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货运服务网络设计综述
摘 要
货运是一个竞争激烈的市场，物流服务提供商或承运商必须以低价向客户提供高度可靠和高质量的服务。为了应对这一挑战，物流服务提供商必须进行标准化和整合。他们将货物集中在枢纽和码头网络中，并建立定期服务。这种服务的设计需要决定服务的频率、模式和路线，以及相应的货运时间表和路线。在某些情况下，他们还需要决定机组人员和车辆的分配以及空集装箱和车辆的重新定位。最近的文献表明，这种规划问题的现实情况很难解决。然而，这些现实生活中的一些问题是用数学编程技术建模和解决的。本文回顾了文献中发表的不同问题公式。进一步分析和比较具体的解决方案框架。在此基础上，对未来的研究提出了建议。
关键词 服务网络设计；货运；长途货运配送；整数规划
第一章 绪论
货运会受到不同因素的影响，这些影响会改变业务运营和规划。例如，由于全球化、欧洲边境的开放、保护环境的意识增强、燃料和通行费成本的增加以及客户对改善供应链网络服务的要求，货运量的不断增加。这造成了以下结果:首先，物流服务提供商或承运商必须提供高度可靠和高质量的服务以满足其客户。特别是，客户非常重视总交付时间和服务的可靠性。其次，货运行业的竞争环境迫使承运人在成本飙升的同时以更低的价格提供服务。他们必须有效地分配资源。除了这两个需求之外，组织还需要常规流程以确保工作流程的顺畅。为了应对这一挑战，运营商必须整合车辆和设备和标准化其提供的服务。除了整车订单之外，他们将货物集中在具有常规服务的枢纽和码头网络中，以提高车辆利用率。
这类网络的规划决策是在战术层面上进行的，并对客户服务和成本有直接影响。客户服务取决于订单在服务路线上的规划，实际上，车辆路线对成本的影响最大。因此，本文通过回答以下问题做出相互影响的决策：
bull;服务的路线和时间表以及我们应该以什么频率提供服务？
bull;应该使用哪些相应容量的车辆来运行所有服务？
bull;如何通过该服务网络运送货物以满足客户服务要求？
bull;符合法律、社会和技术要求的人员和车辆的最佳分配是什么？
bull;重新定位空集装箱和车辆以满足未来需求的最佳策略是什么？
这些问题适用于铁路、零担汽车运输公司、快递或包裹服务、信件服务或航空公司，在这些行业中必须实现成本最小化和利润最大化。造成整个规划过程非常困难的原因有两个:首先，由于所作决策之间的高度依赖性；其次，由是于问题的范围，规划是在规模巨大的高度复杂的网络中进行的。
这些类型的战术规划问题通常被建模为服务网络设计问题（SNDP）。这些问题的建模方法是使用包括时间和空间映射的网络设计公式。现有的标准解决方案方法无法解决实际问题实例。但是，一些实现数学编程技术的解决方案框架已经在使用中。这些框架通过将特殊的问题结构集成到其模型和解决程序中来利用这些结构。
本文的目的是回顾文献中的战术规划问题，参考的文献讨论了在实践中遇到的长途货运分配。我们的主要研究兴趣在于公路运输，但是在航空运输方面有非常有趣的模型和解决方法。将这些方法应用到整车规划问题是非常有希望，因此，这也是本次研究的一部分。此外，我们关注描述所谓动态服务网络设计问题的文献。在这些问题中，突出了服务路线的调度方面。频率服务网络设计问题不属于本文的范围。本次研究的重点在于分析货运领域的现实问题及其结构。此外，我们更深入地研究用于比较分析的建模工作和特定解决方案方法。这将概述如何模拟现实生活中的问题。
本文的结构如下：在第二节，我们简要回顾了货运中的SNDP以及相关的分类。第三节里考虑了文献中提出的五个战术规划问题的真实案例，还回顾了所描述问题的不同建模概念和相应的解决方法。第四节中对未来发展提出了展望。
第二章 货运
货物运输中的一般问题可以描述如下:物流服务提供商或承运人有订单来运送以不同来源和不同目的地为特征的货物以及诸如次日或第二天服务的客户服务类型。所有从同一来源到具有相同客户服务类型的同一目的地的货物都可以定义为商品。此外，承运人必须考虑各种交货时间、时间窗和不同类型的货物，如包裹、新鲜食品托盘、集装箱或汽车。此外，在规划满足客户需求的运输系统时，必须考虑法律和技术要求
决定运输系统结构的一个重要因素是订单的大小。所以在实践中，例如 对于卡车运输，使用以下货运分类（见弗莱施曼2002，A1-17页）：
bull;整车运输（FTL），
bull;零担运输（LTL），
