管理初期人们关心的主要问

题。随着物流管理意识的增强，企业对于物流成本的关心日渐浓厚。企业的物流

成本实质上应该是客户订单的完成成本。即客户从下订单开始一直到企业为该客

户提供完满意的产品及服务为止企业所花费的非材料性成本。现代物流成本管理

理念认为：今后物流管理的重点将转移到如何应用物流成本上来，注重物流成本

效益。

事实上：物流成本已经成为企业生产成本中不可忽视的一笔消耗。据调查，

一瓶可乐在仓储、运输上消耗的费用能够占到销售价格的 20%至30%。在市场竞

争日益激烈的今天，商品生产和流通中的物流环节成为继劳动力、自然资源之后

的“第三利润源泉”，而保证这一利润源泉实现的关键是降低物流成本。

根据物流管理的基本功能活动来分类，美国将物流成本分为库存费用、运输

成本和物流管理费用。其中，库存费用是指花费在保存货物上的费用，除包括仓

储、残损、人力费用及保险和税收外，还包括库存占压资金的利息。把库存占压

资金的利息加入物流成本，这是现代物流与传统物流费用计算的最大区别，它把

降低物流成本与加速资金周转统一起来。运输成本包括公路运输、其他运输费用

和货主费用；公路运输包括城市内运输与区域间卡车运输，其他运输方式包括铁

智能优化算法在物流中心选址问题求解中的应用研究

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路运输、国际国内运输、油气管道运输等，货主费用包括运输部门运作及装卸费

用。而另外一部分物流管理费用在美国是按照历史情况由专家确定一个固定比例，

乘以库存费用和运输费用的总和得出来的。

物流成本的计算是比较复杂的，具有一定的隐含性。但是，物流的成本在运

输环节上的耗散是相对集中的（大约占到了物流总成本的 42%），而一些现代的

管理方法和先进科学技术的应用，也为运输环节的成本降低提供了可能性。

总而言之，运输需要运筹。无论是生产企业、商业企业还是物流企业，一个

共同的特点就是车辆空驶率非常高，数据研究表明，57.9%的生产企业以及 51.7%

的物流企业车辆空驶率在 30%至50%之间。

根据国际货币基金组织估算的数据，我国现代物流市场的物流成本在 1990

年为 5000 亿美元，占当年 GDP 的14.5%；1997 年为 7180 亿美元，占当年 GDP

的比重为 16.9%，而同期国际平均水平为 12%，我国高出 4.9 个百分点，约 2082.5

亿美元。

而事实却是我国海关信息化管理系统先进性超过美国，高速公路里程全球第

二，为什么在这样的条件下我国的物流成本还居高不下？其中物流网络缺乏规划，

没有一个合理的运输体系设计，是物流成本居高不下的主要原因。很多的运输车

辆往往是去时满载、回时空空，导致空驶率过高，空载的费用消耗被分摊到总成

本中，这样总成本必然提高了不少。

物流网络的建设方案远远不像在沙盘上面插红旗那么简单，物流学科的形成

从一开始就和运筹学有着千丝万缕的联系。换句话说，以运筹学为依据、科学的

物流网络和合理的运输方式是物流学所追求的目标，否则只能称其为运输，而不

能称其为物流学。

随着运筹学的不断发展，一系列先进的数学和系统分析方法被用在了运输方

案的设计和物流中心的选址决策上，使得高效低成本的物流规划成为可能。

物流中心是利用现代物流设施和管理技术与手段,以尽可能低的成本,为客户

提供优质、高效的配送服务的物流机构。它是运输、仓储、加工、包装、配送以

及信息的集结地,是从事物流活动的场所或组织。配送中心按照经济功能划分主要

有供应型、销售型、储存型、流通型、加工型;按照服务范围可分为城市内、区域

间、国际间等类型。

本论文的研究主要以城市内、流通型的物流中心为对象，介绍其选址的依据、

步骤、及常用的有关选址的数学模型，并针对这些数学模型设计相应的求解方法，

同时也指出已有求解方法的欠缺，是在求解算法上进行改进和完善，并对算法作

相应的探讨。由于这些选址问题本身的复杂性，这些数学模型的求解也非常复杂。

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摘要：

摘要本文研究的是物流中心选址问题的数学模型及其算法，该课题是系统工程、运筹学、计算机科学的交叉学科,课题中的问题（即物流中心选址的数学模型的建立及其求解）属于NP-Hard问题，具有极大的挑战性。由于物流中心选址的数学模型在建立时要考虑很多的现实因素，因此建立的数学模型难于计算，且目前尚无法用有效算法精确求解，但这些问题在现实领域中有着许多广泛的应用，因而建立数学模型并寻找其实际而有效的算法就显得颇为重要了。近年来，该领域中引入了一系列来自自然界的演化型算法，其思想吸收了许多看似无关的其它学科中的概念和方法，典型的有：遗传算法等。本文介绍了论文选题的意义以及国内外关于物流中心选址问题的研究现状...

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