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根据区域物流的定义，区域物流系统通常包含若干个相互依赖的物流主体、腹地主体及其他相关环境实体。物流主体与物流主体之间通常存在竞争或合作的关系，且存在较多的不确定性因素；系统中物流供给实体（物流主体）与物流需求主体（腹地主体）之间存在“供方”与“需方”的对应关系，而且这种供需关系是动态变化的。因此，这类系统规模大，结构复杂，总是处在一个不确定的环境中，且受很多随机因素的影响，具有多目标、多因素、多层次的特点，是以离散事件为主的复杂的“连续-离散”事件混合系统。
符合上述描述的这类系统，我们称为复杂区域物流系统（Complex Regional Logistics System，CRLS）。CRLS的定义如下：在竞争、合作、动态、不确定的复杂市场环境中，由若干物流供给方（物流主体）、物流需求方（腹地主体）等实体（自主、半自主或从属）构成的快速响应环境变化的复杂系统。主体是指参与物流活动的企业、企业集团或联盟，以及企业内部业务相对独立的部门。具有自主决策权的实体称为自主主体，具有部分决策权的实体称为半自主主体，没有自主决策权的主体称为从属主体。“动态”反映了为适应市场变化而进行的供需关系重构过程，它和“竞争”、“合作”、以及“不确定性”一起构成了该类系统的复杂性。
区域物流系统是由多“主体”组成的，这些主体行为贯穿于从“供”到“需”的全过程。区域物流系统是一个复杂的“人-机系统”，即物流系统是由人和物流设施、设备、工具及信息所构成的混合系统，表现为物流管理者和从业者运用有形的设备、工具和无形的思想、方法作用于物流对象的一系列活动。在这一系列活动中，人是系统的主体，因而在研究物流系统的各方面问题时，必须把人和物这两个因素有机地结合起来。主体表现为主体行为层的各个节点和群体行为层的各个群体。结合区域物流主体进行分析，在主体行为层中各物流需求点分布在区域中不同子区域或行业中，但各个子区域不是孤立的，子区域的物流资源可以通过物流市场进行交易，实现区域物流系统的优化配置，这样就使不同地区、不同行业的物流需求节点“黏着”在一起，形成了一个“物流需求群体”。同样也会形成“物流供给群体”等，这些群体则在更高层次上不断与环境相适应，不断地“学习”和“积累经验”，使整个系统不断完善和进化，从而形成一个合作共生网络。物流主体行为与系统进行过程如图2.6所示。
图2.6 物流主体行为与系统进化过程
根据区域物流系统的自身属性，区域物流系统表现为多层次的特性。区域物流系统由于空间分布、范围和距离等差异导致系统具有很强的层次性，形成一个由上到下、由点到面的多层次、多功能的空间网络体系。一个理想的区域物流系统是一个物流网络系统，它由地理上分布的许多实体组成 [9] 。典型的区域物流复杂系统由物流主体、腹地主体，以及环境主体等若干类实体组成。它主要研究货物在腹地主体、物流主体中的物理流动过程，以及由此导致的物流主体之间、区域物流系统内部的规模、结构与布局的演化和优化过程。具体的物流方向是：由腹地向物流供给方提供货物，物流企业主体通过物流网络提供综合物流服务。
基于复杂系统理论的区域物流系统优化研究是将研究区域中的物流企业、物流企业之间的相互作用、物流企业与外部环境（政治、经济、社会、资源、自然环境）之间的作用，以及由此涌现出的区域物流整体特性作为一个复杂系统来进行分析和研究，揭示多主体通过聚集、相互作用所产生的区域物流演变规律，并据此对区域物流的规模、结构与布局作总体优化。区域物流系统总体空间结构如图2.7所示。
图2.7 区域物流系统总体空间结构
