木材物流网络优化系统的分析与设计

林玉英，邱荣祖

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福州 350002)

木材物流网络优化系统的分析与设计

林玉英，邱荣祖*

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福州 350002)

木材作为森林的直接产物，由于受到生长周期及气候条件等因素的制约，木材生产的集中性和季节性与木材需求的分散性和持续性之间存在矛盾。为了解决木材的供需矛盾，推动林业产业的发展，探讨木材物流网络优化的模型与算法，在分析用户特征及功能需求的基础上，采用WebGIS技术、数据库技术及组件集成技术，对系统进行分析与设计，以福建三明永林集团为例进行系统的初步应用，得出最佳的木材物流网络地形图和卫星图，并通过ArcGIS Server和Google Maps API技术实现集团内外客户的方案查询服务。通过系统应用分析表明，该系统能够在满足集团内外部各个用户需求的基础上，保障数据的共享性、安全性和可控性。该系统具有较好的经济性和实用性，能够辅助决策并提高物流运作效率。

木材物流；物流网络；网络地理信息系统

0 引言

木材物流网络是由多个木材物流节点和联系节点的连接线路共同构成的网状配置系统[1]。近年来，一些学者采用不同方法和技术对木材物流网络优化相关问题进行了研究，主要有木材物流中心选址与布局优化[2-7]、木材运输线路与方案优化[8-12]、木材物流网络与系统优化[13-18]，其中，GIS强大的空间分析和可视化等功能得到了一些应用[3-5，10]，但单机版GIS功能具有共享性差等局限性，无法满足木材物流网络多用户的需求。WebGIS作为GIS发展的主流方向，有着传统GIS无法比拟的优点[19]，现已广泛应用于众多领域[20-25]，但在木材物流网络优化方面的应用研究很少见报道。研究基于WebGIS的木材物流网络优化系统的初步分析与设计，并进行实例应用研究，为木材物流网络优化提供技术支持与决策依据，提高物流运作效率。

1 系统模型与算法

考虑生产实际的约束条件(包括直达运送运输量的约束、供应能力的限制、需求得到满足的约束、木材物流中心吞吐能力的限制等)，以木材物流网络总成本最少为目标，建模如下。

式中：H为木材的材种的数目；I为木材供应点的数目；J为木材需求点的数目；K为木材物流中心的数目；xidh为将第h种木材从供应点i运送到木材物流中心d(即中转运输上游)的年运输量，m3/a；Cidh为将第h种木材从供应点i运送到木材物流中心d(中转运输上游)的单位运输费用，元/ m3；xijh为将第h种木材直接从供应点i运送至需求点j(直达运输)的年运输量，m3/a；Cijh为将第h种木材从供应点i直接运送至需求点j(直达运输)的单位运输费用，元/ m3；xdjh为将第h种木材从木材物流中心d运送至需求点j(中转运输下游)的年运输量，m3/a；Cdjh为将第h种木材从木材物流中心d运送至需求点j(中转运输下游)的单位运输费用，元/ m3；Fd为木材物流中心d的建设成本分摊到每年的成本及流转固定成本，元/a；Zd为0、1变量，代表该木材物流中心是否被选中，其值为1时表示木材物流中心d被选中，否则，表示木材物流中心d未被选中。qdh为第h种木材在木材物流中心d的流转单位成本或变动处理成本，元/ m3；ydh为系统外的客户每年将第h种木材存储于木材物流中心d的木材库存量，m3/a；mdh为系统外的客户将第h种木材储存于木材物流中心d产生的单位利润，元/ m3。

采用遗传-禁忌算法对上述模型进行求解，算法的求解策略是：先用遗传算法进行全局搜索，使种群中的个体散布在求解空间的广大区域，再对群体中每个个体用禁忌搜索算法进行局部寻优，从而改善解的质量。通过这种方法，可将遗传算法并行搜索能力和禁忌搜索算法的串行搜索能力有效结合，加强算法的收敛性能，避免陷入局部极小值。

