考虑动态需求的多车型应急物资配送优化研究.pdf

第23卷第2期2023年6月0引言近年来公共卫生事件和自然灾害频繁发生，例如新冠疫情1、河南的洪灾等，对我国的经济和民生造成重大影响。突发事件发生后，由于其需求的不确定性，决策者必须决定如何快速有效地对紧急救援物资进行最优配送，使得配送时间最短、成本最低，如何选择合适的路径提高物资配送效率是应急决策者面临的重大问题。关于应急物资配送路径优化的研究有：大多数考虑满足需求、降低成本、缩短时间2-4；物资单周期调度问题5；Wang Y等6提出应急物资多阶段动态调度模型，采用物资绝对短缺量化公平；Hu C等7考虑需求和旅行时间不确定；Hernandez等8基于需求的随机不确定性，构建了规划和实施两阶段模型；张聆晔等9考虑海陆协同调度构建两阶段应考虑动态需求的多车型应急物资配送优化研究曹庆奎1,2，张茜茜1，任向阳1（1.河北工程大学，河北 邯郸 056038；2.廊坊师范学院，河北 廊坊 065000）【摘要】为了及时、高效地开展紧急救援工作，提高应急物资配送效率，考虑到应急物资需求的动态变化和人们心理感知的影响，通过将配送时间窗划分为若干持续时间相同的时域，将动态需求问题转化为静态需求问题，分别构建了以运输成本与惩罚成本之和最小、人们的痛苦效应最低为目标的初始阶段和实时优化阶段的多车型运输动态应急物资配送优化模型。将人工鱼群算法和蚁群算法结合，并在蚁群算法中设置动态分组机制。最后，通过算例仿真验证模型的可行性。结果表明，模型能够有效地减少配送车辆数、增加有效装载率、降低运输成本，并能够缓解人们心理的痛苦感知，为决策者提供决策依据。【关键词】应急物资；配送路径；动态需求；多车型；痛苦心理Research on Multi-Type Emergency Material Distribution Path Optimizationof Multi-Terminal Emergency MaterialsCao Qingkui1,2,Zhang Xixi1,Ren Xiangyang1(1.Hebei University of Engineering,Handan 056038,China;2.Langfang Normal University,Langfang 065000,China)【Abstract】This paper is dedicated to research on how to provide timely and efficient emergency relief work to enhance theefficiency in distribution of the emergency supplies.Account on the dynamic changes in emergency demands and the impactof peoples psychological perceptions,by dividing the distribution time window into several time domains with the same dura-tion,the paper converts dynamic demands problems into static demands problems.Initial stage and real-time optimizationmodels for multi-model transportation were constructed,aiming at minimizing transportation cost and penalty cost sum andthe lowest pain effect of people respectively.Combining artificial fish colony and ant colony algorithms,and setting up dy-namic grouping mechanism in the ant colony algorithm.Finally,the feasibility study is validated with simulation cases.Theresults show the model is effective to reduce the number in distribution vehicles,increase the effective loading rate,reducetransportation costs,and alleviate the psychological perception of pain,providing a basis for decision makers.