基于遺傳算法的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題研究

舒旭麗

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800）

1 引言

我國(guó)是世界上農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家之一，但是近幾年國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出滯后現(xiàn)象，農(nóng)產(chǎn)品在流通過(guò)程中普遍存在著效率低和成本高等問(wèn)題，尤其是生鮮農(nóng)產(chǎn)品，在組織物流過(guò)程中存在的問(wèn)題尤為嚴(yán)重。從生鮮農(nóng)產(chǎn)品供需關(guān)系角度來(lái)看，生鮮農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和消費(fèi)存在著地域性限制，供給和需求之間存在著較大的不同步性和矛盾性；而從供應(yīng)鏈管理角度來(lái)看，生鮮農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)輸和存儲(chǔ)的時(shí)間性要求增大了生鮮農(nóng)產(chǎn)品的物流組織難度，由于缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和制度約束，生鮮農(nóng)產(chǎn)品在物流過(guò)程中損失較大，容易導(dǎo)致產(chǎn)品污染、變質(zhì)等問(wèn)題發(fā)生，因此，有必要針對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流配送問(wèn)題進(jìn)行深入研究，從物流基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃布局到生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運(yùn)輸以及倉(cāng)儲(chǔ)配送環(huán)節(jié)，實(shí)施科學(xué)合理的管理和規(guī)劃對(duì)于提高冷鏈物流服務(wù)水平、降低冷鏈物流成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 基于冷鏈物流的生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

2.1 生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

所謂物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，主要是指對(duì)于現(xiàn)有的物流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或者設(shè)計(jì)籌建的物流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所進(jìn)行的人為的能動(dòng)有序的設(shè)計(jì)和計(jì)劃，使物流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠以較高的效率和服務(wù)水平進(jìn)行一系列物流活動(dòng)。生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流由于其流通渠道較為復(fù)雜、中間環(huán)節(jié)眾多以及物流成本之間所存在的效益背反現(xiàn)象，使生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流組織難度相對(duì)于一般物流而言要更大，因此有必要對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流實(shí)施全面的系統(tǒng)規(guī)劃和布局，最終降低物流運(yùn)作總體成本，實(shí)現(xiàn)效率的最大化。

生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要涉及到數(shù)據(jù)收集、模型構(gòu)建和物流網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)三個(gè)環(huán)節(jié)。鑒于生鮮農(nóng)產(chǎn)品具有季節(jié)性和地域性等特點(diǎn)，且一般壽命周期較短，在進(jìn)行生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流規(guī)劃時(shí)，除了需要對(duì)流通渠道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還必須對(duì)冷鏈系統(tǒng)和物流系統(tǒng)進(jìn)行有效的結(jié)合，因此，生鮮農(nóng)產(chǎn)品的物流規(guī)劃問(wèn)題即是在保證生鮮農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的要求下，使整個(gè)物流過(guò)程達(dá)到效率最高和成本最低的目的。從對(duì)國(guó)內(nèi)生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流流程進(jìn)行分析的結(jié)果來(lái)看，對(duì)于生鮮農(nóng)產(chǎn)品的物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要集中在確定物流集散點(diǎn)和采購(gòu)點(diǎn)并合理布局等問(wèn)題上，在實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間高效配送的情況下，形成能夠高效服務(wù)產(chǎn)供銷一體化的高效物流鏈和流通渠道。

2.2 生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流環(huán)節(jié)

和一般物流網(wǎng)絡(luò)相比，生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流網(wǎng)絡(luò)主要包括農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地、預(yù)冷站以及生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心幾個(gè)部分，其中農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地主要包括農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地和散戶兩部分。預(yù)冷站的主要功能是在運(yùn)輸環(huán)節(jié)之前為生鮮農(nóng)產(chǎn)品提供預(yù)冷或冷藏服務(wù)，一般在系統(tǒng)中可單獨(dú)設(shè)立，對(duì)于生鮮農(nóng)產(chǎn)品的集散主要通過(guò)批發(fā)市場(chǎng)進(jìn)行，在此以配送中心代替批發(fā)市場(chǎng)的功能，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地、預(yù)冷站和生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心三個(gè)部分共同構(gòu)成了一個(gè)三級(jí)的冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)。基于冷鏈物流的農(nóng)產(chǎn)品物流主體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于冷鏈物流的農(nóng)產(chǎn)品物流主體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于冷鏈的生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型構(gòu)建

