生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流配送問題及其路徑優(yōu)化

隨著生活水平的提高，人們對生鮮農(nóng)產(chǎn)品的需求量和品質(zhì)要求越來越高，推動了冷鏈相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。冷藏運(yùn)輸是冷鏈物流的一個重要環(huán)節(jié)。生鮮農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)者到最終消費(fèi)者的過程中，有80%以上的時間在配送運(yùn)輸上。適宜的運(yùn)輸條件，不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時還能節(jié)約產(chǎn)品資源，保持產(chǎn)品的影響價值，增加銷售收入和減少能源消耗。歐美經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸，運(yùn)輸質(zhì)量的完好率在95%以上。而中國冷鏈物流市場尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的體系，由于運(yùn)輸過程中不規(guī)范的操作，導(dǎo)致產(chǎn)品損壞和變質(zhì)的情況時有發(fā)生。1958年，美國的阿薩德等認(rèn)為溫度變化會引起質(zhì)量損失，及冷凍產(chǎn)品質(zhì)量取決于產(chǎn)品的溫度（temperature）、冷凍時間（time）、耐藏性（tolerance）的容許限度，稱為3T理論。根據(jù)3T理論，在流通過程中生鮮產(chǎn)品品質(zhì)變化主要取決于溫度，溫度越低，其品質(zhì)保持的時間越長。在流通過程中因時間、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(xù)的，只有通過合適的低溫控制，才能延長其保質(zhì)期，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。Miroslaw等提出冷鏈運(yùn)輸過程中為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量、滿足客戶需求和服務(wù)時間的限制，將時間窗與控制溫度作為車輛路徑規(guī)劃問題的約束，建立以成本最小化為目標(biāo)的模型。彭碧濤等研究多時間窗車輛路徑問題，建立多時間窗車輛路徑問題的數(shù)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算法和元胞自動算法對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。Dabia等在合適的時間為客戶提供配送服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)減少配送所需時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)化問題，提出VRPTW問題優(yōu)化方法，最終發(fā)現(xiàn)節(jié)約成本法不僅能快速找到物流配送路徑最優(yōu)配送路線，同時滿足客戶時間窗要求，可以有效降低物流配送成本。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)是根據(jù)冷鏈物流配送的特殊性，充分考慮在冷鏈物流配送過程中時間、溫度、貨損因素。通過合理安排配送線路，從而縮短配送時間，減少貨物損失，同時滿足客戶時間窗要求，提高客戶滿意度和冷鏈物流企業(yè)的競爭力，符合我國冷鏈物流市場未來的發(fā)展方向。

1我國生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流現(xiàn)狀

1.1冷鏈運(yùn)輸難以滿足市場的需求

我國生鮮食品在季節(jié)和品種供應(yīng)方面存在均衡供應(yīng)的矛盾。隨著我國經(jīng)濟(jì)增長，迫切需要解決菜籃子工程。在保障供給、調(diào)節(jié)時間和空間市場方面，落后的冷鏈物流體系難以滿足市場需求，供需矛盾日益顯著，特別是大型突發(fā)性事件中生鮮食品的不穩(wěn)定供應(yīng)、異常天氣因素和不正常的市場競爭等現(xiàn)象。[LM]

1.2生鮮食品耗損嚴(yán)重

長期以來，由于現(xiàn)代化冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施落后以及不適當(dāng)?shù)陌b方法、材料、容器和處理方法，我國肉類、水產(chǎn)品、果蔬等生鮮食品從產(chǎn)地到餐桌的各個環(huán)節(jié)中近80%沒有經(jīng)過冷鏈流通，采用常溫運(yùn)輸銷售，腐壞，損失嚴(yán)重。歐美經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(yùn)輸，其質(zhì)量的完好率在95%以上，物流環(huán)節(jié)損失率僅5%。我國冷鏈物流尚處于初級階段，農(nóng)業(yè)組織化程度低。以果蔬為例，由于果蔬采收和流通設(shè)施落后，導(dǎo)致果蔬優(yōu)質(zhì)率低。果蔬的采摘、運(yùn)輸、儲存等物流環(huán)節(jié)上損失率達(dá)25%～30%，造成每年約1 200萬t水果和1.3 t蔬菜的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)損失超過千億元。同時，生鮮產(chǎn)品裝車大多在露天環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，而非在冷庫和保溫場所，80%～90%的水果、蔬菜、肉類、水產(chǎn)品多采用普通貨車常溫運(yùn)輸，冷藏運(yùn)輸率僅約為10%～20%，由此產(chǎn)生的巨大損耗費(fèi)并不是增產(chǎn)技術(shù)所能彌補(bǔ)的。

