考虑碳排放的医药冷链物流配送路径优化.pdf

第 卷第 期 年 月 西安文理学院学报(自然科学版)()文章编号:()考虑碳排放的医药冷链物流配送路径优化陈支武刘佳星(湖南工业大学 商学院湖南 株洲)摘 要:为了实现医药物流配送成本最小化并实现绿色医药.对考虑了固定成本、运输成本、能耗成本、时间窗惩罚成本和碳排放成本的医药冷链物流建立路径优化模型采用改进遗传算法进行求解在遗传算法的基础上引入禁忌搜索算法并结合实际进行算例分析.结果表明改进遗传算法比基本遗传算法求解更有效考虑碳排放成本的模型比未考虑碳排放成本的模型求解更有效.关键词:绿色医药冷链改进遗传算法碳税成本中图分类号:文献标志码:():.:年 月 日国家工信部等九部门联合印发的“十四五”医药工业发展规划特别提到要促进全产业链绿色低碳发展构建绿色产业体系提高绿色制造水平实施医药工业的碳减排行动.现阶段全球变暖和温室气体排放是本世纪全世界面临的巨大挑战.而货运物流被认为是温室气体排放的主要贡献者之一.有研究表明路径优化可以减少冷链物流中能源消耗和环境污染.而现在较少有文献对考虑碳排放成本的医药冷链路径优化问题展开研究为了实现绿色低碳配送以及降低配送成本和保证收稿日期:基金项目:湖南省社会科学基金项目()作者简介:陈支武()男湖南永州人湖南工业大学商学院教授硕士生导师主要从事战略管理技术创新研究.通讯作者:刘佳星()女湖南常德人湖南工业大学商学院硕士研究生主要从事企业供应链与管理研究.运输安全本文建立了考虑碳排放的多目标的医药冷链物流模型并进行了算例分析.问题描述及假设本文研究一个拥有 辆低温冷藏车的配送中心向 位客户配送冷链药品的路径优化问题.在考虑绿色物流和医药冷链时效性的情况下对传统的车辆路径优化问题增加了时间窗惩罚成本及碳税成本.问题的假设如下:()配送中心有足够的冷藏车辆每辆车质量已知冷藏车辆配送过程中能正常运行功率恒定且每辆车功率相同.()配送中心药品存货充足客户需求量、客户位置及配送时间已知.每位客户有且只能被一辆车服务一次.()每辆车从配送中心出发一旦接受指令不接受其他任务指派完成任务后返回配送中心.()每位客户对药品配送的时间都有时间窗要求超过配送时间或早于配送时间都会产生相应的时间窗惩罚成本.数学模型.车辆固定成本医学药品配送的固定成本如车辆的维护成本、折旧成本等.配送中心有 量冷藏车每辆车的固定成本为 则车辆的固定成本 为:()其中 为决策变量 表示车辆 从配送中心出发行驶到客户 否则 为客户数量.车辆运输成本医学药品的运输成本在运输途中可将车辆所消耗的成本近似地看成与车辆行驶里程呈正相关.运输成本 可表示为:()其中 为单位药品单位距离的运输成本 表示从客户 到客户 的运输量 是客户、的间隔距离 为决策变量表示冷藏车 从客户 出发行驶到客户 否则 .运输过程中能耗成本冷藏药品不同于普通药品需要一定的低温储存车辆在配送环节因为制冷而消耗的成本称为能耗成本.文章主要研究两个阶段的能耗成本:第一阶段是运输过程中常温时的能耗(即不启动制冷时的能耗).第二阶段是冷藏车启动制冷时的能耗.()车辆常温运输能耗 ()其中 表示车辆在不制冷情况下每公里的油耗量.()运输过程车辆制冷能耗 冷藏车配送过程中制冷保持低温完成配送任务返回配送中心的过程中停止制冷.制冷能耗分为三个部分:第一部分是从客户 到 的行驶过程中冷藏车制冷能耗(即 阶段的制冷能耗)第二部分是卸货等待能耗(即 阶段的制冷能耗).第三部分是客户 被服务过程中的制冷能耗(即 阶段的制冷能耗).()()其中 是车载发电机燃油消耗率 是车载制冷设备功率 表示客户 到客户 之间所花费的时间第 期陈支武等.考虑碳排放的医药冷链物流配送路径优化为硬时间窗 中要求药品最早到达的时间 为车辆 到客户 的时间 是客户 被服务的时间.()运输过程能耗总成本等于车辆常温运输能耗及车辆制冷能耗之和与燃油单价 乘积.()()()().时间窗惩罚成本每位客户都设有相应可接受服务的时间范围若超过一定的时间范围则产生一定的时间窗惩罚成本.根据客户的满意度可以将时间窗分为硬时间窗、软时间窗和混合时间窗.