劉大江
(濟(jì)南大學(xué) 商學(xué)院,山東 濟(jì)南 250002)
應(yīng)急物流是指在突發(fā)諸如強(qiáng)震、塌方、泥石流、洪澇等自然災(zāi)害或公共衛(wèi)生事件時(shí),以供給受災(zāi)、疫情地區(qū)急需的應(yīng)急生活、醫(yī)療、救援等物資為目的,以應(yīng)急體系響應(yīng)精確化、配送時(shí)間最少化為主要目標(biāo)的特殊物流活動(dòng)[1]。新冠疫情復(fù)雜性、艱巨性前所未有,對(duì)全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的沖擊前所未有[2]。尤其是對(duì)應(yīng)急物流方面提出了新的考驗(yàn),傳統(tǒng)應(yīng)用配送車(chē)進(jìn)行應(yīng)急物資配送過(guò)程中通常因交通管制、擁堵等各種不良路況而面臨任務(wù)完成不佳,甚至配送車(chē)不能到達(dá)受災(zāi)需求點(diǎn)等情況。5G、物聯(lián)網(wǎng)、GPS、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用以及信息新基建的部署,給無(wú)人機(jī)帶來(lái)了廣闊應(yīng)用前景[3]。無(wú)人機(jī)飛行高度相對(duì)較高,憑借不受路面交通限制、點(diǎn)到點(diǎn)直飛等優(yōu)勢(shì)在全物流領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。物流無(wú)人機(jī)隨著亞馬遜公司、順豐、京東等探索開(kāi)始在實(shí)際中推廣應(yīng)用,無(wú)人機(jī)配送逐漸步入人們視野[4]。尤其是在應(yīng)急物流方面,無(wú)人機(jī)憑借諸多優(yōu)點(diǎn)能夠較好地解決應(yīng)急物流不確定性、時(shí)效性高等配送難點(diǎn),將在應(yīng)急物流領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[5]。
綜上,應(yīng)急物流直接關(guān)系到自然災(zāi)害和突發(fā)公共衛(wèi)生事件中人民群眾的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全,無(wú)人機(jī)在應(yīng)急物流物資配送中具有顯著優(yōu)勢(shì),“無(wú)人機(jī)+配送車(chē)”聯(lián)合配送模式更是如虎添翼。如何宏觀上建立建全基層市縣應(yīng)急物資配送保障體系、微觀上解決應(yīng)急物流無(wú)人機(jī)配送中心選址,以及無(wú)人機(jī)配送中心線路優(yōu)化問(wèn)題,是提升當(dāng)前基層縣市應(yīng)急物流能力的關(guān)鍵。
目前對(duì)無(wú)人機(jī)配送模式、不同配送模式下路徑規(guī)劃優(yōu)化的研究逐步增多。學(xué)者從不同方面對(duì)應(yīng)急物流設(shè)施中心選址、配送車(chē)配送路徑優(yōu)化進(jìn)行了研究。例如韋曉等[6]根據(jù)應(yīng)急物流中心選址的突出特點(diǎn),以其達(dá)到救援時(shí)間最短、物資供應(yīng)及時(shí)的目的,探討解決應(yīng)急物流中心選址問(wèn)題,并建立相應(yīng)的應(yīng)急物流中心選址模型規(guī)劃,用改進(jìn)的蟻群算法對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。Murray等[7]研究了無(wú)人機(jī)和貨車(chē)配送下最優(yōu)路徑和車(chē)輛調(diào)度問(wèn)題,提出運(yùn)用混合整數(shù)線性規(guī)劃模型和啟發(fā)式算法解決實(shí)際規(guī)模的方式,促進(jìn)無(wú)人機(jī)在最后一公里配送中的應(yīng)用。馬麗榮等[8]綜合考量配送時(shí)間、覆蓋范圍和區(qū)域需求量的情況下,建立應(yīng)急物流設(shè)施中心選址模型,應(yīng)用人工免疫算法對(duì)模型進(jìn)行求解,為優(yōu)化應(yīng)急物流配送路線提供了思路。陳建鋒等[9]基于人工免疫算法和模擬退火TSP對(duì)城市物流空中配送模式優(yōu)化進(jìn)行研究,運(yùn)用啟發(fā)式算法較好地規(guī)劃出空中配送中心和地面配送車(chē)輛最優(yōu)路徑。通過(guò)以上研究,認(rèn)為啟發(fā)式算法在解決配送中心選址、路徑最優(yōu)等問(wèn)題上有良好的效果。同時(shí)“配送車(chē)+無(wú)人機(jī)”配送模式選擇層面,學(xué)者也從不同方面對(duì)無(wú)人機(jī)與配送車(chē)輛搭配選擇問(wèn)題進(jìn)行了研究,基本可以概括為“配送車(chē)+無(wú)人機(jī)”串聯(lián)模式、“配送車(chē)+無(wú)人機(jī)”并聯(lián)模式?!芭渌蛙?chē)+無(wú)人機(jī)”串聯(lián)模式是指無(wú)人車(chē)從起始倉(cāng)庫(kù)搭載無(wú)人機(jī)共同完成配送任務(wù),“配送車(chē)+無(wú)人機(jī)”并聯(lián)模式是指無(wú)人機(jī)和配送車(chē)同時(shí)從初始倉(cāng)庫(kù)出發(fā),各自完成配送任務(wù)后返回倉(cāng)庫(kù)。
