基于改进鲸鱼算法的无人车应急物资配送路径优化.pdf
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1、收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()安徽省重点研发计划国际科技合作专项项目()第一作者简介:康文文()女硕士研究生主要从事路径优化的研究通信作者:桂海霞()女博士教授主要从事智能物流、联盟博弈的研究 文章编号:():././.基于改进鲸鱼算法的无人车应急物资配送路径优化康文文桂海霞(安徽理工大学 经济与管理学院安徽 淮南)摘要:为解决重大公共卫生事件中应急物资调度不当的问题将基于层间相关性的客观赋值法()与逼近理想解排序法()相结合对受灾点需求紧迫度进行量化处理构建优化目标为总成本最小的无人车应急物资配送优化模型利用改进的鲸鱼算法进行算例分析 结果表明:同时考虑需求紧迫度和碳排放所产生
2、的总成本最小比不考虑需求紧迫度的总成本低.元比不考虑碳排放的总成本低.元并且在考虑碳排放的前提下进一步考虑需求紧迫度可降低碳排放成本 对比蚁群算法和遗传算法的配送方案进一步验证了改进鲸鱼算法的优越性关键词:需求紧迫度改进鲸鱼算法应急物资无人车优化模型中图分类号:文献标志码:():()().:重大公共卫生事件是指突然发生的、造成或者可能造成社会公众健康严重损害的重大传染病疫情、群体性不明原因疾病、重大食物和职业中毒以及其他严重影响公众健康的事件 世纪以来我国公共卫生事件频发如 年的“非典型病原体肺炎”病毒和 年的新型冠状病毒感染 面对此类突发事件相关部门必须快速做出响应以保障人民群众的生命安全减
3、少事故影响 在整个应急救援过程中确定补给路线、保证应急救援物资在最短时间内到达受灾点至关重要近年来国内外学者针对应急物资调度的车辆路径问题纷纷展开研究 等针对需求未满足情况设置了惩罚函数建立了应急物资规划模型杨郑将专家打分法与层次分析法()相结合构建了需求紧迫度评价指标体系王婧等提出了基于模糊综合评价法()的应急物资需求紧迫度计算方法柯秀云等使用熵值法确定了应急物流最优路径的评价第 卷第 期 湖北民族大学学报(自然科学版).年 月 ().指标权重祁明亮等以及阮俊虎等针对救援地区道路受损所造成的配送物资难的问题分别采用直升机或者建立救援中转站的方式分 阶段来运输物资但 阶段运输方式拉长了救灾时间
4、且存在完成协同配送后的直升机剩余运力使用率较低的问题另外为响应节能减排政策不少学者在研究中考虑了碳排放这一因素 蒋玲茜等指出碳排放在集装箱海陆多方式联运中的重要影响构建了包含碳排放量、运输成本和运输时间的多目标决策模型等研究了绿色开放选址路径问题建立了运作成本及环境影响最小的双目标模型蒋海青等针对需求的动态变化影响选址及配送路径碳排放的问题建立了低碳动态需求开放式选址路径模型结果表明碳排放量与需求呈正相关虽然国内外学者对应急物流配送问题研究较为深入但仍存在许多不足如:)鲜少有学者在应急物流配送的研究中考虑碳排放这一因素)现有学者大多采用、逼近理想解排序法()、基于层间相关性的客观赋值法()等方
5、法衡量受灾地区对应急物资的需求紧迫程度但此类方法具有一定主观性)大多使用普通车辆进行物资配送未考虑无人驾驶车辆在应急物资配送中的优越性基于以上分析针对重大公共卫生事件中的应急物资配送问题引入 法建立以人口密度、常住人口、总户数和老少比例为评价指标的需求紧迫度评价指标体系并以需求紧迫度和碳排放为影响因素构建考虑运输成本、延误成本、补贴成本和碳排放成本的应急物资配送优化模型同时选用无人车辆进行物资配送以减少配送人员与物资的接触避免接触性感染 另外为避免局部最优将贪婪交换机制引入鲸鱼优化算法并构造新的适应度函数对考虑需求紧迫度和碳排放、不考虑碳排放、不考虑需求紧迫度 种情况进行算例分析 最后将改进鲸
