基于遗传算法的冷链物流优化策略研究

王待模

（华北理工大学研究生院，河北 唐山 063210）

现如今，随着国民经济的加速发展，物流领域发展得越来越快，而冷链物流作为物流业的一个重要分支，也得到了迅猛的发展。冷链物流为人们的生活带来便利的同时，自身也有很多问题亟待解决。与其他发达国家相比，我国的冷链物流设备不够完善，发展速度缓慢，导致在行业中仍处于初阶段位。冷链物流在进行配送的过程中，不仅需要保证物品的质量，还要保证配送的时效性，同时，在整个配送过程中，全程的低温冷藏导致高能量的消耗和二氧化碳的高排放量。这就使得冷链物流成为一个能源消耗大、碳排放多的领域。

冷链物流担负着国家民生工程的时代艰巨使命，冷链物流在配送的过程中，需要尽可能地做到成本优化，在保证商品的质量的基础上，优化整个冷链物流配送链条的科学性、合理性、高效性目标，推进冷链物流产业可持续发展。

1 冷链物流路径研究现状

在互联网发展迅速的大背景下，李晓晨[1]考虑将互联网技术有效地融入冷链物流，更加合理地安排冷链物流的运输，使运输质量更加有保障，有效地招揽更多的顾客，扩大运输范围，使得整个物流链更加完整、有效率，进而提高冷链物流的经济效益。在“双循环”的大背景下，陈勇等人[2]以农产品冷链物流为研究对象，提出在内循环下，可以利用国家颁布的一些好政策、大量落实“新基建”项目、利用供给侧改革抓住时机来实现升级；在外循环下，通过利用自贸区和跨境生鲜电商来实现升级。

为了降低碳排放量，刘志硕等人[3]建议在冷链运输领域应用电动汽车，以建立客户的软时间窗需求，从而形成了具有柔性时窗的冷链电动汽车路径优选问题的整数线性规划模式。高英腾等人[4]通过考察市区内车速和对备选路线的影响，给出了蚁群和Dijkstra 混合的计算，同时考虑了多个成本因素，并以总成本的最低为目标函数，结果证明这种混合算法可缩短应对路况所需时间，可根据交通实时路况合理规划路径。

唐聪等人[5]也将客户满意度纳入考虑，具有最少费用限制的时间窗口限制，结果表明，此模型和算法可以有效地降低成本、提高客户满意度。

通过上述对国内文献的回顾与整理，可以发现冷链物流领域的研究已经较为成熟，多位学者将客户满意度纳入考虑之中，建立带有时间窗的模型。本文在考虑客户满意度、货损成本、碳排放量等多种因素的基础上，研究通过遗传算法来优化冷链物流路径的方案。

2 遗传算法

2.1 基础知识

在自然生物进化论的启发下，约翰霍兰等人创立了基因算法，在生物学上，染色体通过“适者生存”的方式，不断地淘汰弱小的群体，使其不断进化，最终实现整体的最佳。因为遗传算法的本质就是对染色体进行平行处理，对基因进行持续的遗传变异，是一种高效、快捷的全局搜索方法。

2.2 算法设计

2.2.1 种群初始化

人口初始化与特定问题相关。例如，有n 个决定变量{x1，x2，xn}。每一个决策变量都有一个值区间：下限{L1、L2、Ln}、上边界{U1、U2、Un}，在决策变量的数值区间中，群体中的个人初始化是随机产生各决策变量的数值：X={x1，x2，...，xn}，其中xi属于范围(Li，Ui)内。所有的个体即构成种群。当每个个体都初始化后，即种群完成初始化。

2.2.2 编码与解码

由于问题空间的参数，是没有办法被用遗传算法直接处理的，必须要用遗传空间中的染色体或个体，来对问题空间进行解码。因此，正确地选取基因编码方法会对遗传算法的效果产生很大的影响。

2.2.3 适应度函数

适应性函数是一种对自然适应能力的定量指标，它的数值大小直接影响着个体的生存状况，通常，适应性越强，解决问题的质量也就越高。

2.2.4 判断算法是否收敛

如果迭代次数超过Tmax，则算法结束，如果迭代次数超过Tmax，则循环迭代。另外，当平均适应值函数在一定时期内趋于平稳时，该方法会收敛。

总之，使用者通过不断地进行遗传变异，从中选出具有最大容量的配对。然而，由于基因变异的限制，系统的容量在局部最优，因此，必须将随机选择与确定性选择相结合，以求出最优的生存规律，避免系统匹配陷入局部最优。

2.3 本章小结

综上所述，遗传算法能够具有全局搜索与优化搜索的能力，对搜索方向的目标函数和对应的适应性函数进行处理，从而为复杂系统问题的解决提供了一种通用的解决方案。

3 冷链物流的优化模型的考虑因素

冷链物流路径优化模型以一般路径问题(Vehicle Routing Problem，VRP)为基础。该问题是指车辆通过物流中心或者仓库开始出发，通过不同路线运输途径多个客户，然后开始进行装卸货，之后到达下一个目的地，最终返回物流中心。同时在配送过程中，车辆运输必须满足其相关的约束条件和限定目标。而路径目标主要包括距离最短、用车最少、顾客满意度最高和费用最小等。

路径应用原理模型是一个典型的分层次结构模型，这样，在涉及顶层设计时，会考虑不同方面的因素来对全链路成本进行优化。结合冷链物流配送过程，在整个过程中所涉及的时间成本、温度成本、货损成本、运输成本之总和为最低。

