本文是一篇物流論文,本文研究了考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的無(wú)人機(jī)路徑優(yōu)化模型。首先對(duì)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)根據(jù)層次分析法定義其優(yōu)先級(jí)。在疫情期間,運(yùn)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)接觸配送,降低傳染風(fēng)險(xiǎn)。
第1章緒論
1.1研究背景
近日,我國(guó)冷鏈物流領(lǐng)域第一份《“十四五”發(fā)展規(guī)劃》[1]發(fā)布,建設(shè)冷鏈物流運(yùn)行體系、服務(wù)體系、監(jiān)管體系、支撐體系4個(gè)體系。聚焦“最先一公里”和“最后一公里”,補(bǔ)齊兩端冷鏈物流設(shè)施短板。隨著疫情等各種不確定因素的發(fā)生,對(duì)“最后一公里”有著更加嚴(yán)苛的要求,該如何利用冷鏈物流運(yùn)行體系中收集到的數(shù)據(jù)對(duì)資源進(jìn)行優(yōu)先級(jí)的調(diào)度,從而科學(xué)的規(guī)劃路徑成為物流領(lǐng)域的焦點(diǎn)。
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們生活水平不斷提高,城鄉(xiāng)居民對(duì)冷鏈物品的需求不斷上升。在2015-2020年間,需求量翻了1.5倍;冷鏈物流市場(chǎng)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大,增長(zhǎng)了近1.13倍[2]。其中,冷藏車保有量快速增多,從2015年的9.34萬(wàn)輛上升到2020年28.67萬(wàn)輛,增長(zhǎng)速度為206.1%;冷庫(kù)容量由3740萬(wàn)噸上升到了7080萬(wàn)噸,增長(zhǎng)了1倍多。這些規(guī)模的急速擴(kuò)大,對(duì)冷鏈物流行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提出了更高的要求,對(duì)冷鏈物流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確挖掘也增大了難度。
1.2研究目的及意義
1.2.1研究目的
本文的研究目的主要有兩個(gè)方面:一是構(gòu)建考慮優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)單無(wú)人機(jī)冷鏈配送路徑優(yōu)化模型,為突發(fā)情況下的冷鏈運(yùn)輸提供參考;二是構(gòu)建基于樣本類別不平衡數(shù)據(jù)的物流任務(wù)優(yōu)先級(jí)評(píng)估方法,為準(zhǔn)確而快速的劃分優(yōu)先級(jí)提供依據(jù),減少總成本。
1.考慮優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)單無(wú)人機(jī)冷鏈配送路徑優(yōu)化建模
目前無(wú)人機(jī)受到交通、地理等因素的影響較小,成本也較低,可代替人類承擔(dān)可能危害生命安全的風(fēng)險(xiǎn)。如這次在抗擊冠狀病毒的斗爭(zhēng)中,無(wú)人機(jī)或無(wú)人駕駛飛機(jī)在許多方面發(fā)揮了重要的作用,限制了這一大流行病的傳播[6]。但無(wú)人機(jī)配送存在兩個(gè)問題:(1)無(wú)人機(jī)的飛行里程與運(yùn)載量對(duì)其有著巨大的限制;(2)對(duì)于少類而重要的貨物需要優(yōu)先配送,但遺傳算法的路徑規(guī)劃是按照距離來(lái)確定。為解決以上問題本文引進(jìn)無(wú)人機(jī)冷鏈車輛協(xié)同配送,冷鏈車輛給無(wú)人機(jī)充當(dāng)臨時(shí)停靠點(diǎn),負(fù)責(zé)給無(wú)人機(jī)充電及貨物裝載等工作。無(wú)人機(jī)根據(jù)目標(biāo)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)按照先后順序進(jìn)行配送,如果超過(guò)規(guī)定時(shí)間配送會(huì)增加優(yōu)先級(jí)成本,優(yōu)先級(jí)高的目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)成本高,優(yōu)先級(jí)低的目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)成本低。其次,對(duì)遺傳算法進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)更為有效的路徑優(yōu)化。考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的無(wú)人機(jī)路徑優(yōu)化模型有利于在突發(fā)情況中合理規(guī)劃路徑,減少損失,降低冷鏈物流的總成本。
2.基于樣本類別不平衡數(shù)據(jù)的物流任務(wù)優(yōu)先級(jí)評(píng)估方法