bull;包裹，快递或信件递送。
对于大多数运输，如零担运输或快递整合是合理的。因此，承运人建立了一个采用各种运输方式——卡车、飞机、火车，轮船或模式组合的网络。该网络由枢纽和定期服务的术语组成，术语在一个术语中用作区域运输和长途配送之间的转运点。服务被定义为在两个码头之间，或者一个码头和一个枢纽之间，或者两个枢纽之间运输货物。在本文中，术语“终端”表示例如机场、网关或仓库。网络本身通常表示特定的服务路线和特定的货运路线。服务路线或简单的“路线”是具有特定车队类型的服务序列。通过至少一个集线器的路由称为“集线器路由”，否则称为“直接路由”。以起点为终点的相同运输类型的服务或服务路线的组合表示“旅行”。所有的服务路由都建立了一个被称为服务网络的网络，货物通过该网络进行路由。在本文中将术语“终端”定义为货物进入服务网络的入口和出口点。
整合一方面允许承运人充分利用车辆容量，可以降低固定成本，如购买车辆的成本。但另一方面，承运人必须接受绕路和转运，这导致可变成本的增加。因此，合并的重要性较小，不能保证承运人能够实现收支平衡。从规划的角度来看，必须考虑整个情况。
2.1 规划级别
这种网络的设计包括物理结构的建模和根据某些质量标准规划所有订单从其来源到目的地的运输(见Irnich 2002，第8页)。运输系统的规划分为三个层次:战略、战术和运营规划。以下分类主要涉及Crainic (Crainic and Laporte 1997，Crainic 1999，2000)。 在战略或长期规划中，最高级别的管理层参与其中，并负责就资源、位置和基础设施的物理结构做出决策。管理层决定，例如，在哪里建造终端和枢纽，雇佣的人员数量，以及购买多少辆哪种类型的车辆。战略规划层面还涉及客户服务类型和关税政策的定义。战术或中期计划的目的是设计交通网络。与战略规划不同，其重点在于有效分配现有资源以执行运输订单。因此，整个交通系统分为长途配送和区域交通。在长途分配中，决定服务网络的设计。这是我们论文的重点，将在第二章详细讨论。区域交通通常分为接送区和交付区。然后将这些区域进一步分成不同的布线区域。此阶段未给出此计划步骤所需的订单数据。相反，公司从历史数据中获取典型的订单情况，或根据预期来预测订单数量。计划的结果对这些数据的输入非常敏感：如果公司决定采用平均订单数据，则在运营层面上可能会出现车辆短缺。如果公司计划具有典型订单情况的高峰，则由于车辆容量过大而可获得优化潜力。。这些能力没有得到有效利用。
业务单位的业务或短期规划是分散的，规划人员（当地管理人员，调度员）面临着一个动态环境。一方面，订单可能会在极短的时间内发出或动态到达。此外，提货和送货的时间窗口因客户而异。另一方面，规划者必须根据当前条件调整战术规划中的服务，包括对服务、人员和维护活动时间表的调整。此外，车辆路线和装运控制也是运营计划的一部分。
在下文中，本文将讨论战术规划层面。
2.2战术规划问题
Crainic和Laporte（见Crainic 2000；Crainic和Laporte 1997）将长途分布的战术规划定义为服务网络的设计，其中应确定服务或服务路线。
目标是以最低成本建立常规服务。在保持一定的客户服务水平的同时，需要对现有资源进行优化配置以满足需求。在许多情况下，假设车辆归承运人所有，即使它们是从分包商处租用的。客户服务水平和成本之间的最佳权衡决策非常复杂，有一些设计方案可供选择，必须从中选择最佳的服务组合。因此，必须考虑合并的各个方面和订单的时间窗。服务成本发生在运营计划层面；、当最小化成本时，必须将这一计划水平的各个方面纳入战术计划问题中。因此，必须决定订单的路线以及车辆的路线和平衡。
一般来说，这些决定可分为以下几类（见Crainic 2000，第275页; Crainic和Laporte 1997，第421页）：
1.服务选择：确定应提供的服务路线或服务，并定义服务特征的定义，尤其是频率。服务路线必须代表终端和集线器的时间窗以及时间流限制，规划不仅包括是否执行服务路线，公司通常也希望有详细的服务路线安排。
2.交通分配：每个订单必须从原产地移动到目的地。因此，在此决定必须运输哪些可用的服务路线和终端或枢纽，从而获得具有相应的使用服务和操作的订单路线。
3.一般空平衡：区域之间的交通流量可能变得不平衡。为了满足未来的需要，必须重新定位空车辆和容器。因此，必须建立一般的空平衡策略。