本文結(jié)合應(yīng)急物流已有研究,選擇新型“配送車(chē)+無(wú)人機(jī)”二級(jí)配送模式,第一級(jí):由市應(yīng)急倉(cāng)儲(chǔ)總中心出發(fā),配送車(chē)負(fù)責(zé)單獨(dú)配送靈活補(bǔ)充第二級(jí)應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心應(yīng)急物資;第二級(jí):由前置于應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心的無(wú)人機(jī)和常備應(yīng)急物資,由無(wú)人機(jī)單獨(dú)及時(shí)配送覆蓋范圍內(nèi)的受災(zāi)點(diǎn)。在此模式下研究某市應(yīng)急物流無(wú)人機(jī)配送倉(cāng)儲(chǔ)中心選址與路線規(guī)劃,通過(guò)免疫優(yōu)化算法解決無(wú)人機(jī)配送中心選址問(wèn)題及混合粒子群算法解決TSP搜索算法問(wèn)題,獲得某市應(yīng)急物流無(wú)人機(jī)配送倉(cāng)儲(chǔ)中心選址與路線規(guī)劃的最優(yōu)解。
應(yīng)急物流配送層級(jí)設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目的是保障物資安全準(zhǔn)確送達(dá)受災(zāi)點(diǎn)的同時(shí),要確保以最短路徑、最少時(shí)間、最快速的反應(yīng)流程將應(yīng)急物資運(yùn)送到受災(zāi)群眾手中,此外應(yīng)該盡量降低自然災(zāi)害及公共衛(wèi)生事件造成的不必要損失。在構(gòu)建應(yīng)急物流配送層級(jí)體系時(shí),應(yīng)當(dāng)遵循生命第一、層級(jí)傳遞、壓實(shí)責(zé)任、協(xié)調(diào)一致的原則。參考?xì)v年地震受災(zāi)區(qū)域和公共衛(wèi)生事件發(fā)生的區(qū)域、頻次等因素,考慮突破行政區(qū)劃以無(wú)人機(jī)覆蓋就近原則,及不同區(qū)域部門(mén)協(xié)調(diào)統(tǒng)一需要,分別建立應(yīng)急物資儲(chǔ)備配送一體化中心。以某市為例,該市作為多山地形區(qū)和地震多發(fā)地帶區(qū),面臨重大衛(wèi)生突發(fā)實(shí)事件造成的道路不通、各地封村封路、物資調(diào)配不及時(shí)等問(wèn)題,該市應(yīng)當(dāng)合并建設(shè)常備應(yīng)急倉(cāng)儲(chǔ)中心、信息指揮中心,考慮自然災(zāi)害、自然地形和突發(fā)衛(wèi)生事件不會(huì)遵循行政區(qū)劃規(guī)律等因素,下設(shè)應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心,應(yīng)打破行政區(qū)劃,覆蓋該市所有易受影響和較為偏遠(yuǎn)易受災(zāi)點(diǎn),考慮應(yīng)急物資前置,易受災(zāi)點(diǎn)也應(yīng)當(dāng)作為統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心的備選點(diǎn)。應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心應(yīng)常備部分應(yīng)急物資,如果無(wú)人機(jī)配送中心覆蓋的范圍突發(fā)災(zāi)害由該中心常備應(yīng)急物資緊急救援分發(fā),發(fā)生突發(fā)災(zāi)害后由市應(yīng)急倉(cāng)儲(chǔ)中心按照災(zāi)害類(lèi)別、程度統(tǒng)一重點(diǎn)配送急需緊急物資,應(yīng)急物流配送層級(jí)設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 某市應(yīng)急物流配送層級(jí)設(shè)計(jì)