在情況危急的突發(fā)事件中,由于物資匱乏或者交通不便無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成冷鏈物資的及時(shí)輸送,需要把有限的物資按照供需方的數(shù)據(jù)指標(biāo)劃分目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)。本文僅考慮二分類目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的劃分,通常在目標(biāo)任務(wù)中,優(yōu)先級(jí)高的為少類數(shù)據(jù),優(yōu)先級(jí)低的為多類數(shù)據(jù)。當(dāng)目標(biāo)任務(wù)較少時(shí),我們利用層次分析法即可得出優(yōu)先級(jí);當(dāng)目標(biāo)任務(wù)較多時(shí),以層次分析法為基礎(chǔ)得出少部分的目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí),隨后考慮運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行二分類預(yù)測(cè),構(gòu)建基于物流樣本類別不平衡數(shù)據(jù)處理的分類預(yù)測(cè)模型,準(zhǔn)確進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分,減少時(shí)間成本。
第2章文獻(xiàn)綜述及相關(guān)理論
2.1文獻(xiàn)綜述
2.1.1優(yōu)先級(jí)問題及樣本類別不平衡數(shù)據(jù)處理研究
1.配送目標(biāo)任務(wù)中的優(yōu)先級(jí)問題
由于供需比例存在一定差距,優(yōu)先級(jí)問題已廣泛應(yīng)用于配送目標(biāo)任務(wù)中。如客戶優(yōu)先級(jí),應(yīng)急物資的配送優(yōu)先級(jí)以及人體器官移植的受體和供體的全國(guó)分配上。為提高客戶滿意度,降低配送成本。張力婭[7]等人在外賣的配送中建立了考慮客戶優(yōu)先級(jí)、帶時(shí)間窗的多目標(biāo)取貨車輛路徑模型。Shah和Jalal[8]等人介紹了一種利用無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析電子商務(wù)產(chǎn)品顧客評(píng)價(jià)的方法,在商業(yè)領(lǐng)域利用客戶數(shù)據(jù)信息進(jìn)行客戶優(yōu)先級(jí)的確定,從而進(jìn)行配送的優(yōu)先級(jí)確定。在應(yīng)急物資的配送優(yōu)先級(jí)確定上,Zhu和Gong[9]等人提出了緊急救援路線的優(yōu)化需要考慮公平和優(yōu)先性問題。在損傷程度相同和不同的情況下建立了兩個(gè)不同的模型,將相對(duì)剝奪成本作為強(qiáng)調(diào)公平的決策目標(biāo)之一,并以救援過(guò)程中可承受的痛苦時(shí)間作為一種時(shí)間窗口約束來(lái)突出救援優(yōu)先級(jí)。由于物資屬性的不同,對(duì)于醫(yī)療用品配送的優(yōu)先級(jí)確定更多考慮的是運(yùn)輸工具選擇及模型的優(yōu)化上。Eichleay[10]等人描述了將無(wú)人機(jī)集成到復(fù)雜衛(wèi)生系統(tǒng)的挑戰(zhàn),并提出了一種工具,用于考慮無(wú)人機(jī)是否可以幫助解決醫(yī)療運(yùn)輸挑戰(zhàn),以及如何將其集成到衛(wèi)生系統(tǒng)。在人體器官移植的方面,供需比例為1:30,要充分考慮到倫理方面的優(yōu)先級(jí),其優(yōu)先級(jí)確定的分配任務(wù)難度高于其他優(yōu)先級(jí)的確定。在《中國(guó)人體器官分配與共享基本原則和核心政策》[11]中,為人體器官移植等待者進(jìn)行緊急度評(píng)分,對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在滿足移植要求的人中,兒童的緊急度評(píng)分高于其他人。由此可見,依據(jù)不同指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分優(yōu)先級(jí)極其重要。
2.2相關(guān)理論
本節(jié)介紹冷鏈物流,車輛路徑問題以及樣本類別不平衡數(shù)據(jù)的相關(guān)理論,為后續(xù)行文做準(zhǔn)備。
2.2.1冷鏈物流
1.冷鏈物流概念
隨著制冷技術(shù)和運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,冷鏈物品在人們的生活中有著越來(lái)越重要的作用。冷鏈物流不但給人們的生活帶來(lái)了幸福感,促進(jìn)飲食的多元化,還大大提高了我國(guó)的醫(yī)療衛(wèi)生水平,實(shí)現(xiàn)了冷鏈醫(yī)療藥品的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。在2021年的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《物流術(shù)語(yǔ)》中指出冷鏈物流是為了保持食品新鮮的品質(zhì)或其他產(chǎn)品(醫(yī)藥等)的效能以及減少運(yùn)輸損耗,在供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)貨物始終保持一定溫度的一種物流運(yùn)輸活動(dòng)[61]。冷鏈物流運(yùn)輸?shù)奈锲钒宿r(nóng)產(chǎn)品、生活產(chǎn)品、加工產(chǎn)品、特殊產(chǎn)品等,具體如圖2.1所示。
2.醫(yī)療藥品冷鏈物流
醫(yī)療藥品冷鏈物流是指某部分藥品對(duì)環(huán)境溫度具有一定的要求,為了滿足醫(yī)療藥品質(zhì)量的情況下,運(yùn)用專業(yè)的冷鏈設(shè)備、物流體系、供應(yīng)鏈體系,將藥品在全物流環(huán)節(jié)中保持低溫的狀態(tài)[62]。
醫(yī)療冷鏈藥品與其他冷鏈物流有著較大的區(qū)別,對(duì)溫度、時(shí)間、配送資質(zhì)及費(fèi)用有著很高的要求。