6、鱼算法与蚁群算法、遗传算法的配送方案进行对比以验证该算法的有效性和优越性 确定基于 法的需求紧迫度重大公共卫生事件发生后满足各地区对各类应急物资的需求是降低受灾群众负面心理影响、保障后续救援的第一步因而判断受灾地区应急物资的需求至关重要 为降低评价结果的主观性利用 法确定需求紧迫度评价指标的权重后再使用 法计算各指标与正、负理想解之间的距离以正、负理想解与理想解的贴近程度来衡量需求紧迫程度 具体步骤如下:步骤 设有 个受灾点每个受灾点均有 项受灾评价指标则初始指标数据矩阵为 式中表示第 个灾区的第 项评价指标的数值步骤 进 行 无 量 纲 处 理 无 量 纲 处 理 后 的 评 价 集 为 (
7、)转换公式为 步骤 计算指标变异性、指标冲突性、信息量、客观权重 ()其中 ()其中为评价指标 和 之间的相关系数 ()/步骤 计 算 加 权 评 价 矩 阵 ()将 其 标 准 化 处 理 后 得 到第 期 康文文等:基于改进鲸鱼算法的无人车应急物资配送路径优化 /()步骤 确定各指标的正理想解集 和负理想解集 其中 步骤 分别计算待评价指标与正、负理想解之间的距离 和 ()()其中、分别为、对应的元素步骤计算需求紧迫系数 /其中 数值越大表示该地区对应急物资的需求越紧迫表 相关符号说明.符号参数/单位单台无人车启用成本/元延误时的单位惩罚成本/元无延误时的补贴成本/元需求点 到 的时间/车
8、速/(/)延误对各需求点的影响系数各需求点的需求紧迫指数无人车最大行驶距离/配送车数量/辆需求点 到 的耗油量/(/)无人车空载时的耗油量/(/)()碳税函数需求点 到 的载重/无人车满载时的耗油量/(/)无人车最大载重量/需求点 的需求量/单位燃油费/(元/)单位距离单位重量的碳排放量/()应急物资车辆配送优化模型.问题描述及假设考虑需求紧迫度和碳排放的应急物资配送优化问题是典型的“一对多”配送问题具体可描述为:单配送中心向多个需求点配送应急物资多辆车从配送中心出发遍历各个需求点完成配送任务后返回配送中心 在满足物资需求、车辆载重限制和时间窗约束等要求的基础上以总成本最小化为目标完成应急物资
9、的最佳配送 此外考虑到诸如新型冠状病毒感染等重大公共卫生事件中病毒的强感染性和高传播性使用无人车作为运输车辆进行应急物资配送可以减少物资接触从而降低病毒扩散和接触感染的可能性 为了便于模型建立与后续求解做出以下假设:)仅考虑单纯无人车环境不考虑混合车型)配送中心拥有大量相同规格的无人车且均为燃油车)配送中心地理位置已知各个需求点的地理位置、货物需求量和时间窗已知)所有无人车完成配送任务后均需返回配送中心各需求点能且只能得到 次服务)无人车存在载重限制离开配送中心时处于满载状态)不考虑具体交通路况无人车均为匀速行驶)配送过程中不存在物资破损、丢失或其他特殊状况)为提高配送效率政府或公益性组织将制
10、定奖惩机制对延迟配送的车辆给予惩罚对提前配送的车辆给予奖励性补贴.符号说明相关符号说明如表 所示.构建目标函数模型模型优化目标为总成本 最小其中总成本由运输成本、延误成本、补贴成本和碳排放成本组成 运输成本包括无人车启用成本和车辆在运输过程中随时间变化而产生的人工费、车辆修理费、折旧费等为决策变量 表示车辆 从需求点 到达需求点 则运输成本 可表示为 ()应急物流车辆路径问题的配送时间窗为 当车辆到达需求点 的实际时间 晚于最晚到达时间时会对需求点的后续救援产生一定影响在此基础上设置惩罚因子 同时考虑到较晚的救援工作对 湖北民族大学学报(自然科学版)第 卷群众心理的负面影响将实际惩罚因子设为(
11、)由此可得延误成本 为()()根据假设中的奖惩机制对早于 到达物资需求点的车辆给予补贴且该补贴与需求点的需求紧迫度 有关为决策变量 表示车辆早于 到达物资需求点则政府补贴成本 为()在实际生活中车辆油耗与行驶距离之间并非单纯的线性关系车辆载重的变化也会对耗油量产生影响为决策变量 表示需求点 由车辆 配送物资在任一时段内无人车的耗油量与其载重之间的关系如下:()()()()由此可得配送过程中的碳排放成本 为 ()()()基于以上说明可将无人车应急物资配送路径优化模型表示为 ()()()().()()()()()()、()()()()()()其中式()表示无人车的载重限制式()()为决策变量式()
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