基于改进C-W算法的Y公司冷链物流配送路径优化研究.pdf
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1、Management Science and Engineering 管理科学与工程管理科学与工程,2023,12(4),597-609 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mse https:/doi.org/10.12677/mse.2023.124072 文章引用文章引用:高清贵,魏子顺,张雨嫣,庄拯.基于改进C-W算法的Y公司冷链物流配送路径优化研究J.管理科学与工程,2023,12(4):597-609.DOI:10.12677/mse.2023.124072 基于改进基于改进C-W算法的
2、算法的Y公司冷链物流配送路径公司冷链物流配送路径优化研究优化研究 高清贵高清贵1,魏子顺,魏子顺2,张雨嫣,张雨嫣3,庄,庄 拯拯3 1福建工程学院LNG产业链研究中心,福建 福州 2福建工程学院互联网经贸学院,福建 福州 3福建工程学院交通运输学院,福建 福州 收稿日期:2023年6月26日;录用日期:2023年7月17日;发布日期:2023年7月27日 摘摘 要要 本文以本文以Y公司为研究对象,构建考虑时间窗的配送路径优化模型,将时间窗参数加入公司为研究对象,构建考虑时间窗的配送路径优化模型,将时间窗参数加入C-W算法,并用费用算法,并用费用节约值替代距离节约值,建构改进节约值替代距离节约
3、值,建构改进C-W算法求解模型。结果显示利用改进算法求解模型。结果显示利用改进C-W算法求解考虑时间窗和不算法求解考虑时间窗和不考虑时间窗两种配送方案的配送总成本皆优于原始配送路径方案,此外考虑时间窗配送方案的配送成本考虑时间窗两种配送方案的配送总成本皆优于原始配送路径方案,此外考虑时间窗配送方案的配送成本反而会低于不考虑时间窗的配送方案,表明企业重视客户时间要求的必要性。反而会低于不考虑时间窗的配送方案,表明企业重视客户时间要求的必要性。关键词关键词 冷链物流,路径优化,配送成本,改进冷链物流,路径优化,配送成本,改进C-W算法算法 Study on the Optimization of
4、Cold Chain Logistics Distribution Path of Y Company Based on Improved C-W Algorithm Qinggui Gao1,Zishun Wei2,Yuyan Zhang3,Zheng Zhuang3 1Key Laboratory of LNG Industry Chain,Fujian University of Technology,Fuzhou Fujian 2School of Internet Economics and Business,Fujian University of Technology,Fuzho
5、u Fujian 3School of Transportation,Fujian University of Technology,Fuzhou Fujian Received:Jun.26th,2023;accepted:Jul.17th,2023;published:Jul.27th,2023 Abstract This article focuses on company Y as the research subject and develops a delivery route optimiza-高清贵 等 DOI:10.12677/mse.2023.124072 598 管理科学
6、与工程 tion model considering time windows.The time window parameters are incorporated into the C-W algorithm,and the distance-saving value is replaced with a cost-saving value,resulting in an improved C-W algorithm for solving the model.The results demonstrate that both the total deli-very cost for th
