基于遺傳算法的冷鏈物流優(yōu)化策略研究

王待模

（華北理工大學(xué)研究生院，河北 唐山 063210）

現(xiàn)如今，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，物流領(lǐng)域發(fā)展得越來(lái)越快，而冷鏈物流作為物流業(yè)的一個(gè)重要分支，也得到了迅猛的發(fā)展。冷鏈物流為人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，自身也有很多問(wèn)題亟待解決。與其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的冷鏈物流設(shè)備不夠完善，發(fā)展速度緩慢，導(dǎo)致在行業(yè)中仍處于初階段位。冷鏈物流在進(jìn)行配送的過(guò)程中，不僅需要保證物品的質(zhì)量，還要保證配送的時(shí)效性，同時(shí)，在整個(gè)配送過(guò)程中，全程的低溫冷藏導(dǎo)致高能量的消耗和二氧化碳的高排放量。這就使得冷鏈物流成為一個(gè)能源消耗大、碳排放多的領(lǐng)域。

冷鏈物流擔(dān)負(fù)著國(guó)家民生工程的時(shí)代艱巨使命，冷鏈物流在配送的過(guò)程中，需要盡可能地做到成本優(yōu)化，在保證商品的質(zhì)量的基礎(chǔ)上，優(yōu)化整個(gè)冷鏈物流配送鏈條的科學(xué)性、合理性、高效性目標(biāo)，推進(jìn)冷鏈物流產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 冷鏈物流路徑研究現(xiàn)狀

在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速的大背景下，李曉晨[1]考慮將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效地融入冷鏈物流，更加合理地安排冷鏈物流的運(yùn)輸，使運(yùn)輸質(zhì)量更加有保障，有效地招攬更多的顧客，擴(kuò)大運(yùn)輸范圍，使得整個(gè)物流鏈更加完整、有效率，進(jìn)而提高冷鏈物流的經(jīng)濟(jì)效益。在“雙循環(huán)”的大背景下，陳勇等人[2]以農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流為研究對(duì)象，提出在內(nèi)循環(huán)下，可以利用國(guó)家頒布的一些好政策、大量落實(shí)“新基建”項(xiàng)目、利用供給側(cè)改革抓住時(shí)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)升級(jí)；在外循環(huán)下，通過(guò)利用自貿(mào)區(qū)和跨境生鮮電商來(lái)實(shí)現(xiàn)升級(jí)。

為了降低碳排放量，劉志碩等人[3]建議在冷鏈運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用電動(dòng)汽車(chē)，以建立客戶(hù)的軟時(shí)間窗需求，從而形成了具有柔性時(shí)窗的冷鏈電動(dòng)汽車(chē)路徑優(yōu)選問(wèn)題的整數(shù)線性規(guī)劃模式。高英騰等人[4]通過(guò)考察市區(qū)內(nèi)車(chē)速和對(duì)備選路線的影響，給出了蟻群和Dijkstra 混合的計(jì)算，同時(shí)考慮了多個(gè)成本因素，并以總成本的最低為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)果證明這種混合算法可縮短應(yīng)對(duì)路況所需時(shí)間，可根據(jù)交通實(shí)時(shí)路況合理規(guī)劃路徑。

唐聰?shù)热薣5]也將客戶(hù)滿(mǎn)意度納入考慮，具有最少費(fèi)用限制的時(shí)間窗口限制，結(jié)果表明，此模型和算法可以有效地降低成本、提高客戶(hù)滿(mǎn)意度。

通過(guò)上述對(duì)國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)的回顧與整理，可以發(fā)現(xiàn)冷鏈物流領(lǐng)域的研究已經(jīng)較為成熟，多位學(xué)者將客戶(hù)滿(mǎn)意度納入考慮之中，建立帶有時(shí)間窗的模型。本文在考慮客戶(hù)滿(mǎn)意度、貨損成本、碳排放量等多種因素的基礎(chǔ)上，研究通過(guò)遺傳算法來(lái)優(yōu)化冷鏈物流路徑的方案。

2 遺傳算法

2.1 基礎(chǔ)知識(shí)