由于模型较为复杂，运算过程十分繁琐，对WebGIS进行二次开发，建立系统，对方案进行求解并提供物流相关信息的查询服务。

2 系统用户分析与功能设计

2.1 系统用户分析

为了提高系统的适用性，开发之前首先调查与分析系统可能的用户的特征，包括用户的工作领域、工作职责和流程、公司的经济状况和功能需求等。木材物流网络优化决策系统主要面向木材生产企业、木材加工企业以及第三方木材物流公司，主要用户是相关企业中的物流管理者与物流业务员，具体需求分析如下。

物流管理者对木材物流网络优化相关活动(例如木材物流中心选址、木材运输方案优化等)进行监督、管理与决策。物流业务员主要工作是对木材运输路线的选择、仓库的库存控制等物流活动进行具体的操作。系统应设置不同的用户权限，使得不同的访问人员，可浏览和操作不同的内容和界面。同时，系统应实现信息共享功能，以提高工作效率，降低工作人员的工作强度。

由于林产企业的工作人员，大部分处于山区和生产基层，先进的信息技术应用并不广泛。为了提高系统的使用方便性，应提供简单友好的操作界面，也为系统后续的推广应用做好准备。此外，在现有的成熟的软件的基础上，进行针对性的二次开发，在满足用户需求的前提下，提高系统的经济性，为林产企业节省信息建设的费用。

2.2 系统功能设计

随着森林保护政策的实施，木材供应量逐年减少，林产企业希望取消伐区楞场，减少不必要的中间环节，节省管理成本。通过建设现代化的木材物流中心，可将物流外包给第三方物流企业，从而专注核心业务，提高企业的生产效益和核心竞争力。

此外，在木材物流节点优化的基础上，进行木材运输线路优化，再从系统角度，进一步优化木材物流网络结构，实现流量流向的合理分配以及运力的合理投放。考虑到木材物流活动的数据量庞大，应开发相关的查询和管理模块。经过以上分析，将用户对于系统功能的需求总结如下。

(1)木材物流网络优化决策与可视化查询。考虑区域的实际情况和选址影响因素，选出若干备选地址，然后从备选地址中选出最优的物流中心选址方案。当选址影响因素发生变化时，快速准确地确定不同条件下的选址方案；当输入要查询的出发和目的节点，系统能找出两个物流节点间的最佳路线，并进行导航；当输入多个供材点和多个需材点，系统能找出最佳的物流网络，并得出最佳的木材运输方案。因此，系统必须实现遗传-禁忌算法的基本参数调用，按照算法流程进行模型的快速求解，得出最佳网络优化方案，从而辅助物流相关决策。

(2)木材物流供、需、运和存信息管理。木材物流活动涉及到供应、需求、运输和库存等信息，要实现这些信息在各个部门各个环节的传输和共享，达到不同环节的物流作业的无缝衔接，系统应提供相应的信息查询和管理功能。供应信息主要包含林农或者木材生产企业可供应的木材原材料信息，设置网上平台或者电话服务平台的方式录入木材原料的具体信息(数量、单价、金额和联系方式等)。需求信息为木材加工企业或者个人消费者发布近期的木材原材料的需求信息。运输信息即物流运输公司或第三方物流企业的车队管理中心发布的可供使用的运力情况，以及即将返程的车辆，以便寻求逆向物流的货源，充分提高车辆的空间利用率。库存信息是各物流节点仓储部门相关人员发布的现有的存储空间和库存等信息。

(3)地图与卫星图像的呈现。通过基层调研发现，林产企业工作人员对于普通地形图中抽象的道路、河流和山脉等标识的识别反应较慢，将地形图的标识信息与真实的地理地貌信息匹配较为困难，工作效率受到影响。因此，本系统为满足生产实际和基层用户的需求，呈现相应的卫星图像。