根據(jù)對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流流程和環(huán)節(jié)的分析，對(duì)不同的生鮮農(nóng)產(chǎn)品的預(yù)冷方式和冷藏運(yùn)輸方式等要求各不相同，在此為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，主要針對(duì)水產(chǎn)品、蔬菜、肉類和水果等部分具有共性的農(nóng)產(chǎn)品，均采取產(chǎn)地預(yù)冷、運(yùn)輸過(guò)程中冷藏的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)主要包括產(chǎn)地、預(yù)冷站和配送中心三個(gè)層次。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型時(shí)，主要問(wèn)題為確定物流網(wǎng)絡(luò)中預(yù)冷站和生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心的最優(yōu)布局以及數(shù)量，并以網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)。

3.1 模型基本假設(shè)

為了簡(jiǎn)化求解過(guò)程，首先需對(duì)問(wèn)題做適當(dāng)假設(shè)，具體如下：

（1）模型以使用現(xiàn)有生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心為背景，不考慮中心建設(shè)成本，即在備選生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心中選擇確定最佳的中心數(shù)量和位置；

（2）不考慮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地的產(chǎn)量供給彈性；

（3）農(nóng)產(chǎn)品的各個(gè)供給主體供貨率不同，且每日供貨量不大，每日供貨不直接運(yùn)至生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心；

（4）多數(shù)生鮮農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)主體所在地距各備選預(yù)冷站距離均較短，不考慮農(nóng)產(chǎn)品由產(chǎn)地運(yùn)至預(yù)冷站的短途運(yùn)輸費(fèi)用；

（5）假設(shè)以一個(gè)季度作為系統(tǒng)規(guī)劃的考察周期和成本核算周期；

（6）各預(yù)冷站容量有限，從采購(gòu)開(kāi)始至組織貨物長(zhǎng)途運(yùn)輸中間的時(shí)間間隔較短，通過(guò)調(diào)查，一般集中采購(gòu)周期為7天。

3.2 模型參數(shù)說(shuō)明

（1）i—產(chǎn)品產(chǎn)地，i∈I；（2）j—預(yù)冷站，j∈J；（3）k—生鮮產(chǎn)品配送中心，k∈K；（4）L—產(chǎn)品產(chǎn)地?cái)?shù)量；（5）M—備選預(yù)冷站數(shù)量；（6）N—備選生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心數(shù)量；（7）—生鮮替換配送中心k所產(chǎn)生的每月租賃費(fèi)用；（8）—生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心k的單位庫(kù)存費(fèi)用；（9）—生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心k的進(jìn)貨、揀貨等相關(guān)作業(yè)費(fèi)用；（10）—產(chǎn)品產(chǎn)地i的平均每天供應(yīng)量；（11）—預(yù)冷站j對(duì)生鮮農(nóng)產(chǎn)品的單位處理費(fèi)用；（12）—預(yù)冷站j處理生鮮農(nóng)產(chǎn)品的最大處理能力；（13）Qk—生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心k能夠容納產(chǎn)品的最大容量；（14）dij—產(chǎn)品產(chǎn)地i距離預(yù)冷站j之間的運(yùn)輸里程；（15）djk—預(yù)冷站j距離生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心k之間的運(yùn)輸里程；（16）D(i,j)max—由產(chǎn)品產(chǎn)地i至預(yù)冷站j所允許的最大運(yùn)輸里程；（17）D(j,k)max—由預(yù)冷站j至生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心k所允許的最大運(yùn)輸里程；（18）Cjk—從預(yù)冷站j運(yùn)輸至生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心k的單位運(yùn)輸費(fèi)用（元/t·km）；（19）—允許設(shè)置的預(yù)冷站最小個(gè)數(shù)；（20）—允許設(shè)置的生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心最小個(gè)數(shù)；（21）qij=×Xij—從產(chǎn)品產(chǎn)地i發(fā)往預(yù)冷站j的運(yùn)輸量；（22）qjk—由預(yù)冷站j發(fā)往生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心k的運(yùn)輸量；（23）Pj—預(yù)冷站j從采購(gòu)至裝車的集中采購(gòu)周期；