1.3冷鏈運(yùn)輸設(shè)備投入不足

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化、規(guī)?；潭鹊停r農(nóng)產(chǎn)品加工基本以個體經(jīng)營居多。人力、物力成本高，市場行情不穩(wěn)定，造成經(jīng)營者在冷鏈物流成本上投入不足，從而形成生鮮產(chǎn)品賣難的局面。對于溫度要求不太高的果蔬產(chǎn)品，大多通過常溫車進(jìn)行運(yùn)輸，少量使用冷藏車進(jìn)行運(yùn)輸也是供出口使用，冷鏈物流是制約生鮮農(nóng)產(chǎn)品銷儲運(yùn)的瓶頸，是產(chǎn)品無法快速安全進(jìn)入銷售環(huán)節(jié)的重要原因。

1.4粗放式管理、缺乏健全法規(guī)

冷鏈物流在總體上仍采用粗放式操作，與國際標(biāo)準(zhǔn)相差很大，沒有解決設(shè)施陳舊、不足、分散，成本高，技術(shù)落后，管理混亂等基本問題。此外，相應(yīng)的冷鏈物流法律法規(guī)不健全，冷鏈產(chǎn)品的安全監(jiān)管沒有得到廣泛的普及，我國在冷鏈物流區(qū)域仍處于初級建設(shè)階段。

1.5惡性市場競爭

隨著生鮮農(nóng)產(chǎn)品

市場的快速增長，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(kuò)大營業(yè)規(guī)模，開拓市場份額，就會造成冷鏈物流成本急劇壓縮，物流利潤徘徊在盈虧之間。惡性競爭勢必會造成服務(wù)水平的下降和市場的不穩(wěn)定，最終威脅食品安全和消費(fèi)者的健康。

2生洰農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流特點(diǎn)

生鮮農(nóng)產(chǎn)品作為人們?nèi)粘ｏ嬍车闹匾糠?，其品質(zhì)與安全直接關(guān)系到市場穩(wěn)定和消費(fèi)者安全。生鮮農(nóng)產(chǎn)品具有鮮活性、易腐性，從生產(chǎn)供應(yīng)的角度來看又具有季節(jié)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(nóng)產(chǎn)品對物流技術(shù)要求更高，管理更嚴(yán)格，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1物流網(wǎng)絡(luò)分散

生鮮農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地多集中在郊區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，而銷售地多為城鄉(xiāng)區(qū)域，因此出現(xiàn)了產(chǎn)銷分離情況，除了穩(wěn)定的供應(yīng)關(guān)系，大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品的流量和流向都是分散的。同時，生鮮農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)具有地域性和季節(jié)性特點(diǎn)，流量和流向呈波動性變化，為了滿足人們的日常需求，需要龐大的物流網(wǎng)絡(luò)支持。

2.2配送風(fēng)險高

生鮮農(nóng)產(chǎn)品相對其他農(nóng)產(chǎn)品更注重產(chǎn)品的新鮮度，在物流環(huán)節(jié)中，需要適宜的溫度來保持產(chǎn)品的品質(zhì)，同時避免在運(yùn)輸過程中造成非必要損害，這些都將影響到生鮮農(nóng)產(chǎn)品的價值和銷售。如何科學(xué)安全地進(jìn)行物流配送，是降低生鮮農(nóng)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?yàn)樵O(shè)備的購置成本高、投入資源多、組織工作復(fù)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%，隨著能源價格上漲，其物流成本將呈現(xiàn)增長的趨勢。