【Keywords】emergency materials;delivery route;dynamic demand;multiple models;painful psychology中图分类号F252文献标识码A文章编号1674-3229（2023）02-0065-06收稿日期2023-03-07基金项目国家自然科学基金（61375003）；河北省教育厅人文社会科学研究重大项目（ZD202105）作者简介曹庆奎（1963-），男，博士，教授，硕士生导师，研究方向：物流与供应链管理。2023年6月第23卷第2期廊坊师范学院学报（自然科学版）Journal of Langfang Normal University（Natural Science Edition）Jun.2023Vol.23 No.265廊坊师范学院学报（自然科学版）2023年6月第23卷第2期急物资动态优化调度模型；和媛媛等10考虑多品种应急物资多批次合车运输，建立多救助点、多疫区和多物资种类的配送模型；胡晓伟等11建立应急物资动态分配模型以加权需求满足率最大化、车辆行驶路程最短为目标。考虑心理感知的研究有:叶春明等12考虑各疫区疫情严重程度、疫区人民恐慌心理效用等因素，建立分配模型；李艳等13对患者恐慌心理进行量化，构建多周期分配模型；宋英华等14考虑不同人员主体的心理效应；朱莉等15考虑两种典型的物资分配策略，实现灾后物资有效分配和路径优化。通过上述文献发现，应急物资配送大多考虑的是需求满足率和时效性原则，对于人们心理感知考虑较少。考虑人们心理感知的研究集中在应急物资分配，而对于突发公共卫生事件下的应急物资配送路径优化研究比较少见。基于以上的分析本文建立了考虑动态需求和人们心理感知的多车型应急物资配送优化模型，为应急物资配送决策者提供更多可行性的方案。问题描述和模型的基本假设1.1问题描述配送中心拥有不同型号的车辆，车辆按计划从配送中心开始，依次完成配送，最后回到配送中心。在配送过程中，需求不是一成不变的，当有新的需求出现时，车辆路线规划没有考虑动态需求情况，因此必须更新车辆路线以满足新需求。为防止更新频率过高，首先将应急配送中心的配送时间划分为多个相同时长的时间段，以处理每个时间段结束后出现在当前时间段内的动态客户。1.2模型的基本假设（1）车辆最后回到配送中心；（2）每个受灾点由一辆车进行物资配送；（3）车辆到达需求点立刻可以对其进行服务，无等待时间；（4）各类应急物资可混装，但不同种类的应急物资之间没有替代效应；（5）不考虑车辆速度因天气和交通堵塞影响的情况；（6）车辆从配送中心出发时，车载率为100%。2模型构建对符号定义如下：gi：受灾点i的应急物资需求量；dij：受灾点i到受灾点j的距离；ti：车辆到达受灾点i的时间；si：配送车辆在受灾点i处的服务时间；vk：车型为k的车辆运输的速度；ck1：第k种车型车辆的固定成本；ck2：运输每公里第k种车型车辆的费用；ei：受灾点i的左时间窗；li：受灾点i的右时间窗；p1：配送车辆超载的单位惩罚成本；p2：违反时间窗限制的单位处罚成本；Qk：车辆的最大载重量；m：配送中心的车辆数；k：配送中心的车型数；T0：整个救援活动结束时间；pi：受灾点i分配的应急物资的数量；Xijkm：01变量，表示车型为k的车辆m从受灾点i到受灾点j；wijkm：表示第k种车型的车辆m从受灾点i处到受灾点j处的实际运输量；1、2、3：心理效应的重要程度。2.1初始模型minZ1=i=1nj=1nk=1km=1mck1Xijkm+i=1nj=1nk=1km=1mck2dijXijkm+P1k=1km=1mmax()i=1mgiyikm-Qk,0+P2k=1km=1mmax()tmi-li,0（1）minZ2=1k=1Ki=1nm=1MM1ikm+2k=1Ki=1nm=1MM2ikm+3iIM3i（2）k=1km=1myimk=1（3）j=0nXijmk=yimk（4）i=0nXijkm=yimk（5）66第23卷第2期2023年6月j=0nXi0km=i=0nX0jkm（6）tmili（7）tjmk=timk+si+dijvk（8）w0jkm=X0jkmQkk=1,2,k;m=1,2,m（9）M1ikm=Xikma(ti-li)u（10）M2ikm=()gi-XikmaT0u（11）M3i=Gigi-minGigi（12）Gi=gi-pi（13）1+2+3=1,01、2、3pkij()t,f（30）pkij=ijijjNkiijij,jNki0,jNki（31）ij=1dij（32）3.3自适应信息素扩散机制构建路径时，当跟踪蚂蚁从受灾点i到j时，信息素被释放到边（i，j）和受灾点i上，并以受灾点i为圆心，以dij为半径向外扩散。将当前最优解用3-opt进行优化得到最优解，3-opt算法基本流程如下：（1）随机生成一条初始路线T;（2）在路线T上任意选取三个点断开，构成三条有起始和结束的路线；（3）任意切换三条路线的起始与结束点，构成一条新路线T；（4）比较T和T，留下较优路径；（5）重复（3）和（4），直至全部交换的可能都已完成。3.4算法描述改进的蚁群算法流程如图1所示。