考慮電池?fù)p耗的電動冷藏車路徑及充電策略

王嘉月，史 立

上海海事大學(xué) 物流科學(xué)與工程研究院，上海201306

電動汽車具有“零廢氣排放”的優(yōu)點，得到世界各國政府對新能源汽車開發(fā)的推崇[1]。隨著我國國民收入提高，冷鏈物流擁有很大發(fā)展空間，將電動冷藏車用于生鮮產(chǎn)品配送已成為物流發(fā)展趨勢。

電動冷藏車受到電池容量的限制，需在送貨途中前往充電站進(jìn)行充電。現(xiàn)階段充電技術(shù)尚未成熟，嚴(yán)重影響電動冷藏車的續(xù)航里程，進(jìn)而影響運(yùn)營成本。如何科學(xué)有效地規(guī)劃配送路徑，減少充電次數(shù)、降低電池?fù)p耗成為冷鏈物流發(fā)展的研究熱點。胡紀(jì)玲[2]建立了包括固定成本、行駛成本、制冷成本、時間窗成本和貨損成本在內(nèi)的電動冷藏車路徑規(guī)劃模型，并通過改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行了求解。馮杰等[3]將充電成本加入傳統(tǒng)VRP模型目標(biāo)函數(shù)中，建立有軟時間窗約束的生鮮產(chǎn)品純電動冷藏車路徑規(guī)劃模型，采用蟻群算法測試算例證明模型的實用性。

目前研究電動冷藏車VRP問題的文獻(xiàn)較少，可從普通電動汽車路徑問題以及傳統(tǒng)冷藏車配送路徑問題的文獻(xiàn)中尋找研究的方法。Lin等[4]提出了考慮車輛負(fù)載對電池消耗影響的EVRP模型，以最小的行駛時間成本、最小的能源成本和最優(yōu)的電動汽車調(diào)度策略為目標(biāo)，并通過Austin TX案例分析說明車輛負(fù)載對路徑策略的影響。Schneider等[5]提出了帶有時間窗和充電站的電動汽車路徑問題（EVRPTW），同時考慮了車輛的有限運(yùn)載能力以及客戶時間窗約束，并設(shè)計了一種混合啟發(fā)式算法，將變鄰域搜索算法與禁忌搜索啟發(fā)式算法相結(jié)合，對模型進(jìn)行了有效的求解。楊珺等[6]結(jié)合電動汽車換電站選址以及配送路徑問題建立了整數(shù)規(guī)劃模型，并設(shè)計了一種禁忌搜索-改進(jìn)C-W節(jié)約的兩階段啟發(fā)式算法對模型進(jìn)行求解。馮鵬翔[7]在考慮裝載容量等因素基礎(chǔ)上整體規(guī)劃了電動汽車的選址和路徑，以減少建設(shè)配送系統(tǒng)的總成本。郭放等[8]將充電時間和電池?fù)p耗成本納入目標(biāo)函數(shù)并使用多階段啟發(fā)式算法進(jìn)行求解，結(jié)果證明了在配送距離不變或略有增加的情況下，考慮充電時間與深度放電成本的模型可較大幅度減少充電時間與電池?fù)p耗成本，降低企業(yè)運(yùn)營成本。Miroslaw等[9]在保證生鮮產(chǎn)品質(zhì)量以及滿足客戶的送貨服務(wù)時間窗要求的基礎(chǔ)上，將冷藏車車廂溫度控制作為約束條件建立成本最小化的車輛路徑模型。Osvald等[10]將運(yùn)輸過程新鮮蔬菜的易腐性作為構(gòu)建模型的關(guān)鍵因子，采用基于禁忌搜索算法的啟發(fā)式算法對帶有時間窗約束的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解，并利用改進(jìn)的Solomon問題驗證了算法的性能。

綜合來看，電動車路徑優(yōu)化問題研究大多集中于路線長度的最短化，很少將充電對電池造成的損耗納入運(yùn)營成本考慮范圍。文章建立的電動冷藏車路徑優(yōu)化模型與現(xiàn)有研究主要區(qū)別在于將電池?fù)p耗成本加入電動冷藏車的路徑優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中，通過分析不同充電上限情況的各項成本，得到電動冷藏車的最佳充電策略。

1 電動冷藏車配送路徑優(yōu)化模型

電動冷藏車路徑優(yōu)化模型以運(yùn)輸成本、制冷成本、貨損成本、懲罰成本、充電時間成本、電池?fù)p耗成本構(gòu)成的總成本最小為目標(biāo)函數(shù)。

1.1 模型假設(shè)