7、e two delivery schemes,considering and not considering time windows,using the improved C-W algorithm are superior to the original delivery path scheme.Furthermore,the de-livery cost for the scheme considering time windows is even lower than that of the scheme not considering time windows,indicating
8、the importance of prioritizing customer time requirements for businesses.Keywords Cold Chain Logistics,Path Optimization,Distribution Cost,Improved C-W Algorithm Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC B
9、Y 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 冷链物流主要是针对生鲜农产品、食品及药品生物制品等,组织从生产、储存、运输、销售直到消费前的各个环节的供应链系统,确保在各个环节都能处于规定的低温条件环境下,以保证生鲜农产品、食品及药品生物制品的质量安全,减少损耗1。我国 2021 年全年的冷链物流总额超过 8 万亿元,冷链物流市场规模达到 4586 亿元,整体的冷链物流总量也突破到 3.02 亿吨,自党的 18 大以来,我国冷链物流呈现蓬勃发展2。现如今,冷链物流配送环节已成为重要的环节,与传统常温物流相比,冷链配送过程要求更加严
10、格,同时也产生一系列问题。例如,高功耗冷藏设备与传统物流相比增加制冷成本,还有大多数物流企业未采用先进制冷设备,无法长时间为产品保鲜,再加上配送效率低下,导致产品损耗较大,增加总配送成本3。这些问题都会影响冷链物流配送路径规划,因此合理的冷链物流配送路径规划对于降低冷藏车辆配送所产生的能耗,降低运输过程的制冷成本与损耗成本,以及提升冷链配送服务质量具有重要意义。本文以 Y 公司作为研究对象,主营业务为水果产品批发与销售,目前多以主观经验规划配送,造成配送时效性差及路径规划不合理等问题。一般而言,生鲜产品损耗程度与配送时间和距离密切相关,且配送时间和配送距离越长就会产生更多配送成本3。因此,为建
11、立科学合理有效的冷链物流配送路径规划,降低生鲜产品损耗程度,本文根据 Y 公司目前冷链物流配送现状构建出适用的数学模型,在考虑时间约束以及载重量的限制条件下,利用改进 C-W 算法求解最优配送路径,不但适用于路径优化,还可应用于其他行业中的调度问题及排队计划提供参考。2.文献综述文献综述 冷链物流配送路径问题是车辆路径问题(Vehicle Routing Problem,VRP),常见的算法有精确算法与启发式算法。1)精确算法 Dantzig 和 Ramser 4提出 VRP,利用组合优化规划行车路线,降低总里程和配送成本。郑飞5考虑服装配送车辆的配送路径选择,采用动态规划求解最优配送路线。S
12、antos et al.6提出二级自由选择车辆Open AccessOpen Access高清贵 等 DOI:10.12677/mse.2023.124072 599 管理科学与工程 路径问题的分支割价算法,克服解决此类问题的公式对称问题,求解效果优于精确算法。龚国清7应用分支定界法(Branch and Bound)于货架存取路径,提高货物存取效率。但是,精确算法存在不易求解复杂路径优化问题的弊端。2)启发式算法 随着配送路径问题的日益复杂,求解最优解已经变得不符合实际,因此求解近似最优解的启发式算法成为研究对象,其中遗传算法(Genetic Algorithm,GA)、禁忌搜索算法(Tab
13、u Search,TS)、模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)、蚁群算法(Ant Colony Optimization,ACO)、节约里程法(C-W 算法)等算法得到大规模应用。成冲与蒋洪伟8提出基于顾客满意度和食品新鲜度的车辆配送路径优化模型,利用 GA 求解健身营养餐最优配送路径。曹炳汝与王霞9针对产品配送过程中配送车辆类型的多样性,以配送成本最小化作为目标,建立多车型配送路径优化模型,利用改进型 GA 求解,不仅降低配送成本,且减少配送车辆。GA 有利于全局路线最优选择,各个配送点并入最优路线也更加简单,但是参数选择比较困难,且运行效率较慢,操作也较困难。袁志远
