基于遺傳算法的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型求解研究

謝燦

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)全球化和農(nóng)產(chǎn)品市場需求的增加，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流成為整個農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的重要環(huán)節(jié)。完善的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)可以提高物流運輸效率，保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，加強(qiáng)整個供應(yīng)鏈上企業(yè)之間的信息共享。然而，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的復(fù)雜性和需求多變性成為了優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局時需要考慮的難點。在此背景下，遺傳算法的自適應(yīng)性、全局性、并行性成為了優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局的有效工具。因此，文章構(gòu)建了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型，并基于遺傳算法對模型進(jìn)行了求解，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；農(nóng)產(chǎn)品；冷鏈物流；物流網(wǎng)絡(luò)布局；模型

中圖分類號：F259.27文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.08.037

Abstract： With the globalization of the economy and the increasing demand in the agricultural product market， cold chain logistics of agricultural products has become an important link in the entire agricultural product supply chain. A sound cold chain logistics network for agricultural products can improve logistics transportation efficiency， ensure the quality of agricultural products， and strengthen information sharing among enterprises throughout the entire supply chain. However， the complexity and demand variability of agricultural cold chain logistics have become difficulties to consider when optimizing the layout of agricultural cold chain logistics networks. In this context， the adaptability， globality， and parallelism of genetic algorithms have become effective tools for optimizing the layout of agricultural cold chain logistics networks. Therefore， this paper constructs an optimization model for the layout of agricultural cold chain logistics network， and solves the model based on genetic algorithm， in order to provide reference for relevant personnel.

Key words： genetic algorithm; agricultural products; cold chain logistics; logistics network layout; model

0 ? ?引 ? ?言

隨著全球化和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對食品安全及質(zhì)量的關(guān)注度越來越高。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流作為整個產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵節(jié)點，可以有效保障食品安全和質(zhì)量。中物聯(lián)冷鏈委公布的數(shù)據(jù)顯示，2022年冷鏈物流的市場規(guī)模為4 916億元（圖1），同比增長7.21%；2022年食品冷鏈物流需求總量為3.3億噸（圖2），同比增長9.17%。

冷鏈物流既包括農(nóng)產(chǎn)品從田間到餐桌的過程，也包括對整個物流系統(tǒng)的溫度控制。因此，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流布局的優(yōu)化設(shè)計成為了提高物流效率、保證產(chǎn)品安全、降低運輸成本的重要方法。然而，復(fù)雜的供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)、變化多樣的市場需求成為了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流優(yōu)化設(shè)計中需要解決的問題。尋找一種既能最小化物流成本，又能滿足市場需求的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流布局，成為了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流行業(yè)發(fā)展的需求。在此背景下，遺傳算法作為一種高效的搜索和優(yōu)化工具，可以用于農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型中，從而有效處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的多目標(biāo)、多約束和非線性問題。因此，本文構(gòu)建一個基于遺傳算法的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型，并通過實際案例對其進(jìn)行驗證，以期為冷鏈物流行業(yè)的相關(guān)工作人員提供理論支持。

趙連明（2021）[1]指出我國農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流應(yīng)借助互聯(lián)網(wǎng)，努力實現(xiàn)主客體協(xié)同、信息協(xié)同和監(jiān)管協(xié)同；張瑜（2018）[2]分析了我國生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流運輸?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀以及生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈運輸?shù)奶攸c，并對生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流配送網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化進(jìn)行研究；劉濤（2017）[3]從強(qiáng)化農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化建設(shè)、構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化體系、建立農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈信息平臺、構(gòu)建協(xié)同運作的冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)四個方面出發(fā)，為促進(jìn)茂名農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的發(fā)展提出了優(yōu)化途徑；張文峰等（2017）[4]針對冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)點布局和運輸問題，提出了以冷鏈物流的網(wǎng)點建設(shè)成本和運營成本為優(yōu)化目標(biāo)的非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型；舒旭麗（2014）[5]針對我國生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃布局展開研究和分析，以農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地、預(yù)冷站和生鮮農(nóng)產(chǎn)品配送中心三個層次為重點，構(gòu)建了生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局的數(shù)學(xué)模型并應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行了求解分析。

