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一种回收系统和强大的启发式求解方法的逆向物流网络
Majid Eskandarpour amp; Ellips Masehian amp; Roya Soltani amp; Amirhossein Khosrojerdi
收到：2012年2月15 日/ 接受：2014年6月4日/ 发表于：2014年7月1日
copy;施普林格出版社 伦敦2014
摘要
逆向供应链管理的一个主要问题（RSCM）是系统通过逆向物流处理退回的产品（被损坏或过时的），以最小的成本退货到达最终目的地。在本文中，为了管理返回的产品，设计了一个全面的七层回收网络，包括初级客户，收集，再分配中心，回收，再循环，处置中心，和二级客户。该系统网络的数学建模为一个混合整数线性规划（MILP）模型的最优解来确定适当的收集和正反向物流回收中心，使得回收回来的产品总成本最小。该问题属于网络设计类的问题，这是NP-hard，即获得一个最佳的解决方案的时间是按照二元变量的指数型增长。因此，一个新的基于Tabu算法的启发式方法是为回收系统的提供最优或接近最优的解决方案。同时，Taguchi实验设计技术是为了用于参数调优的启发式和想出一个健壮的设计。所提出的启发式方法的效率和有效性是通过比较评估最近SA开发方法,以及模型的全局最优的解决方案。实验结果表明，新的基于Tabu算法的方法优于SA开发方法，一般解决方案与最优解的差距为3.28%， 健壮性为2.18%。
关键字 闭环物流，逆向物流，回收系统，Tabu搜索算法，Taguchi稳健性设计
1引言
在当今高速发展的世界中，技术不断进步，资源的稀缺，顾客的期望过高和市场的竞争激烈，激励和迫使行业和组织通过改善供应链系统来提高生产率和竞争力。直接影响企业竞争力的供应链系统中最重要的战略决策之一就是设计其物流网络。物流网络是一组特定的活动，如生产，供应，分配和消费，通过一些代表产品流动渠道的“弧”相互连接。
在传统物流网络中产品的流动从生产商或供应商到最终客户是通过一些（可选）如批发商或零售商的中间设施。然而，在今天高度互动的商业环境下，市场和客户的反馈，在大多数生产商中成功发挥了重要作用，上述简单的“单向”模型无法满足最真实的要求。此外，严格的环保法规和储蓄所造成的循环消费的产品迫使许多厂家想回收他们的产品并尝试翻新，回收，再利用或安全和经济地处置他们。事实上，企业对他们的销售产品的未来有着越来越大的兴趣。其结果是，一个二次流的产品，可以考虑从终端客户，并通过一些设施，如收集/重新分配，回收，或回收中心回到供应商处，这被称为“逆向物流”。
在电子、飞机、电脑、医疗设备等许多行业已经实施了逆向物流[1]。例如，逆向物流广泛应用于计算机硬件行业：IBM和戴尔公司已经实施逆向物流网络及其回收系统使客户更新现有电脑或购买新零件更加容易[2]。Grenchus等人[3]报道，为了支持和提高环境绩效，一些逆向物流网络的关键部件已被IBM全球融资部组织的全球资产回收服务（GARS）合并 [4]。此外，如在家庭娱乐行业中，消费性电子产品（CE）高速更新，需求不断增长。这些类型的行业产生的电子废物的数量为100万吨，约一季度的世界总废物[5]。
在一般情况下，可以考虑以下市场，实施反向物流系统和维修服务[6]：
–售后服务和保修
–高价值技术产品的收集与分类
–回收产品回收
–用于测试或有害物质的回收再制造
商品可以有多种原因退回厂家，如商业回报，返回的担保和过时的产品[7]。因此，为了有效地管理供应链系统，回收系统对于控制返回的产品，向适当的场所流动是必需的。欧洲逆向物流研究小组（Centre drsquo;Eacute;tudes Europeacute;ennes）将逆向物流定义为 “一个规划、操作和控制原材料的流程，对工艺材料处理，最终产品，从生产商、经销商或消费者流向合适的回收或处置地点”[8]。
回收系统的主要活动包括以下几种[9]：
1.收集客户使用的产品
2.检测和分离后返回的产品的状态，基于经济和技术观点决定是否可修复
3.丢弃不可回收的产品
4.回收返回的产品以发挥其潜在价值
5.重新分配回收的产品
根据逆向物流所应用行业的性质和背景，可能有不同的回收过程。例如，Srivastava分类回收过程为修复、翻新、再制造，循环活动[10]。Inwadhwa等人[11]，基于质量水平和拆卸的程度，将回收过程分为修复、翻新、再制造、回收和拆解的过程。