14、等10建立多种药品集中配送的配送成本最小路径优化模型,利用 TS 克服局部最优难题,但对初始解依赖性强且优化效率一般,操作较困难。王芳等11针对蔬菜运输成本高、保鲜时间短以及成本高所导致蔬菜质量降低的问题,以时间窗和车辆载重为约束条件,提出带时间窗约束的 SA,有效地实现全局最优,但 SA 仅适用于小规模问题,大规模问题求解耗时较长。Yu et al.12将 ACO 应用于旅行商问题(Travel Salesman Problem,TSP)中,从物流路径优化和末端配送模式出发,找出在物流配送中影响客户满意度的因素,通过仿真验证 ACO 在求解过程中较好的鲁棒性和易于求解的特点,但是易于陷入局部
15、最优,搜索时间较长,优化效率不高。相对于前面的启发式算法,C-W 算法简单且易于操作,实务操作上受到使用者的青睐13。时宇14应用 TSP 建立快递配送路径优化模型,以 C-W 算法进行求解。尹庆等15应用 C-W 算法对奶制品企业在城区内的配送进行求解,达到缩短配送距离、降低配送成本等目的。胡虹等16根据多影响因素综合构建模型,利用 C-W 算法求解多种类型的目标函数。梁乃峰17认为运用 C-W 算法优化配送路线,可以有效减少水果连锁企业的经营和管理成本,利于水果连锁企业的经营管理能力的提升。总的来说,C-W 算法更易于与载重量、时间窗以及新鲜度等约束条件相结合,利于与企业实际情况相结合而且
16、易于理解,操作更加简单。各种算法的比较如表 1 所示。Table 1.Comparison of various algorithms 表表 1.各种算法的比较 类别 算法 优点 缺点 优化效率 难易程度 精确算法 动态规划、分枝定界法 求解小规模数据,较易得出结果准确 不易求解大规模 路径优化问题 一般 简单 启发式算法 GA 利于实现全局最优,易于实现并行化 参数选择困难,特定 问题需具体设计 较低 困难 TB 利于克服局部最优难题 对初始解依赖性强 较低 困难 SA 利于实现全局最优 适用小规模数据问题 一般 较难 ACO 具有较好的鲁棒性 且易于求解 耗费时间长,易陷入 局部最优 较低
17、 较难 C-W 算法 易于理解且容易与 企业实际相结合 面对不稳定客户状态,操作难度增加 高 简单 高清贵 等 DOI:10.12677/mse.2023.124072 600 管理科学与工程 3.构建冷链物流配送路径优化模型构建冷链物流配送路径优化模型 3.1.建模假设与参数设计建模假设与参数设计 为方便建立模型,模型假设如下:1)由单一配送中心向多个客户配送,每辆车配送完毕后需返回配送中心。2)假设冷藏配送车辆完全相同,行驶速度固定,搬运工在每个客户点卸货速率一样。3)配送货物为生鲜水果产品,对冷藏环境、外界温度以及时间要求相同。4)每个客户仅有一辆冷藏车配送,所有配送车辆均能满足配送路径
18、上的客户需求量之和。5)配送中心到各客户的运输距离、各客户之间的运输距离已知。6)各客户的时间窗要求以及产品需求量已知,配送车辆要在客户规定的时间段到达。7)所有客户的需求量均小于车辆最大载重量。3.2.构建模型构建模型 3.2.1.优化目标分析优化目标分析 本文对 Y 公司的冷链物流配送路径进行优化,令 A0为配送中心,Ai为各客户节点(1,2,im=)。为降低在配送过程中所耗费的费用,以总配送成本最小化为优化目标,总配送成本包括运输成本、制冷成本以及货损成本。鉴于水果产品易腐蚀性及客户对配送时段的硬性要求,除了车辆载重限制外,也考虑硬时间窗限制。针对运输成本主要包括变动成本和固定成本两种,
19、本文只考虑车辆的变动成本,假定车辆为匀速行驶且车载重的减少对油耗的影响忽略不计,车辆变动成本与配送车辆行驶距离成正比18,因此由 Ai至Aj的运输成本1ijC如式(1)所示,其中 ce为单位里程运输成本,lij为 Ai至 Aj的配送距离,rijx为 0-1 变量,若第 r 辆配送车辆经过 Ai至 Aj的路段,则1rijx=,否则等于 0。1,01mnrije ijiji jrCc l x=(1)其次,在冷链物流配送中货损成本主要产生在车辆的行驶过程中以及打开冷藏车厢时。在配送车辆的行驶过程中,随着时间的积累水果发生轻微腐烂变质的行为;在打开冷藏车厢门时,车厢内的温度提升也会导致损失一定比例的产
