考虑跨区域条件下与非机动车协同配送的无人机起降点选址研究.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(4),4031-4040 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.124368 文章引用文章引用:李骁,梁士栋.考虑跨区域条件下与非机动车协同配送的无人机起降点选址研究J.建模与仿真,2023,12(4):4031-4040.DOI:10.12677/mos.2023.124368 考虑跨区域条件下与非机动车协同配送的考虑跨区域条件下与非机动车协
2、同配送的 无人机起降点选址研究无人机起降点选址研究 李李 骁骁,梁士栋梁士栋 上海理工大学管理学院,上海 收稿日期:2023年6月20日;录用日期:2023年7月18日;发布日期:2023年7月25日 摘摘 要要 外卖服务行业发展迅速,无人机凭借其无接触、可靠高效的特点受到广泛关注。但递送全程使用无人机外卖服务行业发展迅速,无人机凭借其无接触、可靠高效的特点受到广泛关注。但递送全程使用无人机成本高昂;传统的骑手递送模式在遇到江水等特殊地形时不可达或只能通过轮渡等方式通过,效率低下;成本高昂;传统的骑手递送模式在遇到江水等特殊地形时不可达或只能通过轮渡等方式通过,效率低下;商铺服务覆盖范围也因此
3、商铺服务覆盖范围也因此削减削减。针对这一问题,提出非机动车。针对这一问题,提出非机动车无人机协同配送模式,以经济成本最小无人机协同配送模式,以经济成本最小为主要目标构建无人机起降点选址规划模型。引入关切系数,设计遗传算法,求得在寻非机动车最短路为主要目标构建无人机起降点选址规划模型。引入关切系数,设计遗传算法,求得在寻非机动车最短路条件下的方案。最后通过算例表明服务覆盖面积提高了条件下的方案。最后通过算例表明服务覆盖面积提高了66.93%,成本较传统方式降低了,成本较传统方式降低了26%,供无人,供无人机企业和政府决策者审度参考。机企业和政府决策者审度参考。关键词关键词 快递物流,协同配送,无
4、人机,最短路,遗传算法快递物流,协同配送,无人机,最短路,遗传算法 Research on Unmanned Aerial Vehicles Landing Site Selection for Collaborative Delivery with Non-Motorized Vehicle under Cross-Regional Conditions Xiao Li,Shidong Liang Business School,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai Received:Jun.20th,2023;
5、accepted:Jul.18th,2023;published:Jul.25th,2023 Abstract The express logistics industry is experiencing rapid growth,with increasing interest in non-contact,李骁,梁士栋 DOI:10.12677/mos.2023.124368 4032 建模与仿真 reliable and efficient unmanned aerial vehicles(UAVs).But the high costs associated with full UAV
6、 deployment,low efficiency with traditional method in using food delivery riders which transit only by ferry when it need to cross the special terrain like rivers and decrease of store service scope pose challenges.To address these issues,a non-moterizd vehcle-UAV collaborative model is pro-posed.Wi
7、th minimal economic cost,an optimizing UAV landing site selection is constructed while designing a genetic algorithm and introducing concern coefficients.Then a scheme considering the shortest path for motorized vehicles is gained.By implementing it in a case model,service coverage is enhanced by 66
8、.93%while achieving a 26%cost reduction compared to traditional methods.These findings provide valuable insights for UAV companies and government decision-makers.Keywords Express Logistics,Collaborative Delivery,Unmanned Aerial Vehicles,Shortest Path,Genetic Algorithm Copyright 2023 by author(s)and
9、Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 如今,随着信息化全球化世界模式发展,全球同时仍然面临着突发公共事件带来的风险。无人机在物资运输压力剧增、无接触配送需求爆发的背景下1,可以稳定高效的满足用户需求。在常态化运营的时期,非机动车被禁止通过隧道和桥梁,只能通过低效的轮渡等方式实现跨区域递送,甚至会无法满足一些非机
10、动车不可达的区域订单需求。而无人机可以实现区域的互通。在无人机独立完成配送任务方面:刘光才等2考虑经济成本和时间可靠性,设计了一种模拟改进模拟退火遗传算法,实现无人机起降点的布局规划;张洪海等3考虑不同等级的无人机起降点,设计人类学习优化算法对其进行布局求解。在无人机协同配送方面:刘迎军4提出无人机和卡车协同的两种形式相对独立完成任务和组合形成“移动仓库”的配送协同模式;张杰等5在疫情背景下,提出车辆运输商品到站点,站点用无人机配送用户需求的“车辆无人机”协同模式;姜新岐6对车辆搭载多无人机的配送场景进行规划求解;林驿等7针对农村地区提出城乡客运班车+无人机的快递配送模式。目前,国内将无人机协
11、同非机动车用于配送的起降点选址问题研究较少。本文从满足跨区域物流订单需求出发,考虑无人机与非机动车的协同配合下的地面路网限制,从经济成本方面入手,构建无人机起降点选址模型,并设计遗传算法对模型进行求解,得到满足条件的优化布局方案。本文创新点有 主要考虑跨区域的物流订单需求;提出无人机与非机动车的协同配送模式;将实际路网作为主要因素纳入无人机起降点的布局考虑;考虑结点产生需求的权重;考虑研究时间内不同时段的权重。2.问题建模问题建模 2.1.问题描述问题描述 本文旨在完成跨区域无人机起降点布局规划,实现快递物流的全面覆盖。已知城市区域跨区跨地形物流需求分布,包括需求的订单数量,以及需求的请求点和
12、响应点,两区域的无人机起降备选点。在无Open AccessOpen Access李骁,梁士栋 DOI:10.12677/mos.2023.124368 4033 建模与仿真 人机起降前后都由骑手取送件,完成订单和需求点和相应点的交互。骑手会在路网中选择无人机起降点与目标结点之间的最短路。通过无人机在两区域起降点间的运行,配合骑手,实现两区域快递订单的可达。为满足两区域间的物流需求,考虑降低成本提高效率的目标,无人机中转和骑手寻路的特征,从备选无人机起降点中确定最优的选址方案。本文技术路线如图 1。Figure 1.Technical roadmap 图图 1.技术路线图 2.2.假设假设 无
13、人机的容量为每机每次满足一个订单需求,且忽略货物的体积和重量;无人机之间不会相互影响;起降点之间的空域均直线可达;起降点内无人机数量充足,无须考虑无人机充电及返航问题;所有的备选点可以服务到所有的需求;非机动车地面配送与无人机中转为无缝衔接;骑手在各个结点处数量充足;李骁,梁士栋 DOI:10.12677/mos.2023.124368 4034 建模与仿真 骑手走最短路。2.3.模型构建模型构建 无人机物流配送在顾客、无人机企业、政府决策者等方面的注重点均不同,本文均衡各方要求,引入关切系数,构建以经济总成本最小化为目标的起降点选址模型。2.3.1.重要符合说明重要符合说明 将本文所使用符号
14、进行分类整理,并进行含义说明,见表 1。Table 1.Symbol explanation 表表 1.符号说明 类型 符号 含义 集合 T 时间段集合 1A 区域一结点集合 2A 区域二结点集合 I 区域一备选点集合 J 区域二备选点集合 参数 1 关切系数 1 2 关切系数 2 gc 单位建设成本 yc 单位运输成本 t t 时间段订单量权重系数 lr 从结点 l 到结点 r 的订单量权重系数 n 总订单量 i 区域一备选点编号 j 区域二备选点编号 l 订单需求点编号 r 订单响应点编号 决策变量 ix 备选点 i 是否建成起降点 jx 备选点 j 是否建成起降点 ijlry 起降点(i
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