钢铁物流园区装卸搬运设备优化配置研究(小论文07版)

钢铁物流园区装卸搬运设备优化配置研究刘代平,徐菱（西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031）【摘要】通过对钢铁物流园区作业流程和装卸搬运系统的分析，综合考虑设备利用率、设备作业量以及作业能力等相关因素，以运营总成本和配置总能力为目标，建立了装卸搬运设备优化配置的多目标规划模型，并通过算例验证了模型的可行性和有效性。【关键词】物流园区；装卸搬运设备；优化配置；多目标规划STUDYONOPTIMIZATIONOFTHEEQUIPMENTMACHINERYOFSTEELLOGISTICSPARKLIUDai-ping,XUling(SchoolofTransportation&Logistics,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)【Abstract】Throughanalysingtheoperationprocedureandthehandlingsystemofsteellogisticspark,takingfullyaccountoftheutilization,thequantityofworkandtheoperationalcapabilityofequipmentandotherrelatedfactors,takingthetotaloperationcostandthetotalconfigurationcapacityasthegoal,thepaperestablishesamulti-objectiveprogrammingmodeabouttheoptimizationconfigurationofhandlingequipment,andverifiesthefeasibilityandvalidityofthemodelthroughanexample.【Keywords】LogisticsPark；HandlingEquipment；OptimalConfiguration；Multi-ObjectiveProgramming【作者简介】刘代平（1987-），男，四川内江人，西南交通大学交通运输与物流学院物流工程硕士研究生，研究方向：物流技术与设备，物流系统建模与仿真。1引言钢铁物流园区作为钢铁产业链上、下游间的桥梁和纽带，在进行规划建设和改造时必然要面临诸多站内资源设施的投放决策问题，而装卸搬运设备作为钢铁物流园区整个物流系统的核心组成部分，贯穿于园区整个作业流程的始终，对其进行优化配置的重要意义不言而喻。如果配置不合理，就可能出现某些作业环节设备闲置，而另一些作业环节设备不足的现象，从而造成整个物流系统处于拥塞或脱节的不协调状态，作业效率降低，物流成本增加[1]。目前，已有不少学者对物流设备的优化配置进行了研究，但大多以设备的全寿命周期成本（LCC）或其他作业成本进行了单目标优化研究，或从设备配置影响因素间的关系出发进行了设备选型与保有量的研究。IrisF.A.Vis运用仿真对集装箱码头的存取设备进行了比较研究[2]。DanielJ.Fonseca等提出了一种基于专家系统的输送设备的选型方法[3]。邹万江运用Spreadsheet方法建立了随机线性规划模型，对物流机械设备的数量配置进行了研究[4]。宋远卓以配送中心为基础，建立了基于成本、效率的多目标搬运设备配置模型[5]。刘丰根提出了基于模糊匹配的物流设备选型方法，建立了物流园区物流设备优化的整数规划模型[6]。纵观国内外有关物流设备的研究文献，可以发现研究对象大都集中在制造系统、码头、港口等功能单一的物流节点，而在物流园区设备规划与配置方面的研究还很少。2钢铁物流园区描述2.1钢铁物流园区的功能布局与作业流程钢材物流园区运用多元化的服务手段，能够为客户提供钢材剪切加工和配送服务，以及相应的运输、仓储、装卸搬运、配送、贸易、信息处理及金融服务等功能，其功能布局如图1所示。