图1改进的蚁群算法流程4算例仿真4.1算例说明假设某区域有一个配送中心，其坐标为（27，48），突发事件发生后，有地区应急物资短缺，需要实时配送满足需求点的配送需求，初始受灾点信息如表 1 所示。调配中心的车辆相关参数如表 2 所示。调配中心共有3辆载重为1500kg的车，5辆载重为2000kg的车，车辆7点从调配中心出发开始配送；算法中的参数设置如表3所示；参照文献 16 设置心理痛苦效应的参数a1=0.846、u1=1.761，利用MATLAB根据前文设计的算法对模型进行求解。表1初始受灾点信息序号012345678910111213X2719252733154436142633273018Y4853456358286735439362302514需求物资量/kg0580435680390600565745550570800450730365右时间窗10 008 008 4010 008 509 408 059 108 459 459 4010 008 009 00停留时间/min01592082014231618251022768第23卷第2期2023年6月1415301570265205858 109 301619表2车辆参数车型厢式货车厢式货车载重量（kg）15002000固定使用费用（元/辆）316400空载燃油消耗（元/公里）1.52载重燃油消耗（元/公里）3.53.9表3算法中的参数设置参数调配中心车辆总数（辆）配送车辆的速度（km/h）违反容量约束的处罚成本（元/kg）违反时间窗约束的处罚成本（元/min）重要度系数1,2,3信息素重要程度因子启发函数重要程度因子数值83010101/313分组的临界点M最大迭代次数0.7200新的需求信息如表4所示。初始配送模型具体配送路线如表5所示，配送方案如图2所示。表4新出现的需求信息序号1617181920X4339263240Y4560607854需求物资/kg700900550680750右时间窗10:0012:0010:009:0011:30停留时间/min2120152323表5具体的配送路线编号12345678车辆规格1500kg1500kg1500kg2000kg2000kg2000kg2000kg2000kg路线0-2-15-13-0000-4-6-10-00-14-9-3-00-7-12-11-00-1-8-5-00有效装载率92.33%0087.75%88.5%96.25%86.5%0固定使用费用（元）316004004004004000燃油成本（元）254.4500207.40353.21200.09250.070处罚成本（元）000011.3179.500Z200000.5373.7200表6实时配送阶段具体路线编号12354678车辆规格1500kg1500kg1500kg2000kg2000kg2000kg2000kg2000kg路线0-2-15-13-00-16-20-000-14-19-10-00-4-6-17-00-7-12-11-00-1-8-5-00-3-9-18-0有效装载率92.33%96.67%0100%92.75%96.25%86.50%90.00%固定使用费用（元）3163160400400400400400燃油成本（元）254.45155.360211.74200.63200.09250.07351.23处罚成本（元）00000179.500Z20000073.7200曹庆奎等：考虑动态需求的多车型应急物资配送优化研究69廊坊师范学院学报（自然科学版）2023年6月第23卷第2期图2初始配送方案实时配送模型的具体配送路线如表6所示，配送方案如图3所示。图3实时配送方案4.2结果分析（1）本文的模型可以快速处理动态需求，其中载重量 1500kg的车辆为新增受灾点 16、20配送物资，有效装载率为96.67%，载重量2000kg的车辆为受灾点3、9、18配送物资，有效装载率为90%。（2）本文的模型在有效装载率上有所提高。装载量为2000kg的车辆2的有效装载率提高了11.5%；同装载量的车辆1，有效装载率提高了5%。（3）动态需求路径方案和实际配送方案对比，如表7所示。两阶段配送方案从使用车辆数、运输和惩罚成本以及灾民的心里痛苦上都比原始的配送方案效果好。表7方案对比指标使用车辆数目标函数Z1目标函数Z2两阶段配送方案7辆4435.07元73.72实际配送方案8辆4916.86元75.5优化效果（%）12.5%9.8%2.4%5结论本文考虑突发事件的不确定性、配送中心拥有多种不同型号的车辆以及人们心理感知等特点进行研究。构建初始阶段配送模型和实时优化阶段配送模型，对配送路径进行优化。（1）考虑应急物资需求不确定的特点，为了快速响应受灾点的需求，通过关键时间点将动态需求转化为静态问题进行优化，求解得出新的配送路径方案。（2）综合考虑配送成本和人们的痛苦心理，建立多车型应急物资两阶段配送模型。（3）利用本文的算法求解，证明模型的可行性；同时，该算法在求解过程中容易陷入局部优化和缓慢收敛的问题得到了较好的解决。