0.   引言

物流设施布局方法源于工厂布局设计, 伴随工厂布局设计研究地不断深入, 物流设施布局也参照性地选择了一些类似的方法, 如SLP法、CORELAP法、ALDEP法、CRAFT法和MultiPLE法等。其中MUTHER提出的系统布置设计(SLP)方法, 使工厂布置设计从定性阶段发展到了定量阶段, 形成了一种以大量的图表分析为手段, 以物流费用最小为目标, 物流关系分析与非物流关系分析相结合, 求得合理的设施布置的设计技术; LEE等提出的CORELAP优化算法, 在已知物流设施作业面积需求和设施间关系等级的基础上, 使设施之间的密切度最大; ALDEP法与CORELAP法相似, 只是在具体指标的选择和优先性上有所不同; BUFFA等人提出的CRAFT法是在已知物流设施间的货物流量的基础上, 对已有布局进行调整, 使物流结点内的搬运费用最小的方法; MultiPLE法是对CRAFT法的改进, 只是调整方法不同。

上述方法主要强调业务流程的关联性, 以物流设施间的货物流量或密切程度作为布局的基础和依据, 但是在物流园区的布局中, 往往无法精确量化这2个指标。一方面, 由于物流园区的运作主体一般为多个, 每个主体都有各自的企业策划, 因此, 物流设施间的业务流程不够明细, 无法准确评价物流设施之间的关系等级; 另一方面, 国内现阶段的物流园区建设往往是在规划区域上新建, 而不是在原有物流园区的基础上改建, 因此, 物流园区内各个功能区之间的货物流量无法准确获得, CRAFT法和MultiPLE法也很难适用于物流园区内部的功能区布局之中。另外, 上面提到的5种方法主要以物流费用或搬运费用最小为目标进行优化, 从静态考虑, 缺乏对物流园区服务能力和动态性2方面考虑。物流园区的生产经营是以提高客户服务水平和降低物流成本为双重目标, 是基于市场定单需求波动的“拉式”生产^[1-5]。在物流园区正常经营过程中, 货物和人员的流动将不能发生阻断、迂回、绕行和相互干扰等现象, 在总体布局初步方案确定后, 就要及时地进行动线分析, 以便做出相应的调整, 使动线具有完整性、合理性和流畅性^[6-8]。

1.   布局方法

本文提出的物流园区内部功能区布局方法, 是将物流园区的服务对象、货种数量、作业流程、服务时间以及功能区的定位和面积作为布局的基本要素, 即已知量。服务对象要明确货种的特性, 服务时间要确定各功能区的平均服务时间, 功能区的定位主要明确功能区的数量和服务对象, 功能区的面积主要确定各个功能区占地面积之间的比例。通过模糊聚类分析和AutoMod仿真, 完成物流园区内部功能区的布局设置。在指标的设定和仿真过程中, 突出考虑物流园区的服务特性, 本着货畅其流的核心原则, 充分考虑了功能区的静态分布和货运量的动态波动所产生的物流园区部分时间段交通拥堵、业务流程中断及周边环境受损等问题。具体步骤见图 1。

图  1  功能区布局流程

Figure  1.  Flow chart of functional area layout

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该布局方法主要分为3个阶段: 第1阶段功能区模糊聚类分析, 目的是将属性相近和关联性较强的功能区进行聚类, 减少功能区之间搬运费用和避免功能区之间的人流、货流的绕行; 第2阶段功能区初步布局, 目的是得到物流园区内部功能区的初步布局, 从规划区和功能区2方面进行分析, 使物流园区的内部布局更为合理, 外部环境影响更小; 第3阶段基于AutoMod的仿真优化, 目的是对物流园区的交通、业务流程进行动态分析和调整, 对功能区的面积与区位进行分析和调整。