形成完整且統(tǒng)一的領(lǐng)導(dǎo)體系能夠使公共衛(wèi)生事件發(fā)生后的處理應(yīng)對(duì)形成合力,有利于提高應(yīng)急物流的運(yùn)作效率。該市在設(shè)立各級(jí)應(yīng)急物資倉(cāng)儲(chǔ)配送體系的同時(shí),應(yīng)同時(shí)建立相應(yīng)的應(yīng)急指揮系統(tǒng),運(yùn)用信息化、智能化的信息指揮平臺(tái)實(shí)時(shí)掌握各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況,使日常物資監(jiān)管、應(yīng)急物資運(yùn)輸協(xié)調(diào)有序,進(jìn)而確保轄區(qū)受災(zāi)點(diǎn)精準(zhǔn)供給。應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 某市應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)
如圖3所示,某市應(yīng)急指揮系統(tǒng)分三大層次,相互協(xié)同、相輔相成。首先是信息層。信息層包括應(yīng)急倉(cāng)儲(chǔ)中心信息管理平臺(tái)、應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心、無(wú)人機(jī)信息收集平臺(tái)、實(shí)時(shí)任務(wù)數(shù)據(jù),由無(wú)人機(jī)搭載的傳感器將實(shí)時(shí)天氣、溫度、位置、任務(wù)進(jìn)度等數(shù)據(jù)傳輸至無(wú)人機(jī)信息收集平臺(tái),再由無(wú)人機(jī)信息收集平臺(tái)逐級(jí)傳輸,各級(jí)信息管理平臺(tái)通過(guò)近乎同步的信息共享,有力保障應(yīng)急物資配送任務(wù)的完成。其次是管理層。與信息層和執(zhí)行層相互配合,管理層包括應(yīng)急倉(cāng)儲(chǔ)中心指揮系統(tǒng)、應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心指揮系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)設(shè)備管理版塊、智能反饋板塊,機(jī)載智能反饋板塊是對(duì)上級(jí)指令的自分析、自決策的智能執(zhí)行板塊,以及特殊情況、任務(wù)受阻的問(wèn)題自動(dòng)反饋板塊,通過(guò)逐級(jí)命令、具體執(zhí)行的管理層,有力指揮、監(jiān)督應(yīng)急物流配送任務(wù)的高質(zhì)量完成。最后是執(zhí)行層。執(zhí)行層由任務(wù)管理版塊、倉(cāng)庫(kù)管理版塊、航跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃板塊、任務(wù)反饋板塊組成,是信息層、管理層的具體執(zhí)行板塊的細(xì)分,其中倉(cāng)庫(kù)管理模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)配送任務(wù)及配送車(chē)輛補(bǔ)給任務(wù)的管理,具有倉(cāng)庫(kù)調(diào)度記錄、分析智能補(bǔ)貨提醒的功能。而航跡動(dòng)態(tài)規(guī)劃模塊主要負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)遇鳥(niǎo)規(guī)避[10]、創(chuàng)建飛行路線策略管理,具有提供具體最優(yōu)路徑選擇并執(zhí)行的功能。
通過(guò)信息層、管理層、執(zhí)行層統(tǒng)一發(fā)力,基本可以實(shí)現(xiàn)密切協(xié)同、注重整體、管理精細(xì)、配送準(zhǔn)確、精準(zhǔn)時(shí)效的基層市縣應(yīng)急物流目標(biāo)。
圖3 應(yīng)急指揮系統(tǒng)三大層次
在某市應(yīng)急物資配送過(guò)程中,由某市應(yīng)急倉(cāng)儲(chǔ)總中心派出配送車(chē)對(duì)下級(jí)應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心日常維護(hù)、補(bǔ)充物資,應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心覆蓋區(qū)域內(nèi)突發(fā)自然災(zāi)害和公共衛(wèi)生事件時(shí),由應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心派出無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)及時(shí)地發(fā)放應(yīng)急物資至配送車(chē)難以抵達(dá)的覆蓋區(qū)易受災(zāi)點(diǎn)。圖4是“配送車(chē)+無(wú)人機(jī)”協(xié)同配送線路。
圖4 配送車(chē)+無(wú)人機(jī)聯(lián)合應(yīng)急配送