（1）配送中心配送單一產(chǎn)品，有k輛相同的電動冷藏車，最大載重量和電池容量均已知；

（2）客戶需求都會被滿足且只能由一輛車服務(wù)；

（3）冷藏車從配送中心出發(fā)，最終回到配送中心；

（4）每個客戶有時間窗約束，未在規(guī)定時間內(nèi)送達(dá)會產(chǎn)生相應(yīng)的懲罰費(fèi)用；

（5）配送中心對客戶的需求、位置以及充電站位置已知，車輛從某一點出發(fā)，其下一客戶位置已確定，不會改變；

（6）車廂外環(huán)境溫度變化只對冷凍設(shè)備消耗造成影響，運(yùn)輸過程中冷藏車廂內(nèi)溫度恒定，貨物腐壞只與運(yùn)輸時間有關(guān)；

（7）車輛從配送中心出發(fā)時為滿電狀態(tài)，電量不足可進(jìn)入充電站直接充電；

（8）不考慮交通擁堵情況，配送時間段道路通暢。

1.2 參數(shù)符號

（1）模型集合。

O：配送中心集合，用{}o表示單一配送中心；

L：表示客戶點的集合；

E：充電站集合；

V：所有頂點的集合，V=O?L?E；

D：表示路段的集合；

K：配送車輛集合，配送車輛用k表示，k∈K。

（2）模型涉及的其他相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 參數(shù)說明Table 1 Parameter specification

1.3 數(shù)學(xué)模型

其中公式（1）為目標(biāo)函數(shù)，表示電動冷藏車配送總成本最?。皇剑?）～（7）分別表示運(yùn)輸成本、制冷成本、貨損成本、懲罰成本、充電時間成本、電池?fù)p耗成本，式（7）根據(jù)文獻(xiàn)[11]電池容量衰退成本模型構(gòu)建，以此估計電池?fù)p耗成本；式（8）～（21）為約束條件：式（8）表示每個客戶只能被一輛訪問；公式（9）為車輛約束，提供服務(wù)的電動冷藏車數(shù)量不得超過配送中心車輛總數(shù)；式（10）表示每個節(jié)點到達(dá)的車輛數(shù)和離開該節(jié)點的車輛數(shù)一致；公式（11）表示配送冷藏車只能從配送中心出發(fā)一次且最后回到配送中心；公式（12）表示裝載量不能超過車輛的最大載重量；公式（13）表示裝載量與客戶需求量之間的關(guān)系，冷藏車從客戶點j離開時的載重量等于車輛離開i點時的剩余載重量減去客戶j的需求量；式（14）表明電動冷藏車從配送中心出發(fā)時電量為充滿狀態(tài)；公式（15）表示冷藏車在客戶點服務(wù)期間不消耗電量；式（16）表示車輛行駛里程與耗電量之間的關(guān)系；式（17）確保電動冷藏車有足夠的電量訪問每個節(jié)點；式（18）表示電動冷藏車進(jìn)入充電站可以直接充電，無需排隊等待；式（19）表示如果車輛提前到達(dá)客戶點，則需要等待至客戶要求的開始服務(wù)的時間；式（20）表示冷藏車到達(dá)下一客戶點j的時間為上一客戶點i開始工作的時間、客戶點i的卸貨時間以及車輛從客戶點i到客戶點j的行駛時間三者的總和；式（21）表示如果車輛進(jìn)入充電站充電，則冷藏車到達(dá)下一客戶點j的時間等于車輛到達(dá)充電站的時間加上車輛充滿電的時間以及車輛從充電站到客戶點j的行駛時間；公式（22）和（23）為0-1決策變量。

2 粒子群算法設(shè)計

2.1 算法原理

粒子群算法的基本原理是粒子通過種群中個體之間的信息共享和協(xié)作在解空間搜索最優(yōu)解。陳自郁[12]認(rèn)為粒子群算法的基礎(chǔ)是粒子間的信息共享，有效利用信息是信息共享機(jī)制的核心問題。文章結(jié)合閆雪麗等[13]提出的隨機(jī)歷史全局最優(yōu)與局部最優(yōu)相結(jié)合的粒子群算法（RCHGLBPSO）對模型進(jìn)行求解，通過增加一種粒子共享信息的類型來擴(kuò)大搜索的區(qū)域，防止算法早熟收斂。粒子i隨機(jī)選取互不相同的m（固定的）個粒子作為鄰域子群，通過比較子群中的粒子的適應(yīng)度值，找到鄰域的全局最優(yōu)位置并將其應(yīng)用到位置更新公式中。假設(shè)在D維搜索空間中，有n個粒子組成的種群，其中第i個粒子在D維空間位置為Xi=(xi1,xi2,…,xiD)，表示問題的一個潛在解；第i個粒子的飛行速度為Vi=(vi1,vi2,…,viD)，第i個粒子的個體極值為Pi=(pi1,pi2,…,piD)，種群的群體極值為Pg=粒子速度和位置更新公式如下：