1.1   功能区模糊聚类分析

首先, 掌握功能区布局的已知要素, 即完成布局步骤1、2, 接着开始功能区布局的第1阶段, 功能区的模糊聚类分析(步骤3、4)和初步布局(步骤5、6、7)。

1.1.1   指标的选定与数据的标准化

在指标体系建立的系统性、科学性、简洁性、独立性以及定性与定量相结合的原则框架下, 参考了相关文献和以往研究项目的经验, 通过筛选和综合, 选择了图 2的统计指标, 这些指标意义明确, 有较强的分辨力和代表性。

图  2  功能区布局指标体系

Figure  2.  Index system of functional area layout

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为了便于分析和比较, 各功能区的指标按照百分制填写, 取值区间为(0, 100]的整数, 步长为10, 最小值设为1, 数值的多少与符合指标的程度成正比, 数值的填写方法采用专家评价法完成, 也可采用多名相关人员填写取均值的方法完成。采用标准差法将各功能区指标的数据做标准化处理, 得到功能区指标标准化矩阵X, 其中x_ij表示第i个功能区的第j个指标标准化的数值。

1.1.2   功能区关系标定

建立模糊相似矩阵 其中相似系数r_ij表示2个功能区x_i与x_j之间的接近或相似程度, r_ij取值范围为[0, 1], r_ij越接近于1, 表明这2个样本越接近。本文采用测度贴近度法^[2]确定r_ij。

1.1.3   功能区聚类

上述标定过程得到的模糊相似矩阵R具有自反性、对称性和非传递性, 通过传递闭包法得模糊相似矩阵R的传递闭包矩阵R^*, R^*即为模糊等价矩阵。得到模糊等价关系t(R)后, 选择不同的λ值, 得到不同的水平截集, 将模糊等价关系中大于λ值的功能区归为一类, 可以得到动态聚类结果, 生成动态聚类树。通过模糊统计量F来确定最佳截集, F值越大, 说明分类越合理。结合具体问题便可得到水平λ即为最佳值, 再通过最大树法, 最终得到聚类功能区。

1.2   功能区初步布局

1.2.1   规划区域分析

主要对规划区域的地理条件、可规划面积以及周边的交通情况和用地性质进行分析, 具体内容见图 3。地理条件中的地形分析和风向分析为物流中心的交通网络设计和散杂货物的布置提供依据; 可规划面积分析要充分考虑港口、火车站场、机场、高压电线与光缆等基础设施建设所需的用地; 交通条件分析主要对附近的转运枢纽和规划区域四周的道路分析, 确定是生活性道路, 还是货运通道, 是高速公路, 还是城市主干路或者快速路等, 为物流中心的主要出入口的设置和综合服务区、配载区及联运区等与道路交通密切相关的功能区布局提供依据; 用地性质分析要充分考虑物流中心对居民用地、商业用地和工业用地的不同影响, 为以商流为主和以物流为主的功能区布局提供依据。

图  3  规划区域分析

Figure  3.  Analysis of planning area

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1.2.2   相关性分析

主要对聚类功能区进行物流相关性分析和活动相关性分析, 从交通、货品和环境3个方面的特性评价, 与规划区域分析的地理条件、可规划面积、交通条件和用地性质4个方面的限制因素相比对, 利用AutoCAD软件得到功能区的初步布局方案。

1.3   基于AutoMod的仿真优化

根据功能区的初步布局, 建立AutoMod模型, 并进行AutoMod仿真(图 1的步骤8)和AutoStat分析优化(图 1的步骤9), 主要考察物流园区的动态运作效果、搬运成本、道路交通情况和功能区库存量等指标, 对功能区的占地面积、相对区位与交通路网等方面进行调整, 依据综合评价的结果, 对初步布局进行修正, 得到功能区的最终布局。

1.3.1   AutoMod Model Editor模块下的建模

AutoMod的建模方式是面向过程的, 程序中各个动作的着眼点和主体均为通过系统的临时实体。使用AutoMod建立模型, 首先要定义每一种实体, 然后编辑实体的属性, 属性包括实体的容量、速度与工作时间服从概率分布等, 以及实体图形的3D显示。然后编写Source Files, 通过临时实体的流程来调用永久实体以及逻辑单元。