区域物流系统空间优化研究的任务是更加深入地了解、认识区域物流系统的空间属性、结构和行为的特征、特点和一般规律，研究区域物流复杂系统的构成要素和结构特征，分析系统的空间基本行为模式识别、行为模式的特征与性质、系统行为与环境的相互作用关系等问题。在此基础上，探索一种更好的规划和管理区域物流行为的方法，对区域物流系统进行合理空间规划，空间规划又分为三大模块：网络规划设计、物流节点规划设计和微观仿真评价。网络规划设计模块主要对区域的物流网络系统，包括运输网络、网络节点的规模和布局等，进行定量的规划设计和评价，以使物流网络达到整体最优，并为物流节点的详细规划设计提供数据支持；物流节点规划设计就是确定节点内部各种功能的形式及数量、用地规划、交通组织和进行交通影响分析；微观仿真评价是对物流节点内部的交通、装卸等物流功能进行微观仿真和评价。三个模块自上而下各自有其独立性而又相互制约，克服了现有研究忽略不同规划层次之间的制约关系的不足 [147] 。
区域物流系统的研究框架大体分为：主体行为分析研究、系统规划管理研究、方案实施研究和方案评价研究四个模块，如图2.8所示。主体行为分析研究模块是应用多智能体理论，围绕主体行为、主体与环境行为展开分析的，是系统规划管理研究模块的前提；而系统规划管理研究模块是在其基础上运用多智能体理论对区域物流系统规划与管理、系统协调演化等问题的分析，两者相辅相成、不可分割，是微观与宏观的关系。“行为人”（包括具体从事区域物流系统规划管理研究的工作人员、区域物流系统相关主体等）的作用在于对系统规划管理的实现进行研究，包括方案实施研究和方案评价研究。方案实施研究是以多智能体理论为科学基础的区域物流系统规划管理理论的关键，一个新理论或方法的问世必须要验证其可操作性；方案评价是衡量的标准，主要针对下列问题展开研究：区域物流系统是否得到有效、持续利用；在区域物流系统规划管理过程中，物流企业资源的利用是否有效率；与区域物流发展密切相关的各部门能否实现“沟通与协调”等，所以需要建立一套科学的评价指标体系来对区域物流系统优化的效果进行客观评价。
图2.8 基于多智能体理论的区域物流系统研究框架
智能体技术是目前进行复杂系统分析与模拟的重要手段，本书基于智能体技术形成一个全新的优势互补的动态系统，用来对复杂时空现象、行为和过程进行动态建模分析，研究区域物流系统优化，不仅能顾及空间维，还能顾及时间维，为区域物流系统动态模拟模型的研究提供了一个很好的方向。本书基于智能体来模拟区域物流系统的发展，考虑政府及规划人员的规划行为和区域物流服务供给方物流企业、物流需求方的相关选择行为，智能体的选择行为在空间上表现为用地性质的动态变化，从区域空间结构和区域经济角度探讨了区域物流系统的演变机制，设定了模型的智能体及其行为规则，建立了基于多智能体的区域物流系统优化模型 [165] ，为区域物流规划和管理提供了指导性意见，详见图2.7。
区域物流系统优化实际上是一个博弈问题。规划决策者从系统最优的角度首先给出一个区域物流系统方案；物流供需方从其自身最优的角度进行选择，即按照自己的利益和偏好选择物流服务链；这些物流信息再反馈到决策者，决策者根据物流量分布特点，以及物流系统布局的基本要求调整系统方案，供需方在此区域物流系统中按其偏好再次作出选择，如此反复多次，得到一个双方均能接受的方案。因此，区域物流系统优化适宜采用双层规划模型，本书提出如图2.9所示的通用区域物流系统优化的双层规划框架。上层解决区域物流系统规划问题，为决策者的方案设计；下层为区域物流供需方的物流服务链选择，即物流量分配。上层为领导者，下层为跟随者。在本书中，上层模型从规模、结构和布局的角度控制区域物流系统的总体优化，下层模型负责物流供需方的选择行为，以及单个物流要素个体的规模优化。
图2.9 基于多智能体技术的区域物流系统优化的双层规划框架
（1）区域物流系统总体优化。探讨区域物流系统总体优化的简化模型，采用定量分析与定性分析相结合的方法，通过建立区域物流系统全局主体来实现系统总体优化。
（2）微观的物流系统要素主体方案优化。设定物流系统行为策略就是物流系统之间的博弈行为，引入适应度描述系统要素智能体在选择不同策略之后对其收益的影响率，物流系统要素主体的策略包括主体规模策略和主体转移策略等；将物流量分配模型应用于系统要素主体转换规则中，根据物流供需关系动态调整物流系统中物流要素主体的规模和布局。