車輛路徑問題(VRP)是指:在確定數(shù)量的目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)中,各個(gè)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)具有不同的需求量,由配送中心向各個(gè)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)配送,選擇合適的路徑使得目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)的需求被滿足并能在約束條件下達(dá)到效率最好[63]。解決車輛路徑問題需要滿足以下幾個(gè)基本條件[64]:(1)配送路徑上目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)的貨物需求總量不超過(guò)單次運(yùn)輸工具的額定載貨量;(2)配送路徑上各目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)的總長(zhǎng)度不超過(guò)單次運(yùn)輸工具行駛的最大距離;(3)一個(gè)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)由一輛運(yùn)輸工具完成配送。
第3章考慮優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)單無(wú)人機(jī)冷鏈配送路徑優(yōu)化建模...............................21
3.1多任務(wù)單無(wú)人機(jī)路徑優(yōu)化基礎(chǔ)模型..................................21
3.1.1問題描述..................................22
3.1.2成本分析及符號(hào)說(shuō)明...............................23
第4章基于樣本類別不平衡數(shù)據(jù)的物流任務(wù)優(yōu)先級(jí)評(píng)估方法...............................37
4.1物流目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)指標(biāo)建立.......................................37
4.1.1運(yùn)送貨物供給側(cè)的相關(guān)指標(biāo)...................................37
4.1.2冷鏈物流目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)的相關(guān)指標(biāo)............................37
第5章冷鏈物流案例分析................................57
5.1冷鏈物流案例背景...................................57
5.2冷鏈物流目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)評(píng)估...............................58
第5章冷鏈物流案例分析
5.1冷鏈物流案例背景
本文以給WH市的16個(gè)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)運(yùn)送疫苗為例,1-16代表各個(gè)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)的位置編號(hào)。假設(shè)疫苗供給充足,但是對(duì)時(shí)間要求較高,無(wú)人機(jī)每次配送的最大距離30km,各目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)之間的具體位置如下圖所示。
第6章結(jié)論與展望
6.1研究結(jié)論與管理啟示
6.1.1研究結(jié)論
雖然我國(guó)的冷鏈物流發(fā)展取得了一定的成就,但是還存在著一定的弊端:由于實(shí)際生活中存在著疫情等突發(fā)情況,對(duì)冷鏈物流中的配送路徑優(yōu)化存在著巨大的挑戰(zhàn);其次在數(shù)據(jù)挖掘角度雖然獲得了大量的冷鏈物流數(shù)據(jù),但是對(duì)數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用還存在著巨大的不足。
在此背景下,本文主要對(duì)冷鏈物流運(yùn)輸中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析及后續(xù)的配送路徑優(yōu)化應(yīng)用。以冷鏈車輛為臨時(shí)停靠點(diǎn),無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)接觸的配送為前提。首先根據(jù)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)利用層次分析法評(píng)估出各個(gè)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)的優(yōu)先等級(jí),再考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的冷鏈物流路徑優(yōu)化模型。當(dāng)目標(biāo)任務(wù)較多時(shí)也可在大數(shù)據(jù)中利用HSUD模型對(duì)不平衡的冷鏈物流數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的二分類預(yù)測(cè),評(píng)估每項(xiàng)數(shù)據(jù)的優(yōu)先度等級(jí),以便進(jìn)行后續(xù)的配送及路徑優(yōu)化工作。最后利用HSUD模型還能對(duì)冷鏈物流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,有利于決策者對(duì)預(yù)測(cè)的結(jié)果提前關(guān)注及預(yù)警,減少在物流環(huán)節(jié)的成本損失??偟膰@物流數(shù)據(jù)分析目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)以及根據(jù)結(jié)果展開后續(xù)的物流環(huán)節(jié)這兩個(gè)方面展開對(duì)應(yīng)研究,并得出相應(yīng)的結(jié)論與啟示。本文研究結(jié)論主要有以下幾點(diǎn):
