基于蟻群算法的冷鏈物流配送路徑優(yōu)化研究

1基于蟻群算法的冷鏈物流配送路徑優(yōu)化研究摘要隨著科技的上升，冷藏技術(shù)的提高，冷鏈物流越來越熱門。“叮咚買菜”等企業(yè)建立了大型的配送中心對冷藏食品進行進一步的分揀和配送。進一步研究對于冷鏈物流配送路徑問題也成為了焦點。降低企業(yè)的費用是企業(yè)最關(guān)心的問題。所以本文以配送方案的總費用最低作為研究的目的，在傳統(tǒng)的車輛路徑問題的基礎(chǔ)上，在車輛的固定使用成本，燃油費成本上加上冷鏈物流所特有的制冷劑費用以及貨損的費用。建立帶有時間窗的冷鏈物流配送路徑優(yōu)化模型，模型以時間窗和載重量為約束條件，保證在運輸?shù)竭_時間窗口內(nèi)和滿足車輛的最大載重量的基礎(chǔ)上再進行路線的選擇，比較總費用成本的大小，模型用改進的蟻群算法進行求解，最后用采集的數(shù)據(jù)生成算例進行求解，驗證了模型的可行性。關(guān)鍵詞：冷鏈物流；路徑優(yōu)化；蟻群算法目錄第一章緒論 51.1.研究背景及意義 51.1.1.研究背景 51.1.2.研究意義 61.2.文獻綜述 71.2.1.國外研究綜述 71.2.2.國內(nèi)研究綜述 81.2.3.文獻小結(jié) 91.3.本文研究內(nèi)容與方法 101.3.1.研究內(nèi)容 101.3.2.研究方法 10第二章冷鏈物流配送體系分析 122.1.冷鏈相關(guān)理論分析 122.1.1.冷鏈概述 122.1.2.冷鏈物流配送路徑概述 122.2.冷鏈物流配送VRPTW模型 13第三章冷鏈物流配送路徑影響因素分析 153.1.冷鏈物流運輸貨物分析 153.2.冷鏈物流配送路徑影響因素分析 16第四章帶確定時間窗的冷鏈物流路徑優(yōu)化模型的構(gòu)建 174.1.問題描述與建模分析 184.1.1.問題描述 184.1.2.基本假設(shè) 184.1.3.符號說明 184.1.4.決策變量 194.2.帶時間窗的冷鏈物流配送路徑優(yōu)化模型的建立 194.2.1.目標函數(shù) 194.2.2.建立模型 20第五章帶確定時間窗的冷鏈物流路徑優(yōu)化模型的求解 225.1.算法說明 225.1.1.蟻群算法簡介 225.1.2.啟發(fā)式因子設(shè)計 235.1.3.螞蟻移動選擇規(guī)則 235.1.4.信息素更新策略 245.2.算例分析 255.2.1.算例描述 255.2.2算例計算結(jié)果 265.2.3.結(jié)果檢驗 275.2.4.基于算例分析的相關(guān)意見 27第六章結(jié)論與展望 286.1.結(jié)論 286.2.展望 29第一章緒論1.1.研究背景及意義1.1.1.研究背景近年來，冷鏈物流作為新興行業(yè)，正在蓬勃發(fā)展，市場潛力巨大，隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，對生鮮食品的高質(zhì)量要求和高需求量推動了冷鏈物流的發(fā)展。冷鏈市場需求增加的同時，各國政府紛紛不斷出臺政策措施助推冷鏈物流業(yè)的發(fā)展?？缇忱滏準称肥抢滏溛锪鞯闹匾M成部分，全球貿(mào)易多元化發(fā)展，各國經(jīng)濟融合是大勢所趨，冷鏈食品的貿(mào)易往來更是走在前列，在各項貿(mào)易合作中占據(jù)的比例越來越大。2018年我國跨境冷鏈食品消費市場規(guī)模約4870億元，其中，進口消費額2620億元，出口消費額2250億元。2019年我國跨境冷鏈食品消費市場規(guī)模突破6453億元，其中，進口消費額突破342億元，出口消費額提升至3030億元[1]（見圖1）。在冷鏈物流快速發(fā)展的趨勢下，2021年11月26日國務(wù)院辦公廳正式印發(fā)《“十四五”冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》，加強頂層設(shè)計和工作指導(dǎo)，推動冷鏈物流高質(zhì)量發(fā)展[2]?！兑?guī)劃》指出，近年來我國冷鏈物流行業(yè)規(guī)模顯著擴大、發(fā)展質(zhì)量不斷提升、創(chuàng)新步伐明顯加快、市場主體不斷壯大、基礎(chǔ)作用日益凸顯。進口冷鏈物流行業(yè)是貫通第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)的國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，促進消費升級的重要產(chǎn)業(yè)，更是物流領(lǐng)域中的一塊藍海，可見在構(gòu)建國內(nèi)國際雙循環(huán)的新發(fā)展格局中，冷鏈物流發(fā)展將成為重要發(fā)力點。圖12018-2019年我國跨境冷鏈食品消費市場規(guī)模隨著跨境冷鏈食品的增加，對于國內(nèi)的冷鏈物流配送系統(tǒng)也是一場考驗。