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智神装箱技术项目背景

已有 2273 次阅读 2014-11-11 18:03 |个人分类:全新数学观|系统分类:科研笔记

本项目涉及到包装和装卸的理论和现状。


       一、包装和装卸在现代物流中的地位和作用

 

包装和装卸在传统物流领域是作为辅助环节而不受重视的。现代物流认为,作为物流主业的运输和仓储,虽然产值很高,但利润很薄,很难取得战略上的优势;只有在物流的瓶颈环节,包括时间瓶颈和空间瓶颈,采用信息技术,才有可能开发出丰厚的第三利润源泉,取得战略优势。
       我国著名现代物流专家王之泰教授,在所著《现代物流学》中指出,装卸是物流每一项活动开始及结束时必然发生的活动,它出现的频率高于其它各项物流活动,往往成为整个物流系统的“瓶颈”,是物流系统是否有效的关键。作为现代物流标志的货柜(即集装箱)化运输,在解决货船装卸瓶颈的同时,却带来了其本身装卸货箱的瓶颈。
       同样,包装处于生产过程的末尾和物流过程的开头,既是生产的终点,又是物流的始点。在现代物流观念形成以前,包装被天经地义地看成是生产的终点,因而一直是生产领域内的活动。包装设计往往主要从生产终结的要求出发,因而常常不能满足流通的要求。物流研究认为,包装与物流的关系,比之与生产的关系要密切得多,其作为物流始点的意义比之作为生产终点的意义要大的多。因此,包装应进入物流系统之中,这是现代物流的一个新观念。
       包装在物流系统中起决定作用的是尺寸。包装尺寸的优化设计决定了货柜内货箱装卸的数量和水平,从而影响到整个物流系统。但是,相关尺寸协调(或优化)和包装模数在现代物流领域是非常困难的问题。


       二、包装和装卸的困难

 

在[美]M. 贝克主编《包装技术大全》(92年,科学出版社)第500页“尺寸的协调” 一节指出:“近年来非常重视降低运输费用,其方法是确定将小包装如何组成运输包装,再将运输包装组成单元荷载,然后将单元荷载配成货车运载方案。对这一复杂问题曾编制了很多计算机程序,也引起了官方和非官方标准组织的注意,但没有取得统一看法。这些问题曾在1978年的报告中进行了详细讨论,但意见的主要分歧在于模数的选择,不论它是基于一定尺寸的托盘,还是由ISO第1系列集装箱引出来的模数都是这样。”

我国刘鼎铭教授编《集装箱运输业务技术辞典上》(93年交通出版社)第411页“包装模数” 条目中,也对这一问题进行了更为详细的说明:“在决定包装模数时有两种不同的方法,从而也形成了两种对立的观点。一种观点认为决定包装模数应以ISO集装箱标准的内部尺寸为基准,另一种观点认为应以ISO托盘尺寸为标准。可是ISO托盘却不能有效利用ISO内部尺寸,这确是一种遗憾事。围绕着上述包装模数问题,在托盘与集装箱之间长期以来所进行的对立和争论,以及集装箱渗透到全世界的结果都迫切需要ISO从总的体制或整个经济观点出发,协调货物分配领域内的国际标准化,从而促使ISO货物分配技术处立即开展这一工作。” 
       时至今日,这一工作仍在进行,也是物流基准模数国际标准尚未公布的主要缘由。

 

问题的焦点何在。

 

实际上,看似简单粗放的包装和装卸,却存在两大世界难题:数学上的NP难问题――装箱问题;计算机科学上的计算时间指数复杂性问题(俗称指数爆炸)。这两个问题都属于形式主义数学组合优化范畴。

目前风行全球的供应链管理信息技术,主要是解决时间瓶颈(及时问题)和静态空间瓶颈(零库存问题),取得了显著效果。但是,是以牺牲动态空间瓶颈――货柜柜容利用率为代价的,如为了装卸快而采用托盘或增大设计裕量。

由于受世界难题“装箱问题” 的制约,而在目前理论界、工程界和企业界形成了一个盲点,认为用空间换时间是合理的,想象不到在包装和装卸这两个简单粗放的环节,会有多大的成本可以节省。


      三、理论和应用现状分析

 