1.本文研究了考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的無(wú)人機(jī)路徑優(yōu)化模型。首先對(duì)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)根據(jù)層次分析法定義其優(yōu)先級(jí)。在疫情期間,運(yùn)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)接觸配送,降低傳染風(fēng)險(xiǎn)。以冷鏈物流無(wú)人機(jī)路徑優(yōu)化模型的總成本最低為目標(biāo),考慮了目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)成本,冷鏈車輛及無(wú)人機(jī)固定成本、冷鏈物流運(yùn)輸中的懲罰成本以及運(yùn)輸成本四個(gè)部分。對(duì)于配送路徑優(yōu)化,設(shè)計(jì)K-means算法和遺傳算法相結(jié)合的路徑優(yōu)化模型。在考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ)上,根據(jù)各個(gè)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)的距離確定最優(yōu)的臨時(shí)冷鏈車輛??奎c(diǎn)位置及個(gè)數(shù),為無(wú)人機(jī)進(jìn)行配送路徑優(yōu)化。在第5章的案例分析中,對(duì)1、2、3個(gè)臨時(shí)??奎c(diǎn)對(duì)比了成本,當(dāng)設(shè)定3個(gè)臨時(shí)??奎c(diǎn)時(shí),降低了總成本。減少了配送時(shí)間,提升了服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)也對(duì)有無(wú)考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的成本進(jìn)行了對(duì)比,考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)與運(yùn)輸成本會(huì)有一定的矛盾性,但是在配送應(yīng)急的冷鏈藥品時(shí),考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級(jí)成本會(huì)降低許多隱藏的成本。
2.在大數(shù)據(jù)時(shí)代,冷鏈物流數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用對(duì)物流行業(yè)的發(fā)展也起著促進(jìn)作用。對(duì)少量數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)劃分具有可實(shí)現(xiàn)性,但是在大數(shù)據(jù)中利用人工對(duì)目標(biāo)任務(wù)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分有著巨大的困難。由于資源的有限性,以二分類不平衡數(shù)據(jù)為例,通常優(yōu)先級(jí)高的目標(biāo)任務(wù)都是少類數(shù)據(jù),但是對(duì)于通用的分類預(yù)測(cè)模型不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出少類數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)將SMOTE算法與均勻設(shè)計(jì)模型相結(jié)合,解決了SMOTE算法中少類數(shù)據(jù)與多類數(shù)據(jù)的采樣參數(shù)設(shè)定,為其提供了分類預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確的不平衡數(shù)據(jù)分類模型。運(yùn)用該模型同時(shí)也能在大數(shù)據(jù)中選擇出影響結(jié)果的特征,可降低物流企業(yè)在運(yùn)輸過(guò)程中的檢測(cè)成本。在鮑魚的結(jié)果分類預(yù)測(cè)案例分析中,應(yīng)用本模型與原不平衡數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,證明了本模型對(duì)分類預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性,不但為物流企業(yè)提供更智能的分類預(yù)測(cè)模型,而且在配送等路徑規(guī)劃的問題上,根據(jù)分類預(yù)測(cè)結(jié)果得到每個(gè)目標(biāo)任務(wù)的優(yōu)先級(jí),在考慮優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更為合理科學(xué)的路徑優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)(略)
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