3 系统开发关键技术

3.1 系统平台选择

综合考虑系统开发的经济性、实用性、开放性、扩展性和先进性等原则，本系统选择ArcGIS Server和Google Maps API作为二次开发平台，建立木材物流网络优化系统。

ArcGIS Server技术和Google maps API技术，各有优势和不足，结合使用，分别对企业内部和外部提供地图服务。对于企业内部的地图服务，拟采用ArcGIS Server技术。采用该技术的优势是通过在企业内部服务器安装ArcGIS Server软件，企业可以掌握网络GIS平台的控制权限，可以自行建设所管辖区域的空间地图，开发公司所需的功能。对于企业外部的加工企业、运输企业的木材物流网络优化服务，拟采用Google Maps API技术。采用该技术可以将外单位访问需求转移到Google公司的服务器，这样能够减轻企业内部服务器的压力，减少企业的软硬件的建设和管理成本，而且通过Google公司完善的地图路网数据，更新速度快，能够为运输机构提供更好的实时的地图服务。通过将企业的内部和外部用户的WebGIS的服务分离，提高了企业对数据的自主控制管理能力，保护了企业的数据安全和商业机密，减轻外部因素对企业的干扰影响。

3.2 数据库技术

木材物流网络优化决策系统涉及到众多的地理数据和属性数据，包括点、线、面等复杂数据，对数据库的要求较高。通过综合比较分析目前的主流数据库技术，Oracle数据库能够高效管理空间与非空间的海量数据，具有较高的安全性、容错性和开放性，因此选择Oracle数据库为本系统提供数据支撑服务。将系统相关的地形图、路网图、林相图等数字化之后，存入数据库；将空间数据与属性数据进行分类管理，建立数据库结构。

3.3 集成技术

由于木材物流网络优化时，考虑的因素较多，模型十分复杂，可将模型算法与WebGIS技术相结合，进行集成应用，提高求解效率。将模型所需要的原始数据输入数据库，设计算法参数实现模型的快速准确求解，最终实现模型的计算结果显示和网络优化方案的可视化。模型相关的数据包括供材节点及需材节点的数目、供材点的木材供应量、需材点的木材需求量、备选物流中心的数量和位置、模型涉及的固定费用和变动费用等。算法的参数包括群体规模、交叉率、变异率和禁忌长度等。此外，为了解决模型数据的采集、存储和管理，模型的应用求解以及结果的可视化输出等问题，可采用组件式软件，实现空间与非空间功能的集成。

4 系统初步应用分析

4.1 研究对象概况

以福建三明永林集团的木材物流网络为研究对象，该集团在三明区域内主要有7个供材点(福庄、福溪、半村、元沙、大坑、燕江、小陶)及4个需材点(永安人造板厂、永林蓝豹、永安福星、三明青山纸业)，要求建立木材物流网络优化系统，对其木材物流网络进行优化，并随时随地通过Web对优化方案进行查询。

4.2 系统运行效果

现有木材物流中心备选节点有4个，分别为Ki(i=1，2，…，4)，供材点为Si(i=1，2，…，7)，需材点为Di(i=1，2，…，4)。结合上文的模型与算法，根据该集团提供的空间数据、属性数据和业务数据，对WebGIS进行二次开发，建立木材物流网络优化系统。当用户点击“显示运行结果按钮”，得到最小成本约为154万元，最佳的木材物流中心和木材物流网络图，如图2所示。此外，系统设计了卫星图呈现结果，以满足基层用户对真实地貌进行查询的需求，如图3所示。

图1 最佳木材物流网络的地形图Fig.1 Topographic map of the best timber logistics network

图2 最佳木材物流网络的卫星图Fig.2 Satellite image of the best timber logistics network

用户要求通过网页查询优化方案以及木材物流的其他信息，本文设计系统如下。

(1)针对集团内部用户，采用ArcGIS Server系统。建立查询平台时，首先启动ArcCatalog，建立新的网络地图服务，再建立WebGIS服务网站，创建的网站可供互联网网络用户远程访问。访问者仅需用浏览器即可实现方案查询和地图浏览如图4所示，无需另外安装客户端。

