高曉巍

綠色冷鏈物流路徑優(yōu)化問題研究

高曉巍

綠色冷鏈物流是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活質(zhì)量提高的重要保障。在一般的冷鏈物流路徑優(yōu)化研究中多以冷鏈產(chǎn)品的特點、客戶滿意度和企業(yè)的各項成本建立模型，本文在此基礎(chǔ)上綜合考慮了碳排放因素，將運輸成本、碳排放成本，時間窗懲罰成本融入到優(yōu)化模型中。在目標(biāo)函數(shù)的求解過程中，通過引入多樣性變異操作，改進(jìn)QPSO算法，增強群體的多樣性，避免算法陷入早熟。經(jīng)Matlab軟件的編碼求解，實驗結(jié)果表明改進(jìn)的QPSO算法對綠色冷鏈物流優(yōu)化路徑的選擇與配置具有更好的穩(wěn)定性和收斂速度。

綠色冷鏈物流；路徑優(yōu)化；變異操作；QPSO算法

一、引言

隨著人們生活模式的轉(zhuǎn)變，生活節(jié)奏逐步加快，冷鏈產(chǎn)品的銷售比重迅速增加，這為冷鏈物流的發(fā)展提供了有力的契機。然而，隨著冷鏈物流的蓬勃發(fā)展，在運輸途中產(chǎn)生的燃油消耗及尾氣排放所形成的環(huán)境污染問題也突顯出來，綠色物流成為現(xiàn)代物流可持續(xù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，是物流企業(yè)增強國際競爭力的重要保障。研究者紛紛將碳排放問題引入到物流運輸路徑優(yōu)化問題中，如王鈺青等人將配送車輛的行駛路程、載重量及CO2排放量綜合體現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)中，通過算例證實與傳統(tǒng)模型比較廣義TSP模型更具可行性和優(yōu)越性。呂品在配送中心選址和配送路徑優(yōu)化兩個階段的模型中分別考慮碳排放問題，經(jīng)模型的配合使用,解決了物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的多種決策問題。Elhedhli等人在物流配送選址問題中引入碳排放成本,通過凹函數(shù)表達(dá)運輸車輛的碳排放與載重量之間的關(guān)系,驗證結(jié)果表明引入碳排放因素使供應(yīng)鏈獲得更優(yōu)配置。楊珺等人建立了基于碳排放的多容量等級配送中心選址模型，研究表明低碳排放條件下的企業(yè)選址呈更大的集中式結(jié)構(gòu)，并分析總結(jié)了不同碳排放政策對企業(yè)物流配送模式，運營成本及CO2排放量的影響，促使企業(yè)將環(huán)境生態(tài)意識融入到企業(yè)運營管理之中。從目前的研究來看，在冷鏈物流運輸路徑優(yōu)化問題中考慮碳排放的文獻(xiàn)較少，本文在冷鏈產(chǎn)品的物流運輸配送問題中，考慮運輸成本、時間懲罰成本的基礎(chǔ)上綜合考慮了碳排放成本，并通過QPSO算法改進(jìn)驗證模型對于解決冷鏈物流配送路徑問題的可行性和有效性，以滿足節(jié)能減排，打造綠色物流，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的社會需要。

二、問題描述

冷鏈物流是指生鮮食品在現(xiàn)代化制冷技術(shù)的保障下，為確保食品品質(zhì)、減少價值損耗所進(jìn)行的加工、儲藏、運輸、銷售等集成化、一體化的物流服務(wù)。優(yōu)化冷鏈產(chǎn)品的配送運輸路徑，降低運輸成本成為物流企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益、增強企業(yè)競爭力的關(guān)鍵。

車輛運輸路徑問題描述為在一定的約束條件和范圍內(nèi)，將冷鏈產(chǎn)品通過儲運的方式實現(xiàn)在多個配送中心與供給客戶之間的空間位移，并使包含運輸成本，碳排放成本及時間窗懲罰成本三個要素在內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化。

假設(shè)客戶與配送中心的位置信息已知，供給客戶的貨物需求量已知；每位供給客戶均能得到配送服務(wù)，但僅能由一臺儲運車輛完成；儲運車輛完成配送服務(wù)后返回原配送中心；每臺儲運車輛的載重量一定，配送線路上的總需求量小于單車的容量。

三、數(shù)學(xué)建模

（一）碳排放成本

碳排放主要來源于儲運途中的燃料消耗，與配送距離及載重量密切相關(guān)，計算公式如下：

1.單位距離的燃料消耗量U與承載量v之間的函數(shù)關(guān)系為

2.單位距離空載的燃料消耗量表達(dá)為

3.單位距離滿載的燃料消耗量表達(dá)為

上述三式聯(lián)立可得

其中U為單位距離的燃料消耗量；V滿載重量；V0為空載重量；v為實際裝載量。

在配送運輸過程中，配送節(jié)點i，j之間碳排放成本為

其中l(wèi)0表示CO2的排放系數(shù)；C0表示單位碳排放成本；vij表示配送節(jié)點i，j之間的載重量；U(vij)表示單位距離燃料消耗量；dij表示配送節(jié)點i，j之間的距離。