在自然生物進(jìn)化論的啟發(fā)下，約翰霍蘭等人創(chuàng)立了基因算法，在生物學(xué)上，染色體通過(guò)“適者生存”的方式，不斷地淘汰弱小的群體，使其不斷進(jìn)化，最終實(shí)現(xiàn)整體的最佳。因?yàn)檫z傳算法的本質(zhì)就是對(duì)染色體進(jìn)行平行處理，對(duì)基因進(jìn)行持續(xù)的遺傳變異，是一種高效、快捷的全局搜索方法。

2.2 算法設(shè)計(jì)

2.2.1 種群初始化

人口初始化與特定問(wèn)題相關(guān)。例如，有n 個(gè)決定變量{x1，x2，xn}。每一個(gè)決策變量都有一個(gè)值區(qū)間：下限{L1、L2、Ln}、上邊界{U1、U2、Un}，在決策變量的數(shù)值區(qū)間中，群體中的個(gè)人初始化是隨機(jī)產(chǎn)生各決策變量的數(shù)值：X={x1，x2，...，xn}，其中xi屬于范圍(Li，Ui)內(nèi)。所有的個(gè)體即構(gòu)成種群。當(dāng)每個(gè)個(gè)體都初始化后，即種群完成初始化。

2.2.2 編碼與解碼

由于問(wèn)題空間的參數(shù)，是沒(méi)有辦法被用遺傳算法直接處理的，必須要用遺傳空間中的染色體或個(gè)體，來(lái)對(duì)問(wèn)題空間進(jìn)行解碼。因此，正確地選取基因編碼方法會(huì)對(duì)遺傳算法的效果產(chǎn)生很大的影響。

2.2.3 適應(yīng)度函數(shù)

適應(yīng)性函數(shù)是一種對(duì)自然適應(yīng)能力的定量指標(biāo)，它的數(shù)值大小直接影響著個(gè)體的生存狀況，通常，適應(yīng)性越強(qiáng)，解決問(wèn)題的質(zhì)量也就越高。

2.2.4 判斷算法是否收斂

如果迭代次數(shù)超過(guò)Tmax，則算法結(jié)束，如果迭代次數(shù)超過(guò)Tmax，則循環(huán)迭代。另外，當(dāng)平均適應(yīng)值函數(shù)在一定時(shí)期內(nèi)趨于平穩(wěn)時(shí)，該方法會(huì)收斂。

總之，使用者通過(guò)不斷地進(jìn)行遺傳變異，從中選出具有最大容量的配對(duì)。然而，由于基因變異的限制，系統(tǒng)的容量在局部最優(yōu)，因此，必須將隨機(jī)選擇與確定性選擇相結(jié)合，以求出最優(yōu)的生存規(guī)律，避免系統(tǒng)匹配陷入局部最優(yōu)。

2.3 本章小結(jié)

綜上所述，遺傳算法能夠具有全局搜索與優(yōu)化搜索的能力，對(duì)搜索方向的目標(biāo)函數(shù)和對(duì)應(yīng)的適應(yīng)性函數(shù)進(jìn)行處理，從而為復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的解決提供了一種通用的解決方案。

3 冷鏈物流的優(yōu)化模型的考慮因素

冷鏈物流路徑優(yōu)化模型以一般路徑問(wèn)題(Vehicle Routing Problem，VRP)為基礎(chǔ)。該問(wèn)題是指車(chē)輛通過(guò)物流中心或者倉(cāng)庫(kù)開(kāi)始出發(fā)，通過(guò)不同路線運(yùn)輸途徑多個(gè)客戶(hù)，然后開(kāi)始進(jìn)行裝卸貨，之后到達(dá)下一個(gè)目的地，最終返回物流中心。同時(shí)在配送過(guò)程中，車(chē)輛運(yùn)輸必須滿(mǎn)足其相關(guān)的約束條件和限定目標(biāo)。而路徑目標(biāo)主要包括距離最短、用車(chē)最少、顧客滿(mǎn)意度最高和費(fèi)用最小等。

路徑應(yīng)用原理模型是一個(gè)典型的分層次結(jié)構(gòu)模型，這樣，在涉及頂層設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)考慮不同方面的因素來(lái)對(duì)全鏈路成本進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合冷鏈物流配送過(guò)程，在整個(gè)過(guò)程中所涉及的時(shí)間成本、溫度成本、貨損成本、運(yùn)輸成本之總和為最低。

