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《复旦大学》 2004年
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车辆路线问题的二阶段启发式算法及其在现代物流配送中的应用

戴锡  
【摘要】:车辆路线问题是管理科学的一个重要研究课题,其优化技术是现代物流配送 的一项关键技术。本文对车辆路线问题,以带时间窗的车辆路线问题(VRPTW) 为研究对象提出一种二阶段启发式算法,并设计一种结合路线编辑、算法调整及 系统改进的人机交互优化模式;最后对现代物流系统的配送路线问题进行研究。 车辆路线问题研究总成本最小的车辆路线,在合适的时间以合适的方式将正 确的货物运送到正确的地点。物流配送则要求在正确的时间以正确的方式将正确 的货物送到正确的地方。车辆路线问题在物流配送中有着广泛的应用背景。 在各种车辆路线问题中,一个基本问题是带时间窗口的车辆路线问题 (VRPTW)。其主要内容是:以成本最小的目标安排多辆车有序地前往配量给定 的各配送点而构成的配送路线,其中每辆车必须从同一车站出发并最后返回车 站,每个配送点只能安排一个车次在限定的时间窗内配送,且每一条配送路线不 得超过车辆的装载容量和车辆的最后返回时间;如果车辆提前到达配送点,则需 要等待,直到在时间窗内才能配送。 VRPTW 问题属于 NP-难问题,其算法通常采用了从初始状态出发进行邻域 搜索的启发式算法。其中,邻域搜索被定义为以边的替换,或者点的交换或重新 定位等为基本操作的搜索。为了使解不过早地陷入局部最优,现代启发式算法引 入了禁忌搜索、遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等技术。 本文以 VRPTW 问题为研究对象,提出一种二阶段启发式算法。主要内容有: 1)提出一种新的边替换搜索方法。即在搜索的一次操作中替换多条路线的 多条边。其中,限制参与边替换的路线条数、每条路线的被替换边数,以及被替 换边选自解的一个边子集。其特点是:在边子集中可以考虑所有替换组合;如果 选取所有路线的所有边考察其替换选择,则这种搜索方法便是一种穷举优化法。 2)提出一种新的点重新定位搜索方法。即在搜索的一次操作中选取多条路 线的多个点,根据最小成本插入法进行重新定位。其中,限制参与点重新定位的 路线条数、每条路线的被重新定位的点数,以及被重新定位的点选自一个点子集。 3)应用扫除法原理设计 VRPTW 问题的路线构造算法。算法考虑了车辆和 WP=4 点的优先级配送,并在出现运力不足时用虚拟车辆填补运力缺口。 4)在以上创新性研究的基础上,提出一种二阶段启发式算法。本文应用这 种算法,并采用小邻域搜索的参数设置,对国际上公认的标准测试问题进行计算 试验。结果显示:应用以上两种搜索方法对初始解有显著改进;将计算试验获得 的解与目前世界上公认的最好启发式解相比较,一部分解达到最好启发式解,少 部分解的总路长低于最好启发式解的总路长,其它解则接近最好解。 这种算法的特点适合人机交互优化。通过人机交互,应用这种算法能够进一 步获得更好的解。 车辆路线问题是一类非常复杂的优化问题。在配送决策系统中,采用人机交 互的方式求解车辆路线问题是非常必要的。本文提出了一种结合路线编辑、算法 调整及系统改进的人机交互优化模式。其中,通过点的人工重新定位,进行路线 的编辑;通过路线或点的锁定,限制系统改进的搜索邻域;通过各种启发式方法 的取舍及其参数设置,调整系统改进的算法。采用这种模式,不但可弥补启发式 算法的不足,提高算法的搜索效率,而且可在突发情况下人工参与决策。 最后,本文对现代物流系统的配送路线问题,做了以下研究: 1)在不同配送环境不同配送要求下,对 VRPTW 问题的推广进行启发式方 法的研究。这些推广包括:多车型、多货舱、多品种、混合装卸、多时间窗、拆 分配送、分优先级配送、临时增减配送、跨区域配送、流量分配、运输管制、交 通约束、有限运力、有限库存/库容、工作量平衡以及成本的广义定义。 2)研究配送路线决策系统与 GIS 系统以及物流信息系统的数据交换。 3)研究油品配送、零售配送和快递配送的配送路线问题。它们分别属于散 装品配送、包装品配送和带时间目标的配送。其中,在油品配送中主要研究了宽 时间窗的启发式方法;在零售配送中分析了多仓库配送;而在快递配送中重点研 究了快件收取的车辆路线问题,其中提出三个路线决策准则,并进行模拟试验研 究。
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