其中，t為迭代次數(shù)；w為慣性權(quán)重；c1和c2是非負(fù)常數(shù)，稱為學(xué)習(xí)因子；r1和r2是分布于[0,1]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)；Pl=(pl1,pl2,…,plD)表示算法運(yùn)行到第t次找到第l個粒子的鄰域最優(yōu)位置賦予歷史全局和鄰域全局信息不同的權(quán)重。

2.2 算法編碼

采用文獻(xiàn)[14]編碼思想，模型中有n個客戶點，為滿足每個客戶由且僅由一輛冷藏車完成服務(wù)的約束，將空間向量分成兩個n維向量，分別用Xv和Xp表示。粒子群算法主要用于解決連續(xù)性優(yōu)化問題，而VRP屬于離散組合問題，在求解VRP問題時，要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在每一次粒子位置和速度更新中，需要進(jìn)行整數(shù)化處理。Xv取()1,k之間的隨機(jī)數(shù)，并向上取整表示客戶服務(wù)的冷藏車編號；Xp取()1,n之間的隨機(jī)數(shù)，將其按從小到大排序即可表示客戶點在各自配送路徑上的服務(wù)次序。

2.3 算法步驟

改進(jìn)粒子群算法步驟如下，流程如圖1所示：

圖1 算法實現(xiàn)流程Fig.1 Algorithm implementation process

（1）設(shè)置種群規(guī)模、最大迭代次數(shù)、鄰居個數(shù)等參數(shù)，鄰居個數(shù)為種群規(guī)模的30%，初始化種群，初始化粒子位置、速度。

（2）將模型中的目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，計算粒子的適應(yīng)度值，尋找個體極值、全局極值、鄰域全局極值，并比較三者的大小。

（3）按公式（24）和（25）對粒子速度和位置更新。

（4）重新計算更新后的粒子的適應(yīng)度值，據(jù)此找尋個體極值、全局極值、鄰域全局極值，同時與上一代粒子極值進(jìn)行比較，判斷是否進(jìn)行粒子位置的更新，并記錄全局最優(yōu)。

（5）判斷算法是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，若達(dá)到，算法終止并輸出最優(yōu)解；否則轉(zhuǎn)步驟（2）繼續(xù)迭代。

3 案例分析

3.1 算法性能分析

利用Rastrgrin函數(shù)、Griewankan函數(shù)驗證改進(jìn)粒子群算法的有效性，對改進(jìn)前后算法均仿真15次。圖2、圖3Rastrgrin函數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法找到局部最優(yōu)值，而改進(jìn)后算法均收斂到函數(shù)的最優(yōu)值且在100代時趨于穩(wěn)定。圖4、圖5Griewankan函數(shù)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法易于收斂到局部最優(yōu)值，而改進(jìn)后算法均收斂到函數(shù)最優(yōu)值，具有很好的收斂性。綜上改進(jìn)后的粒子群算法具有很好的收斂性，能快速找到全局最優(yōu)解。

圖2 Rastrgrin函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)PSO進(jìn)化過程Fig.2 Particle swarm evolution of Rastrgrin function

圖3 Rastrgrin函數(shù)改進(jìn)粒子群算法進(jìn)化過程Fig.3 Improved PSO evolution of Rastrgrin function

圖4 Griewankan函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)化過程Fig.4 Particle swarm evolution of Griewankan function

圖5 Griewankan函數(shù)改進(jìn)粒子群算法進(jìn)化過程Fig.5 Improved PSO evolution of Griewankan function

3.2 案例描述

假設(shè)配送中心有電動冷藏車3輛進(jìn)行單一生鮮產(chǎn)品的配送，每輛冷藏車售價為150 000元，車輛電池的價格Pnew為50 000元，電池額定容量B為80 kWh，最大載重量Q=1.5 t,速度v=60 km/h,耗電系數(shù)h=0.6 kWh/km,固定運(yùn)輸成本C1=100元,單位距離行駛成本C*1=1元/km。冷藏車廂恒溫為-5℃，根據(jù)文獻(xiàn)[15]貨損率η設(shè)為0.14，產(chǎn)品單價P=100元/t，單位時間充電成本e=1元，單位距離制冷耗電成本α=0.02元/km。在計算退役電池價值Pused時，年折舊率rdep為20%，貼現(xiàn)率rdis為6%，使用年限tuse為8年，Pused為5 579元。電池容量衰減到80%時不能使用，將CRR設(shè)為80%。

隨機(jī)生成15個客戶點，編號為1～15，隨機(jī)產(chǎn)生5個充電站，編號為16～20，配送中心為0，位置為[50，50]，時間窗為[0，15]。各客戶點的位置、貨物需求量、服務(wù)時長、服務(wù)時間窗信息如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)Table 2 Test data

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

在MATLAB上編寫粒子群算法，設(shè)置種群規(guī)模為80，最大迭代次數(shù)為1 000次，維數(shù)為15維，慣性權(quán)重w設(shè)為0.729 8，學(xué)習(xí)因子c1=c2=1.496 18。