天津商学院包装工程系杨传民付教授等从1996年开始,在《包装工程》杂志连续发表“立方体包装件集装的离散优化” 系列论文至今,已提出一种尺寸和两种尺寸优化装箱方法,开发出相应CAD软件,并且目前还在继续研究。青岛大学经管系宫佩珊等在《微机发展》97年5期发表“集装箱优化装运决策支持系统的研究”, 提出了一种集装箱产品装箱优化的数学模型及求解方法。这两种方法和国外同类软件存在的问题如下:  
       受组合优化NP难问题理论的制约,只能求单目标近似最优解或满意解;
       计算时间较长;
       靠浪费空间,增大设计裕量来适应相关尺寸的误差变化,提高可靠性;
       计算无灵敏性,一种尺寸产品包装只可设计出一种“最佳” 装箱方案;
       输出装箱图不规范,不便于工人识别和机械作业;
      计算精度差,无法考虑其它影响装箱数量的微小因素。


      因此,这些方法很难普及推广应用。所以,目前国内外包装尺寸和装箱方法优化设计,主要采用基于经验的专家系统方法,而处于“群雄割踞” 状态。
       现代物流可以认为是集装箱物流。托盘是在没有集装箱之前就有的集装运输辅助工具,只考虑平面优化,适用于卡车装卸作业,对于封顶的集装箱就显得力不从心了。

集装箱是美国发明,因此主张集装箱物流以标准集装箱尺寸为基准,并大力推广滑片装卸法,在轻货箱集装箱装卸中取代托盘。

众所周知,杂货集装箱绝大部分都是装轻货。这种轻货的特征是纸箱货,因此在集装箱纸箱物流中,用滑片或其它集装装卸法取代托盘是大势所趋。

在这种基准指导下,运输包装尺寸和装箱方法,目前由两个部门按如下方法设计和协调:

首先,根据产品特性和用户要求进行包装的安全和促销功能设计,据此确定经济的符合标准的纸箱结构和尺寸;其次,设计装箱方法。这种方法是现场试装方法,也可用三维CAD软件模拟现场试装。方法是先将纸货箱的长、宽、高分别顺集装箱宽方向试放,其中剩余空隙最小的边,固定顺宽方向摆放;剩下两边顺集装箱高方向试放,其中剩余空隙小的边,固定顺高方向摆放;最后一边只有顺集装箱长方向摆放。

再次,是空隙的处理,即协调。

在包装和运输分开情况下,是用加固的办法处理,以承受海浪的震荡,其费用很高。考虑到增加几厘米运输包装尺寸,几平不增加什么成本,就可以在集装箱内挤满,而在实践中广泛采用。

最后,是误差处理,即设计裕量。必须取实际租用集装箱最小内部尺寸;必须取货箱最大外部尺寸;必须考虑货箱摆放间隙;必须考虑机械作业间隙。目前,货柜有效容积系数一般取0.80―0.85,有的外资企业达到0.90。有资料指出,满足国际标准的条件下,货柜有效容积系数最高可达0.93。因此,表面上装得很“满” 的货柜,如果从产品尺寸开始,就更加精细地考虑,还是有许多意想不到的空间可以利用。


       传统标准化是工业经济下的产物,在知识经济下是阻碍创新的。

 

现代标准化活动中,标准所规定的技术状态不是简单地把已经掌握的技术固定下来,而是要求技术指标动态化。这一特征是和传统标准化,在总结成熟经验的基础上,制定标准的一种最重要的区别。


       创新就是向现有标准挑战!

 

刘鼎铭教授在“包装模数” 条目中,从组合数学的角度提出假想:如果能选择一种包装模数既能把标准托盘的表面积加以整数分割,又能有效地利用ISO 集装箱内部尺寸,则在集装箱运输中就解决了模数问题。数十年来,成千上万的数学工作者和计算机科学工作者的实践证明,这种假想是无法实现的。


       四、重要发现和数学观的创新

 

罗祥存先生数十年从事数学应用和计算机应用的研究和实践,在计算机计算实现技术对数学影响的研究中,发现了一个重要哲理:计算机计算实现技术是对形式主义数学的一个否定。在这个哲理的指导下,完成了数学观的创新。

 

这种全新数学观是中国古算思想,西方数学直观(觉)主义思想,在计算机计算实现技术基础上的结晶。

 

实践是检验真理的唯一标准。

 

科学技术的发展,就是不断精确化的过程。

 

在全新数学观的指导下,创立计算实验方法,开发出智神装箱技术,在理论和实践上解决了世界上第一个指数爆炸问题,将目前装箱工艺提高了两个数量级,解决了轻纸箱货集装箱物流动态国际标准问题。

 

                                    罗祥存   2014-11-11



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