过去十年中，广泛的研究认为，在不同的应用程序中应考虑恢复过程，如在库存控制 [12,13]，车辆路径问题[14,15]，设施选址问题[16-18]，外包[19,20]，定价的返回产品[21]，和本地化的产品检验中心[22]。在[23]逆向物流中，回收中心与客户之间的联系已通过应用信息技术实现。一些研究人员提出了基于回收过程的逆向物流网络。Du and Evans [ 7 ]开发了一种双目标的逆向物流网络模型的售后服务。地毯[24]，轮胎[25]，液化石油气储罐[26]等行业中回收网络已特别被提出。在一些研究中，研究人员认为，在他们的模型中至少有一个以上的过程[27-29]。
以下是对逆向物流网络设计模型的一个全面的文献回顾，基于再制造的七个属性，再制造，再利用，回收，售后，闭环，开环场最近的一些贡献，和类型的层，我们对该领域最近的贡献进行了分类。如表1所示，大部分的研究工作都涉及到再制造模型，较少的工作与回收再利用有关，只有一个工作是致力于售后。有趣的是，近年来越来越多的研究已经处理了闭环物流网络设计。由于物流网络设计的问题大多数是在NP-hard问题[1]的范畴下，所以发展强大的启发式和超启发式求解该模型是必要的。
在本文中，一个混合整数线性规划（MILP）模型用于回收系统的逆向物流网络的数学表达。它所提出的模型可以应用于各种行业，如电子，计算机，汽车和飞机。同时，一个强大的Tabu搜索（TS）提出了求解该模型的启发式方法。本研究的主要贡献如下：
–开发一个全面的七层逆向闭环物流网络基于在[9]中提到的回收系统的活动，并考虑从回收中心到回收产品的直接和间接的出货量
–开发了一个混合整数线性规划（MILP）的逆向物流网络模型
–提出一个强大和高效率的启发式求解方法，优于文献中最接近的方法，并且同样生成最优的解决方案
表1 回顾了物流网络设计的文章
图1. 拟议七层反向网络结构。数字显示产品的流动顺序，而虚线箭头表示反向流动，符号代表决策变量如 表4所定义
2问题定义和数学模型
我们研究了一个多层闭环供应链网络。客户，收集/再分配中心，处理中心，回收中心，回收的部分客户，回收中心，回收的产品和客户都是不同的网络层。提出的反向闭环七层网络被描绘在图1中，图中显示，一旦初级客户使用的产品达到一个集合/再分配中心，他们就会被处理，再循环或回收。再生产的产品，发送到新的客户，回收部分是直接或间接通过收集/再分配中心发送到新的客户。
在应用多用途设施上有许多优点，因为它们有助于降低成本和更有效的利用设施的正向和反向流动[32]。因此，多用途设施的集合/再分配中心的形式也是被认同。
收集中心的功能是收集返回的产品，主要是基于它们的质量，对这些部件的后续应用程序的分配做出决定。随后的适用过程可以是一种处理，再循环或恢复过程。事实上，所有返回的产品都是根据其质量检验分为三组。
1.无法使用的产品，必须转移到处理中心
2.该系列产品包括在其他产品中使用的零部件，必须转移到回收中心
3.一些维修后，仍可以使用的产品，必须转移到回收中心
在回收中心改造后的产品，以两种方式交付给客户：通过回收中心和客户之间的直接流动，或通过间接流，使回收的产品是从回收中心发送到重新分配中心和最后到达终端客户（如图1所示）。虽然直接流比由于增加下降航运成本由多个运营商的包装实现了间接流更昂贵（相对于卡车运营商），它具有对回收网络[ 44 ]减少交货时间优势。在这个模型中有许多假设：
–需求是确定的。
–回收处理中心的数量、地点和容量是固定的。
–返回的产品被送往回收，处置，或回收中心的百分比是明确的和固定的。
在提出的混合整数线性规划模型的网络，其参数，决策变量、目标函数和约束在表2,3,4中介绍。
表2模型中使用的指标
表3 模型参数
表4模型的决策变量，其中一些如图1所示
图2 Tabu 搜索的编码方案
图3三交换邻域的程序适用于第三段，其中以下元素交换连续：(1--4),(2--6)和(3--5)
图4 所提出的Tabu的伪代码
表5不同数量的设施存在问题
目标函数（1）是固定成本的总和（包括开放收集和回收中心）和可变成本的费用。约束（2）征收单一来源的政策，从客户到集合中心，在这样一种方式，每个客户必须被分配到只有一个集合中心。约束（3minus;5）安全处置率分配，产品回收，回收中心，分别。约束（6）证明回收和再分配中心之间的流量平衡。约束（7minus;8）确保产品的回收或回收的部分，最大限度的满足。缺货的情况也考虑回收或循环不能回应需求中心。约束（9minus;13）执行能力的恢复，回收和处置中心，最后，约束（14minus;19）对二进制和非负限制相应的决策变量。