AutoMod的建模, 首先从系统层次定义模型所包括的子系统, 然后在每个子系统内部定义或者声明实体(变量、函数、系统), 然后编辑实体的属性, 包括图形等, 并对物理单元进行布局设置, 最后编写源文件, 控制整个仿真模型的逻辑。

1.3.2   AutoStat模块下的优化

仿真优化的目的就是利用仿真方法去寻找并确定系统中用户感兴趣的参数, 并且进行优化。AutoStat使用遗传算法寻优, 通过仿真分析找到功能区布局中影响因素和出现瓶颈现象的位置以及产生的原因。针对这些原因, 调整功能区位置、规模或改变其他与此相关的因素来改善整个物流中心的作业, 消除瓶颈现象, AutoStat模块下进行多次快速仿真和多次仿真的数据分析来确定最优状态。

2.   实例分析

以某物流园区为例, 进行物流园区内部功能区布局。物流中心功能区分为综合服务区、市场交易区、物流配载区、港口作业区、公共暂存区、钢材仓储区、利用材仓储区、农副产品仓储区、生产物资仓储区和生活品仓储区。由于港口作业区必须设置在河流沿岸, 因此, 其布局位置比较明确, 没有必要进行布局分析。农副产品仓储区中包括冷冻冷藏区, 冷冻冷藏区的要求与其他仓储区的设置条件不同, 因此, 在布局中要特殊考虑。综合以上分析, 需要分析的功能区包括: 综合服务区、市场交易区、物流配载区、公共暂存区、钢材仓储区、废金属仓储区、农副产品仓储区、冷冻冷藏区、生产物资仓储区和生活品仓储区。通过专家评价法得到10个功能区的指标, 见表 1。经标准化处理后, 得到标准化数据矩阵见表 2。

表  1  功能区指标

Table  1.  Functional area indexes

功能区	T1	T4	T5	T6	G1	G2(大批量)	G2(小批量)	E2
钢材仓储区	80	40	50	1	80	80	20	20
废金属仓储区	60	40	50	1	80	80	20	20
公共暂存区	60	20	80	1	80	80	60	20
冷冻冷藏区	20	50	50	1	20	40	80	40
农副产品仓储区	40	60	60	1	20	40	80	40
生活品仓储区	40	70	60	1	20	40	80	40
生产物资仓储区	40	70	60	1	20	60	80	40
综合服务区	1	80	20	80	1	1	1	80
市场交易区	1	80	1	60	1	1	1	80
物流配载区	1	80	80	50	1	1	1	1

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表  2  标准化数据矩阵

Table  2.  Standardized data matrix

功能区	T1	T4	T5	T6	G1	G2(大批量)	G2(小批量)	E2
钢材仓储区	1.000 0	0.500	0.625 0	0.012 5	1.000 0	1.000 0	0.250 0	0.250 0
废金属仓储区	0.750 0	0.500	0.625 0	0.012 5	1.000 0	1.000 0	0.250 0	0.250 0
公共暂存区	0.750 0	0.250	1.000 0	0.012 5	1.000 0	1.000 0	0.750 0	0.250 0
冷冻冷藏区	0.250 0	0.625	0.625 0	0.012 5	0.250 0	0.500 0	1.000 0	0.500 0
农副产品仓储区	0.500 0	0.750	0.750 0	0.012 5	0.250 0	0.500 0	1.000 0	0.500 0
生活品仓储区	0.500 0	0.875	0.750 0	0.012 5	0.250 0	0.500 0	1.000 0	0.500 0
生产物资仓储区	0.500 0	0.875	0.750 0	0.012 5	0.250 0	0.750 0	1.000 0	0.500 0
综合服务区	0.012 5	1.000	0.250 0	1.000 0	0.012 5	0.012 5	0.012 5	1.000 0
市场交易区	0.012 5	1.000	0.012 5	0.750 0	0.012 5	0.012 5	0.012 5	1.000 0
物流配载区	0.012 5	1.000	1.000 0	0.625 0	0.012 5	0.012 5	0.012 5	0.012 5