硬时间窗要求药品必须在规定时间内到达不允许提前或延迟.软时间窗则可以接受货物在规定时间外到达但需接受惩罚.()()()()()为早到或晚到所产生的损失成本系数函数可表示为:()()其中 为硬时间窗 中要求药品最晚到达的时间 表示客户 由车辆 服务 表示软时间窗分别表示客户可接受的最早和最晚药品到达的时间 表示早于要求时间到达的惩罚成本 表示晚于要求时间到达的惩罚成本.碳税成本碳排放成本碳税价格 碳排放量碳排放量总能耗()二氧化碳排放系数()则碳税成本为:()()()()其中 是碳税价格 是二氧化碳排放系数.优化模型设置通过对固定成本、运输成本、配送过程燃油成本、时间窗惩罚成本和碳税成本分析建立的模型如下:()()()()()()()约束条件:()()()西安文理学院学报(自然科学版)第 卷 ()()()()其中 是冷藏车最大容载货量 表示单次最大运输量 表示单次最小运输量式()为目标函数最小化的总成本式()和()表示配送中心指派的冷藏车辆数不超过 每位客户只能由一辆车服务一次式()表示 位客户都接受服务式()表示每辆冷藏车接受指派任务完成后立即返回配送中心式()表示 位客户的需求量小于等于配送车辆 的最大容载货量式()表示 位客户服务时间点的连贯性式()表示车辆的运货量大于最小运输量且小于最大运输量.改进遗传算法设计遗传算法由 教授提出它是一类模拟生物界进化论的自然选择和遗传学激励的经典启发式算法模型.牟乃夏、周鲜成等指出遗传算法搜索效率高搜索过程灵活具有自适应、自学习特性不轻易落入局部最优的陷阱.但是一定程度上缺乏局部搜索能力易陷入早熟收敛.遗传禁忌混合算法可以确保种群的多样性避免了算法的早熟.该种算法也便于解决复杂的大规模优化问题.本文运用了基于遗传禁忌混合策略的多目标优化算法.在该算法中利用遗传算法中的交叉算子与禁忌搜索算法相结合.禁忌搜索程序应用于遗传算法生成的每个个体以便对遗传算法结果进行改进优化.遗传禁忌混合搜索算法的步骤如下:步骤 初始化群体给定遗传算法的初始参数即种群数、迭代数、种群数量、交叉、变异概率等步骤 计算个体适应度判断是否达到迭代次数步骤 利用选择算子进行选择步骤 进行交叉运算步骤.对于每一个染色体随机生成一个数如果这个数大于交叉概率则这个染色体被选中否则没有被选中步骤.对于被选中的染色体为父代染色体进行交叉产生两个子代染色体步骤.以父代的平均适配值作为渴望水平以染色体的适配值作为禁忌对象禁忌表具有一定的长度步骤.如果子代染色体的适配值大于渴望水平则不论子代染色体是否被禁忌那么都将子代染色体加入到新代中否则进入下一步步骤.如果子代染色体没有被禁忌则将子代染色体加入到下一代更新禁忌表否则选择最好的父代染色体进入到下一代中步骤 进行变异操作步骤 返回步骤 继续进行遗传操作.流程图见图.图 遗传禁忌混合搜索算法流程图第 期陈支武等.考虑碳排放的医药冷链物流配送路径优化.染色体编码文章采用自然编码的方式表示解 表示配送中心 表示 位客户比如()表示两辆车完成配送任务.第一辆车的运输路径为:第二辆车的运输路径为:.适应度函数 适应度越高的个体生存下来的空间越大对环境适应度高的个体参与繁殖的机会比较多后代就会越来越多.适应度指的是求解的目标若设种群数为 个体 的适应度为 用公式表示则为:则每个个体被选中的概率为:.选择选择是在一定比例的种群中选取较优秀的个体组成新一代种群的操作适应度越高的个体越容易被选择.文章采用锦标赛选择和精英保留相结合策略.在锦标赛选择中首先从种群中随机地、有放回地选择一定数量的个体然后在这些个体中选出适应度值最高的一个个体作为生成下一代的亲代.交叉采用部分随机交叉.见图 从父代 中随机地将/数量的基因遗传给子代同样的基因位置上然后按照父代 的顺序将子代缺少的/基因值随机赋予剩下的空基因位置.图 交叉算子示意图.变异对交叉操作以后形成的种群以小概率进行变异操作.一般过程为:从种群中任意选择某个个体以某个概率对个体染色体编码的某个位置上的字符进行变异操作由此得到变异后的个体.算法求解.算例描述设有一个配送中心和 位客户配送中心拥有 台载重量为 的同一型号的冷藏配送车辆.