在應(yīng)急無(wú)人機(jī)中心配送模式下,對(duì)應(yīng)急無(wú)人機(jī)配送中心點(diǎn)位的選址模型做出如下假設(shè):①按照每個(gè)站點(diǎn)的總規(guī)模量由其服務(wù)范圍內(nèi)的應(yīng)急物資需求量確定,并能滿(mǎn)足緊急情況下需求點(diǎn)的物資需求;②任意一個(gè)易受災(zāi)點(diǎn)的需求僅由其對(duì)應(yīng)無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)供應(yīng);③選定無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)后,站點(diǎn)所覆蓋區(qū)域內(nèi)的易受災(zāi)點(diǎn)由該站點(diǎn)內(nèi)單批次的無(wú)人機(jī)配送;④其中每個(gè)易受災(zāi)點(diǎn)的應(yīng)急物資需求量與受災(zāi)人數(shù)成正比;⑤備選的無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)已知如圖4,在備選方案中擇優(yōu)。根據(jù)以上假設(shè),建立此模型,在滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)飛行距離上限的基本條件下,需要從 n 個(gè)各易受災(zāi)點(diǎn)中找出備選無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn),并向各易受災(zāi)點(diǎn)配送物品。目標(biāo)函數(shù)是每個(gè)易受災(zāi)點(diǎn)的需求量與備選無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)到易受災(zāi)點(diǎn)的距離值的乘積之和的最小值[11]:
(1)
約束條件為:
(2)
Qij≤hj,i∈N,j∈Mi
(3)
(4)
Qij,hj∈{0,1},i∈Mi
(5)
其中,N={1,2,…,n} 是所有易受災(zāi)點(diǎn)的序號(hào)集合;其中Mi為 到需求點(diǎn)i的距離小于s的備選無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)集合,i∈n,Mi?N,?I表示易受災(zāi)點(diǎn)的需求量,dij表示從易受災(zāi)點(diǎn)i到離其最近的無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)j的距離;Qij為0~1的變量,當(dāng)其為1時(shí),代表易受災(zāi)點(diǎn)j被選為無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn);s為根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況新建的無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)離由其服務(wù)的易受災(zāi)點(diǎn)的距離上限。
圖5 擬定備選無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)的易受災(zāi)點(diǎn)
為了求解無(wú)人機(jī)上述配送中心選址問(wèn)題,本文采用啟發(fā)式算法改進(jìn)人工免疫算法進(jìn)行仿真計(jì)算,算法流程如圖6所示。
圖6 人工免疫算法流程
傳統(tǒng)人工免疫算法期望繁殖概率部分,群體中每個(gè)個(gè)體的期望產(chǎn)生下一代的概率由抗體與抗原間的親和力Nv和抗體濃度C兩部分決定,即:
(6)
其中,a為常數(shù)量,由上式(6)可得,個(gè)體適應(yīng)度越高,期望繁殖概率越高;個(gè)體濃度越大,期望繁殖概率越小。本文采用非線性抗體濃度公式,以保證更好地鼓勵(lì)適應(yīng)度高的個(gè)體的同時(shí),最大限度抑制濃度高且適應(yīng)度弱的個(gè)體,使得優(yōu)秀個(gè)體篩選和程序運(yùn)行速度提高,更好地保證尋優(yōu)結(jié)果,即:
(7)
通過(guò)改進(jìn)的人工免疫算法對(duì)備選無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)的易受災(zāi)點(diǎn)(圖5)進(jìn)行Matlab2018a仿真模擬,并且與傳統(tǒng)的人工免疫算法所得出的仿真結(jié)果比較,如圖7、圖8所示。
圖7 人工免疫算法收斂曲線和配送中心
圖8 改進(jìn)后人工免疫算法收斂曲線和配送中心
本次小規(guī)模算例運(yùn)行結(jié)果顯示,相對(duì)于傳統(tǒng)人工免疫算法而言,所得圖表顯示,改進(jìn)人工免疫算法篩選范圍更廣、尋優(yōu)疊代速度更快、尋優(yōu)更為準(zhǔn)確。