1 ? ?農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流

1.1 ? ?農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流概念

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流是從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到加工，最后到消費的全過程，包含了對整個過程溫度和物流的管理。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流在保證食品安全、品質(zhì)和新鮮度的前提下，維持整個食品供應(yīng)鏈的整體性與有效性。在整個冷鏈物流中，需要嚴(yán)格控制倉儲、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的溫度，確保溫度適宜。溫度控制旨在減少食品中的微生物活動和化學(xué)變化，保證農(nóng)產(chǎn)品的營養(yǎng)價值與產(chǎn)品質(zhì)量。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，將物流信息管理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等運用到農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中，可以有效監(jiān)控整個物流流轉(zhuǎn)過程的溫度，提高物流流轉(zhuǎn)效率。

1.2 ? ?農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化的重要性

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局的優(yōu)化可以有效縮短產(chǎn)品從田間到消費者的運輸時間，減少產(chǎn)品在運輸過程中的損耗，提高消費者滿意度，增強(qiáng)市場競爭力。在當(dāng)前全球化和市場多元化的背景下，有效的物流網(wǎng)絡(luò)布局可以連接農(nóng)民、市場和消費者，擴(kuò)大農(nóng)產(chǎn)品的市場覆蓋范圍，提高農(nóng)產(chǎn)品的市場響應(yīng)速度。此外，科學(xué)規(guī)劃物流路徑和合理配置物流中心，可以減少冗余運輸，優(yōu)化倉儲管理，降低能耗和運輸成本。隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場需求的變化，持續(xù)優(yōu)化升級農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)已成為提升農(nóng)業(yè)競爭力和保障全球食品安全的迫切需求。

2 ? ?農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化分析

2.1 ? ?優(yōu)化原則

第一，綜合性成本效益原則。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化要在保證運營成本最小化的基礎(chǔ)上考慮整個物流網(wǎng)絡(luò)的長遠(yuǎn)發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)成本與社會責(zé)任的均衡發(fā)展。

第二，服務(wù)質(zhì)量與響應(yīng)速度原則。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化需要維持高質(zhì)量的服務(wù)和高效的響應(yīng)速度。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)中的采集、加工、儲存、運輸和分銷環(huán)節(jié)都要保證高水平的服務(wù)質(zhì)量以及高效的工作效率。總之，服務(wù)質(zhì)量與響應(yīng)速度原則要求在保證農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和消費者滿意度的基礎(chǔ)上，持續(xù)提升物流網(wǎng)絡(luò)的效率和有效性。

第三，靈活性和可適應(yīng)性原則。農(nóng)產(chǎn)品市場容易受季節(jié)因素和經(jīng)濟(jì)環(huán)境的影響，這就要求冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)具有高度靈活性和市場適應(yīng)性。冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局的優(yōu)化模型能夠快速適應(yīng)市場變化，迅速調(diào)整物流資源和能力面對市場需求的波動。

2.2 ? ?優(yōu)化節(jié)點

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化的節(jié)點包括生產(chǎn)節(jié)點、運輸節(jié)點和需求節(jié)點，如圖3所示。

第一，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)點主要包括產(chǎn)出地與倉儲倉庫。產(chǎn)出地包括作物的種植、管理和收獲，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出地要求優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品及高效率的勞作。倉儲倉庫要求農(nóng)產(chǎn)品的快速、有效倉儲。倉庫需要采用高效的冷藏技術(shù)和自動化的管理系統(tǒng)，減少人力成本，提高存儲效率。

第二，農(nóng)產(chǎn)品運輸節(jié)點包括冷藏庫存中心、冷鏈物流車輛及其他配套設(shè)施。對供應(yīng)鏈物流中心的選擇應(yīng)兼顧農(nóng)產(chǎn)品供需雙方的利益，以縮短配送距離，減少配送時間，降低配送費用。在冷鏈運輸中需要對運輸工具進(jìn)行溫度監(jiān)控和運輸監(jiān)測。

第三，農(nóng)產(chǎn)品需求節(jié)點包括超市、農(nóng)產(chǎn)品市場和直接消費者。農(nóng)產(chǎn)品市場是較為傳統(tǒng)的銷售點，需要保證農(nóng)產(chǎn)品的多樣性和新鮮度；超市作為主要零售點，需要具備高效的庫存管理和產(chǎn)品陳列能力，保持產(chǎn)品新鮮，吸引消費者；直接消費者要求提供家庭配送服務(wù)，物流配送需要準(zhǔn)確預(yù)測需求和提高配送效率。