特別是現(xiàn)在熱門的“最后一公里”問題?！白詈笠还铩保俏锪髋渌铜h(huán)節(jié)的最后一步，也是直接面對客戶最關(guān)鍵的一步，對于運輸貨物的質(zhì)量以及時間的保證尤為重要。對于從配送中心到各個客戶點的運輸路徑的優(yōu)化也成為了大家研究的重視之地。如今興起的，“盒馬”，“叮咚”等平臺越來越熱門，隨著運輸需求量的增加，合理安排配送路徑也將成為行業(yè)內(nèi)新的增長點。冷鏈物流與其他物流方式相比，運輸?shù)募皶r性特別重要，運輸貨物的質(zhì)量將隨著運輸時間的延長而發(fā)生貨損，從而變相增加運輸費用。冷鏈物流作為特殊的供應(yīng)鏈系統(tǒng)，比常溫物流系統(tǒng)的系統(tǒng)性和技術(shù)性要求更高，更復(fù)雜，不確定性更強，建設(shè)投資也更大。冷鏈物流貨物價值普遍較高，而且其中包括進口水果，進口牛排等跨境食品，將直接送上居民的飯桌，關(guān)系到居民的日常生活。新冠肺炎疫情的爆發(fā)，給冷鏈物流行業(yè)帶來前所未有的機遇與挑戰(zhàn)，冷鏈物流行業(yè)的商品安全性受到空前的重視，我國必須建立更加完善的冷鏈物流配送體系。1.1.2.研究意義通過對于冷藏車配送路徑問題的研究，在滿足客戶的配送時間要求的情況下，減少配送中心到各個客戶所有路線的總距離，減少整體的運輸時間。對于企業(yè)來說，運輸路徑的優(yōu)化，可以節(jié)省企業(yè)的運作成本；對于企業(yè)員工而言，減少了工作的時間，提高工作效率，減輕工作壓力；對于客戶而言，積極而又準時的送達提高了客戶的體驗感和幸福感；對于社會而言，隨著運輸數(shù)量的增加，冷藏車所釋放的有害氣體比重逐漸上升，合理的優(yōu)化路徑可以滿足對于低碳運輸?shù)囊?。通過模型的建立，對于冷藏車運輸路徑的優(yōu)化可以起到一定的理論支持，更好的構(gòu)建城市中短途的冷藏車運輸路徑，提高冷鏈運輸貨物的質(zhì)量，保證食物的安全，從而保證冷鏈運輸更好的發(fā)展。1.2.文獻綜述1.2.1.國外研究綜述在冷鏈物流領(lǐng)域，國外比國內(nèi)更先涉足，在冷鏈物流基礎(chǔ)設(shè)施，冷鏈物流運輸路徑，冷藏車等都有不錯的成績，建立了完整的冷鏈運輸體系。由于歷史背景和飲食文化的差異，國外居民對于冷藏貨物的需求更大。Bresolin等[3]研究了巴西冷鏈中基礎(chǔ)設(shè)施、能源和支出、立法和技術(shù)等方面的內(nèi)容，對全國性的冷藏產(chǎn)品進行了冷鏈評估。Ashok,A等[4]研究冷鏈運輸中對于疫苗的運輸，確保獲得安全有效的疫苗，準確描繪了現(xiàn)在和未來需求與冷鏈能力的差距，提出了一條提高冷鏈性能的途徑。Gogou,E等[5]探究冷鏈物流中的冷鏈管理對消費者端的新鮮度和安全性影響，開發(fā)了一個基于網(wǎng)絡(luò)的平臺，有助于有效的冷鏈改進和管理。James,SJ等[6]發(fā)現(xiàn)當氣候變化會導(dǎo)致環(huán)境溫度的升高時，會對當前和發(fā)展中的食品冷鏈產(chǎn)生重大影響。目前冷鏈約占世界二氧化碳產(chǎn)量的1%，但如果全球氣溫顯著升高，這一比例可能會增加。使用最節(jié)能的制冷技術(shù)，可以在不增加甚至減少二氧化碳的情況下大幅延長和改善冷鏈。Ali,I等[7]開發(fā)了一個模型研究冷鏈物流風險(CCLR)和彈性的關(guān)系以及易腐產(chǎn)品供應(yīng)鏈(PPSC)中CCLR、彈性和公司績效(FP)之間的相互作用。Mercier,S等[8]發(fā)現(xiàn)冷鏈運輸過程中溫度的變化對于食品安全的影響，對發(fā)展中國家的預(yù)冷均勻性、響應(yīng)式食品庫存管理系統(tǒng)和冷鏈的前瞻性實驗和建模進行具體的研究。1.2.2.國內(nèi)研究綜述隨著科技的發(fā)展以及居民生活水平的上升，在國家政策的扶持下，冷鏈運輸?shù)谋戎卦絹碓酱?，近幾年國?nèi)學者對于冷鏈物流的研究范圍更加廣泛。魯玉等[9]研究冷鏈物流中鐵路運輸?shù)淖顑?yōu)冷鏈物流運輸方案集，并對運價補貼、列車旅速、冷鏈貨物品類進行靈敏度分析，研究發(fā)現(xiàn)在同時考慮以上3個沖突目標下，當采取5%的運價補貼時，或僅提高列車旅速至70km·h-1時，鐵路市場份額的提升效果明顯。張思穎等[10]運用雙層規(guī)劃方法構(gòu)建了低碳冷鏈物流配送系統(tǒng)優(yōu)化決策模型，上層為政府目標，追求整體冷鏈配送系統(tǒng)總成本最小化；下層為冷鏈物流企業(yè)目標，追求企業(yè)成本最小化，用混沌粒子群算法（CPSO）求解了該模型，并將此方法應(yīng)用于W市冷鏈物流配送系統(tǒng)優(yōu)化決策，為政府和企業(yè)決策提供科學的依據(jù)。張瑋珊等[11]研究新型冠狀病毒對冷鏈運輸食品質(zhì)量安全的影響，總結(jié)了新型冠狀病毒在冷鏈物流中的生物學特性及其傳播過程，以及對冷鏈傳播的預(yù)防和控制措施，為今后對冷鏈物流、冷凍食品的監(jiān)控提供指導(dǎo)。