同时结合实地调研，总结出钢材产品在园区内部的基本作业流程，如图2所示，从而得到园区内部各功能区物流量从至表，如表1所示（Q为园区的吞吐量）。从至1234567812345678Q1,2-------Q2,3Q2,4Q2,5-Q2,7----Q3,5-Q3,7Q3,8---Q4,5-Q4,7Q4,8-Q5,3Q5,4-Q5,6Q5,7Q5,8-----Q6,7--------------Q8,7图2钢铁物流园区的基本作业流程图图1钢铁物流园区的功能布局图表1钢铁物流园区的各功能区物流量从至表说明：1-进货列车；2-暂存区；3-仓储区；4-堆场区；5-加工区；6-展示区；7-拣货区；8-废弃物区；Qa,b-作业区a至作业区b的物流量；Q1,2=Q/2铁路专用线室外堆场区室内仓储区生活服务区轿车停车区经销商业务区商贸服务区流通加工区货车停车区维修区废弃物区大门暂存区交易大厅展示区钢铁物流园区基本作业流程图钢铁生产企业商贸服务区暂存区仓储区堆场区加工区展示区拣货区客户装货入库手续质检卸货入库搬运仓储卸货发货包装加工产品展示拣货出库手续2.2钢铁物流园区的装卸搬运系统分析钢铁物流园区各功能区装卸设备的配置多为轨道式起重机械，其作业范围和设备的共享能力受到限制，例如，暂存区和堆场区均采用轨道门式起重机，但两个功能区的装卸设备却不能共用，只能独立完成本功能区的装卸作业。本文按照设备的主体功能和作业范围，将钢铁物流园区的装卸搬运设备划分为装卸设备和搬运设备两大类，其中装卸设备只承担对应功能区的装卸任务，按功能区划分为5种类别，搬运设备只承担各功能区之间的搬运任务，统一为1种类别，结合表1，同时计算出各类设备的作业量，如表2所示。表2钢铁物流园区各类装卸搬运设备类别及作业量类别（i）设备类型服务功能区物流作业量1装卸设备门式起重机暂存区2门式起重机仓库区3桥式起重机堆场区4桥式起重机加工区5桥式/门式起重机展示区6搬运设备卡车、叉车、平板拖车各功能区之间【注】为补偿系数，表示货物在加工区内的重复装卸次数，一般取1~3。若无二次装卸，则本文所研究的钢铁物流园区的进货作业通过列车运输进行，出货作业通过卡车运输进行，园区全年的货物输出量和输入量基本相等。由于各作业区均有自身附属的拣货区，故拣货作业由对应作业区的装卸设备承担。废弃物区回收的废弃料，质量较轻，形状、尺寸不一，其装卸作业多采用人工作业，无须装卸设备。园区内部各功能区之间的搬运作业均采用自有车辆，而面向客户的配送、运输作业均采用第三方车辆，本文不予考虑。3多目标规划模型3.1问题描述装卸搬运设备作为钢铁物流园区使用数量最多、使用频度最大的物流设备，当其配置数量增加时，作业能力在增加，作业成本也在增加。故而成本目标和作业能力目标成了两个相互矛盾的因素：控制成本可以减少投资，增加资金利用率，而保证作业能力则可以提高效率，增加对突发状况的响应，提升客户服务水平。由此为出发点，本文以运营成本、配置能力为目标，建立了基于多目标规划的装卸搬运设备配置模型[7]。3.2基本假设为了合理简化和描述问题，本文作如下基本假设：(1)钢铁物流园区运行稳定，各类装卸搬运设备管理水平、使用情况稳定。(2)钢铁物流园区对不同类型的货物具有成的装卸搬运操作工艺。(3)通过钢铁物流园区的货物种类和数量相对稳定，年货物吞吐量及各功能区物流发生量占比已知。(4)各功能区的装卸搬运设备只用在自身的作业环节中，同一功能区可采用多种型号的装卸搬运设备来完成。(5)钢材以件/捆为单位在园区内进行流动。每台装卸设备的单次作业量为1件/捆，从提高设备利用率和保证作业便利性的角度出发，本文只允许同种类别相邻吨位的装卸设备才能替代作业，即大吨位装卸设备可以替代相邻小吨位装卸设备进行作业；每台搬运设备的单次作业量以不超过额定作业能力为限，可以进行充分配载，即大吨位搬运设备可以替代任意小吨位搬运设备进行作业。1.设备间由于作业冲突而产生的等待时间不予考虑；2.