（4）通过对比，本文的两阶段优化模型能够快速响应受灾点的动态需求，提高车辆的有效装载率，缓解人们的痛苦感知，为决策者规划配送路径提供不同的理论依据。参考文献1 Deng S，Peng H.Characteristics of and Public Health Responses to the Coronavirus Disease 2019 Outbreak in China J.Journal of Clinical Medicine，2020，9（2）:575-575.2王妍妍，孙佰清.多受灾点应急物资动态多阶段分配模型研究 J.中国管理科学，2019，27（10）:138-147.3宋英华，葛艳，杜丽敬，等.考虑车辆等待的应急物资调配方案优化研究 J.控制与决策，2019，34（10）:2229-2236.4王莉，周鲜成，赵志学，等.应急车辆分配与应急物资配送的集成决策 J.中南大学学报（自然科学版），2018，49（11）:2766-2775.5Xiong X，Zhao F，Wang Y，et al.Research on the Model andAlgorithm for Multimodal Distribution of Emergency Supplies after Earthquake in the Perspective of FairnessJ.Mathematical Problems in Engineering，2019，2019:1-12.6 Wang Y，Sun B.A Multiobjective Allocation Model forEmergency Resources That Balance Efficiency and FairnessJ.Mathematical Problems in Engineering，2018，2018:1-8.7 Hu C，Lu J，Liu X，et al.Robust vehicle routing problemwith hard time windows under demand and travel time uncertaintyJ.Computers&Operations Research，2018，94（6）:139-153.8 Hernandez F，Gendreau M，Jabali O，et al.A local branching matheuristic for the multi-vehicle routing problemwith stochastic demands J.Journal of Heuristics，2019，25（2）:215-245.（下转第87页）70第23卷第2期2023年6月境下，企业家精神不是口号，而是各种创新、风险性活动及不同层次战略层面的有机集合体，并通过不断培育企业自身技术、市场动态能力，将企业家精神由无形的竞争能力转化为实际的绩效成果，达到企业创新绩效的提升，促进企业发展。企业家在推动区域创新发展的过程中具有关键作用。良好的经济发展环境、资金支持等依赖于企业家的整合。根据现实供求条件和政策环境进行资源整合和价值创造本质上就是创新创业。4.2政策启示企业家个人特质对区域创新创业具有重要意义。从企业家精神的三个分维度看，企业家对创新的态度源于政府减少对经济的行政干预，稳定的政策及良好的营商环境是保障。降低政府对经济的微观干预可以有效释放企业家能力，对企业家的创新具有重要意义。完善激发企业家精神的制度环境。首先要着力保护产权，良好和稳定的预期是企业家精神产生的基础，而稳定预期的形成取决于对知识产权的保护。其次要充分尊重和保障企业家的经营自主权，使企业家不断发挥作用。最后要着力营造良好的营商环境，构建公平的竞争环境。参考文献1白少君，崔萌筱，耿紫珍.创新与企业家精神研究文献综述 J.科技进步与对策，2014，31（23）:178-182.2封笑笑，杨哲.区域创新环境影响创新能力的理论与实证探究 J.税务与经济，2017（2）:30-34.3唐宜红，俞峰，王晓燕.全球知识搜索与企业创新:东道国选择之困 J.科研管理，2019（4）:213-221.常艺瓅等：企业家精神与企业创新基于2008-2011年中国高科技企业年度调查数据9 张聆晔，吕靖，梁孝，等.考虑多事故点的海上重大事故应急物资优化调度 J.系统工程，2021，39（4）:103-114.10和媛媛，姜盼松，温禄兴，等.权衡公平-经济-效率的多品种防疫物资配送策略J.工业工程与管理，2021，26（6）:146-153.11胡晓伟，宋浪，杨滨毓，等.重大突发公共卫生事件下城市应急医疗物资优化调度研究 J.中国公路学报，2020，33（11）:55-64.12叶春明，赵洁.恐慌心理下基于改进鲸鱼算法的疫情应急物资分配研究 J.工业工程与管理，2023，28（1）：120-130.13李艳，叶春明，任剑锋，等.疫情环境下考虑患者恐慌心理的多周期应急医疗物资分配问题研究 J.安全与环境学报，2021，21（4）:1643-1651.（上接第70页）87