2.3 ? ?優(yōu)化內(nèi)容

2.3.1 ? ?影響因素

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)的影響因素較多。一要考慮變化的市場需求，在進(jìn)行模型規(guī)劃時要考慮季節(jié)性變化、消費者偏好與市場經(jīng)濟(jì)的波動情況；二要考慮快速發(fā)展的技術(shù)因素，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以將物流自動化、物流信息系統(tǒng)應(yīng)用于整個農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)中；三要考慮成本因素，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)需要綜合考慮運輸成本、倉儲成本、能耗成本、管理成本等，使得模型設(shè)計符合優(yōu)化原則。

2.3.2 ? ?新建冷鏈物流中心選址

新建冷鏈物流中心選址直接影響著物流效率和物流成本。一要選擇合適的地理位置，考慮整個地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的便捷程度；二要考慮地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施，包括地區(qū)道路狀況、電力供應(yīng)和通信設(shè)施；三要考慮政策因素，包括當(dāng)?shù)氐纳虡I(yè)法規(guī)、稅收政策和環(huán)境保護(hù)要求。綜合分析新建冷鏈物流中心的選址因素，可以確保冷鏈物流中心的長期可持續(xù)發(fā)展。

3 ? ?農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型構(gòu)建

3.1 ? ?模型的目標(biāo)與假設(shè)

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型的主要目標(biāo)與優(yōu)化原則相契合，能保證整體物流成本最小化、優(yōu)化運輸時間、提高服務(wù)質(zhì)量、提高模型的整體適應(yīng)性，以實現(xiàn)整個供應(yīng)鏈的高效運作。

構(gòu)建模型時基于以下假設(shè)。

假設(shè)一：市場需求預(yù)測的準(zhǔn)確性，以合理安排生產(chǎn)和物流資源；

假設(shè)二：物流資源的約束性、運輸工具的統(tǒng)一性，即冷鏈運輸車輛運輸量的固定性、速度的一致性，新建倉儲設(shè)施成本的一致性；

假設(shè)三：運輸成本的固定性，即在一定時間段內(nèi)運輸成本保持不變；

假設(shè)四：供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的協(xié)同性，即生產(chǎn)、運輸、倉儲、配送環(huán)境可以協(xié)調(diào)工作、共享信息；

假設(shè)五：環(huán)境和政策因素的穩(wěn)定性，即在預(yù)測期間不會影響物流網(wǎng)絡(luò)。

3.2 ? ?模型參數(shù)與變量定義

模型參數(shù)與變量定義如表1所示。

根據(jù)所提供的參數(shù)和變量，建立運輸成本、倉儲成本及能耗成本的公式。

第一，運輸成本公式如下。

從供應(yīng)節(jié)點到物流中心的運輸成本：

從運輸中心到需求點的運輸成本：

總運輸成本為：

第二，倉儲成本公式如下：倉儲成本主要由在物流中心建立倉儲設(shè)施的成本構(gòu)成。

第三，能耗成本公式如下（本文只考慮運輸過程中的能耗）：

總成本為運輸成本、倉儲成本、能耗成本之和，公式如下：

4 ? ?基于遺傳算法的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型求解

4.1 ? ?遺傳算法的具體實施步驟

遺傳算法是一種模仿生物進(jìn)化過程的搜索算法，可以解決優(yōu)化問題。在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型中，遺傳算法可以用來尋找成本最低且效率最高的網(wǎng)絡(luò)布局方案。遺傳算法實施步驟如圖4所示。

4.2 ? ?模型的編碼與適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計

模型的編碼和適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計是遺傳算法的核心步驟，也是算法最優(yōu)解的決定性因素。

模型的編碼，一是定義編碼方式，在遺傳算法中，每個可能的解都被編碼為一個稱為染色體的字符串。對于冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局問題，染色體可以用一個整數(shù)或二進(jìn)制序列來表示，每個基因代表網(wǎng)絡(luò)中的一個決策變量。二是編碼物流網(wǎng)絡(luò)決策，染色體需要編碼以下決策：物流中心的位置（Y）、從供應(yīng)商到物流中心的貨物流動量（Xij）和從物流中心到客戶的貨物流動量（Xjk）。三是構(gòu)建染色體結(jié)構(gòu)，一個完整的染色體包括所有決策變量的編碼，可以是一個長字符串，其中每個部分分別代表不同的決策變量。

適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計，一要確定適應(yīng)度評價標(biāo)準(zhǔn)用于評估染色體代表的解的質(zhì)量。二是構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度函數(shù)可以基于前面定義的總成本計算公式，適應(yīng)度函數(shù)如下。

