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考虑货物特性的多车型商超配送车辆路径优化模型及算法

魏杰 曹菁菁 张抒扬

魏杰, 曹菁菁, 张抒扬. 考虑货物特性的多车型商超配送车辆路径优化模型及算法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(3): 100-111. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.010
引用本文: 魏杰, 曹菁菁, 张抒扬. 考虑货物特性的多车型商超配送车辆路径优化模型及算法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(3): 100-111. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.010
WEI Jie, CAO Jingjing, ZHANG Shuyang. An Optimization Model and Algorithm for Heterogeneous Vehicle Routing Problem of Supermarket Distribution Considering the Characteristics of Goods[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(3): 100-111. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.010
Citation: WEI Jie, CAO Jingjing, ZHANG Shuyang. An Optimization Model and Algorithm for Heterogeneous Vehicle Routing Problem of Supermarket Distribution Considering the Characteristics of Goods[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(3): 100-111. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.010

考虑货物特性的多车型商超配送车辆路径优化模型及算法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.010
基金项目: 

湖北省重点研发计划项目 2023BAB076

详细信息
    作者简介:

    魏杰(2000—),博士研究生. 研究方向:物流与供应链管理. E-mail: wjjj@hust.edu.cn

    通讯作者:

    曹菁菁(1984—),博士,副教授. 研究方向:深度强化学习与决策优化算法. E-mail: bettycao@whut.edu.cn

  • 中图分类号: F224

An Optimization Model and Algorithm for Heterogeneous Vehicle Routing Problem of Supermarket Distribution Considering the Characteristics of Goods

  • 摘要: 为解决商超配送业务中因多货物特性和道路限行政策导致的车辆路径规划方案优化程度不足、货物特性与运输车型匹配精准度欠佳及配送成本高的问题,研究了考虑货物特性的多车型带时间窗车辆路径问题。考虑了货物对车型的特殊要求、道路限行、运输过程中车辆油耗变化等因素,引入货物特性参数并融合货物特性与配送车辆车型的匹配关系约束,构建该问题的整数规划模型。为求解该问题,对免疫遗传算法改进,设计基于货物和时间窗的路径分割和车型选择的解编码策略;结合变邻域下降思想,引入多种变异算子提高算法局部搜索能力;加入次优解保留机制,提高种群多样性。以北京市某物流公司商超配送计划优化为例,利用提出的改进免疫遗传算法进行求解;与改进的混合粒子群优化算法、遗传算法和免疫遗传算法对比,成本分别降低了2.24%、3.03%和4.82%,所用车辆数分别减少1、1和2;当算例规模扩大后,本文提出的算法得到的配送方案的配送成本相较于对比算法分别降低0.35%、15.99%和16.14%,所用车辆数分别减少1、3和2。对变异算子组合进行分析,实验发现:引入的3-opt算子和move算子能够提升算法性能,且不同的算子组合能呈现出不同的效果,因此在实际应用中,需要根据企业的实际需求选定变异算子的组合。

     

  • 图  1  货物分类图

    Figure  1.  Classification of goods and customers

    图  2  HVRPTWCCG问题示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of HVRPTWCCG

    图  3  考虑多种因素的路径分割示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of path segmentation considering multiple factors

    图  4  swap算子操作示意图

    Figure  4.  Swap operation

    图  5  2-opt算子操作示意图

    Figure  5.  2-opt operation

    图  6  2-h-opt算子示意图

    Figure  6.  2-h-opt operation

    图  7  基于变邻域下降思想的变异操作流程图

    Figure  7.  flowchart for VND-based mutation

    图  8  IGA_VND流程图

    Figure  8.  flowchart for IGA_VND

    图  9  客户点分布图

    Figure  9.  Customer map

    图  10  3-opt算子示意图

    Figure  10.  3-opt operation

    图  11  move算子示意图

    Figure  11.  Move operation

    表  1  模型符号及变量定义

    Table  1.   Model symbols and variable definitions

    符号类别 符号 定义
    集合 K 配送过程使用的车辆集合
    M 配送中心的所有车型的集合
    Ms 配送中心特殊车型集合MsM
    参数 B 无穷大的数
    cm 车型m的固定发车成本
    cf 柴油单价
    dij 客户i/配送中心到客户j/配送中心的距离
    ej 客户j时间窗开始时间
    lj 客户j时间窗结束时间
    atjkm 车型m车辆k到达客户j的时间
    tijkm 车型m车辆k从客户i到客户j的行驶时间
    stikm 客户i的平均等待时长
    utim 客户i的卸货时长
    Fijkm 车型m车辆k从客户i行驶到客户j的油耗量
    pi 客户i的货物体积
    qi 客户i的货物重量
    Qkm 车型m车辆k的额定载重
    Vkm 车型m车辆k的额定容积
    vkm 车型m车辆k行驶速度
    vu 卸货速率
    yi (0-1特征值)客户i的货物是特殊货物则为1,否则为0
    ξm 车型m的点位费
    ζm 燃料与空气质量比
    κm 柴油热量值
    ψm 转换系数
    μm 发动机摩擦因子
    Nem 发动机转速
    Vm 发动机排量
    ρ 空气密度
    Arm 车辆迎风面
    g 重力加速度
    mem 车辆自重
    ϕ 道路角度
    Cd 空气阻力系数
    Cr 滚动抵抗系数
    εm 车辆传动系效率
    ϖm 柴油机效率系数
    决策变量 xijkm 决策变量(0-1变量)车型m车辆k从客户i/配送中心行驶到客户j/配送中心
    zikms 决策变量(0-1变量)客户i的货物由车型ms车辆k装运
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    表  2  生物免疫系统、AIS与本文所研究问题的对应关系