图3 基于ArcGIS Server的木材物流网络优化方案Fig.3 Timber logistics network optimization scheme based on ArcGIS Server

(2)针对集团外部的其他用户的查询服务，采用Google Maps系统，应用Google Maps API技术开发，例如，某物流公司承接了运输任务，需将木材从“永安市大坑村”送货至“永安人造板厂”。承担任务的驾驶员可通过手机或电脑访问公司网站，查看“运输路线优化系统”，输入起点与终点，点击搜索，系统则根据预设的算法，计算两个节点之间的最优运输路线(如成本最优或时间最优)，为用户呈现结果。如图5所示，左侧栏为文字显示具体线路，右侧为导航图。此外，根据需要，也可以查看卫星图像。

图4 基于Google Maps API的木材运输路线优化Fig.4 Route optimization of timber transportation based on Google Maps API

5 结论与讨论

在探讨木材物流网络优化的模型与算法的基础上，通过用户分析和功能设计，综合考虑系统开发的原则，选择系统开发的关键技术，初步分析与设计了木材物流网络优化系统，并以永林集团的木材物流活动为研究对象进行系统的应用，该系统考虑实际因素，根据预设的模型和算法，计算最优方案，并为用户提供基于Web的物流相关信息的查询服务，以便更好的制定配送计划，降低物流成本。

ArcGIS Server和Google Maps API作为当前最重要的WebGIS技术，各有优势和不足，本文综合了二者的优点，分别采用ArcGIS Server和Google Maps API来开发该集团内部与外部的木材物流信息查询平台，使得内外部用户的查询服务分离，在满足系统多节点多用户需求的基础之上，不仅节省了系统建设成本，而且保障了数据的安全性和可控性。此外，WebGIS平台涉及到GIS服务器、Web服务器以及网站构建等多种技术，系统更加完善的功能有待进一步研发。

[1]邱荣祖，林宇洪，林玉英.基于物联网的智慧林业物流系统研究进展[J].森林工程，2014，30(5)：169-174.

[2]郝斯琪，沈微.基于SLP方法的木材物流中心布局——以绥芬河地区为例[J].森林工程，2015，31(1)：159-163.

[3]邱荣祖，林雅惠，钟聪儿.基于ArcGIS的木材物流中心选址[J].林业科学，2010，46(6)：113-117.

[4]闫慧凝，邢艳秋，孙术发，等.基于GIS的红松籽物流集散点选址研究——以吉林省汪清林区为例[J].森林工程，2014，30(4)：147-150.

[5]张兰怡，林玉英，邱荣祖.基于BPNN的木材物流中心选址方法与实证分析[J].福建林学院学报，2014，34(1)：82-86.

[6]Figueira G，Amorim P，Guimarães L，et al.A decision support system for the operational production planning and scheduling of an integrated pulp and paper mill[J].Computers & Chemical Engineering，2015，77：85-104.

[7]Rauch P.Stochastic simulation of forest fuel sourcing models under risk[J].Scandinavian Journal of Forest Research，2010，25(25)：574-584.

[8]李萌，陈来荣，唐亮.基于效用函数的木材物流网络中的运输木材量控制研究[J].森林工程，2014，30(5)：181-183.

[9]刘娜翠，邱荣祖.基于遗传算法的木材运输方案优化技术[J].福建林学院学报，2010，30(4)：380-384.

[10]张淑芬，邢艳秋，吴红波，等.基于GIS和RS技术的木材运输线路优化研究——以吉林省汪清林区为例[J].森林工程，2011，27(2)：48-51.

[11]Acuna M，Mirowski L，Ghaffariyan M R，et al.Optimizing transport efficiency and costs in Australian wood chipping operations[J].Biomass & Bioenergy，2012，46(6)：291-300.

[12]Hirsch P.Minimizing empty truck loads in round timber transport with Tabu search strategies[J].International Journal of Information Systems & Supply Chain Management，2011，4(2)：15-41.