3.3.1 充電策略影響性分析

將文章提出模型與傳統(tǒng)電動冷藏車VRP模型進(jìn)行對比分析。將SOC上限設(shè)置為100%、90%、80%、70%、60%，考慮到里程焦慮問題，不考慮SOC范圍在10%～50%的情況。SOC上限為100%時（情景一）電池充滿，這與傳統(tǒng)電動冷藏車VRP模型假設(shè)一致。通過算法求解得到如表3所示的車輛配送的最優(yōu)路徑及行駛距離。同時得到了不同SOC上限的各項成本（表4）以及圖6的成本對比。

圖6 各項成本對比Fig.6 Cost comparison

表4 不同SOC上限各項成本Table 4 All costs of different SOC upper limit元

通過表3可知，SOC上限為80%時電動冷藏車以最短的路程完成配送，同時進(jìn)入充電站充電的次數(shù)最少。對比情景一，可發(fā)現(xiàn)電量充至80%的路程要比情景一縮短18.63%。

表3 路徑規(guī)劃情況Table 3 Path planning situation

由表4可知，情景一總運(yùn)營成本最高，而情景二至情景五（考慮電池?fù)p耗成本）總成本明顯低于情景一，當(dāng)SOC上限為80%時總運(yùn)營成本最低。在總成本中，占比較大的有運(yùn)輸成本、電池?fù)p耗成本、充電成本，考慮電池?fù)p耗情況可有效影響配送過程的各項成本，對總運(yùn)營成本、配送路徑等產(chǎn)生作用。

分析圖6可看出：（1）運(yùn)輸成本方面，情景三的運(yùn)輸成本為五種情景中最低，對比情景一可發(fā)現(xiàn)情景三的運(yùn)輸成本比傳統(tǒng)模型的節(jié)約16.1%；（2）電池?fù)p耗成本方面，隨著SOC上限的降低，電池?fù)p耗成本呈下降趨勢，充滿電的充電策略對電池?fù)p耗最大，而充電至60%對電池?fù)p耗最小，電池?fù)p耗成本的降幅可達(dá)89.32%，即使充電至80%也使電池?fù)p耗成本降低68.08%，因此將電池?fù)p耗成本納入運(yùn)營成本計量范圍可有效減小電池?fù)p耗；（3）充電時間成本方面，由折線變化看出傳統(tǒng)模型充電時間成本明顯高于本文提出的模型，本文最低的充電時間成本比傳統(tǒng)模型低66.87%，情景三的充電時間成本比傳統(tǒng)模型低約65.3%，考慮電池?fù)p耗成本的充電策略在一定程度上節(jié)約了充電時間，降低了充電時間成本；（4）從制冷成本和貨損成本變化趨勢可以看出二者一定程度上受車輛行駛距離的影響，因此當(dāng)SOC設(shè)為80%時車輛行駛里程最短，相應(yīng)的制冷成本和貨損成本要低于傳統(tǒng)模型。綜上所述，電動冷藏車配送時，充電策略可由充滿電轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆娭?0%，雖然將SOC上限設(shè)為80%并不能使電池?fù)p耗成本最低，但由于充電策略的改變會大幅度降低電池?fù)p耗成本和充電時間成本，有效降低總運(yùn)營成本。

3.3.2 算法尋優(yōu)能力對比分析

將充電至80%的充電策略應(yīng)用于案例中，分別利用標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法和本文的改進(jìn)粒子群算法對案例進(jìn)行求解，最終得到的優(yōu)化結(jié)果如表5所示。

表5 兩種算法優(yōu)化結(jié)果Table 5 Optimization results of two algorithms

由表5總成本比較分析可知，使用改進(jìn)粒子群算法求得的解要明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的解，通過圖7、圖8的迭代收斂過程可以看出，改進(jìn)粒子群算法收斂速度更快、收斂性能更好，這表明本文采用的改進(jìn)粒子群算法在求解電動冷藏車路徑優(yōu)化問題上的可行性與有效性。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法迭代過程Fig.7 Standard PSO iterative process

圖8 改進(jìn)粒子群算法迭代過程Fig.8 Improved PSO iterative process

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)冷藏車路徑優(yōu)化問題約束條件基礎(chǔ)上，添加了電動冷藏車的特有條件，同時考慮了生鮮產(chǎn)品的品質(zhì)動力學(xué)模型，構(gòu)建了包括電池?fù)p耗成本在內(nèi)的電動冷藏車路徑優(yōu)化問題模型，運(yùn)用增加粒子間共享信息類型的改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行求解，為企業(yè)提供合理的電動冷藏車充電策略。本模型并未考慮實際充電過程中充電速率變化情況以及回程空載的問題，這也成為后期研究的重要方向。