    Table  2.   The relationship between the algorithms of biological immune system, AIS and the problems studied

    生物免疫系统 人工免疫系统算法 本文所研究问题
    抗原 优化目标 目标函数
    抗体 可行解 车辆行驶路径
    亲和度 可行解的目标值 车辆行驶总成本
    免疫处理 抗体细胞的选择、克隆、变异 对路径进行选择、复制和邻域搜索
    克隆抑制 选择更好的可行解 选择更好的车辆路径
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    表  3  车辆相关参数

    Table  3.   Parameters of vehicle

    参数及符号 车型
    1 2 3 4 5
    燃料与空气质量比ζ 1 1 1 1 1
    柴油热量值κ/(kJ/g) 44 44 44 44 44
    转换系数ψ/(g/L) 737 737 737 737 737
    发动机摩擦因子μ 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
    发动机转速Ne/ (rps) 53 53 53 43 38
    发动机排量V/(L) 2 2 2.5 3.8 4.5
    空气密度ρ/(kg/m3) 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2
    车辆迎风面Ar/(m2) 3.24 4.16 6.79 7.77 9.82
    重力加速度g/(m × s-2) 9.8 9.8 9.8 9.8 9.8
    车辆自重me/(kg) 2 510 2 164 2 995 4 350 8 275
    道路角度ϕ/(°) 0 0 0 0 0
    空气阻力系数Cd 0.7 0.7 0.7 0.7 0.7
    滚动抵抗系数Cr 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
    车辆传动系效率ε 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
    柴油机效率系数ϖ 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9
    车辆额定载重Qkm/kg 2 000 3 000 6 000 10 000 13 000
    车辆额定容积Vkm/m3 4 6 15 17 30
    固定发车成本cm/元 350 350 450 550 650
    点位费/元 50 50 100 110 140
    是否为特殊车辆
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    表  4  IGA_VND相关参数设置

    Table  4.   The related parameter setting of IGA_VND

    antiNum cloneNum iterMax a/% Pa Pc
    100 10 1 000 50 0.01 0.2
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    表  5  实验结果表

    Table  5.   Experiment results

    实验编号 总成本/元 求解时间/s 车辆使用数量
    1 4 961.30 77.15 6.00
    2 4 990.52 68.57 6.00
    3 4 972.65 62.27 6.00
    4 4 821.82 62.44 5.00
    5 4 976.69 71.24 6.00
    6 5 001.86 80.38 6.00
    7 4 954.78 79.72 6.00
    8 4 990.52 63.23 6.00
    9 4 976.69 61.99 6.00
    10 4 961.30 62.28 6.00
    平均 4 960.81 68.93 5.90
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    表  6  配送路径及所用车型

    Table  6.   Distribution routes and the vehicle type

    车型 路径
    5 0-15-20-11-0
    3 0-5-6-16-3-0
    3 0-13-14-12-0
    3 0-4-2-8-7-9-0
    5 0-18-19-10-17-1-0
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    表  7  不同算法实验结果对比

    Table  7.   Experimental results of comparison algorithms

    统计量 IGA_VND HPSO GA IGA
    油耗成本/元 1 591.82 1 452.09 1 492.65 1 425.80
    出车成本/元 2 650 2 900 2 900.00 3 050.00
    总点位费/元 580.00 580.00 580.00 590.00
    使用车辆数/辆 5 6 6 7
    特种车辆数/辆 3 4 4 6
    总成本 4 821.82 4 932.09 4 972.65 5 065.80
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    表  8  扩大规模算例下实验结果对比

    Table  8.   Comparison of experimental results for the extension scale of instance

    统计量 IGA_VND HPSO GA IGA
    油耗成本/元 1 426.08 1 194.28 1 469.16 1 620.70
    出车成本/元 3 100.00 3 350.00 3 950.00 3 800.00
    总点位费/元 640.00 640.00 730.00 740.00
    使用车辆数/辆 6 7 9 8
    特种车辆数/辆 3 4 7 5
    总成本 5 166.08 5 184.28 6 149.16 6 160.70
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    表  9  不同变异算子组合实验结果比较

    Table  9.   Comparison of experimental results of different mutation operators

    实验组号 算子 油耗成本 出车成本 总点位费 使用车辆数 特种车辆数 总成本
    1 swap,2-opt,3-opt 1 538.22 2 650.00 580.00 5 3 4 768.22
    2 swap,2-opt,move 1 520.35 2 650.00 580.00 5 3 4 750.35
    3 swap,3-opt,move 1 525.60 2 650.00 540.00 5 2 4 715.60
    4 2-opt,3-opt,move 1 536.94 2 650.00 540.00 5 2 4 726.94
    5 2-h-opt,3-opt,move 1 512.24 2 650.00 540.00 5 2 4 702.24
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  • 收稿日期:  2024-07-13
  • 网络出版日期:  2025-10-11

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