陳靜等[14]構(gòu)建了多配送中心的最小成本模型，通過運輸成本、制冷成本、損壞成本等因素建立目標函數(shù)，運用蟻群算法對模型進行求解。沈麗等[13]研究為減少生鮮產(chǎn)品運輸過程中的價值損耗和碳排放量，對貨損和碳排放來源進行細化分析，以固定成本、貨損成本、燃油成本、碳排放成本和時間懲罰成本之和最小為目標，構(gòu)建生鮮產(chǎn)品配送路徑優(yōu)化模型，并用遺傳算法進行求解。李瀑[14]研究大型體育賽事中多商品多車型、食品最佳儲存期和中斷風險對于食品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的影響，基于距離矩陣的變鄰域算法對雙層規(guī)劃模型進行尋優(yōu)，以整體賽事配送時間最小為目標，確定優(yōu)先通行道路，該模型對于道路搶修和賽事配送具有現(xiàn)實使用價值。崔瑩[15]提出共同配送模式，對冷鏈物流共同配送路徑以及利益分配方案為研究對象，解決配送中心之間存在的資源剩余和不足結(jié)構(gòu)問題。楊愷[16]研究大連港的冷鏈物流發(fā)展問題，對大連港冷鏈物流需求進行預(yù)測并給出相應(yīng)的發(fā)展建議，以指導(dǎo)大連港冷鏈物流體系的建設(shè)和發(fā)展。李靖[17]研究多式聯(lián)運路徑對于冷鏈物流的影響，構(gòu)建考慮質(zhì)損率、運輸總費用以及運輸總能耗的多目標路徑選擇模型，在降低運輸費用的同時減少貨物的質(zhì)損與能耗的浪費，不斷提高多式聯(lián)運的整體水平。馬千里[18]構(gòu)建以海港為重要換裝節(jié)點的冷鏈運輸網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，確定港口的貨物吞吐量、路徑的貨物流量和運輸過程溫度控制方案;在此基礎(chǔ)上，研究不確定條件下港口冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施（泊位、庫場）規(guī)模優(yōu)化方法。李倩等[19]設(shè)計帶精英策略的非支配排序遺傳算法求解一個多目標配送路徑優(yōu)化模型，利用Solomon標準數(shù)據(jù)集進行仿真模擬實驗。吳紅波[20]等利用基于GIS路徑分析和多目標規(guī)劃的公交車路網(wǎng)優(yōu)化方法，考慮交通狀況、服務(wù)人口及現(xiàn)有公交路網(wǎng)等約束條件，對漢中市城市公交路線服務(wù)和運營進行最短路徑優(yōu)化。許敏等[21]建立了一家配送中心和多個客戶的帶時間窗口的冷鏈物流配送路徑規(guī)劃研究，以總費用作為最低作為模型目標，用遺傳算法進行優(yōu)化模型，最終通過算例進行驗證。彭勇等[22]構(gòu)建運輸總成本最小和運輸總時間最小的雙目標優(yōu)化模型。通過蒙特卡洛方法處理網(wǎng)絡(luò)中的不確定性，設(shè)計結(jié)合非支配排序的多目標蟻群算法求解Pareto解。1.2.3.文獻小結(jié)由于冷鏈物流行業(yè)的興起，運輸量的快速提升的大背景下，國內(nèi)外專家對于冷鏈物流的運輸網(wǎng)絡(luò)，配送路徑，冷鏈食品，低碳運輸?shù)确矫娑歼M行了大量的摸索，通過蟻群算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等進行求解，促進了冷鏈物流的蓬勃發(fā)展。冷鏈物流相對于其他物流方式，運輸?shù)碾y度和要求更高，也是目前運輸業(yè)的一個全新領(lǐng)域。1.3.本文研究內(nèi)容與方法1.3.1.研究內(nèi)容在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文研究內(nèi)容為對單個配送中心對于確定時間窗的多個客戶的冷鏈物流配送路徑進行優(yōu)化，以降低整體路線的總費用為目標，考慮車輛的固定成本、制冷成本、燃油成本以及冷藏貨物在運輸時間上的貨損，利用蟻群算法算出最后的最優(yōu)結(jié)果，最后利用臨港新片區(qū)的案例進行算例分析。本文共有六章主要內(nèi)容如下：緒論，通過閱讀國外文獻，確定本文的研究內(nèi)容以及研究方法。對冷鏈物流配送體系和路徑優(yōu)化模型進行理論分析。研究路徑上的影響因素對結(jié)果的不同的影響程度。構(gòu)建帶時間窗的冷鏈物流路徑優(yōu)化模型求解帶時間窗的冷鏈物流路徑優(yōu)化模型對于本論文的結(jié)論與展望1.3.2.研究方法具體研究技術(shù)如圖2：圖2技術(shù)路線圖第二章冷鏈物流配送體系分析2.1.冷鏈相關(guān)理論分析2.1.1.冷鏈概述冷鏈運輸在國家標準《物流術(shù)語》中（GB/T18354-2006）中為：“根據(jù)物品特性，為保持其品質(zhì)而采用的從生產(chǎn)到消費的過程中始終處于低溫狀態(tài)的物流網(wǎng)絡(luò)。”