（二）時間窗懲罰成本

基于冷鏈產(chǎn)品易腐蝕且生命周期較短的特點，配送服務(wù)無論提前或延遲，都會對冷鏈產(chǎn)品產(chǎn)生一定的影響，其中因配送服務(wù)提前產(chǎn)生的機會成本損失為f1(I1-T1)，因配送服務(wù)延遲產(chǎn)生的懲罰成本為f2(Ti-Ji)。

在冷鏈產(chǎn)品配送過程中產(chǎn)生的時間窗懲罰成本表示為

（三）數(shù)學(xué)模型

假設(shè)某冷鏈物流企業(yè)有m個配送中心，共計h輛載重量為p的儲運車輛，向n個需求量為q的門店提供冷鏈產(chǎn)品的配送服務(wù),客戶編碼為1，2，3…..n，配送中心編碼為n+1，n+2……n+m。

綜合考慮運輸成本、時間窗懲罰成本及碳排放成本的綠色冷鏈物流路徑規(guī)劃模型如下：

1.目標(biāo)函數(shù)其中K1 為車輛的單位運輸成本，K2 為冷鏈產(chǎn)品的價格，Y為客戶的總需求量，為平均貨損率。

2.約束條件

（1）儲運車輛配送服務(wù)限定在時間窗范圍內(nèi)

（2）一個門店僅由一輛儲運車輛提供配送服務(wù)

其中當(dāng)客戶j由第k輛車配送時，zjk=1，否則zjk=0

（3）一條配送路線上客戶的總需求量不超過儲運車輛的最大載重量

qj為客戶j的需求量，pk表示第k輛車的最大承載量。

四、基于QPSO算法的冷鏈物流運輸路徑優(yōu)化

量子粒子群算法（QPSO）從量子力學(xué)理論出發(fā)，建立δ勢阱模型，使得受到束縛的粒子能夠以一定的概率密度分布出現(xiàn)在搜索空間中的任何一點從而達(dá)到全局搜索。但QPSO算法在進(jìn)化過程中群體的多樣性逐漸降低，差異性減少，致使算法容易陷入早熟。

（一）QPSO算法

在有n個粒子的M維目標(biāo)搜索空間中，粒子經(jīng)第t次迭代后的位置向量表示為粒子個體最好位置為，以最小優(yōu)化問題minF(X)為例表示為

粒子的進(jìn)化方程為:

一般的，參數(shù)γ從1.0線性遞減到0.5的效果較好。

（二）多樣性變異策略

針對QPSO算法在進(jìn)化過程中群體的多樣性逐漸降低的特點，將多樣性變異操作與QPSO算法結(jié)合起來，提高QPSO算法的全局搜索能力。

多樣性測量公式表示為：

其中δ是搜索空間的最大直徑的長度。

當(dāng)dt＜dlow時，執(zhí)行以下操作，

其中ζ～N(0,1)，當(dāng)ρ≥10dlow時，dt滿足dt＞dlow。

（三）QPSO算法設(shè)計

QPSO算法實現(xiàn)流程如下：

步驟1：初始參數(shù)設(shè)定：種群規(guī)模為N，迭代次數(shù)T，對粒子進(jìn)行編碼；

步驟3：利用公式（7）計算粒子平均最好位置；

步驟6：利用公式（8）檢測群體的多樣性，若dt＜dlow，則利用公式（9）進(jìn)行變異，更新p并計算其適應(yīng)值；

步驟8：轉(zhuǎn)步驟3繼續(xù)迭代，至迭代次數(shù)T結(jié)束。

五、仿真實驗結(jié)果與分析

假設(shè)某冷鏈物流企業(yè)由2個配送中心向該地區(qū)的16個門店提供冷鏈產(chǎn)品的儲運服務(wù)，配送中心及門店的編碼與位置信息如表1、表2及表3所示：使用Matlab7.0軟件分別對QPSO算法及改進(jìn)QPSO算法進(jìn)行計算機仿真實驗，結(jié)果表明兩種算法均具有可行性，所得儲運車輛的運輸配送路線圖如下：

所得有效路徑為

配送中心1的車輛1：17→14→11→5→9→17

配送中心1的車輛2：17→16→3→7→17

配送中心2的車輛3：18→8→13→4→18

配送中心3的車輛5：18→12→15→6→18

配送中心3的車輛6：18→2→10→1→18

仿真實驗結(jié)果如下：

六、結(jié)論

在經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展的今天，消費者不僅關(guān)心冷鏈產(chǎn)品的質(zhì)量與安全，更關(guān)心生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與改善，這為冷鏈物流的發(fā)展提出了更高的要求。研究冷鏈產(chǎn)品的儲運優(yōu)化路徑，是提高物流企業(yè)競爭力及消費者滿意度的關(guān)鍵。本文從現(xiàn)代綠色物流管理理念出發(fā)，將冷鏈產(chǎn)品的運輸成本、CO2排放成本及時間窗懲罰成本綜合體現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)中，使得算法的研究與實現(xiàn)更符合打造綠色物流，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的要求。

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高曉巍，齊齊哈爾大學(xué)理學(xué)院。

表4 仿真結(jié)果

表1 客戶信息

表2 客戶信息

表3 配送中心信息

TP242.6

A

1008-4428（2016）12-26-02

黑龍江省自然科學(xué)基金項目(B2015019).