3解决办法
由于逆向物流网络模型是NP-hard[1]，其计算复杂度是随着客户，收集中心，处理中心，回收中心，回收中心，和二级客户的数量的增长而增长。因此，精确的优化工具和软件已不再有效，而超启发式方法已经相当成功。在本文中，著名的Tabu搜索（TS）的启发式方法用于求解该模型。TS最初由Fred Glover [45,46]为了解决各种组合优化问题，其主要思想是避免搜索过程陷入局部最优避免循环，即重复最后几步（即，“tabu”动作）存储在短期记忆称为Tabu表。所提出的Tabu搜索算法的主要内容是描述在以下各小节。
3.1方法的编码与评价
为了一个解决方案是兼容的Tabu搜索表示，编码方案是必要的。在这里，我们使用的编码方案由Gen等提出[47]，其中每一部分都是由一个随机置换构成的，它代表了源和仓库的优先顺序。如图2所示，我们的编码方案由7段组成，其中控制表4给出的12个决策变量，在第一段定位Xli和Yi，Zij在第二段，Wik在第三段，Vjh和Uh在第四段，Ths和TRs在第五段，Oji、Qjm，Rim在第六段，最后TFm在第七段。
该解决方案进行评估，根据自己的目标函数值是运输的最小化和固定成本（方程（1））。所使用的评价程序来自[47]，在其中一个解决方案是通过确定的值的变量，并已在每个分部的开放中心。然而，作为图2中编码的结构意味着解码第三、第四段，第一段必须首先被解码，而对于解码的第五和第七段，必须首先进行解码，分别为第四和第六段。
3.2初步设计
首先，该算法需要一个初始的网络设计为代表在搜索空间中的点的种子。这最初的设计可以是目前的设计或最著名的设计。在没有现有的设计，最初产生的一组随机设计，并选择最高质量的一个。之后，一组“邻近”的设计（解决方案）是产生从当前的一个搜索周围的更好的设计。
表6 网络设施间的运输费用
表7 设施的能力
3.3移动
一旦创建了一个初始的解决方案，从该点在搜索空间到另一个点（解决方案），附近的结构是必要的，通过应用一套新的解决方案，应用到当前的解决方案（设计）。为了这个目的，我们使用一个随机下降法使一组相邻的解决方案（与n_size大小）是随机产生的多重转换程序根据邻域。在这一过程中，每一段，在[ 0个随机数，产生1 ]区间：如果是大于或等于0.5，那么这部分选择采用多重转换的邻域结构，其中两个或两个以上的重点是改变随机。
为了保持多样性，在算法开始时，交换的数量是很高的，但随着迭代次数的增加而减少。图三说明了第三个交换邻域结构的3段。在产生邻近的解决方案，最好的非Tabu和容许的解决方案是从相邻的解决方案，并设置为当前的解决方案。
3.4Tabu表
在Tabu搜索法的一个基本要素，一个大小为k的Tabu表存储搜索的最后K的移动和防止重新审视他们。事实上，Tabu列表定义为一个动态的记忆使他们新的解决方案和块属性被重复直到迭代次数（tabu_list_size）已通过。每一次迭代后，Tabu属性是在第一个的基础上发布的，最近的一个动作是附加到Tabu表。由于我们的编码由七个部分组成，七个Tabu列表同时考虑，一段为交换，其相应的Tabu表，检查和行动是不允许列入Tabu名单。
3.5愿望准则
愿望准则是一种度量，它提供了更多的灵活性，通过重写一个移动的Tabu状态，如果它是满意的。每当一个更好的解决方案（移动）的属性，已经存在的Tabu表中，这一举动是公认的，尽管它的Tabu状态，其属性被排除在Tabu表。
3.6多元化
通过多元化的机制，在整个可行区域的广泛探索，目的是寻找一个更好的新的解决方案。由于这个原因，任何新的解决方案与目前最好的解决方案相比较，只要它的质量优于现有的最好的解决方案，就取代它，。如果对于指定数量的迭代（例如，伪码）的最佳解决方案是不改进的，搜索过程是针对另一个区域的搜索空间，通过随机生成一个新的解决方案。如前所述，该多重转换结构采用邻域结构，和掉期交易数量很高，早期的迭代和随搜索过程。当一个多元化的发生，交换的数量增加，以产生更多的多样化的解决方案。
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