冷鏈運輸模式就是為了滿足顧客的需求，將初級農(nóng)產(chǎn)品、加工后食品和特殊商品等等冷藏貨物根據(jù)其特定的運輸要求，采用特殊的運輸工具最大程度保證其質(zhì)量而進行運輸?shù)娜^程。冷鏈物流這個概念最早在十九世紀末提出，冷鏈物流主要包括冷凍加工、冷凍冷藏、運輸和配送以及冷凍銷售環(huán)節(jié)。完整的冷鏈過程為供應(yīng)商-工廠-配送中心-銷售商-消費者。冷鏈運輸就好比是點和線的選擇過程，如果整體分析冷鏈運輸過于復(fù)雜，所以本文只分析冷鏈運輸過程中配送中心與客戶兩點之間最后一公里的配送問題。冷鏈物流指的是對于溫度敏感的貨物在生產(chǎn)、存儲、運輸、銷售和消費的各個環(huán)節(jié)中，處于其適宜的溫度以保證其質(zhì)量的體系。冷鏈運輸?shù)幕A(chǔ)是物流技術(shù)的進步以及冷制技術(shù)的發(fā)展，制冷技術(shù)成就了冷鏈物流，所以這也是近年來冷鏈物流逐漸主流的原因。冷鏈運輸包括國際干線、城市干線和短途配送等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)運用的運輸工具也不同，如冷藏車、冷藏船、冷藏集裝箱等。冷鏈運輸工具的核心是制冷裝置，制冷裝置是保證易腐貨物品質(zhì)的關(guān)鍵，一旦制冷裝置發(fā)生損壞，廂內(nèi)的貨物的將發(fā)生嚴重貨損，最壞情況將導(dǎo)致整批貨失去價值。所以冷鏈物流的運送成本會加上制冷成本以及維修維護成本會比普通貨物的運送成本更高。冷鏈物流對于時效性要求也特別高，貨物的品質(zhì)會隨著時間的流失而降低，時間越長越容易變質(zhì)，間接的提高運輸成本。所以冷鏈物流具有運輸全程處于低溫狀態(tài)、運輸貨物易腐壞、時效性要求高、成本高等特點。2.1.2.冷鏈物流配送路徑概述首先，運輸貨物可分為初級農(nóng)產(chǎn)品，如：肉類、水產(chǎn)品等，加工后食品，如速凍食品、乳品等以及特殊產(chǎn)品，如藥品、生物產(chǎn)品、化學產(chǎn)品等。運輸貨物相對普通貨物對于溫度極為敏感，運輸更為復(fù)雜，需要在一定的溫度下進行運輸作業(yè)保證其質(zhì)量，必須遵守以下六點原則：“3P”原則，加工工藝（Perfect)、包裝（Package）、加工過程（Process）必須按照冷鏈運輸?shù)母咭筮M行；“3C”原則，保證冷卻（Cold）、清潔（Clean）、精心（Careful）的運輸環(huán)境；“3T”原則，流通時間（Time）、溫度（Temperature）、耐久性（Tolerance）、在適宜的運輸溫度下，盡量減少運輸時間最大限度保證運輸貨物的質(zhì)量。其次，冷鏈運輸裝備種類較多。按照運輸方式可以分為水路冷鏈運輸、鐵路冷鏈運輸、公路冷鏈運輸和航空冷鏈運輸。冷藏集裝箱由于其極強的適用性，所以可以在各種運輸工具上使用，在聯(lián)合運輸中大大減少了工作量。冷藏運輸設(shè)備需要滿足制冷、保溫、通風換氣等基礎(chǔ)功能。本文涉及的配送路徑中，涉及到公路冷鏈運輸，公路冷鏈運輸是國內(nèi)最常使用的運輸方式，占冷鏈運輸總量的百分之70，公路冷鏈運輸具有投資少、機動性強、可以實現(xiàn)門到門運輸?shù)忍攸c。公路冷鏈運輸?shù)倪\載車輛類型可以分為三種，冷藏汽車、保溫汽車和保鮮汽車，保有量最多的是冷藏汽車。每輛冷藏汽車都具有獨立的一套機械制冷設(shè)備，保證廂內(nèi)的溫度。在后文模型以及算例中均以冷藏車進行計算。冷鏈物流配送路徑具體是指，安排適量的冷藏車從配送中心出發(fā)根據(jù)路線前往各個客戶點進行配送而構(gòu)成的整體網(wǎng)絡(luò)。冷鏈物流配送路徑問題是NP-hard問題，難以用精確的數(shù)學分析法求解，如果采用枚舉法進行一一計算，工作量又太過于龐大，所以研究者一般都采用啟發(fā)式算法進行求解VRP問題。冷鏈物流配送路徑問題可以按以下標準進行不同的細分：一個配送中心或者多個配送中心；客戶是否有時間窗要求；時間窗要求的類型；優(yōu)化目標的數(shù)量；車輛型號和數(shù)量的規(guī)定；配送任務(wù)的特征；車輛是否返回；車輛的是否滿載出發(fā)等。根據(jù)具體的實際情況進行劃分。2.2.冷鏈物流配送VRPTW模型VRPTW問題是指帶有時間窗的車輛路徑問題，具體是指，配送中心安排車輛為各個客戶點提供配送服務(wù)，客戶點的特征為具有不同的接受貨物時間窗口且坐標、需求量等基本信息各不相同，冷藏車完成配送任務(wù)后將返回配送中心，在滿足客戶需求以及車輛載重的條件下，合理規(guī)劃配送路線，使得配送路線的總費用降到最低。示意圖如圖3:圖3車輛配送路徑示意圖第三章冷鏈物流配送路徑影響因素分析3.1.