3冷鏈物流配送路徑的優(yōu)化研究

3.1問題描述與假設(shè)

本研究所創(chuàng)建的冷鏈物流運(yùn)輸模型，是建立在1個冷鏈配送中心為多個客戶服務(wù)的基礎(chǔ)上。在滿足客戶需求量、車輛載重限制、客戶時間窗要求等約束條件下，通過制定合理運(yùn)輸路線，實(shí)現(xiàn)配送總成本最小，同時結(jié)合冷鏈物流配送特點(diǎn)，作以下基本假設(shè)：（1）配送只是單向送貨的過程；（2）冷藏運(yùn)輸車的載重是確定的；（3）必須滿足所有客戶的貨物需求，且每個客戶所需貨物只能由1臺冷藏車為其配送；（4）車輛出發(fā)點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)必須是同一個配送中心；（5）各客戶地理位置和貨物需求量是已知的；（6）確定客戶指定的服務(wù)時間，送貨必須在規(guī)定時間段內(nèi)進(jìn)行，車輛在客戶滿意時間窗內(nèi)到達(dá)，不會被懲罰；車輛在客戶滿意時間窗外到達(dá)，則會有一定的時間懲罰，懲罰成本與車輛到達(dá)時間相關(guān)；（7）配送中心與客戶之間，以及兩兩客戶之間的最優(yōu)配送線路已知；（8）產(chǎn)品需要一定溫度來保持其品質(zhì)和價值。

結(jié)合實(shí)際配送過程，本試驗(yàn)將深入研究冷鏈物流配送過程中造成時間、溫度和貨損成本，以配送總成本最小為目標(biāo)函數(shù)建立冷鏈物流配送問題的基本模型。降低物流配送活動能耗成本的同時，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(jù)決策目標(biāo)，冷鏈物流配送模型以總成本最低作為目標(biāo)函數(shù)。冷鏈物流配送的成本根據(jù)冷鏈物流特性可分為3個部分，即時間成本、溫度成本、貨損成本。其中，時間成本包含車輛運(yùn)輸成本、客戶時間窗成本；溫度成本包括運(yùn)輸過程中的制冷成本，以及在卸貨過程中溫差變化產(chǎn)生的額外能耗成本；貨損成本包含隨著時間變化而產(chǎn)生的產(chǎn)品貨損成本和裝卸過程溫差變化產(chǎn)生的貨損成本。

3.2.1時間成本

3.2.1.1運(yùn)輸成本

運(yùn)輸是配送過程中重要的部分，也是時間花費(fèi)最長的部分。因此，運(yùn)輸成本是3T成本中時間成本的重要組成部分，配送車輛運(yùn)輸成本與車輛行駛里程數(shù)、車輛行駛時間呈正相關(guān)。對于配送車輛運(yùn)輸成本，采用下式來計算：

[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部車輛從客戶i到客戶j的運(yùn)輸成本；xkij為0、1變量，若第k部車輛完成客戶i到客戶j的配送，則xkij=1，否則，xkij=0。

3.2.1.2時間窗成本

為了獲取更高效優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，客戶會要求商家在規(guī)定時間內(nèi)送達(dá)貨物，然而現(xiàn)實(shí)情況中，由于配送線路的不合適，導(dǎo)致客戶無法在規(guī)定的時間內(nèi)收到貨物，這種由于時間窗而產(chǎn)生的成本是一種隱性成本，與運(yùn)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)改變配送過程中的成本，但是這將影響客戶滿意度和服務(wù)體驗(yàn)，并存在質(zhì)量下降和丟失客戶的風(fēng)險。如果將隱性時間窗成本用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行顯性表達(dá)，就可以作為衡量物流配送效率和成本的重要指標(biāo)。所以，時間窗成本應(yīng)作為物流配送成本中的重要部分。時間窗成本如下所示：

[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；qj表示客戶j的需求量；sj表示到達(dá)j客戶的時間；Ej或Lj表示j客戶要求的最早或最晚配送時間；Fj（sj）表示違反客戶時間窗所造成的損失成本系數(shù)函數(shù)。

