快递物流网络规划及其算法实现论文.docx
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快递物流网络规划及其算法实现论文
毕业设计[论文]
题目：
快递物流网络规划及其算法实现
院系：
控制科学与工程系
专业：
物流管理
姓名：
杨超
学号：
U200714224
指导老师：
罗云峰教授
2011年6月
快递物流网络规划及其算法实现
摘要
随着国民经济的稳步提升，航空运输形式已成为社会进步的必要条件，成为了国家发展经济，企业增强竞争优势必须考虑的因素。
而作为一种可以改进航空运输条件的特殊网络---轴辐式网络，自从被引入美国的航空运输行业之后，就引起了企业界和学术界的广泛重视。
轴辐式网络结构的研究也从地理科学、运筹学扩展到经济学、管理学的领域。
目前，轴辐式网络已经取得了不菲的成果，但在正式运行及对其进行评价的方面还需要做更多的工作。
本文在参阅大量关于轴辐式网络研究文献，吸收借鉴现有研究成果的基础上，希望能设计出一套合适的模型分析轴辐式网络在实际的运营中的具体情况，并对设计出的这种模型所提供的解决方案做出合理的评价。
通过研究加快轴辐式航空物流网络的运用的推广，也为我们航空物流产业发展起到推动作用。
本文以系统科学的理论为指导思想，综合运用管理学、经济学和计算机科学的相关知识，采用理论与实证相结合，定性与定量相结合的研究方法，重点对以轴辐式网络的构建及应用展开研究。
通过上述内容的研究，论文的主要贡献包括：
（1）归纳总结了轴辐式网络的基本概念，指出影响轴辐式网络发展的关键因素（如成本，需求，竞争等），其中成本因素是内在动力，需求因素是外部驱动，竞争因素加速发展；
（2）拓展了轴辐式网络模型，提出的考虑设施成本等因素的模型，使其更符合实际，更具有实用价值。
关键词：
轴辐式网络，航空物流，基本概念，模型设计，网络评价
Abstract
Asthenationaleconomyhasincreased，airtransportformhasbecomesocialprogress，becamethenecessaryconditionsofnationaleconomicdevelopment，enterprisesenhancecompetitiveadvantageoffactorsmustbeconsidered.Butasonekindofcanimproveairtransportconditionsofthespecialnetworkhubandspokenetwork，sinceintroducedintheUnitedStatesaftertheairtransportindustry，hascausedwideattentioninindustryandacademia.Hubandspokenetworkstructureresearchalsofromgeographicalscience，operationsresearchexpandstoeconomics，managementfield.Atpresent，thehubandspokenetworkhasmadesignificantachievements，butinformaloperationandtheevaluationonaspectsneedtodomorework.Inthispaper，atypeofaboutaxisrotaterefernetworkresearchliterature，introducingthebasisofexistingresearchresults，thehopecandesignasetofsuitablemodelanalysishubandspokenetworkintheactualoperationofthespecificsituation，andthismodelisdesignedtoprovidesolutionsthatrationalevaluation.Throughtheresearchofacceleratedaxisrotatetheuseofaviationlogisticsnetworkpopularizing，forouraviationlogisticsindustrydevelopmentplayarole.