冷鏈物流運輸貨物分析冷鏈物流運輸貨物大多數(shù)為“易腐貨物”，我國易腐貨物為多水果、蔬菜、海鮮、肉類等占總易腐貨物總量的85%以上，與普通貨物最大的區(qū)別就是，必須放在固定的溫度和濕度下進行運輸，而且即使溫度與濕度等條件符合運輸要求，貨物的質(zhì)量也會隨著運輸時間的變化進行一定的貨損。易腐貨物具有保質(zhì)日期短、保鮮困難、產(chǎn)銷地距離遠、季節(jié)性強等特點。主要的運輸貨物可分為三類，分別是冷凍貨物，冷卻貨物和為冷卻貨物。貨物的特性不同運輸?shù)臏囟纫笠膊煌鋈?、冷凍海鮮等冷凍貨物運輸溫度為-100C；水果和蔬菜等冷卻貨物運輸溫度為0～70C；鮮水果和鮮蔬菜等未冷卻貨物運輸溫度為自然溫度。易腐貨物的貨物品質(zhì)由于新鮮程度降低而降低，易腐貨物的品質(zhì)的降低將會直接影響到顧客的消費欲望。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)消費者對于易腐貨物的消費欲不會在一開始時發(fā)生明顯的變化，因為一開始的易腐貨物也不會發(fā)生變化，但隨著時間的累計，當貨物的發(fā)生質(zhì)損時，這個點就稱為“品質(zhì)下降點”（QRP）,具體情況如圖4。圖中λ表示貨物的完好程度，t表示運輸時間，tB表示貨物的保質(zhì)期。圖4易腐貨物品質(zhì)變化規(guī)律3.2.冷鏈物流配送路徑影響因素分析（1）從冷藏車自身分析，首先冷藏車具有不同的類型和長度，制冷設(shè)備的選擇也有所不同，冷藏車類型的不同將影響車輛的燃油消耗量以及制冷成本的費用。冷藏車的長度會影響車輛的載重量，載重量越大，運輸?shù)呢浳镫m然增加但隨之而來的燃油費等也會增加。不同的冷藏車對于人員的配置、冷藏車的維修保養(yǎng)費、使用年限、卸貨時間等都會造成不同的影響。（2）線路的分析，車輛從配送中心出發(fā)去往各個客戶點的順序是我們要考慮的核心問題，在滿足時間需求的基礎(chǔ)上要盡量減少運輸?shù)目偩嚯x，從而減少燃油成本、制冷成本以及時間成本。道路上的交通問題同樣是一個因素，如果道路直線距離短，但道路狀況擁擠，其實也是一個費用的損失。如果路程中需要經(jīng)歷高速路段，還要有額外的高速費支出。（3）客戶的需求，客戶的需求量以及客戶所需要的服務(wù)時間是關(guān)鍵。如果需求量過大的話，需要安排多輛車對客戶進行統(tǒng)一配送?？蛻魧τ谪浳锼竭_的時間是有要求的，一旦發(fā)生延期，公司將支付延期費用。（4）配送中心的配置，配送中心的數(shù)量決定了車輛出發(fā)的起點個數(shù)，單個配送中心如果滿足不了顧客的需求量，需要新增配送中心數(shù)量，并且對配送路線進行規(guī)劃。（5）貨物的質(zhì)量損失，借鑒阿倫尼烏斯方程相關(guān)理論，食品在運輸過程重的質(zhì)量損失與運輸時間呈現(xiàn)不同的關(guān)系，產(chǎn)生微生物增長變化，具體的肉類和果蔬貨物質(zhì)量損失曲線如圖5。另外各個點和線的勞動力的成熟度以及所處的地理位置會對費用產(chǎn)生一定的影響。圖5不同貨物質(zhì)量損失曲線第四章帶確定時間窗的冷鏈物流路徑優(yōu)化模型的構(gòu)建4.1.問題描述與建模分析4.1.1.問題描述本文所描述的冷鏈物流路徑優(yōu)化問題是指一個配送中心，具有多個客戶的交通運輸網(wǎng)絡(luò)。冷藏車的車型為統(tǒng)一標準?？蛻舻男枨罅啃∮诶洳剀嚨淖畲筝d重量，并且具有固定的服務(wù)配送時間，不同的客戶的需求量以及坐標各不同。企業(yè)以服務(wù)至上的理念，把準時送達要素放在規(guī)劃路線的首位，所以不會產(chǎn)生因為超過時間窗而產(chǎn)生的罰款問題。冷藏車完成該線路的配送計劃后，將從最后一個客戶點返回配送中心。道路的擁堵情況為暢通，車輛為勻速前進。最后比較各個運輸路線中，車輛固定使用成本、制冷成本、車輛燃油成本、貨物損失成本相加的總費用最小是本文所研究的目的，作為優(yōu)化路徑的標準。4.1.2.基本假設(shè)由于冷鏈物流配送過程中有眾多配送中心、車輛、客戶、線路等因素，為了方便本文對于冷鏈物流配送路徑的研究，作如下具體的假設(shè)：配送中心和各個客戶點的坐標已知，且不會產(chǎn)生波動；配送中心具有足夠多的相同標準且符合客戶運輸規(guī)定的冷藏車，冷藏車的載重量大于每個客戶點的單個需求量；配送中心具有足夠多的貨物以滿足顧客的需求；冷藏車在道路上均采用統(tǒng)一勻速行駛，將不會造成堵車等特殊情況，冷藏車完成任務(wù)后需要返回配送中心，并且將路程計入總路程；各個客戶點的需求量和可接受服務(wù)的時間窗為已知；同一個客戶點只能接受一輛冷藏車的到達和出發(fā)，同一輛冷藏車可以配送多個客戶點；各個客戶點的裝卸時間為已知，不存在裝卸等待等意外情況，達到客戶點即開始服務(wù)；所有冷藏車的司機都經(jīng)過統(tǒng)一培訓，耗油量不會因為司機的技術(shù)問題而產(chǎn)生變化。4.1.3.