3.1 時(shí)間窗成本因素

在物流運(yùn)輸配送的過(guò)程中，需要在客戶(hù)所支持的時(shí)間內(nèi)完成配送任務(wù)。如果出現(xiàn)早到，則會(huì)增加物流車(chē)輛等待成本，如果履約不及時(shí)則會(huì)出現(xiàn)顧客等待時(shí)間，由此降低顧客體驗(yàn)度，增加時(shí)間窗成本。從整個(gè)冷鏈物流配送流程來(lái)看，時(shí)間窗成本是衡量冷鏈物流配送水平的關(guān)鍵要素。

3.2 貨損成本因素

冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中，冷藏品或者醫(yī)藥品等易損品因?yàn)槠鋵?duì)運(yùn)輸環(huán)境具有相當(dāng)高的要求，因此極易在運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)腐爛、變質(zhì)等問(wèn)題，同時(shí)貨運(yùn)中貨物與貨物碰撞也容易造成貨運(yùn)損害，貨損成本與冷鏈物流運(yùn)輸?shù)牡缆非闆r、溫度、濕度、時(shí)間等因素強(qiáng)相關(guān)。

3.3 溫度成本因素

對(duì)于特定的一些產(chǎn)品，如農(nóng)副產(chǎn)品以及醫(yī)藥產(chǎn)品，只有在合適的溫度以及濕度下，才能確保其品質(zhì)無(wú)異常。由此冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中，需要通過(guò)制冷器以及其他霧化設(shè)備對(duì)溫度和濕度進(jìn)行控制，由此抑制微生物的侵襲、霉變等狀況。

3.4 運(yùn)輸成本因素

從物流公司的角度出發(fā)，其路徑的選取必須基于高效、快捷的目標(biāo)，即是最短路徑。但由于交通網(wǎng)絡(luò)相對(duì)復(fù)雜，而且道路狀況也存在著一定的隨機(jī)性，由于不同路徑的物流量問(wèn)題，因此實(shí)際的出行者在決定路徑時(shí)，也會(huì)依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行路徑的修正。

3.5 本章小結(jié)

本章總結(jié)了在冷鏈物流成本優(yōu)化模型下所需要考慮的四個(gè)因素，同時(shí)四個(gè)因素的主次地位，對(duì)于成本影響也有所不同，對(duì)于服務(wù)水平要求高的產(chǎn)品類(lèi)，時(shí)間窗成本屬于主導(dǎo)因素，對(duì)于長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)品，則運(yùn)輸成本以及貨損成本占據(jù)主要因素。所以最終建立模型后還要根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整各項(xiàng)因素的權(quán)重比例，最終完成對(duì)物流路線的規(guī)劃以及鏈路成本的優(yōu)化。

4 冷鏈物流成本優(yōu)化模型的建立

冷鏈物流配送成本的優(yōu)化分為四個(gè)部分：運(yùn)輸成本，時(shí)間窗成本，貨損成本，溫度成本。通過(guò)對(duì)整個(gè)物流配送中的幾個(gè)成本計(jì)算，以及相關(guān)約束條件，在符合實(shí)際情況下，能夠得到整體冷鏈物流的最終成本，即得到最優(yōu)化的物流配送線路。

4.1 模型假設(shè)

為了方便模型的建立和計(jì)算，同時(shí)由于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題過(guò)于復(fù)雜，因此需要提出以下假設(shè)：

1.最終送貨地點(diǎn)已知，包括地理位置以及貨物種類(lèi)以及需求量、配送時(shí)間。

2.每個(gè)送貨地僅需要一輛車(chē)服務(wù)一次，各個(gè)溫層需求量總和小于配送車(chē)輛的最大載重量。

3.車(chē)輛型號(hào)規(guī)格相同，同時(shí)磨損程度相同，耗油程度相同，折舊速度相同。

4.車(chē)輛起點(diǎn)為物流配送中心，完成配送任務(wù)后均需要返回配送中心。

4.2 符號(hào)說(shuō)明

N=0,1,2,...,m：配送中心與門(mén)店集合；0 是配送中心，1,...,m 代表各個(gè)配送點(diǎn)；K=1,2,...,n：代表所有車(chē)輛之集；H=1,2,3：代表商品所處于常溫，冷藏，冷凍三種不同的溫層；qih為客戶(hù)點(diǎn)i對(duì)h類(lèi)貨物的需求數(shù)量；Qhk是指車(chē)輛k裝載第h類(lèi)貨物的裝載數(shù)量。