式中：TotalCost（chromosome）計算染色體代表的解的總成本。將總成本放在分母上是為了使成本越低，適應(yīng)度越高。

三是考慮約束條件，如供應(yīng)商的供應(yīng)能力、物流中心的容量和客戶的需求量。如果某個解違反了這些約束，其適應(yīng)度可以被設(shè)定為一個非常低的值，或者對其進(jìn)行懲罰以降低其適應(yīng)度?？梢愿鶕?jù)實際問題對適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)試，以確保遺傳算法可以搜索到最優(yōu)解。

4.3 ? ?遺傳操作的實現(xiàn)

遺傳操作包括選擇、交叉（雜交）和變異。這些操作模擬了自然界中的遺傳過程，用以探索解空間，尋找最優(yōu)解。選擇操作的目的是從當(dāng)前種群中選出優(yōu)秀個體，用于生成下一代種群。選擇操作可以使用輪盤賭選擇或錦標(biāo)賽選擇。在輪盤賭選擇中個體被選中的概率與其適應(yīng)性成正比。錦標(biāo)賽選擇則是隨機(jī)選擇一定數(shù)量的個體，然后從中選擇適應(yīng)度最高的個體。交叉操作通過組合兩個父代染色體的部分基因，產(chǎn)生新的子代染色體，引入種群多樣性。常用的交叉方法包括單點交叉、多點交叉和均勻交叉。變異操作通過隨機(jī)改變某些基因的值，增加種群的遺傳多樣性，防止算法陷入局部最優(yōu)解。對于每個基因，按照一定的變異概率隨機(jī)改變其值。經(jīng)過選擇、交叉和變異操作，從當(dāng)前種群中產(chǎn)生新一代種群。當(dāng)算法滿足特定條件時輸出最優(yōu)解。

4.4 ? ?案例選取

4.4.1 ? ?數(shù)據(jù)來源

本文選取C市某區(qū)域的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)為例，該城市中有多家超市和農(nóng)產(chǎn)品市場為主要需求點，周邊地區(qū)有多個農(nóng)場為供應(yīng)點。收集該地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品供給節(jié)點、冷鏈物流運輸中心、農(nóng)產(chǎn)品需求點的數(shù)據(jù)，將其放入直角坐標(biāo)系中，以展示該地區(qū)物流網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

注：A1、A2、A3、A4：農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)中心；B1、B2：新建冷鏈物流中心；B3、B4：原有冷鏈物流中心；C1、C2、C3、C4：農(nóng)產(chǎn)品需求點。

供應(yīng)點到冷鏈物流中心的距離如表2所示；冷鏈物流中心到供應(yīng)點的距離如表3所示。

供應(yīng)點到冷鏈物流中心的運輸成本如表4所示；冷鏈物流中心到供應(yīng)點的運輸成本如表5所示。

冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點供給量、承載量、需求量如表6所示。

另外，新建冷鏈物流中心倉儲成本固定為300萬元，每一百噸農(nóng)產(chǎn)品運輸100 km的能源損耗為0.5萬元。

4.4.2 ? ?模型應(yīng)用與結(jié)果分析

由于只選擇一個新建物流中心，并且候選物流中心只有兩個，可以列舉各種情況下的量，即第k個需求點在第j個物流點所得到的量，結(jié)果如表7、表8所示。

將以上參數(shù)代入遺傳算法程序中，不停迭代，得到最優(yōu)解為B2，當(dāng)B2為最優(yōu)解時，供應(yīng)點到冷鏈物流中心的量如表9所示。

將數(shù)據(jù)代入前文中的公式，可以得到運輸成本401.532萬元，倉儲成本300萬元，能耗成本161.64萬元，總最優(yōu)成本863.172萬元。證明了使用遺傳算法可以求解農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局的最優(yōu)模型。

5 ? ?結(jié) ? ?論

本文構(gòu)建了基于遺傳算法的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化模型，展示了解決復(fù)雜的物流優(yōu)化問題的創(chuàng)新方法。通過詳細(xì)分析冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)的運輸成本、倉儲成本以及能耗成本，提出了優(yōu)化物流網(wǎng)絡(luò)的全面策略。在具體案例中使用遺傳算法求得最優(yōu)解，證明了該模型在實際場景中應(yīng)用的可行性和效果，展示了其在提升物流效率和降低成本方面的潛力。希望為農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡(luò)布局提供一種有效的優(yōu)化工具，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供有價值的參考。

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