符號說明本文研究的冷鏈物流配送路徑優(yōu)化模型符號說明如下：N：客戶點的總數(shù)；K：滿足該配送路線的車輛總數(shù)；FkF2F3F4qiP：冷藏車運輸貨物的單位價值；tijC：冷藏車的最大載重量；aj：bj：arj：waitj：widt?j：4.1.4.決策變量為了方便計算，配送中心的編號為0，客戶點用i，j來表示（i，j=1，2，3，···，N）。決策變量的xijkxijk=1，0，，當存在車輛k由客戶點i前往客戶點j的路線時，4.2.帶時間窗的冷鏈物流配送路徑優(yōu)化模型的建立4.2.1.目標函數(shù)目標函數(shù)的成本組成可以細分為4個部分,可分為：minZ=Z1+Z2+ZZ1Z1Z2Z2Z3Z3Z4為貨物在運輸過程中質(zhì)量發(fā)生變化所產(chǎn)生的費用，本文中涉及的運輸貨物均為果蔬類，果蔬類的質(zhì)量損耗與運輸時間成線性關(guān)系，而運輸時間與運輸距離呈線性關(guān)系，所以直接采用單位距離貨物損失費用的方式進行計算，但這里的運輸距離為從配送中心出發(fā)到各個客戶點的距離，由于車輛在返回配送中心的途中車內(nèi)沒有運輸計算，所以此路程內(nèi)沒有貨物的損失，冷藏車均為空車回配送中心，具體公式為Z44.2.2.建立模型根據(jù)前文表述，本論文研究的冷鏈物流配送路徑優(yōu)化數(shù)學模型如下所示，建立以固定成本、燃油成本、制冷成本和貨損成本的總成本最小為目標函數(shù)的數(shù)學模型：minZ=Fkkk∈Kj∈?+j∈?+(0)xi∈??(j)i∈??(n+1)wik+sai(j∈E≤wik≤L?k∈K,?i∈i∈Ndij∈xijk≥0?k∈K,?(i,j)∈Axijkbinary?k∈K,?(i,j)∈A其中公式（1）為目標函數(shù)，表示最小化成本；公式（2）為規(guī)定每個顧客只能被分配一條路徑上，避免多次分配；公式（3）～（5）表示車輛k在該路線上的運輸量的限制；公式（6）-（8）限制在選擇路徑時對于時間窗的約束；公式（9）限制車輛的載重量小于最大載重量；公式（10）～（11）為約束條件。第五章帶確定時間窗的冷鏈物流路徑優(yōu)化模型的求解5.1.算法說明5.1.1.蟻群算法簡介蟻群算法是解決車輛路徑問題中啟發(fā)式算法的一種，由于蟻群算法具有正反饋性、魯棒性強等特點，所以得到了廣泛的運用。蟻群算法是從大自然中螞蟻覓食的方式進行推演的。當一大群螞蟻同時出動找食物時，一旦當一個螞蟻找到了食物，其余剩下的其他螞蟻都會跟著第一個螞蟻用同一個路線前去覓食。蟻群算法中，信息素是關(guān)鍵。每個螞蟻在經(jīng)過的路線上會留下信息素，方便后續(xù)的螞蟻接受到信息，前往相同的線路，當然后續(xù)的螞蟻也可以在接受信息素后，選擇其他的路線繼續(xù)前進。而在蟻群算法中，每一次迭代的過程中，都會把前一次過程中最優(yōu)的方案更新到信息素中，使得方案在迭代的過程中更加優(yōu)化。蟻群算法流程圖如圖6：圖6蟻群算法流程圖5.1.2.啟發(fā)式因子設(shè)計啟發(fā)式因子也是蟻群算法中重要的一個部分，啟發(fā)式因子是指螞蟻在移動的過程中，從客戶點i到客戶點j的期望，作為螞蟻選擇下一個節(jié)點的關(guān)鍵信息，本研究講啟發(fā)因子的設(shè)計公式為：ηij=5.1.3.螞蟻移動選擇規(guī)則當螞蟻從配送中心0出發(fā)時，將如何選擇第一個客戶點呢？或者說當螞蟻結(jié)束客戶點i的工作時，該通過如何的判定方式選擇下一個客戶點j呢？在傳統(tǒng)的蟻群算法中，移動概率選擇規(guī)律為：pijk=τijαηijj=Nik5.1.4.信息素更新策略信息素的更新決定下一批迭代數(shù)據(jù)的重要因素，在只有一只螞蟻的情況下，如果有十個客戶點，那邊信息素τ就是11行11列，需要把配送中心和客戶點一并加入信息素表中，在螞蟻構(gòu)建了完整的路徑后，更新信息素，具體公式為：τΔ其中，TD螞蟻構(gòu)建完成的路程的總距離。如果一批有50只螞蟻，構(gòu)建了50條完整的路徑，那就要篩選出50條路徑中最優(yōu)的路徑，即找到“最優(yōu)的螞蟻”，構(gòu)建的路徑經(jīng)過解碼后，出來的配送方案的總成本最小的為“最優(yōu)的螞蟻”，用最優(yōu)的螞蟻進行更新信息素。5.2.算例分析5.2.1.算例描述為了驗證螞蟻算法的有效性，本文采用南匯新城鎮(zhèn)位于自貿(mào)區(qū)的冷鏈倉庫配送中心，向該地區(qū)25家便利店、生鮮超市和大型商超的數(shù)據(jù)。配送中心在配送的過程中，全程采用3.7頓的冷藏車為門店低溫配送新鮮的果蔬，本著服務(wù)至上的原則，冷藏車的運輸時間為全天24小時，配送中心的時間窗口為24小時，冷藏車的行駛速度為60公里/小時，每輛車每天使用的固定成本為200元，冷藏車每公里燃油消費費用和冷藏劑消耗費用合計為2元/公里，由于運輸時間而造成運輸貨物的質(zhì)量損失費用為每公里0.2元。另外在螞蟻移動選擇中，α=1，β=3，γ=2，δ=3，螞蟻的總數(shù)為50，總共迭代100次。