每位客户的需求量、服务时长、服务时间窗等变量参数见表.设每辆冷藏车的固定成本 为 元/次车辆行驶速度为 /车辆在不制冷的情况下燃油消耗量为./单位货物单位运输成本为 元/卸货时间等待时间.制冷功率为 车载发电机燃油消耗率为 /燃油价格为 元/早到惩罚系数为 元/晚到惩罚系数为 元/碳税价格.元/二氧化碳排放系数./.西安文理学院学报(自然科学版)第 卷表 客户点的各项参数编号横坐标/纵坐标/需求量/服务时间/硬时间窗软时间窗:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.遗传算法与改进算法对比分析本文设置未加禁忌搜索的遗传算法(改进前)与加入禁忌搜索的遗传算法(改进后)对模型分别进行对比求解.设置种群规模为 选择概率为.交叉概率为.变异概率为.最大的迭代次数为 禁忌长度为.通过算例分析结果见表.表 两种算法考虑碳排放成本的配送成本比较车辆编号基本遗传算法/元遗传禁忌搜索算法(改进)/元车辆固定成本 运输成本.能耗成本.时间窗惩罚成本.碳排放成本.总成本.通过对 位客户的多次模拟求解求得稳定值如表 所示.在考虑碳排放成本的前提下在混合时间窗的约束条件下基本遗传算法求得最小的配送总成本为 .元改进遗传算法求得的最小的配送总成本为 .元.与基本遗传算法相比改进遗传算法的配送总成本减少了.各个成本都有所减少尤其是运输成本减少了.由此证明改进后的遗传算法在解决医药配送路径优化问题上有一定优势.为了更好地对比算法利用 编程用 软件绘制出了两种算法迭代图(图).图 考虑碳排放成本的两种算法对比迭代示意图第 期陈支武等.考虑碳排放的医药冷链物流配送路径优化从图 中可以看出改进遗传算法求解出的配送成本更低所以路径更优(图)且与传统遗传算法相比改进遗传算法能更快收敛到全局最优.综上所述改进遗传算法求解出的配送成本更低.图 两种算法的成本优化路径图.考虑碳排放成本与未考虑碳排放成本算例分析为了验证考虑碳排放成本能否进一步平衡其他成本对未考虑碳排放成本和考虑碳排放成本分别用改进遗传算法进行求解结果见表.目标 为未考虑碳排放成本时求得的其他成本目标 为考虑碳排放成本时求得的各成本.表 考虑碳排放成本与未考虑碳排放成本结果分析目标固定成本/元运输成本/元能耗成本/元惩罚成本/元碳排放成本/元总成本/元 .经比较不难发现考虑碳排放成本的路径优于未考虑碳排放成本的路径(图).表 所示在未考虑碳排放成本时配送总成本为 .元.考虑碳排放成本后的配送总成本为 .元若不计碳排放成本.元此时的配送总成本为 .元比未考虑碳排放成本时的配送总成本减少了.除了能耗成本减少了.运输成本和惩罚成本均有所减少.由此可见在考虑碳排放成本后使得算法在寻优时更加均衡燃油成本、运输成本等以达到成本及路径最优.所求结果要优于未考虑碳排放成本时的总成本.图 两种目标的成本优化路径图(下转第 页)西安文理学院学报(自然科学版)第 卷():.():.:.():.():.():.():.?.():.:.():.():.():.():.责任编辑 马云彤(上接第 页)结语文章以医药冷链物流的路径优化为研究对象综合考虑医药产品特征和时效性、配送中的时间窗惩罚成本及碳税成本等因素建立以总成本最小为目标的配送路径优化模型.求解过程中引入了更具局部搜索能力的禁忌搜索算法.算例分析表明改进的遗传算法更有实用价值并且引入碳税成本对于优化医药冷链物流配送路径更具经济性.参 考 文 献 .:():.():.陶帝豪刘蓉雷勇杰等.基于绿色供应链的冷链物流配送路径优化.工业工程():.李云娜.基于客户时间满意度的医药物流车辆调度研究.沈阳:东北大学.:.:.牟乃夏徐玉静李洁等.遗传禁忌搜索算法收敛性和时间复杂度分析.河南理工大学学报(自然科学版)():.周鲜成周开军王莉等.物流配送中的绿色车辆路径模型与求解算法研究综述.系统工程理论与实践():.竺长安齐继阳曾议.基于遗传禁忌混合搜索算法的设备布局研究.系统工程与电子技术():.责任编辑 张蓉珍第 期郭凤婷等.基于 的国际篮球运动研究热点聚焦及启示