[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客戶可接受的最早或最晚的配送時間；、表示違反客戶時間窗所造成的損失成本系數(shù)（）。

3.2.2貨損成本

冷鏈物流的運(yùn)輸對象一般多為易腐性產(chǎn)品，產(chǎn)品的質(zhì)量和價值常常受溫度、濕度、時間等因素的影響。在配送過程中，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(yùn)輸?shù)姆绞健５堑蜏剡\(yùn)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(xiàn)象發(fā)生，因此冷鏈物流配送過程中產(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(yùn)輸過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(yùn)輸，則產(chǎn)品的腐壞僅與配送時間有關(guān)；（2）在裝卸過程中，由于車內(nèi)外溫度差，形成空氣對流，導(dǎo)致車廂內(nèi)溫度變化，從而加速產(chǎn)品的損耗。這2個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部車輛完成客戶j的配送，則xkj=1，否則，xkj=0；tkoj表示第k部車輛從配送中心到客戶j車輛行駛時間；tkj表示表示第k部車輛在客戶j的裝卸貨時間；1和2表示產(chǎn)品貨損系數(shù)。

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(nóng)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(jī)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。在冷鏈配送過程中，溫度成本主要由冷藏車的制冷機(jī)能耗產(chǎn)生。因此，在研究時忽略其他影響因素，將生鮮品的溫度成本分為2個部分：第一，隨著車輛運(yùn)輸過程中的溫度變化，制冷機(jī)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部車輛從客戶i到客戶j車輛行駛時間；3表示產(chǎn)品制冷成本系數(shù)；T車內(nèi)溫度。

第二，裝卸生鮮產(chǎn)品過程中，由于車內(nèi)外溫度差（T），形成空氣對流，導(dǎo)致車廂內(nèi)溫度發(fā)生急劇變化，從而增加制冷機(jī)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(shù)。

3.3模型建立

綜上，構(gòu)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(jié)約成本法

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

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

4.2案例分析

為了驗(yàn)證模型的有效性，通過1個算例進(jìn)行分析。已知8個客戶需求點(diǎn)（編號為1，2，，8），配送中心0與各客戶之間的距離（km），各客戶的貨運(yùn)量qi（t）和要求的時間范圍[Ei，Li]（h）見表1。此外，客戶可接受時間ei=0，li=2.5，設(shè)車輛的平均行駛速度為40 km/h，車輛載重4 t，產(chǎn)品單價p=8 000元/t，時間窗成本系數(shù)=0.02，=0.04，貨損系數(shù)=0.2%、0.4%，運(yùn)輸過程制冷能耗成本為12元/h，但溫差導(dǎo)致的制冷成本2.5元（℃/h）。

5結(jié)束語

本研究先對我國生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流進(jìn)行概述，根據(jù)其特殊性，以冷鏈物流配送作為出發(fā)點(diǎn)，分析配送過程中時間、溫度、貨損成本對配送成本的影響，從而構(gòu)建以總成本最小為目的的目標(biāo)函數(shù)，并提出基于時間窗的改進(jìn)節(jié)約成本法，以提高算法的性能和效率。通過冷鏈物流配送實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化的配送路徑可以達(dá)到既節(jié)約配送成本，又滿足客戶需求時間的雙重要求。冷鏈物流發(fā)展是一個循序漸進(jìn)的過程，為了適應(yīng)市場的需求，積極推進(jìn)城鄉(xiāng)結(jié)合的冷庫建設(shè)，從原產(chǎn)地對生鮮農(nóng)產(chǎn)品實(shí)行預(yù)冷、初加工、貯藏保鮮技術(shù)，推進(jìn)低溫控制的運(yùn)輸模式的建立，形成完整的冷鏈流程。構(gòu)建特色產(chǎn)區(qū)到大中城市的冷鏈物流體系，形成跨區(qū)域和反季銷售模式，促進(jìn)我國冷鏈物流市場的發(fā)展。