[13]陈诚，邱荣祖.林产品物流系统研究现状与展望[J].森林工程，2015，31(5)：139-144.

[14]陈诚，邱荣祖.多周期木材物流网络优化研究[J].福建林学院学报，2014，34(3)：274-278.

[15]陈诚，邱荣祖.基于混合整数规划模型的木材物流网络优化[J].中南林业科技大学学报，2013，33(1)：94-98.

[16]潘静静，胡志华.集材区选址与能力配置的集成优化问题[J].广西大学学报(自然科学版)，2015，40(6)：1533-1539.

[17]Kong J，Rönnqvist M.Coordination between strategic forest management and tactical logistic and production planning in the forestry supply chain[J].International Transactions in Operational Research，2014，21(5)：703-735.

[18]Laitila J K L L.Performance of a small and a medium sized professional chippers and the impact of storage time on Scots pine(Pinussylvestris)stem wood chips characteristics[J].Silva Fennica，2015，49(5)：1-19.

[19]林玉英，林宇洪，邱荣祖.木材物流决策支持系统的研究现状与展望[J].物流工程与管理，2012，34(11)：79-82.

[20]Thiebes B，Bell R，Glade T，et al.A WebGIS decision-support system for slope stability based on limit-equilibrium modelling[J].Engineering Geology，2013，158(1)：109-118.

[21]林宇洪，林玉英，胡喜生，等.后林改时期的林权WebGIS管理系统的设计[J].中南林业科技大学学报，2012，32(7)：146-150.

[22]杜克明，褚金翔，孙忠富，等.WebGIS在农业环境物联网监测系统中的设计与实现[J].农业工程学报，2016，32(4)：171-178.

[23]方苗，祁元，张金龙.基于WebGIS的兰州市地质灾害群测群防信息化[J].遥感技术与应用，2011，26(2)：137-146.

[24]田华，贾继民，张建江，等.基于WebGIS的新疆部队水源水质管理系统的设计与应用[J].解放军预防医学杂志，2014，32(5)：476-477.

[25]于天光，于建欣，李春玉.地铁工程施工安全远程实时监测信息管理系统[J].中外公路，2014，34(5)：203-206.

Analysis and Design of Optimization Systemof Timber Logistics Network

Lin Yuying，Qiu Rongzu

(College of Transportation and Civil Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，Fujian，China)

Timber as the direct product of the forest is restricted by some factors such as growth cycle and climate conditions.There is a contradiction between the characteristics of concentrated and seasonal timber production and the characteristics of scattered and sustainable timber demand.In order to solve this contradiction and promote the development of forestry industry，the timber logistics network optimization model and algorithm were studied.The system was analyzed and designed using WebGIS based the analysis of characteristics of the user and functional requirements as well as database technology and component integration technology.The preliminary application of the system was studied by taking the Sanming Yonglin Forestry Group in Fujian as the case.The best timber logistics network topographic maps and satellite imagery were concluded.The query service of internal and external customer of the Group could be achieved by the ArcGIS Server and Google Maps API technology.Through the system application analysis，it demonstrated that the system was able to meet the demand of internal and external users of the Group，based on which the data sharing，security and controllability could be also guaranteed.The designed system had good economy and practicability，and could aid decision making and improve the efficiency of logistics operation.

Timber logistics；logistics network；WebGIS

2016-07-25

福建省重点项目资助(K5314005A)；福建农林大学高水平大学建设资助项目(113-612014018)。

林玉英，硕士，助理实验师。研究方向：林业物流工程与管理。

*通信作者：邱荣祖，博士，教授。研究方向：林业物流工程与管理、3S技术应用。E-mail：qrz1010@yahoo.com.cn

林玉英，邱荣祖. 木材物流网络优化系统的分析与设计[J].森林工程，2017，33(1)：87-91.

S 773；F 252.81

A

1001-005X(2017)01-0087-05