基于遗传算法的生鲜农产品冷链物流网络优化问题研究

舒旭丽

（宁波职业技术学院，浙江 宁波 315800）

1 引言

我国是世界上农业较为发达的国家之一，但是近几年国内农业发展呈现出滞后现象，农产品在流通过程中普遍存在着效率低和成本高等问题，尤其是生鲜农产品，在组织物流过程中存在的问题尤为严重。从生鲜农产品供需关系角度来看，生鲜农产品的生产和消费存在着地域性限制，供给和需求之间存在着较大的不同步性和矛盾性；而从供应链管理角度来看，生鲜农产品的运输和存储的时间性要求增大了生鲜农产品的物流组织难度，由于缺乏行业标准规范和制度约束，生鲜农产品在物流过程中损失较大，容易导致产品污染、变质等问题发生，因此，有必要针对生鲜农产品冷链物流配送问题进行深入研究，从物流基础设施的规划布局到生鲜农产品冷链运输以及仓储配送环节，实施科学合理的管理和规划对于提高冷链物流服务水平、降低冷链物流成本具有重要的现实意义。

2 基于冷链物流的生鲜农产品物流网络规划

2.1 生鲜农产品物流网络规划

所谓物流网络规划，主要是指对于现有的物流网络系统或者设计筹建的物流网络系统所进行的人为的能动有序的设计和计划，使物流网络系统能够以较高的效率和服务水平进行一系列物流活动。生鲜农产品物流由于其流通渠道较为复杂、中间环节众多以及物流成本之间所存在的效益背反现象，使生鲜农产品物流组织难度相对于一般物流而言要更大，因此有必要对生鲜农产品物流实施全面的系统规划和布局，最终降低物流运作总体成本，实现效率的最大化。

生鲜农产品物流网络规划主要涉及到数据收集、模型构建和物流网络设计三个环节。鉴于生鲜农产品具有季节性和地域性等特点，且一般寿命周期较短，在进行生鲜农产品物流规划时，除了需要对流通渠道进行结构设计外，还必须对冷链系统和物流系统进行有效的结合，因此，生鲜农产品的物流规划问题即是在保证生鲜农产品品质的要求下，使整个物流过程达到效率最高和成本最低的目的。从对国内生鲜农产品物流流程进行分析的结果来看，对于生鲜农产品的物流网络规划主要集中在确定物流集散点和采购点并合理布局等问题上，在实现各网络节点之间高效配送的情况下，形成能够高效服务产供销一体化的高效物流链和流通渠道。

2.2 生鲜农产品冷链物流环节

和一般物流网络相比，生鲜农产品物流网络主要包括农产品产地、预冷站以及生鲜农产品配送中心几个部分，其中农产品产地主要包括农产品生产基地和散户两部分。预冷站的主要功能是在运输环节之前为生鲜农产品提供预冷或冷藏服务，一般在系统中可单独设立，对于生鲜农产品的集散主要通过批发市场进行，在此以配送中心代替批发市场的功能，农产品产地、预冷站和生鲜农产品配送中心三个部分共同构成了一个三级的冷链物流网络。基于冷链物流的农产品物流主体网络结构如图1所示。

图1 基于冷链物流的农产品物流主体网络结构示意图

3 基于冷链的生鲜农产品物流网络规划模型构建

根据对生鲜农产品物流流程和环节的分析，对不同的生鲜农产品的预冷方式和冷藏运输方式等要求各不相同，在此为了简化问题，主要针对水产品、蔬菜、肉类和水果等部分具有共性的农产品，均采取产地预冷、运输过程中冷藏的方式进行设计，冷链物流网络主要包括产地、预冷站和配送中心三个层次。在构建网络规划模型时，主要问题为确定物流网络中预冷站和生鲜农产品配送中心的最优布局以及数量，并以网络系统运行总成本最小为目标。

3.1 模型基本假设

为了简化求解过程，首先需对问题做适当假设，具体如下：

（1）模型以使用现有生鲜农产品配送中心为背景，不考虑中心建设成本，即在备选生鲜农产品配送中心中选择确定最佳的中心数量和位置；

（2）不考虑农产品产地的产量供给弹性；

（3）农产品的各个供给主体供货率不同，且每日供货量不大，每日供货不直接运至生鲜农产品配送中心；

（4）多数生鲜农产品的生产主体所在地距各备选预冷站距离均较短，不考虑农产品由产地运至预冷站的短途运输费用；

（5）假设以一个季度作为系统规划的考察周期和成本核算周期；

（6）各预冷站容量有限，从采购开始至组织货物长途运输中间的时间间隔较短，通过调查，一般集中采购周期为7天。

3.2 模型参数说明

（1）i—产品产地，i∈I；（2）j—预冷站，j∈J；（3）k—生鲜产品配送中心，k∈K；（4）L—产品产地数量；（5）M—备选预冷站数量；（6）N—备选生鲜农产品配送中心数量；（7）—生鲜替换配送中心k所产生的每月租赁费用；（8）—生鲜农产品配送中心k的单位库存费用；（9）—生鲜农产品配送中心k的进货、拣货等相关作业费用；（10）—产品产地i的平均每天供应量；（11）—预冷站j对生鲜农产品的单位处理费用；（12）—预冷站j处理生鲜农产品的最大处理能力；（13）Qk—生鲜农产品配送中心k能够容纳产品的最大容量；（14）dij—产品产地i距离预冷站j之间的运输里程；（15）djk—预冷站j距离生鲜农产品配送中心k之间的运输里程；（16）D(i,j)max—由产品产地i至预冷站j所允许的最大运输里程；（17）D(j,k)max—由预冷站j至生鲜农产品配送中心k所允许的最大运输里程；（18）Cjk—从预冷站j运输至生鲜农产品配送中心k的单位运输费用（元/t·km）；（19）—允许设置的预冷站最小个数；（20）—允许设置的生鲜农产品配送中心最小个数；（21）qij=×Xij—从产品产地i发往预冷站j的运输量；（22）qjk—由预冷站j发往生鲜农产品配送中心k的运输量；（23）Pj—预冷站j从采购至装车的集中采购周期；