Basedonthetheoryofsystemscienceforguidingideology，theintegrateduseofmanagementscience，economicsandcomputersciencerelatedknowledge，usingtheoryandempiricalcombination，qualitativeandquantitativeresearchmethods，focusingonthefollowingcontentofresearch:
（1）Hubandspokenetworkbasicconceptresearch:
tohubandspokenetworkbasicconceptasastartingpoint，analysisofnetworkconvergenceinaxialaviationlogisticsnetworkplayskeyrole；
（2）Hubandspokenetworkmodeldesign:
referencetheoriginalhubandspokenetworkmodelanditsdesignmethod，buildmoreactual，morecansolvepracticalproblemsmodel；
Keywords:
Hubandspokenetwork，Aviationlogistics，Basicconcepts，Modeldesign，Networkevaluation
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题背景和研究意义1
1.2国内外研究综述及本文框架6
2轴辐式网络概念9
2.1轴辐式网络简介9
2.2轴辐式航空网络的形成10
2.3轴辐式包裹快递网络系统11
3轴辐式网络系统评价研究13
3.1航空网络枢纽的选择13
3.2航空网络枢纽选择实例14
3.3轴辐式网络评价指标18
4轴辐式网络模型设计20
4.1模型基本假设与参数说明20
4.2轴辐式网络基本模型21
4.3轴辐式网络模型的求解及案例分析22
5总结和展望28
致谢30
参考文献31
1绪论
1.1课题背景和研究意义
1.1.1选题背景
交通运输是现代城市间物质、能量交换的载体，是国民经济结构中的先行产业。
作为20世纪的新兴行业和交通运输基础产业，航空运输业的发展和在技术与服务方面所取得的成就使其成为当今最成功的行业之一，从运输广度、深度和速度上都大大超过了其他运输方式[1]。
90年代，我国物流业才算进入了一个系统有规律的发展阶段，物流在航空运输模式中的具体应用与实践情况对中国来说比较陌生。
虽然中国航空物流运输业近几年处于一个较快的发展时期，但境外航空物流企业大肆入侵国内市场，如果中国的航空物流企业不能把握住当前行业发展的良好机会，尽快形成规模化、合理化的航空运输网络，降低成本，增强竞争能力的话，国内的航空物流业必将陷入被动挨打甚至全军覆没的局面。
我国物流产业的发展还远未形成完整体系，航空物流业才刚有起步，甚至可以说还未起步。
我国航空货运市场尚处于整合、调整、变革的发展过程中，还没来得及构建出具有真正规模的物流网络，本土真正的航空物流企业难以找出一家。
但随着各种运输方式的货运物流化的深入发展及逐步改善，国内航空物流行业的发展也必然会加紧步伐来应对这种社会需求及国外行业的挑战。
研究并探讨如何促进我国航空物流发展的问题，以指导我国航空物流发展，加快我国航空物流业发展的步伐，不仅是适应经济发展和社会需求，而且也是国内航空业的发展自救的过程，也是在挑战中壮大的过程。
在我国的物流系统的研究中，航空物流越来越受到人们的重视，无论是从货运还是从客运的角度来说，人们对航空运输方式的利用也越来越得心应手。
相对于客运来说，货运的发展无疑要迅速一些，这也是各种商品的发展的必然结果，需要运送的货物已经从以前的大、重、不规则逐步向着小、轻、规则的方向不断的改进，这也是为什么货物的物流由以前的水运和陆运向空运方式的不断转变的主要原因。
而对客运来说，则是由于人们的生活水平逐渐提高，而收入的增加也势必要求相应的生活享受同时得到提高，这也是促使客货运输不断发展的重要因素[2]。
从另一个方面来说由于航空运输产业的自身的不断完善，已经形成了一个从运输、仓储、装卸、加工、整理、配送等方面的全方位产业，形成了一个完整的供应链，为各个用户提供了便捷的、一体化的服务。
而航空物流的安全性，时效性又是其他的各种运送方式所无法企及的，这也就导致了一些需要高安全及时效要求高的产品不得不转向于航空物流的运送[3]。
当然，存在这种现状的不仅是我们国家，在世界上的许多经济处于发展中的国家都有着这种迫切的要求，而中国就是航空市场发展潜力最大的国家。
面对这种压力，我国迫切需求与之匹配的航空运输能力。
常见的交通运输网络有公路，铁路，地铁和航空网络。