3.3 模型構(gòu)建

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

3.4 模型遺傳算法設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)專門針對(duì)物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局的研究并不是很多，解決復(fù)雜的物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問(wèn)題主要采用非啟發(fā)式算法對(duì)模型進(jìn)行求解和分析。遺傳算法是用于求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的一種有效方法，算法具有較強(qiáng)的魯棒性，在很多學(xué)科和領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。遺傳算法在解決復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)主要包括編碼、適應(yīng)度函數(shù)構(gòu)建、選擇和交叉算子、變異算子等操作步驟。遺傳算法的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 遺傳算法設(shè)計(jì)流程圖

針對(duì)上述問(wèn)題所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，遺傳算法相關(guān)運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)包括：（1）編碼長(zhǎng)度主要取決于優(yōu)化問(wèn)題維數(shù)和要求的精度；（2）群體規(guī)模一般為50-200個(gè)，主要為了平衡運(yùn)算過(guò)程中的收斂速度和進(jìn)化代數(shù)；（3）交叉概率設(shè)置在0.4-0.99之間；（4）變異概率一般設(shè)置在0.000 1-0.1 之間；（5）算法運(yùn)行的終止條件一般選取100-1 000的終止代數(shù)或者最小閾值。

4 基于遺傳算法的生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃實(shí)證分析

4.1 背景資料

現(xiàn)假設(shè)有農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地9 個(gè)，可備選的預(yù)冷站6 個(gè)，可備選的生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心3個(gè)。已知相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地和備選預(yù)冷站之間、備選預(yù)冷站和備選生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心之間的最大距離限制分別為15和900。能夠租賃的生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心最多為2個(gè)，需要投入使用的預(yù)冷站數(shù)量最大為4個(gè)，假設(shè)在該例中生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心和預(yù)冷站的最小使用個(gè)數(shù)為1。

表1 農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地到備選預(yù)冷站之間的距離以及相關(guān)常量

表2 備選預(yù)冷站至備選生鮮配送中心的運(yùn)輸距離以及單位運(yùn)費(fèi)及常量表

4.2 基于遺傳算法的模型求解

本文借助matlab7.0 軟件對(duì)遺傳算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和輔助求解，算法適應(yīng)度函數(shù)采用編程嵌入來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下：

（1）編碼。在利用遺傳算法對(duì)模型求解時(shí)，首先第一個(gè)步驟即設(shè)計(jì)良好的染色體，針對(duì)上例中的生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心選址問(wèn)題，本文在此采用二進(jìn)制編碼，其染色體描述如圖3所示。

圖3 染色體描述

如圖3所示的染色體描述中，染色體主要反映3個(gè)備選生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心和6個(gè)備選預(yù)冷站的信息描述，圖3中前半部分為備選生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心的選址決策，數(shù)字1代表配送中心1被租賃，否則表示不租賃；后半部分從第4位至第21位表示備選的預(yù)冷站集中采購(gòu)周期。