智能体是一个使用广泛的概念，其最初来自经济学领域，表示代理或者中介。随后，智能体的概念被引入人工智能学科中，理解为有一定智能行为的主体。霍兰把智能体作为与物理环境进行交互作用、能够独立决策的实体的模型，实体可以是人，也可以是组织。智能体拥有一定数量的资源，能够在有限的范围内感知环境和与其他智能体交流信息，能够根据自身具备的资源和技能感知到的环境信息和通过通信获得的信息，为达成目标而采取一定的行动。智能体还会根据动作的效果，对决策规则作出修正。一个多智能体系统由一组相互作用的、种类相同或不同的、在系统结构中分别担任不同角色的智能体组成。这些不同功能和构造的智能体利用全局信息、相互间的通信，以及自身的信息、规则进行协作和决策，它们之间错综复杂的相互作用可能表现出单个智能体不具有的特性——涌现行为。
基于智能体的建模仿真技术是一种面向对象、自底向上的建模仿真方法。它将智能体作为系统的基本组成元素，通过定义多智能体系统中各种智能体的属性和行为，模拟组成系统的元素个体，以及元素个体之间的相互作用关系，通过个体的属性和行为与整体属性和行为之间的反馈和校正，来研究系统的动力学特性。它不考虑系统的整体运动形式和规律，而把仿真目标定位在系统行为一级，根据观测数据建立系统的同态模型，研究系统的行为趋向。这就克服了复杂系统研究理论基础尚未成熟，通过系统分析产生的数学模型可信度比较低，复杂系统往往具有病态定义的特征，很难以一种严格的数学形式进行定义及定量分析等复杂系统建模仿真的困难，成为一种研究复杂系统的得力工具。
区域物流复杂系统理论与传统的区域物流问题研究的一个重要区别就在于它不是自上而下的分析方法，而是一种自下而上的综合方法，这就决定了区域物流复杂系统研究中涉及的模型及其建模仿真方法与以往的有很多的不同之处。目前复杂适应系统研究中应用得比较多的一类模型就是基于智能体的系统模型。基于智能体的区域物流复杂系统模型需要研究模型的基本结构框架、各种区域物流要素的智能体模型、智能体之间的相互作用关系，以及模型的表示与表达方法等问题。基于智能体的区域物流复杂系统建模仿真方法要研究区域物流复杂系统基于智能体模型的一般建模流程，建模过程中各个阶段的主要工作内容与方法，以及模型仿真策略、仿真模型的设计与实现等问题。同时，由于区域物流问题内在的偶然性和不确定性，只有通过对多次仿真实验的结果进行分析，对仿真实验产生的大量数据进行统计分析，获得对区域物流复杂适应系统一般性规律的认识，从中识别系统的行为模式和系统演化规律，进而寻找引导和控制系统沿给定的轨迹，向比较理想的状态发展的方法。
区域物流系统优化研究的任务是更加深入地了解、认识区域物流系统的空间属性、结构和行为的特征、特点和一般规律，研究区域物流系统的构成要素和结构特征，分析系统的基本行为模式识别、行为模式的特征与性质、系统行为与环境的相互作用关系等问题 [166] 。传统的运输系统规划方法已不能适应区域物流系统发展的需要，本书在分析物流系统内供需方相互作用的内部机理的基础上，以恰当的物流供给不断满足物流需求，以保证物流服务的供给与需求之间的相对平衡，使区域物流活动保持较高的效率与效益，从而促进区域经济协调与可持续发展。本书在传统的运输系统规划理论的基础上，根据物流的特点对运输模型进行改进，进而探索一种更好地规划和管理区域物流系统行为的方法，以对区域物流系统进行优化，提出了如图2.10所示的区域物流系统优化模型体系 [167] 。作为本书研究对象的系统优化又分为两个模块：区域物流网络优化（可分为离散型和连续型优化）和物流节点内部布局优化，区域物流系统仿真评价是微观上的仿真和评价，三大模块自上而下既独立又相互制约，克服了现有研究对不同规划层次之间制约关系研究的不足 [167] 。
图2.10 区域物流系统优化模型体系