其中不难了解到公路，铁路和地铁的运输网络有着惊人的共同点，那就是他们都是存在实在的物理连接，而航空网络则不存在实际的物理连接，这也是他们之间的根本不同。
为了能让我们直观的感觉到这些网络，我们可以把航空网络看成含权网络。
航线的权重可以用来表示航线的运输能力，这样对航空运输的研究也更加显得数据化与直观。
机场及航空公司如何抓住时机，建设高效的航空物流系统，是促进我国航空物流业高速发展的关键。
由于适合于航空运输的货物越来越多，航空运输的作用也日益重要。
从我国各大机场货运量的发展趋势可以看出，航空货运量还会大幅增长。
随着我国加入WTO，航空货运在国民经济的发展中会扮演更为重要的角色，航空物流必将成为人们关注的焦点。
通过观察航空业中不同梯队的机场货运量增长数据作为依据，可以对我国近几年的航空增长趋势进行客观的分析。
下面从几个方面来分析了各机场货运量高速增长的原因：
第一，国民的高速发展增大了航空货运的需求；第二，中国经济的对外开放进一步扩大，客观上促使各机场货运量的提高；第三，各机场发挥其所拥有地理及政策优势，推动航空货运市场的发展；第四，国际大型航空公司的进入，使国际货运量大幅增长[4]。
虽然我国的航空事业正蒸蒸日上，但要达到与社会需求相适应的运输能力就必须改善我国现在的航空运输所存在问题。
第一，航空运输的区域性显著；第二，航空运输能力不足；第三，航空货运市场开发加速；第四，国外公司占据巨大市场。
为了解决这些问题我国航空物流积极采取了以下对策：
第一，加快航空物流基础设施建设；第二，加强物流信息化平台建设；第三，建立第三方物流系统；第四，树立基于时间竞争的物流观念；第五，培养专业的航空物流人才[4]。
1.1.2研究的目的和意义
本文的研究目的是希望能在前人的研究成果上，通过对轴辐式网络的案例分析及敏感性论证，来达到以下目的：
（1）分析轴辐式网络的这种设计方案中的关键因素，并研究这些关键因素与枢纽网络之间的相互作用机理；
（2）开阔轴辐式网络的视野，提出更加符合实际需要的，更加具有实用价值的的网络模型；
（3）研究轴辐式网络的运行成本，达到在航空物流网络的设计中的成本优化目的；
（4）开展一些关于实际应用的研究，通过理论的应用研究，尝试将研究成果推向实际应用领域[5]。
基于轴辐式的航空物流网络研究意义在于：
网络已经成为了社会经济发展的基础设施，航空物流网络则是运输网络中不可或缺的重要支柱，也成为国家发展经济与企业自身增强竞争实力的有力渠道，网络经济发达、产品多样化的扩大、市场竞争程度加剧，无疑是推动这一发展的主要因素。
因此如何适应经济发展的需求，如何在激烈的市场竞争中保持不败，那么提升自身的实力，抢占经济贸易的先机就变得举重若轻了。
因此，我们选取具有代表性的网络组织形式开展研究，以系统的方法来研究网络，有助于国家，企业以及人民生活水平的提高，从而推动社会的进步。
在国外的研究中，早已把他们的航空网络集成起来作为一个系统研究，而国内还缺少这种合作的意识，没有将自己放在市场竞争的大环境中，所以不能构建一个系统的网络。
通过我们的研究，希望能够引导企业树立一种网络的意识，制定合理的网络发展计划，选择最佳的运营策略，增强自己竞争力，实现企业自身的可持续发展。
也希望同时能为相关政府部门制定正确的产业扶持政策提供有力的支持。
1.1.3轴辐式航空网络的形成因素
（1）成本因素是轴辐式网络形成的内在驱动力
对社会经济网络来说，追求网络运营成本的最小化，永远是网络发展的主旋律，也是网络进步的内在驱动力，轴辐式网络结构能否为航空网络提供更低的运营成本或服务成本，是鉴定航空网络能否从一般网络向轴辐式网络进步的关键。
如果不存在降低服务成本和运营成本的优势，那么网络中的用户将各自安排自己的行程，网络将处于一种无序状态。
但是轴辐式网络却能够使网络流合并而产生降低成本的优势，这将直接导致普通网络向轴辐式网络结构发展。
（2）需求因素是轴辐式网络形成的外在动力
网络进步的最终目的是要满足社会需求，在同样的网络投资前提下，网络将自动的向着能够满足更大需求的结构进步。
就像我们靠前说的一样相对于点对点普通网络，轴辐式网络可以满足更大的服务需求，那么，网络就会向轴辐式网络结构进行过渡，但这里想要说的是轴辐式网络如何来满足更大的需求呢？
这里我们来举例说明，假设乘客不关心出行时间和出行路线。
单纯这样来说的话，枢纽的转运飞行反而增加了乘客的时间和不便利性。
另外补充一下，航线的运输密度，不仅决定了单位成本，同时也决定了使用的运输设备和服务的频度。
飞行频度决定了乘客的频度延误成本，这里的延误成本是指乘客出发时间与优选出发时间之间的时间成本，轴辐式网络安排的飞行频度要高于点对点网络。