4.3 模型的建立

4.3.1 時(shí)間窗成本

對(duì)于物流物流域送貨而言，如上文所述，考慮到商品的時(shí)效性以及連續(xù)性，所以對(duì)配送時(shí)間的要求比較高，若提前到達(dá)配送點(diǎn)，由于裝卸貨不及時(shí)，則會(huì)對(duì)物流運(yùn)輸車(chē)輛產(chǎn)生等待成本；而如果延遲到貨，則會(huì)讓顧客進(jìn)行等待，減少顧客滿(mǎn)意度，增加了機(jī)會(huì)成本。

上式中，a表示單位時(shí)間產(chǎn)生的等待成本；[Ei-Li]表示可接受的時(shí)間窗；Ph表示單位貨物的價(jià)值；λ表示商品滯銷(xiāo)的時(shí)間系數(shù)；為車(chē)輛到達(dá)門(mén)店i的時(shí)間。

4.3.2 貨損成本

貨物貨損成本來(lái)源于在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)因?yàn)槁吠镜念嶔ぎa(chǎn)生碰撞，或者因運(yùn)輸長(zhǎng)時(shí)間存放造成部分貨物損失（尤其是農(nóng)副產(chǎn)品以及其他食品），以及運(yùn)輸過(guò)程中車(chē)輛的故障等。其中m表示單位運(yùn)輸距離的貨損比例，C2表示單位貨物價(jià)值。

4.3.3 溫度成本

配送車(chē)輛的溫度成本主要為制冷成本，制冷成本與制冷劑價(jià)格、制冷器耗電量、制冷溫度、冷凍區(qū)內(nèi)外溫差、制冷體積以及物品的熱傳導(dǎo)系數(shù)有關(guān)系。

4.3.4 運(yùn)輸成本

運(yùn)輸成本包括固定成本與可變成本，其中固定成本有人員費(fèi)用、車(chē)輛折損與維修費(fèi)等，可變成本主要跟運(yùn)輸距離相關(guān)。由此，fk用表示固定費(fèi)用，C單位運(yùn)輸距離的運(yùn)輸成本，xijk為節(jié)點(diǎn)間的距離。

根據(jù)以上因素考慮，最終物流成本優(yōu)化的最終目標(biāo)函數(shù)為：

4.4 本章小結(jié)

在構(gòu)建好成本最優(yōu)模型后，通過(guò)遺傳算法，利用例如MATLAB 等數(shù)學(xué)軟件可以找到具體問(wèn)題最優(yōu)解，即找到冷鏈物流運(yùn)輸?shù)淖顑?yōu)路徑，通過(guò)該最優(yōu)路徑能夠得到最終全鏈路成本的最優(yōu)解即最小值，完成目標(biāo)需求。

5 結(jié)語(yǔ)及展望

綜上所述，考慮到物流行業(yè)的全局要求，冷鏈物流的全鏈路優(yōu)化是必不可少的。本文中，作者建立起冷鏈物流運(yùn)輸成本優(yōu)化模型，同時(shí)提出通過(guò)遺傳算法能夠?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行求解，最終得到冷鏈物流配送的最優(yōu)路徑，由此達(dá)到整體冷鏈物流成本的最優(yōu)解。通過(guò)研究，幫助我們?cè)诮?dāng)下冷鏈物流系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)效能最大化和利潤(rùn)最大化的要求。

在當(dāng)下的經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)中，我們期待把冷鏈運(yùn)輸進(jìn)行系統(tǒng)化、高級(jí)化，從而達(dá)到可持續(xù)化的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。正因如此，對(duì)于物流產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，建設(shè)一個(gè)可持續(xù)的發(fā)展體系就迫在眉睫。通過(guò)深入研究，并運(yùn)用以上本文的這些技術(shù)思想方法，將能夠進(jìn)一步優(yōu)化、調(diào)整一些商業(yè)實(shí)體的物流配送網(wǎng)絡(luò)，落地一種合理的物流配送產(chǎn)業(yè)，幫助商業(yè)組織創(chuàng)造最佳的效益，從而促進(jìn)現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程。