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模糊等价关系为

$\mathit{t}(\mathit{R})=\left[\begin{array}{cccccccccc}1.00\hfill & 0.95\hfill & 0.79\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill \\ 0.95\hfill & 1.00\hfill & 0.79\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill \\ 0.79\hfill & 0.79\hfill & 1.00\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill \\ 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 1.00\hfill & 0.88\hfill & 0.88\hfill & 0.88\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill \\ 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.88\hfill & 1.00\hfill & 0.97\hfill & 0.95\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill \\ 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.88\hfill & 0.97\hfill & 1.00\hfill & 0.95\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill \\ 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.57\hfill & 0.88\hfill & 0.95\hfill & 0.95\hfill & 1.00\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill \\ 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 1.00\hfill & 0.85\hfill & 0.48\hfill \\ 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.85\hfill & 1.00\hfill & 0.48\hfill \\ 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.30\hfill & 0.48\hfill & 0.48\hfill & 1.00\hfill \end{array}\right]$

运用最大树法(图 4), 依次截断最小的λ值, 取λ最佳值为0.57, 得到聚类功能区, 即聚类功能区Ⅰ, 包括生产物资仓储区、农副产品仓储区、生活品仓储区和冷冻冷藏区; 聚类功能区Ⅱ, 包括钢材仓储区、废金属仓储区和公共暂存区; 聚类功能区Ⅲ, 包括综合服务区和市场交易区; 聚类功能区Ⅳ, 包括物流配载区。对聚类功能区和规划区域进行分析, 见表 3、4。

图  4  动态聚类树

Figure  4.  Dynamic clustering tree

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表  3  聚类功能区分析

Table  3.  Analysis of clustering functional areas

聚类功能区	分析因素
	交通	货品	环境
Ⅰ	公路货运为主, 港口中转	品种多, 周期短, 批量适中	主要是仓库, 对环境影响小, 形象中
Ⅱ	水路和公路货运兼顾	品种相对少, 周期不一, 批量大	废金属和公共暂存区对环境影响大, 形象差
Ⅲ	城市客运	无	对环境影响小, 形象好
Ⅳ	公路货运	无	交通聚集区, 形象中

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表  4  规划区域分析

Table  4.  Analysis of planning areas

方向	地理条件	可规划面积	交通条件	用地性质
北向	多半紧靠航道, 如凹字上半部	可扩展并且下凹部分可开发为港务区	水路运输便捷	仓储用地为主
南向	紧靠国道, 成直线	不可扩展	公路运输便捷, 可设置3个出入口	国道对面以商业用地为主
东向	与国道垂直的直线	不可扩展	没有与之相连的城市道路和水路	工业用地
西向	与国道垂直的直线	不可扩展	没有与之相连的城市道路和水路	工业用地

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结合功能区的指标, 得到聚类功能区的布局, 见图 5, 进而分析聚类功能区内部各个功能区的相关性, 得到功能区初步布局, 见图 6。根据初步布局方案, 建立AutoMod模型如下。

图  5  聚类功能区布局

Figure  5.  Layout of clustering functional areas

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图  6  功能区初步布局

Figure  6.  Principium layout of functional areas

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(1) 首先确立Layout子系统、Port子系统、Stock子系统、Consignment子系统、Conv子系统等5个子系统。子系统的具体说明见表 5。