20、品3,因此由 Ai至 Aj的货损成本2ijC如式(2)所示,其中 pe为单位产品价格,rjx为 0-1 变量,若 Aj由车辆 r 服务,则1rjx=,否则为 0,为运输过程中单位时间货损系数,为卸货过程中开车厢门时单位产品货损系数,qj为 Aj的产品需求量,Qij为 Ai至 Aj送货时配送车辆的载重。()2,01=+mnrijejjijiji jrCp xqt Q (2)最后,冷藏设备工作会消耗燃料以及制冷剂,因为油耗所花费成本已包含于运输成本中,因此只考虑制冷剂消耗的费用。制冷剂的消耗量可通过计算冷藏车的热负荷 G 来决定,热负荷产生的原因主要是太阳辐射传入车厢内部以及车厢漏气,热负荷可表示
21、为式(3)19,其中 R 为车厢传热系数;S 为车厢的平均表面积,一般情况下nwSS S=,Sn为车厢内表面积,Sw为车厢外表面积;T 为车厢内外温差。GRST=(3)由于在运输过程制冷剂消耗量受车厢内外温度差、车辆行驶时间以及车厢传热系数影响,因此制冷成本3ijC如式(4)所示,其中 Pf为单位制冷成本、G 为车辆行驶中的热负荷、tij为车辆从 Ai至 Aj的行驶时间、rijx为 0-1 变量。高清贵 等 DOI:10.12677/mse.2023.124072 601 管理科学与工程 3,01mnrijfijiji jrCP Gt x=(4)3.2.2.目标函数及约束条件目标函数及约束条件
22、 本文以运输成本、货损成本以及制冷成本配送之和最小为优化目标,目标函数及约束条件如下:(),01,01,01min mnmnmnrrre ijijejjijijfijiji jri jri jrTCc l xp xqt QP Gt x=+(5)*0,1,2,mrjjjq xQrn=(6)11,1,2,nrjrxrn=(7)0,1,2,;1,2,mrrijjixxjm rn=(8)0,1,2,;1,2,mrrijjjxxim rn=(9)000101mnmnrrijirjrxx=(10),1,2,iiET LTim=(11)式(6)表示服务客户的所有需求量之和小于车辆最大载重量,式(7)表示每个
23、客户仅被一辆车配送,式(8)表示到达每个客户的配送车辆只有一辆,式(9)表示离开每个客户的配送车辆只有一辆,式(10)表示车辆配送完毕后需返回配送中心,式(11)表示配送车辆到达客户点的时间窗。4.改进改进 C-W 算法算法 4.1.加入硬时间窗约束加入硬时间窗约束 时间窗约束是指 Ai和 Aj两点并入一条配送路径后,引起配送车辆到达 Aj及其续客户的时间变化。为了求解时间窗约束,引入时间变化量 Hij,表示为ijiijijHbttb=+,即将 Ai和 Aj并入一条配送路径后,配送车辆到达 Aj后与不合并相比到达客户所花费时间的差值7,其中 bi表示配送车辆到达 Ai的时刻,ti表示配送车辆在
24、 Ai处停留的时间,bj表示配送车辆到达 Aj的时刻。接着令minjrrdRTb+=,表示在为 Aj后面的客户配送时不超过时间窗限制,配送车辆到达 Aj的最晚推迟量;令minjrrdbET=,表示 Aj后的客户无需等待时,配送车辆到达 Aj的最早提前量,Ar表示晚于 Aj配送的客户。因此,当0ijH 时,配送车辆到达 Aj的时间点与原配送路径相比推迟,此时若ijjHd+,则无须推迟为 Aj后面的客户配送,表示 Ai和 Aj可以在一条路径配送。反之,需要推迟,两点不可合并。当0ijH 时,配送车辆到达客户 Aj的时间与原配送路径相比提前,此时若ijjHd,则 Aj后面的客户无需等待配送,表示 A
25、i和 Aj可以在一条路径配送。反之,需要等待,两点不可合并。4.2.优化最优目标优化最优目标 本文使用节约运输成本替代节约里程,节约的总成本为123ijijijijTCTCTCTC=+,其中1ijTC为节约的运输成本、2ijTC为节约的货损成本、3ijTC为节约的制冷成本,计算 Ai和 Aj合并前后的成本节约总值,选择最大节约成本进行路径优化。高清贵 等 DOI:10.12677/mse.2023.124072 602 管理科学与工程 首先,节约运输成本为1ijTC(式(12),Ai和 Aj合并前后配送的运输成本分别为本11110000iijjCCCC+和11100iijjCCC+,其中1ij
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