（2）適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)。將染色體編碼作為模型的一個(gè)初始解，基于這個(gè)初始解構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)作為評(píng)價(jià)解集優(yōu)劣的依據(jù)。在應(yīng)用遺傳算法時(shí)，通過(guò)交叉和變異等操作，針對(duì)本例能夠得到諸如備選預(yù)冷站以及備選生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心的開(kāi)關(guān)決策和預(yù)冷站的集中采購(gòu)周期等參數(shù)。對(duì)于適應(yīng)度值的計(jì)算，針對(duì)上述模型特點(diǎn)，本文在此設(shè)計(jì)兩個(gè)連續(xù)的指派算法對(duì)染色體的適應(yīng)度值進(jìn)行計(jì)算，并將兩指派算法嵌入遺傳算法中。其中第一個(gè)指派算法主要針對(duì)預(yù)冷站的日供應(yīng)量進(jìn)行計(jì)算：

在第一個(gè)指派模型中，式（12）為目標(biāo)函數(shù)，表示在每個(gè)季度內(nèi)預(yù)冷站總共產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用支出最小；式（13）表示每個(gè)產(chǎn)品產(chǎn)地僅指派一個(gè)預(yù)冷站為其服務(wù)；式（14）對(duì)投入使用的預(yù)冷站的最大和最小數(shù)量進(jìn)行限制；式（15）則確保由每個(gè)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地發(fā)出的供貨均能被接收。

本文設(shè)計(jì)的第二個(gè)指派算法主要作用在于將預(yù)冷站和生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心相對(duì)應(yīng)，且使系統(tǒng)滿足對(duì)應(yīng)約束條件。

其中，式（18）表示長(zhǎng)途運(yùn)輸成本和生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心租賃成本以及內(nèi)部作業(yè)和其他處理成本之和最小；式（19）表示開(kāi)放的生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心的最大數(shù)量和最小數(shù)量。其他約束條件在上述總模型中均已限定。

（3）算法相關(guān)參數(shù)設(shè)定。為了確保能夠?qū)⒆顑?yōu)秀的染色體遺傳到下一代，算法相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：初始種群規(guī)模設(shè)定為22，并按照適應(yīng)度大小將各染色體按大小順序進(jìn)行排列；變異概率設(shè)定在0-0.1之間，變異形式則由編碼和交叉操作規(guī)則決定，在此采用標(biāo)準(zhǔn)變異方式，概率設(shè)定為0.05，將算法迭代次數(shù)設(shè)定為30。

4.3 模型運(yùn)算結(jié)果分析

運(yùn)行遺傳算法，通過(guò)多次迭代和試驗(yàn)，算法總共運(yùn)行時(shí)間為20min，在上述參數(shù)下，借助matlab進(jìn)行多次求解和運(yùn)算，得到最優(yōu)解的平均運(yùn)行代數(shù)為76，最終生成單個(gè)季度內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈配送網(wǎng)點(diǎn)最優(yōu)布局見(jiàn)表3。

表3 實(shí)證分析模型求解結(jié)果

表3的求解結(jié)果中，在該季度內(nèi)生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心為編號(hào)1和2，被選定的預(yù)冷站編碼為2和4，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示預(yù)冷站的集中采購(gòu)周期，該方案下能夠滿足背景資料中對(duì)9個(gè)產(chǎn)地的供貨需求，且總體運(yùn)行成本最低，該方案下配送中心總體運(yùn)行成本為1 031 375.4元。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)我國(guó)當(dāng)前生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心的物流網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題進(jìn)行分析和研究，重點(diǎn)對(duì)冷鏈物流流程中的預(yù)冷、長(zhǎng)途運(yùn)輸以及配送等環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了基于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地、預(yù)冷站和生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心的三層次物流網(wǎng)絡(luò)，并構(gòu)建了非線性整數(shù)規(guī)劃模型對(duì)物流網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布局問(wèn)題進(jìn)行分析，在9個(gè)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地和6個(gè)備選的預(yù)冷站、3個(gè)備選的配送中心所形成的冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)中，借助遺傳算法和matlab軟件，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型進(jìn)行了求解分析，最后通過(guò)運(yùn)算得到了使物流網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)作成本最低的最優(yōu)解決方案。

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