因此对乘客来说延误成本就会低一些，从这个方面来说轴辐式网络结构又优于点对点网络，也正是这一点使得许多商业乘客选择轴辐式网络的航空公司。
虽然轴辐式网络在飞行频度方面，较点对点直飞网络具有优势，但也带来了飞行时间上的劣势。
这种情况也不是没有解决办法，在轴辐式网络运用中可以通过提供高航班密度吸引那些对航班频度敏感，而对价格不敏感的商业乘客，当然也可以用低价来吸引那些对价格敏感的而对频度不敏感的乘客来填补航班的空余座位，增加满座率。
这种调整说明，轴辐式网络可以提供多种网络服务价格，满足不同类型乘客的需求。
商业乘客和休闲乘客的需求差异也会间接影响网络结构。
部分航空公司会对时间敏感的商业乘客提供直飞服务，对价格敏感的休闲乘客则提供枢纽中转服务。
Berechman和Shy研究发现，航班密度能补偿枢纽连接带来的不便时，大部分航空公司会选择轴辐式网络。
在随机需求下，轴辐式网络也具有优势。
正是由于轴辐式网络将不同目的地的乘客集中在同一枢纽航线，这样的话，航空公司就可以集中精力对几个主要航线进行灵活的分配控制，这也降低了公司运营的成本。
在轴辐式航空网络结构下，客货流量大的枢纽机场的休息室和其他设施将随流量增加而作出相应的增加，因为这样能降低单位服务成本，从而变得更加经济，并反过来促进轴辐式结构的形成。
综上所述，需求因素是网络发展的外在驱动力。
（3）市场竞争因素加速轴辐式网络的发展
社会网络结构的发展进步，是一个缓慢的过程，各子系统通过相互作用实现自身优化，同时提高整个网络功能和效率。
网络中的各个节点之间存在的相互竞争作用，不同网络子系统同样存在相互竞争，同时这种竞争的强度也在一直变化，为了使网络结构处于一种稳定状态，网络结构必须将竞争维持在一个可控的范围内，使网络继续保持发展进步的同时也能处在一个相对稳定的环境。
轴辐式网络结构可以通过自身的枢纽优势，有效控制新的竞争者的加入，保证现有运营商的基本利益。
下面分析轴辐式网络是怎样来控制竞争，维持网络结构的稳定。
不同产业的轴辐式网络系统所处的竞争环境并不一样。
在航空运输产业中，一个航空公司在某条航线上的市场份额和航空公司在该定制的航线价格存在关联。
而价格又取决于该航空公司的综合服务水平，包括在该航线上的航班密度、针对部分旅客的优惠计划等市场营销情况，以及机场设施的稀缺性，如飞行时段、登机桥等因素综合决定。
尽管政府已经尽可能地减少了市场进入的限制，但如果说竞争者真正能够自由的进入或退出网络系统，这并不现实[6]。
轴辐式网络的航线竞争主要有以下三种情况：
l）枢纽间航线市场的竞争：
这种情况出现在不同的轴辐式网络运营商通过自己的枢纽提供服务。
2）同一航线市场不同服务方式的竞争：
这是指某航线中的一个公司采用枢纽中转的方式提供市场服务，而另一个公司则在该航线提供直达航班服务。
3）辐节点和枢纽节点之间的航线市场竞争：
该种情况下参与竞争者均提供直达航班服务[7]。
研究发现，在上面说到的三种竞争情况，如果采用轴辐式网络结构，均能在一定程度上阻止新竞争者的加入，这样也从侧面促使主要的航空公司选择轴辐式网络结构。
竞争在增加市场的需求的同时也会导致市场服务价格降低，并且可以有效增加该市场的总产出。
当然轴辐式网络结构下的竞争也会带部分负面效果，它会影响网络中其它航线的服务。
因为竞争会降低运营商在竞争区间的运输密度，导致其它用户在使用该区间设施的边际成本增加，这样的结果就是系统总剩余减少。
因此，竞争好的一面是促进了轴辐式网络的形成和发展，另一方面就是过度竞争会降低网络系统的总产出。
1.2国内外研究综述及本文框架
1.2.1国内外研究综述
在说到航空物流进步的同时我们不得不客观认真地对航空网络进行分析，以便我们对其进行更好的设计。
枢纽辐射网络是目前发达国家航空公司主要采用的网络形态，在实际应用中，航空公司更多的是采用混合航空网络，也称为非严格的枢纽辐射网络，即在枢纽辐射网络的基础上允许在部分非枢纽城市之间开通直航。
正是由于航空网络运营结构的历史发展证明了轴辐式网络的优越性，因此，近年来对航空网络结构的研究也就大部分集中了轴辐式网络上。
研究人员试图通过决定枢纽的空间位置，各枢纽所辖的非枢纽节点的分配，以及空间交互作业的格局，来设计最佳的枢纽的辐射网络结构。
OpKelly（1987）首先提出了轴辐式网络枢纽设施选址和网络设计模型；
Current提出层级式网络设计问题（HierarchicalNetworkDesign），试图找到最小运营成本的运输网络支线；
Aykin（1995）研究了航空运输轴辐式系统设计中的网络政策问题，并针对中转站有容量限制的轴辐式网络问题提出两种有效率的算法；