为了建模方便，本文将每类设备的型号按额定作业能力从大到小进行排序，均划分为n种型号，若第类设备不存在第种型号，则设。3.3模型建立符号定义：—装卸设备的类别，；搬运设备的类别，，其中；—设备的型号，；—第类设备第种型号的固定成本，包括设备折旧费、大修理基金、工人工资与福利费等，（万元/台）；—第类设备第种型号的变动成本，包括维修保养费、运行材料费、燃料动力费等，（万元/台时）；—第类设备第种型号的配置数量，（台）；—第类设备第种型号所分担的作业量，（万吨/年）；—第类设备第种型号的台时产量，（万吨/台时）；—第类设备第种型号的年实际工作台时，（台时/年）；—第类设备第种型号的完好率，（%）；—第类设备第种型号的年日历工作时间，（小时/年）；—第类设备第种型号的上、下限利用率，（%）；—第种第型号设备的最大配置数量，（台）；式（1）表示园区所有装卸搬运设备的运营总成本最小，式（2）表示园区所有装卸搬运设备的配置总能力最大，式（3）表示装卸设备的配置能力限制。式（4）对装卸设备和搬运设备有不同的含义，当时，表示最大吨位设备的作业能力满足相应吨位货物的作业需求；当时，式（3）~（4）一起表示大吨位装卸设备可以帮助相邻小吨位装卸设备一起完成相应吨位货物的作业需求，而就式（4）单独而言则表示大吨位搬运设备可以帮助任意小吨位搬运设备一起完成相应吨位货物的作业需求。式（5）表示某类设备所有型号的实际作业量之和等于该类设备的作业量需求。式（6）表示设备利用率的合理控制范围。式（7）为决策变量的非负条件，设备的配置数量为整数且不超过最大配置数量限制。由于本文装卸搬运设备的类别是根据设备作业范围来进行划分的，即不同类别的设备间不发生替代作业，因此，上述模型不同类别设备的优化配置是相互独立的。4算例H钢铁物流园区位于某城市西北部，交通区位优势明显，总占地面积近600亩，总投资达10亿元。目前，年货物吞吐量将约为800万吨，仓储能力约为50万吨，年钢材加工能力约为100万吨，经营品种包括薄板材、卷板材、线材、型材、管棒材等。图3展示了该钢铁物流园区各功能作业区之间的物流量与园区货物吞吐量的占比分布。根据表2计算得到该钢铁物流园区各类装卸搬运设备的作业量，如表3所示。铁路专用线拣货区仓储区堆场区加工区废弃物区展示区暂存区50%5.0%25.0%2.5%17.5%2.0%1.0%0.5%16.0%1.5%2.0%23.5%3.0%2.0%1.5%2.0%1.0%图3各功能作业区之间的物流量占比分布图设备类别（i）123456功能服务区暂存区仓库区堆场区加工区展示区各功能区间作业量80042829222424452表3H钢铁物流园区各类装卸搬运设备作业量（单位：万吨）说明：此处加工区的补偿系数取值为2。0.5%该算例仅选取暂存区作为代表进行模型验证。从配置模型可以看出，要对模型求解，首先要对模型中的相关系数进行确定，即需要确定各种型号装卸搬运设备的固定成本、变动成本、台时产量、年日历工作时间等，这些数值要根据物流园区的具体情况和装卸搬运设备自身的性能参数来确定，如表4，表5所示。表4暂存区货物分类比例及数量暂存区货物吨位（吨/件、吨/捆））8~1010~2020~3030~4040~60比例（%）51310173025数量（万吨）4010480136240200表5暂存区装卸设备作业能力参数及作业量设备型号123456额定作业能力60403020108固定成本3528251786变动成本0.00300.00280.00270.00240.0150.0010暂存区台时作业能力0.01920.01280.00960.00640.00320.0026作业量2002401368010440暂存区装卸设备所有型号均有：；；；；。将相关参数带入3.3节的多目标优化配置模型，借助常用的教学软件WINQSB，代入相关参数，可以求解得到暂存区装卸设备的优化配置方案。同时将相关参数带入文献[5]中的多目标模型进行求解，并对两种模型的求解方案进行对比，如表6，表7所示。最后将本文模型应用到文献[6]中的