客戶點相對配送中心的坐標地址、需求量、左時間窗口、右時間窗口和服務(wù)時間見表1:序號x坐標y坐標需求量左時間窗右時間窗服務(wù)時間00.000.000012000124.3817.993036048020235.3117.803036048020334.9018.456078090020448.9730.632548060020526.9433.803536048020628.1133.375566078020721.6933.263536048020818.8024.562036048020932.4034.5715780900201032.1641.7130360480201136.0953.6935720840201243.7759.4645660780201343.4361.23304806002014-20.878.38557809002015-24.334.79457809002016-19.590.50604806002017-23.18-1.96306607802018-20.90-5.58303604802019-13.760.03307208402020-16.27-1.55404806002021-15.456.45306607802022-65.3920.23507809002023-59.4723.66207208402024-55.9622.0740480600202525.1258.214566078020表1客戶點的詳細信息5.2.2算例計算結(jié)果本研究通過MatlabR2017b對蟻群算法的冷鏈物流配送路徑進行求解。其中最優(yōu)配送路徑如圖7所示，其中位于（0，0）坐標的為配送中心坐標。圖7最優(yōu)配送方案路線圖具體的最優(yōu)配送路徑線路共分為5條線路，需要5輛冷藏車負責配送。路線1為：0→17→21→23→15→14→0；路線2為：0→18→8→1→4→13→12→9→0；路線3為：0→6→25→11→3→0；路線4為：0→2→5→7→10→20→19→0；路線5為：0→16→24→22→0。在最終的方案中，總成本為2761元，圖9為迭代過程中，最小成本的變化趨勢圖。圖9各代最小成本變化趨勢圖根據(jù)趨勢圖，我們可以看見在經(jīng)過了將近90次迭代后，最小成本的路線圖才發(fā)生顯著的變化，最后得到了在100次迭代內(nèi)的最優(yōu)解。在最優(yōu)的配送方案中，5條線路共計行駛的總距離為817.886公里。5.2.3.結(jié)果檢驗在本次算例中，根據(jù)時間窗和車輛載重量的約束，傳統(tǒng)的配送方式為：配送路線1：0→7→5→10→2→4→13→9→0；配送路線2：0→6→25→12→11→0；配送路線3：0→8→1→18→20→16→23→0；配送路線4：0→24→22→15→14→0；配送路線5：0→21→17→19→3→0；總計車輛行駛距離為847.452公里，總成本為2816元。在算法解出的最優(yōu)方案比，行駛距離減少了29.556公里，總成本減少了55元。如果采用算法解出的最優(yōu)方案進行運行，會一定程度減少企業(yè)的成本。5.2.4.基于算例分析的相關(guān)意見經(jīng)過算例的求解，得到了在此算例下最優(yōu)的配送路徑，并計算出了該配送路徑的所有成本，驗證了模型的準確性。通過蟻群算法的求解，發(fā)揮其正反饋性的特點，大量減少了求解模型的計算量，并且得到了準確的數(shù)據(jù)。但在收集和處理數(shù)據(jù)的過程中，特別是處理客戶點與配送中心的相對坐標位置時，運用Arcgis進行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的坐標與實際情況還有寫差異，并且在實際的生活中，路徑的距離是點與點之間路線的距離，不是直線距離。在計算過程中，利用坐標之間的距離代替了實際路程的距離，實際上減少了一定的路程距離。在統(tǒng)計各個客戶點的服務(wù)時間時，如果將時間窗進一步的分類，如在時間窗的前一半時間內(nèi)達到會得到一定的獎勵時，會更加精確。最后在算例的數(shù)據(jù)中，服務(wù)時間的考慮較為簡單，沒有考慮停車時間，等待卸貨時間等，將其統(tǒng)一為服務(wù)時間。第六章結(jié)論與展望6.1.結(jié)論隨著科技的上升，冷藏技術(shù)的提高，冷鏈物流越來越熱門。“叮咚買菜”等企業(yè)建立了大型的配送中心對冷藏食品進行進一步的分揀和配送。進一步研究對于冷鏈物流配送路徑問題也成為了焦點。降低企業(yè)的費用是企業(yè)最關(guān)心的問題。所以本文以配送方案的總費用最低作為研究的目的，在傳統(tǒng)的車輛路徑問題的基礎(chǔ)上，在車輛的固定使用成本，燃油費成本上加上冷鏈物流所特有的制冷劑費用以及貨損的費用。建立帶有時間窗的冷鏈物流配送路徑優(yōu)化模型，模型以時間窗和載重量為約束條件，保證在運輸?shù)竭_時間窗口內(nèi)和滿足車輛的最大載重量的基礎(chǔ)上再進行路線的選擇，比較總費用成本的大小，模型用改進的蟻群算法進行求解，最后用采集的數(shù)據(jù)生成算例進行求解，驗證了模型的可行性。