3.1 时间窗成本因素

在物流运输配送的过程中，需要在客户所支持的时间内完成配送任务。如果出现早到，则会增加物流车辆等待成本，如果履约不及时则会出现顾客等待时间，由此降低顾客体验度，增加时间窗成本。从整个冷链物流配送流程来看，时间窗成本是衡量冷链物流配送水平的关键要素。

3.2 货损成本因素

冷链物流运输过程中，冷藏品或者医药品等易损品因为其对运输环境具有相当高的要求，因此极易在运输过程中出现腐烂、变质等问题，同时货运中货物与货物碰撞也容易造成货运损害，货损成本与冷链物流运输的道路情况、温度、湿度、时间等因素强相关。

3.3 温度成本因素

对于特定的一些产品，如农副产品以及医药产品，只有在合适的温度以及湿度下，才能确保其品质无异常。由此冷链运输过程中，需要通过制冷器以及其他雾化设备对温度和湿度进行控制，由此抑制微生物的侵袭、霉变等状况。

3.4 运输成本因素

从物流公司的角度出发，其路径的选取必须基于高效、快捷的目标，即是最短路径。但由于交通网络相对复杂，而且道路状况也存在着一定的随机性，由于不同路径的物流量问题，因此实际的出行者在决定路径时，也会依据实际情况进行路径的修正。

3.5 本章小结

本章总结了在冷链物流成本优化模型下所需要考虑的四个因素，同时四个因素的主次地位，对于成本影响也有所不同，对于服务水平要求高的产品类，时间窗成本属于主导因素，对于长距离运输的产品，则运输成本以及货损成本占据主要因素。所以最终建立模型后还要根据实际情况，调整各项因素的权重比例，最终完成对物流路线的规划以及链路成本的优化。

4 冷链物流成本优化模型的建立

冷链物流配送成本的优化分为四个部分：运输成本，时间窗成本，货损成本，温度成本。通过对整个物流配送中的几个成本计算，以及相关约束条件，在符合实际情况下，能够得到整体冷链物流的最终成本，即得到最优化的物流配送线路。

4.1 模型假设

为了方便模型的建立和计算，同时由于现实问题过于复杂，因此需要提出以下假设：

1.最终送货地点已知，包括地理位置以及货物种类以及需求量、配送时间。

2.每个送货地仅需要一辆车服务一次，各个温层需求量总和小于配送车辆的最大载重量。

3.车辆型号规格相同，同时磨损程度相同，耗油程度相同，折旧速度相同。

4.车辆起点为物流配送中心，完成配送任务后均需要返回配送中心。

4.2 符号说明

N=0,1,2,...,m：配送中心与门店集合；0 是配送中心，1,...,m 代表各个配送点；K=1,2,...,n：代表所有车辆之集；H=1,2,3：代表商品所处于常温，冷藏，冷冻三种不同的温层；qih为客户点i对h类货物的需求数量；Qhk是指车辆k装载第h类货物的装载数量。

4.3 模型的建立

4.3.1 时间窗成本

对于物流物流域送货而言，如上文所述，考虑到商品的时效性以及连续性，所以对配送时间的要求比较高，若提前到达配送点，由于装卸货不及时，则会对物流运输车辆产生等待成本；而如果延迟到货，则会让顾客进行等待，减少顾客满意度，增加了机会成本。

上式中，a表示单位时间产生的等待成本；[Ei-Li]表示可接受的时间窗；Ph表示单位货物的价值；λ表示商品滞销的时间系数；为车辆到达门店i的时间。

4.3.2 货损成本

货物货损成本来源于在运输过程中会因为路途的颠簸产生碰撞，或者因运输长时间存放造成部分货物损失（尤其是农副产品以及其他食品），以及运输过程中车辆的故障等。其中m表示单位运输距离的货损比例，C2表示单位货物价值。

4.3.3 温度成本

配送车辆的温度成本主要为制冷成本，制冷成本与制冷剂价格、制冷器耗电量、制冷温度、冷冻区内外温差、制冷体积以及物品的热传导系数有关系。

4.3.4 运输成本

运输成本包括固定成本与可变成本，其中固定成本有人员费用、车辆折损与维修费等，可变成本主要跟运输距离相关。由此，fk用表示固定费用，C单位运输距离的运输成本，xijk为节点间的距离。

根据以上因素考虑，最终物流成本优化的最终目标函数为：

4.4 本章小结

在构建好成本最优模型后，通过遗传算法，利用例如MATLAB 等数学软件可以找到具体问题最优解，即找到冷链物流运输的最优路径，通过该最优路径能够得到最终全链路成本的最优解即最小值，完成目标需求。

5 结语及展望

综上所述，考虑到物流行业的全局要求，冷链物流的全链路优化是必不可少的。本文中，作者建立起冷链物流运输成本优化模型，同时提出通过遗传算法能够将模型进行求解，最终得到冷链物流配送的最优路径，由此达到整体冷链物流成本的最优解。通过研究，帮助我们在建立当下冷链物流系统中，实现效能最大化和利润最大化的要求。

在当下的经济社会建设中，我们期待把冷链运输进行系统化、高级化，从而达到可持续化的经济建设。正因如此，对于物流产业来说，建设一个可持续的发展体系就迫在眉睫。通过深入研究，并运用以上本文的这些技术思想方法，将能够进一步优化、调整一些商业实体的物流配送网络，落地一种合理的物流配送产业，帮助商业组织创造最佳的效益，从而促进现代化的发展进程。