表  5  仿真模型子系统概念

Table  5.  Subsystem concepts of simulation model

子系统名称	作用	对应AutoMod子模块	备注
Layout	表述物流中心的仓库、堆场、交易大厅等各个物理实体及设施的布局位置	通过AutoCAD建立3D模型, 直接导入到AutoMod中的Static子模块	首先, 5个子系统并不是独立存在的, 相互之间有着不同的连接关系, 同时, 5个子系统必须紧密地与Process子系统结合才能构成一个完整的模型; 其次, 出于对仿真目标和模型精度的综合考虑, 货物的装卸搬运过程直接使用Conv子系统模块实现, 操作时间控制在Resource和Source Files中设置, 以作简化。
Port	实现货船在规定时间间隔内到达并提供随机数量货物的过程	使用AutoMod中的Path Mover子系统模块对火车的运动轨迹和过程进行仿真
Conv	实现货物经检验、装卸直至分类别搬运到指定仓库或堆场进行存储的过程	使用AutoMod中的Conver子系统模块对货物经检验、装卸直至搬运存储的流动过程进行仿真
Stock	实现货物经过随机时间长度的仓库存储经装卸搬运及确认信息出货的过程	使用AutoMod中的Path Mover子系统模块对货物和运输卡车的流动进行仿真
Consignment	实现功能区之间货物在随机时间内的必要搬运	使用AutoMod中的Path Mover子系统模块对货物和装卸搬运工具的流动进行仿真

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(2) 定义子系统的实体单元与逻辑单元及其属性。模型中共设17个Process、6种Loads、13类Resources、26个Queues和9个Variables。

(3) 在工作区内画出物理实体的位置, 导入3D图形: AutoMod的一个显著特点就是具有较高的图形精确度, 但其采用的实体构建方法比较复杂, 根据本文确定的仿真目标和研究性质, 采用AutoCAD建立物流中心的设备底图, 生成3D文件, 直接导入AutoMod。

(4) 编写Source Files: Source Files是用于编写AutoMod的代码程序, 一个模型的源文件可以包括用户编程的多个文件, AutoMod有自己的用户语言及一套完整的语法, 基于这种语法可以编写复杂的仿真程序。

(5) 定义模型输出和运行控制: AutoMod的运行模块是AutoMod Runtime, 可以运行编译好的模型文件。AutoMod通过一次取样长度, 即Snap和抽样次数来设定和控制仿真运行的时间或长度。此外, 除了运行设置面板外, 还可以通过AutoStat来设置仿真试验运行, 区别是后者主要是进行统计分析, 因此, 在运行仿真试验方案时, 模型不能进行动画显示。图 7给出了模型运行过程中某时刻的状态图。

图  7  仿真模型运行状态

Figure  7.  Running state of simulation model

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(6) 仿真优化: 主要考察物流园区的动态运作效果、搬运成本、道路交通情况和功能区库存量等指标, 对功能区的占地面积、相对区位和交通路网进行调整。通过仿真结果发现农副产品仓储区和冷冻冷藏区的库存量较少(图 8), 配载区周围的车流量较大(图 9、10)。考虑到农副产品仓储区和冷冻冷藏区的库存量相对较少, 配载区停放车辆较多, 将配载区适当扩大, 农副产品仓储区适当减小; 另外, 配载区和公共暂存区在物流园区内部物资流通过程中承担了主要作用, 可考虑将2个功能区适当调近。通过AutoStat优化调整, 得到最终布局方案, 见图 11。

图  8  功能区库存量

Figure  8.  Stock of functional area

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图  9  Stock子系统主要区域发货车辆数

Figure  9.  Truck fluxes of main areas in Stock subsystem

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图  10  0 Consignment子系统主要路段车流量

Figure  10.  Truck fluxes of main roads in Consignment subsystem

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图  11  功能区最终布局

Figure  11.  Final layout of functional areas

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3.   结语

物流园区的布局设计已经成为物流系统建设的一个重要环节, 其布局的合理性直接影响物流园区的经营运作效益, 是物流园区战略规划实施的关键步骤。本文分析了以往物流园区布局设计方法的优缺点, 提出了适应物流园区生产运作的具体布局方法, 从降低搬运成本和保障服务能力的双重指标进行规划, 并且对规划方案进行建模仿真, 最后对该布局方法在物流园区规划应用方案的具体情况进行分析, 在整个布局过程中, 对物流园区运作时的成本、服务能力与交通能力等方面做了优化, 并对功能区的占地面积、相对区位与道路设置等方面做了具体调整, 说明了该布局方法具有较少主观因素和很强实用性的特点。