4.车辆和机组规划：有时车辆和机组规划也在战术规划层面执行。这在欧洲的零担运输中尤其重要，因为这里卡车和驾驶员被视为一个单元。例如，大多数驾驶员拥有他们的卡车，因此无法切换驾驶员。规划者必须尊重法律和社会要求，并确定车辆和人员的行程（Wlcek 1998，pp.42-45）。
2.3服务网络设计模型
上述所有决策都与服务网络有关。SNDP始终包含前两个决策组，并可能包含来自上述第3和第4组的其他决策。它通常使用网络设计公式进行建模。 在充满活力的SNDP，关于服务时间表的决定被强调，这些问题往往涵盖战术/行动的观点。这种模型的基础是通过使用时空网络来描述可能的服务，将时间成分集成到模型中。为了实现这一点，规划范围被离散化，并且物理网络为每个周期被复制。这种模型中的节点代表时间和空间上的位置，而弧线或链接代表位置之间的物理运动，或者只是一个位置上的时间运动。 Irnich (2002)在简单或复杂的服务网络设计模型中进一步区分了这些问题。在复杂的SNDP，旅游必须形成。这可以通过将车辆或一般资产的平衡结合到简单的服务网络设计模型中来建模。
第三章 实践中的战术规划
在本章中，提出了文献中提出的五个战术规划问题，这些问题可以在实践中遇到。 我们首先通过将它们与一般的SNDP进行比较来描述问题和相应的模型。
bull;快递货物交付问题，
bull;邮件的航班网络，
bull;在北美的零担业务，
bull;在欧洲多式联运网络上的零担运输业务，
bull;欧洲公路网上的零担运输业务。
为解决这些问题，从而开发了不同的建模和解决方案。我们从文献中选择了六种解决方案，解决了现实问题。 我们通过以下方式分析解决方案方法：我们首先深入研究与分解方法相关的特定解决方案框架。其次，我们关注调度方面以及如何建模这个需求。最后，研究子问题和相应的解决方案程序。
3.1快递发货问题
在一系列论文中，Barnhart等人（2002）（见Armacost 2002; Armacost 2004; Barnhart和Schneur 1996; Kim 1999）分析了联合包裹服务(UPS)的快递运输问题，并开发了不同的建模和解决方法。一个问题是第三节中描述的快递运输公司的次日航空网络，对于这个特殊问题，文献中提出了四种解决方法。其中三个基于网络设计模型，一个基于被称为“复合变量”的模型公式。
1. Barnhart和Schneur（1996）开发了第一个模型和解决方案算法以解决这类问题。该模型具有较高的收敛性，一个集线器被给定，而货物不能在一个终端转移。这导致了一个简化的问题，使装运路径完全由路线决定。
2. Kim等人（1999）为大规模运输服务实施了一个通用模型，并以快递运输问题为例。为了减小问题的大小，他们利用了特定问题的特征并应用了减少问题的技术。这可以在不损害模型精度的情况下完成。
3.在Barnhart等人（2002）的文章中提出了一种基于传统网络设计方法的迭代方法。。这种方法将在3.1.2中详细描述。
4. Armacost等人（2002，2004）针对这类问题开发了“复合变量公式”。这个公式的思想和相应的解决方法将成为3.1.3的主题。
3.1.1问题描述
一般来说，包裹或包裹形式的快件必须从出发地运输到目的地运输中心。这些货物的特点是大小和重量大致相同，因此可以被视为同类产品。货物可以通过地面服务(卡车)或航空服务在配送中心之间运输。承运人在美国境内提供24小时服务，因此无法通过地面服务及时运送的包裹必须通过飞机运输。
所有包裹必须在机场进出航空网络。在那里，包裹在飞机和卡车之间装卸和转移。时间窗口与机场相关联，以便于提取和交付，从而满足服务要求。除此之外，一些机场也被用作枢纽。所有包裹必须通过一个枢纽运输。
从建模的角度来看，在一个规划问题中考虑地面和支线运输会过于复杂。因此，整个问题被分解为空中网络和馈线/地面网络，这两个网络是分开规划的。这种方法可以从成本点的角度进行验证，因为航空网络的运营成本远远高于公路网络的运营成本。这里的焦点是次日的航空网络。所以在这个特殊的规划问题中，机场就是终点站，不考虑装运中心以及从装运中心到机场的运输，反之亦然。在运输方面，可以跨不同路线拆分订单。
在这个网络中，仅允许集线器路由。每条服务路线可以分解为提货和送货路线。飞机在每条路线上可以飞行的服务数量限制为两个。在图1中，示出了一个简单的例子。
图1 快递运输问题的示例
飞机必
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