Sung和Jin（2001）研究了带限制性政策的轴辐式网络设计问题，提出了一个容许节点之间互连的混合轴一辐式网络设计模型；
张世翔和霍佳震（2005）针对长三角地区城市群物流体系构建，运用MAHMP选址模型进行优化设计与规划，并为该地区区域物流运输通道建设和城市物流发展规划提供技术对策；
卞文良等（2006）网络在发挥物流网络功能中的作用等进行理论探究；
Foster（2006）提出了开放网格服务结构体系OGSA（OpenGridServicesArchitecture）；
薛青（2007）围绕选址与路线优化，以多分配枢纽站中位问题（MAHMP）为基本切入点，研究了轴辐式物流网络设计的问题[8]。
现在的一些专家在考虑一定的局限性之后建立了多个模型来对轴辐式网络进行了研究，他们的研究主要集中在以下几个方面：
一，航空网络的演化过程；二，从单个公司的研究转向了对多个公司的合作性研究；三，交通结构及产业结构的变化对航空网络将产生的一些影响；四，怎样在一定的时间段里建设出满足当前及未来几年的机场
以上文献研究表明，国内外学者均从不同角度对轴辐式物流网络的构建做了大量的研究。
进行轴辐式网络建模之后，因为含枢纽选址问题使得模型很难求解。
在此同时由于网络经模型中包括线性规划、混合整数规划、二次规划等多种规划问题，这也进一步增加了模型的求解难度。
模型的算法包括启发式算法、紧线性处理等，由于受模型复杂性限制，大部分算法都只能解决25个左右的节点网络。
很多专家为了扩大规模，并能够利用模型来解决实际的问题，在近几年里对模型算法方面进行了深入的研究，也取得了可喜的进展，比如，分枝定界求解枢纽问题就是其中的一种网络设计模型。
1.2.2论文研究框架
论文研究框架：
以基本概念为基点，从实际情况出发，构建合适的网络结构模型，并按照实际的应用环境对该模型进行求解，最后对我们的求解过程和结果进行评价。
论文的主要研究内容包括以下几个部分:
（1）轴辐式网络基本概念研究：
以轴辐式网络基本概念作为切入点，分析轴辐式网络在航空物流网络中所起的关键作用；
（2）轴辐式网络模型设计：
参考原有的轴辐式网络的模型及其设计方法，建立更符合实际，更能解决现实问题的模型；
（3）轴辐式网络模型的求解：
在对已经建立的模型进行充分的考虑后，寻求合适的求解过程，并对求解的结果进行验证；
（4）轴辐式网络系统评价：
结合实际运行的情况对运营成本及时效性进行评价，结合中国航空网络实际进行实证分析[9]。
主要研究内容：
用实际航空公司的运营背景为依托，在考虑成本时效的基础上构建适用的模型并对模型进行求解，在求解过程中要联系到具体的应用情形，设置相应参数求解。
求解完成后，对求解过程和结果进行评价分析，对我们的模型进行评估并提出修改意见。
文章的研究重点放在模型的构建与模型在实际应用环境中的使用，我们通过简单的举例将模型的应用纳入实际生活应用的范围，再通过对实际环境的应用求解来反向验证模型的可行性，在对模型的可行性进行合格的验证后，我们需要选择适当的评价参数对模型作出相应的评价，来检测模型的合理性。
2轴辐式网络概念
2.1轴辐式网络简介
轴辐式网络在不同的层面定义各不相同。
金凤君定义的轴辐式网络是指以最主要的航空港为轴心，其它航空机场为附属，形成具有密切联系的类似“自行车轮子”的空间网络联系交流体系。
而网络字典将轴辐式网络系统定义为通过本地的机场将乘客送到中央机场，通过中央机场进行长途运输服务的航空运输系统。
轴辐式网络，是许多航空公司为了最大程度提高飞机利用率，增加收入而采用的一种网络系统，航空公司选择一些特定城市作为枢纽，安排大量的航班，在枢纽城市和小城市之间使用小飞机提供连接航班。
美国国防部将轴辐式配送定义为一种建立在工业标准基础上，为战场提供物资管理的配送系统。
系统通过枢纽节点和非枢纽节点之间的物资输送，来提高运输效率、增强物资在运可视化，缩短订单提前期。
Shang-HsingHsieh等把轴辐式网络定义为以空运中心为‘轴’，其他航空站为‘辐’的航线配置[12]。
综合上述提法，在航空快递物流网络中我们采用如下定义：
网络中的大部分节点通过和网络中的一个或少量几个枢纽节点相互作用，实现货物、人员及服务的传递的一种网络结构[10]。
根据非枢纽节点和枢纽节点之间的连接方式分类，可以将轴辐式网络分为纯轴辐式网络和混合轴辐式网络。
纯轴辐式网络是指网络中的每个非枢纽节点只能直接与枢纽节点连接，非枢纽节点之间不允许直接
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