考虑到区域物流系统是一类典型的复杂系统，由于遗传算法的智能性和本质并行性，该算法对于提高复杂系统模型中智能体的智能和适应性非常有效，是解决复杂系统问题的有效方法。同时，本书建立的双层规划模型属于NP完全问题，遗传算法和模拟退火算法是较好的解决方法。考虑到区域物流复杂系统的动态性和整体性要求，本书基于多智能体技术，采用遗传算法与模拟退火算法对区域物流系统优化的双层规划模型进行求解。
1．实现区域物流网络配置的优化
区域物流网络配置的优化是指从区域宏观经济发展的角度，对某一特定区域内物流网络在区域空间的布置、规模、主要功能及其服务区域范围、布局等作出最优的布局规划，使整个区域内物流网络要素资源（包括物流节点和物流通道）得到合理的配置和充分、有效的利用，以使物流网络达到整体最优，并为物流节点的详细规划设计提供数据支持，使区域内多个物流网络要素在综合网络中和谐发展的同时，也与区域经济的发展协同一致。根据物流节点相关决策变量的取值情况，本书将区域物流网络优化问题分为离散型和连续型两大类，分别对其网络优化进行了系统的研究，其中，当物流节点的选址决策变量取离散型空间位置时，即可以选择的物流节点的地点是有限的几个可行点时，本书将其界定为离散型区域物流网络优化问题；当物流节点的选址决策变量取连续型空间位置时，即物流节点的地点可在平面上取任意点时，则将其界定为连续型区域物流网络优化问题。
在网络物流能力量化与优化过程中，主要从以下几方面进行考虑： ①成本目标。供应链的总成本问题是网络物流能力的重要体现之一。②流通量目标。流通能力主要体现的是各网络要素周转货物的能力大小，是物流网络最基础的能力之一，其他的物流能力大都以此能力为基础。③时间目标。在供应链中，产品的制造、加工、运送都需要花费时间，尤其是节点内和节点间的加工与运送时间，快速响应和基于时间的竞争使得时间问题日益突出，应该将其作为重要目标进行研究。④多目标。同时考虑供应链成本与时间、多品种柔性与时间、流通量和柔性、流通量、柔性、时间和社会效益的混和多目标问题。另外，在区域物流网络优化中，还应注意充分、有效地利用资源，尽可能避免物流网络功能的重叠和内部的恶性竞争；根据实际需求大小综合确定物流网络规模，尽可能实现供需平衡，使区域物流网络功能得以充分发挥；尽可能保持区域物流网络内各物流网络要素间的通达性和互补性；保持区域物流网络的柔性，以适应环境的动态变化；重视网络要素与需求点之间的有效衔接，等等。本书对于离散型区域物流网络优化选取的目标函数为使区域物流网络的社会效益最大化（包括单位物流成本最小化，以及区域经济诱增与均衡发展的最大化）；对于连续型区域物流节点配置优化选取的目标函数为在满足区域物流需求的条件下实现区域物流成本最小化。
2．实现单个物流节点内部的布局优化
单个物流节点内部的布局优化是指对某个物流节点内部功能布局及交通等基础设施布局等作出最优的布置，通过方案的优化选择，尽量减少或避免物流资源的浪费，使物流节点的空间得到合理和有效利用，使其功能得到最大限度的发挥。物流节点内部布局优化遵循的优化目标很多，具体包括各功能区间总的物流成本最低，各功能区形状合理，面积利用率最高，布局成本尽可能最小化，土地价值得到最大化发挥，内外部交通最有效衔接，尽可能保持物流节点服务功能的柔性和适应需求变化的能力，最大限度地减少城市的交通拥挤、环境污染，尽可能提供整洁、舒适的工作环境，提供良好的基础设施服务等，但是考虑到数据获取具有一定难度，为了方便、可行，这里主要考虑两个目标，即在考虑路网布局状况条件下，最小化布局方案的广义物流费用和最大化布局方案在空间上的总协调性 [168] 。空间协调性具体包括功能区之间的适宜性和便捷程度，如有环境污染的工业用地不要与居住用地邻近，学校、娱乐和商业等用地要靠近居住用地等 [168] 。为了简化问题，本书中在约束条件中体现空间协调性指标，选取目标函数使各功能区之间的物流费用、各功能区与关键控制线（如内部物流主通道、外部城市主通道、高速公路等）之间的物流费用和各功能区与关键控制点（如入口、出口以及周围的港口、货运站等）之间的广义费用最小化。