3.3 模型构建

目标函数：

约束条件：

3.4 模型遗传算法设计

目前国内专门针对物流网络优化布局的研究并不是很多，解决复杂的物流网络优化问题主要采用非启发式算法对模型进行求解和分析。遗传算法是用于求解复杂系统优化问题的一种有效方法，算法具有较强的鲁棒性，在很多学科和领域都有广泛的应用。遗传算法在解决复杂系统优化问题时主要包括编码、适应度函数构建、选择和交叉算子、变异算子等操作步骤。遗传算法的设计流程如图2所示。

图2 遗传算法设计流程图

针对上述问题所构建的数学模型，遗传算法相关运行参数设计包括：（1）编码长度主要取决于优化问题维数和要求的精度；（2）群体规模一般为50-200个，主要为了平衡运算过程中的收敛速度和进化代数；（3）交叉概率设置在0.4-0.99之间；（4）变异概率一般设置在0.000 1-0.1 之间；（5）算法运行的终止条件一般选取100-1 000的终止代数或者最小阈值。

4 基于遗传算法的生鲜农产品配送中心网络规划实证分析

4.1 背景资料

现假设有农产品产地9 个，可备选的预冷站6 个，可备选的生鲜农产品配送中心3个。已知相关参数见表1和表2。农产品产地和备选预冷站之间、备选预冷站和备选生鲜农产品配送中心之间的最大距离限制分别为15和900。能够租赁的生鲜农产品配送中心最多为2个，需要投入使用的预冷站数量最大为4个，假设在该例中生鲜农产品配送中心和预冷站的最小使用个数为1。

表1 农产品产地到备选预冷站之间的距离以及相关常量

表2 备选预冷站至备选生鲜配送中心的运输距离以及单位运费及常量表

4.2 基于遗传算法的模型求解

本文借助matlab7.0 软件对遗传算法进行实现和辅助求解，算法适应度函数采用编程嵌入来实现。具体步骤如下：

（1）编码。在利用遗传算法对模型求解时，首先第一个步骤即设计良好的染色体，针对上例中的生鲜农产品配送中心选址问题，本文在此采用二进制编码，其染色体描述如图3所示。

图3 染色体描述

如图3所示的染色体描述中，染色体主要反映3个备选生鲜农产品配送中心和6个备选预冷站的信息描述，图3中前半部分为备选生鲜农产品配送中心的选址决策，数字1代表配送中心1被租赁，否则表示不租赁；后半部分从第4位至第21位表示备选的预冷站集中采购周期。

（2）适应度函数设计。将染色体编码作为模型的一个初始解，基于这个初始解构建适应度函数作为评价解集优劣的依据。在应用遗传算法时，通过交叉和变异等操作，针对本例能够得到诸如备选预冷站以及备选生鲜农产品配送中心的开关决策和预冷站的集中采购周期等参数。对于适应度值的计算，针对上述模型特点，本文在此设计两个连续的指派算法对染色体的适应度值进行计算，并将两指派算法嵌入遗传算法中。其中第一个指派算法主要针对预冷站的日供应量进行计算：

在第一个指派模型中，式（12）为目标函数，表示在每个季度内预冷站总共产生的相关费用支出最小；式（13）表示每个产品产地仅指派一个预冷站为其服务；式（14）对投入使用的预冷站的最大和最小数量进行限制；式（15）则确保由每个农产品产地发出的供货均能被接收。

本文设计的第二个指派算法主要作用在于将预冷站和生鲜农产品配送中心相对应，且使系统满足对应约束条件。

其中，式（18）表示长途运输成本和生鲜农产品配送中心租赁成本以及内部作业和其他处理成本之和最小；式（19）表示开放的生鲜农产品配送中心的最大数量和最小数量。其他约束条件在上述总模型中均已限定。

（3）算法相关参数设定。为了确保能够将最优秀的染色体遗传到下一代，算法相关参数设计如下：初始种群规模设定为22，并按照适应度大小将各染色体按大小顺序进行排列；变异概率设定在0-0.1之间，变异形式则由编码和交叉操作规则决定，在此采用标准变异方式，概率设定为0.05，将算法迭代次数设定为30。

4.3 模型运算结果分析

运行遗传算法，通过多次迭代和试验，算法总共运行时间为20min，在上述参数下，借助matlab进行多次求解和运算，得到最优解的平均运行代数为76，最终生成单个季度内的农产品冷链配送网点最优布局见表3。

表3 实证分析模型求解结果

表3的求解结果中，在该季度内生鲜农产品配送中心为编号1和2，被选定的预冷站编码为2和4，括号内的数字表示预冷站的集中采购周期，该方案下能够满足背景资料中对9个产地的供货需求，且总体运行成本最低，该方案下配送中心总体运行成本为1 031 375.4元。

5 结论

本文通过对我国当前生鲜农产品配送中心的物流网络问题进行分析和研究，重点对冷链物流流程中的预冷、长途运输以及配送等环节进行了分析，设计了基于农产品产地、预冷站和生鲜农产品配送中心的三层次物流网络，并构建了非线性整数规划模型对物流网络的优化布局问题进行分析，在9个农产品产地和6个备选的预冷站、3个备选的配送中心所形成的冷链物流网络中，借助遗传算法和matlab软件，对网络规划模型进行了求解分析，最后通过运算得到了使物流网络整体运作成本最低的最优解决方案。

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