論文的主要工作如下：通過閱讀國內(nèi)外的文獻，對于冷鏈物流方向有了一定的了解，并對冷鏈物流中配送路徑的優(yōu)化問題做了進一步的研究，對傳統(tǒng)的車輛路徑優(yōu)化問題的研究中進行了探索與分析，本文增加了確定的時間窗口，由于冷鏈物流相比普通的貨車更為復(fù)雜，對于配送方案總費用的計算也進行了一定的改善，加入冷鏈物流的制冷和貨損等元素，使模型與實際情況更加符合。比較多個車輛路徑問題的求解算法，學習并了解了分支定屆法、割平面、網(wǎng)絡(luò)流法、動態(tài)規(guī)劃法等精確算法和模擬退火算法、蟻群算法、粒子群算法等現(xiàn)代啟發(fā)式算法。通過對比，深度學習了蟻群算法，并運用在本文模型的求解中。在冷鏈物流配送路徑優(yōu)化的問題的研究中，將客戶的時間窗以及服務(wù)時間等考慮在內(nèi)。在建模的過程中，綜合考慮了車輛的固定成本、車輛的運行成本、車輛的制冷成本和貨物的貨損成本，最大程度還原了現(xiàn)實情況。本文研究的為冷鏈物流的VRPTW問題，用蟻群算法進行求解，設(shè)計合理的蟻群算法步驟，最終用Matlab完成了算法。在設(shè)計具體的算例中，將南匯新城的商超進行坐標化的轉(zhuǎn)換，最大程度還原了相對位置的距離，通過算例得出的結(jié)果，可以對南匯新城的配送中心進行進一步的選址優(yōu)化，并且具有一定的現(xiàn)實意義，南匯新城作為未來上海的發(fā)展點，促進了南匯新城地區(qū)對于冷鏈物流配送的推動。6.2.展望本文在優(yōu)先考慮時間窗口的基礎(chǔ)上對于冷鏈物流的配送路徑優(yōu)化問題進行研究，雖然通過蟻群算法得到了最優(yōu)的配送方案，但由于本人缺少實際的經(jīng)驗，對于一些問題的思考還不夠完善，束于本人個人能力不足，對于編程上的問題還有待加強，在考慮問題的方面，有些地方太過于理想化，在后續(xù)的學習生活中將對冷鏈物流配送路徑優(yōu)化問題進行更深一步的研究：

（1）本文研究的是單配送中心、單車型、單貨物品種的配送路徑優(yōu)化問題，在實際生活中，企業(yè)會具有多配送中心，多車型，多種運輸貨物的情況，所以在后續(xù)的研究中，可以改變配送中心的數(shù)量、車型的數(shù)量、貨物的數(shù)量對模型進行進一步的優(yōu)化處理，深入冷鏈物流配送路徑問題的研究。本文在冷藏車的費用設(shè)計上較為簡單，實際上冷藏車中冷藏劑的費用不僅和運輸?shù)木嚯x有關(guān)，與冷藏車中運輸貨物的質(zhì)量也有關(guān)系，所以在冷藏劑的費用計算上應(yīng)該加入各個路程的載重量因素。本文在運輸過程中，沒有考慮道路的擁擠情況，一律設(shè)為順暢的道路。并且沒有具體的區(qū)分冷藏車行駛的過程和裝卸貨的過程，在實際生活，冷藏車在裝卸過程中，由于打開了廂門，車內(nèi)外的冷暖空氣會進行一定的交流，從而導(dǎo)致制冷設(shè)備的工作量變大，加大了制冷劑的消耗。本文在計算貨物的貨損時考慮較為簡單，以車輛的運輸距離為標準，實際上貨物再經(jīng)過前幾個客戶點的卸貨后，損失的指數(shù)會隨著貨物數(shù)量的減少而減少，在以后的研究中，可以進一步的優(yōu)化此問題。本文采用蟻群算法對冷鏈物流配送路徑優(yōu)化問題進行求解，在初始的信息素設(shè)置中，為了避免算法本身過早的手鏈造成局部最優(yōu)解的問題，應(yīng)該對于啟發(fā)式函數(shù)進行進一步的優(yōu)化處理。參考文獻[1]崔忠付.中國農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈發(fā)展報告[M].2020.北京.中國財富出版社有限公司.2012:32[2]張文禮.國務(wù)院辦公廳印發(fā)《“十四五”冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》[N].中國質(zhì)量報,2021-12-14(001).DOI:10.28164/ki.nczlb.2021.003740.[3]BresolinCS,SchneiderPS,RegoR,etal.Braziliancoldchainpanorama[J].InternationalJournalofRefrigeration,2018:S0140700718301087.[4]AshokA,BrisonM,LetallecY.Improvingcoldchainsystems:Challengesandsolutions[J].Vaccine,2016:S0264410X16307307.[5]Coldchaindatabasedevelopmentandapplicationasatoolforthecoldchainmanagementandfoodqualityevaluation[J