根據(jù)上述算例及尋優(yōu)結(jié)果,得出10個(gè)無(wú)人機(jī)應(yīng)急配送中心最優(yōu)分布。對(duì)該市區(qū)域內(nèi)無(wú)人機(jī)應(yīng)急配送中心使用改進(jìn)的混合粒子群算法進(jìn)行路徑優(yōu)化,以期達(dá)到發(fā)生緊急災(zāi)害時(shí)無(wú)人機(jī)應(yīng)急配送中心臨時(shí)儲(chǔ)備告急,市應(yīng)急倉(cāng)儲(chǔ)總中心掌握配送車(chē)路面最短遍歷全部無(wú)人機(jī)應(yīng)急配送中心的路徑最優(yōu)。在此背景下建立遍歷全部無(wú)人機(jī)應(yīng)急配送中心路徑問(wèn)題數(shù)學(xué)模型:
(8)
其中,n為城市量;pathxj為無(wú)人機(jī)應(yīng)急配送中心x,j間路徑長(zhǎng)度。
為了求解配送車(chē)路面最短遍歷全部無(wú)人機(jī)應(yīng)急配送中心的路徑最優(yōu)問(wèn)題,本文采用啟發(fā)式算法改進(jìn)的混合粒子群算法進(jìn)行仿真計(jì)算,算法流程如圖9所示。
圖9 混合粒子群算法流程
其中,慣性權(quán)重系數(shù)是一種被加入到的標(biāo)準(zhǔn)混合粒子群算法的參考數(shù),此權(quán)重系數(shù)引導(dǎo)粒子不斷變化。當(dāng)出現(xiàn)慣性權(quán)重很大時(shí),粒子會(huì)趨向于穩(wěn)定保持它現(xiàn)在的速度,自我學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)和社會(huì)整體經(jīng)驗(yàn)兩方面對(duì)粒子產(chǎn)生的影響會(huì)偏小。相反,當(dāng)出現(xiàn)慣性權(quán)重相對(duì)偏小時(shí),指示粒子更多趨于受到自我學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)與社會(huì)整體經(jīng)驗(yàn)的影響,從而使粒子更容易改變速度的方向和在脫離可能的局部最優(yōu)值。因此,這個(gè)權(quán)重系數(shù)對(duì)于這種算法的局部搜尋和全局搜索能力都有相當(dāng)大的影響。在搜索初始階段,相對(duì)大的慣性權(quán)重有助于全局搜索,從而能夠得到更好的個(gè)體并且獲得全局解;在尋優(yōu)后期,根據(jù)使用相對(duì)很小的權(quán)重可以升高局部搜索效能,助力粒子的收斂提速。文獻(xiàn)[12-13]提出了隨著迭代次數(shù)增加而線性減小的慣性權(quán)重計(jì)算公式:
(9)
公式(9)中,?max代表開(kāi)始慣性權(quán)重系數(shù)值和?min終止慣性權(quán)重,c為當(dāng)前迭代次數(shù),cmax為此算法的最大迭代次數(shù)。通過(guò)對(duì)慣性權(quán)重的研究,提出了一個(gè)非線性減小慣性權(quán)重公式:
初始運(yùn)行時(shí)相對(duì)偏大的慣性權(quán)重應(yīng)該被穩(wěn)定,以便于具有更好的全局尋優(yōu)能力。但是在末期,通過(guò)慣性因子的極速減小趨勢(shì),局部的尋優(yōu)能力和收斂速度可以在本次小規(guī)模算例中得到很好的保證。利用Matlab2018a進(jìn)行仿真模擬,得出以下結(jié)果,見(jiàn)圖10、圖11。
圖10 混合粒子群算法收斂曲線和配送中心
圖11 改進(jìn)后混合粒子群算法收斂曲線和配送中心
本文對(duì)應(yīng)急物流緊缺物資配送進(jìn)行研究,結(jié)合無(wú)人機(jī)配送中心及航跡路徑優(yōu)化方法,設(shè)計(jì)了基本的應(yīng)急物流配送層級(jí)結(jié)構(gòu)框架和與之相適應(yīng)的應(yīng)急物流指揮中心、新式的“配送車(chē)+無(wú)人機(jī)”應(yīng)急配送模式,重點(diǎn)圍繞應(yīng)急物流的無(wú)人機(jī)配送中心選址和配送車(chē)遍歷無(wú)人機(jī)配送中心線路優(yōu)化問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于無(wú)人機(jī)配送中心站點(diǎn)的選址模型及基本假設(shè),使無(wú)人機(jī)進(jìn)入應(yīng)急物資配送領(lǐng)域,豐富了應(yīng)急物流應(yīng)用場(chǎng)景及管理。
改進(jìn)人工免疫算法可以有效優(yōu)化應(yīng)急物流中無(wú)人機(jī)配送中心選址問(wèn)題,采用非線性抗體濃度公式,使得優(yōu)秀個(gè)體篩選和程序運(yùn)行速度提高,有效地提高了結(jié)果的可靠性。改進(jìn)混合粒子群算法可以有效優(yōu)化針對(duì)無(wú)人機(jī)配送中心遍歷路徑優(yōu)化,提出了一個(gè)非線性減小慣性權(quán)重公式,增強(qiáng)了全局尋優(yōu)能力,有效地保證了最優(yōu)路徑結(jié)果的準(zhǔn)確性。