城市绿色配送车辆调度及优化毕业论文
2020-02-15 23:35:11
摘 要
近年来，温室效应愈发严重，越来越多的国家开始重视绿色环保交通。在城市配送和绿色交通共同促进下，绿色城市配送应运而生。要想发展绿色城市配送首先要解决的问题就是运输环节。本文研究的主要问题是绿色城市配送车辆调度问题，在实现绿色车辆配送中，引入了新能源汽车-纯电动物流车，通过对电动物流车的现状分析以及对电动物流车融入绿色城市配送中的特殊性研究，充实理论依据。随后构建绿色配送多配送中心多车型车辆调度模型，追求最小的成本以及最低的碳排放，考虑模型的特殊性以及实现难度，改进遗传算法，使用多种群遗传算法，设计两个不同种群的染色体编码、构建适应度函数以及如何迭代生成下一代种群，之后使用matlab数学软件进行编程实现。最后设计模拟算例，求解验算模型，验证模型的可行性，最后得出结论，电动物流车在未来技术条件解决的情况下，是一种完美的替代燃油汽车的载具，对于物流企业来说，电动物流车的应用在未来将会是是构成其物流竞争力的关键因素。
关键字： 绿色物流；城市配送；电动物流车；车辆调度；遗传算法
Abstract
In recent years, the greenhouse effect has become more and more serious. More and more countries begin to pay attention to green transportation. Under the joint promotion of urban distribution and green transportation, green urban distribution emerges as the times require. In order to develop green city distribution, the first problem to be solved is the transportation link. The main problem studied in this paper is the vehicle scheduling problem of green city distribution. In the realization of green vehicle distribution, the new energy vehicle-pure electric logistics vehicle is introduced. Through the analysis of the current situation of electric logistics vehicle and the particularity study of the integration of electric logistics vehicle into green city distribution, the theoretical basis is enriched. Then a multi-vehicle scheduling model of green distribution multi-distribution centers is constructed to pursue the minimum cost and carbon emissions. Considering the particularity of the model and the difficulty of implementation, the genetic algorithm is improved. Using multi-population genetic algorithm, the chromosome coding of two different populations is designed, the fitness function is constructed, and how to iteratively generate the next generation population is constructed. Then, the mathematical software of MATLAB is used. The software is programmed. Finally, a simulation example is designed to solve the checking model and verify the feasibility of the model. Finally, it is concluded that the electric logistics vehicle is a perfect vehicle to replace the fuel vehicle when the future technical conditions are solved. For logistics enterprises, the application of the electric logistics vehicle will be the key factor to constitute their logistics competitiveness in the future.
Key Words: Green Logistics; City Distribution; Electric Logistics; Vehicle Scheduling ; Genetic Algorithms
目录
摘要 I
目录 III
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2研究目的及意义 1
1.2国内外研究现状分析 1
1.3研究内容及技术路线 2
1.3.1基本内容 2
1.3.2目标 3
1.3.3技术方案及措施 3
第2章 电动物流车在城市绿色配送中的应用分析 5
2.1电动物流车介绍 5
2.1.1 电动物流车简介 5
2.1.2新能源汽车政策介绍 5
2.2新能源汽车应用情况 6
2.2.1 全国载货汽车总计 6
2.2.2新能源汽车（纯电动汽车在）的我国载货汽车占比情况 7
2.3电动车在城市配送的应用现状 7
2.4城市绿色配送车辆调度问题的特殊性 8
2.4.1车辆调度的新对象-电动车 9
2.4.2绿色配送对碳排放的要求 9
2.4.3城市绿色配送的实际意义 10
2.5.本章小结 10
第3章 城市绿色配送车辆调度优化数学模型构建 12
3.1问题描述 12
3.2模型假设 12
3.3参数及变量： 13
3.3.1决策变量 13
3.3.2参数： 13
3.4目标函数 14
3.5约束条件 14
第4章 模型求解设计 17
4.1. 客户分配 17
4.2. 遗传算法设计 17
4.3 matlab编程以及遗传算法实现 18
4.3.1编码以及初始化种群 18
4.3.2适应度函数 18
4.3.3选择算子 19
4.3.4交叉算子 19
4.3.5变异 19
4.3.6主函数 20
4.4本章小结 20
第5章 应用实例 21
5.1 算例设计 21
5.2算例求解 24
5.3本章小结 36
第6章 总结和展望 37
6.1工作总结 37
6.2经济性分析 37
6.3研究展望 37
参考文献 39
致谢 40
绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
在温室效应越来越严重的今天，在社会各界的关注下，绿色物流绿色配送有了强大的发展动力，通过不断得进步来满足社会对于绿色物流的需求。随着电子商务的发展[9]、网购的越来越频繁，对于城市绿色配送有了新的要求。国外相关机构进行的数据统计表明：运输环节在整个物流活动中的能耗占比约90%[1]。要发展绿色物流绿色配送首先要解决的就是在运输环节中过多的能耗问题。
1.1.2研究目的及意义
运输问题中，车辆调度是影响其巨大能耗的一个关键因素。在车辆调度中，选择合适的车辆类型，合理的安排不同耗油量、不同载货量的车辆，通过对车辆路径的合理规化等等，多种措施都可以有效的减少能耗。因此通过对车辆调度及优化的研究来达到节能减排、实现绿色物流具有很大的可行性并且具有很实际的现实意义。
1.2国内外研究现状分析
为了在满足绿色配送前提下，提高配送速度、效率等，需要合理进行车辆的选择调度以及车辆路径的优化规划，具体细化可分为三点：车辆的选型调度、车辆调度模型的构建、模型求解方法及优化。
（1）车辆调度问题
在车辆的选型调度中，考虑燃油车辆的气体排放，引进相关数据。把车辆对应的载货容量以及排污量进行结合考虑车辆调度。对于碳排放量，有研究表明：二氧化碳排放和燃料消耗都取决于车辆速度[1]，因此也有很多基于时变速度的绿色物流问题研究。车辆类型不局限于燃油配送车辆，可以引进新型汽车-电动物流车[3]，对于电动物流车则考虑的是成本因素，因此也有进行了多车型配送的车辆调度问题研究[11][14][17]。未来为了更好的提高物流配送效率以及响应绿色物流，共同配送处于一种大趋势中[4]。在共同配送模式下，进行车辆，物流中心、以及客户群等资源整合，综合分析后结合车辆调度进行划分区域，满足配送需求。最终通过各个类型的车辆选型结合以及共同配送模式的资源整合分配运用，提高配送效率。
（2）车辆调度模型构建
对于数学建模来说，城市绿色配送车辆调度及优化所需要构建的模型为车辆调度模型，即为VRP问题。VRP问题有多种类型。研究基于绿色物流的VRP问题，即为综合考虑经济成本、节能和低碳的T-DVRP问题[5]，也有极为相似的另一种定义GVRSP[6]。T-DVRP是一个最小目标问题，将包含上面三个核心因素进行综合考虑，以总成本最小化目标来进行车辆路径规划。GVRSP问题则被GVRSP正式定义为通过实施有效的车辆路线和时间表来平衡环境和经济成本[6]。除了前两种VRP问题外也有考虑碳排放和运输费用的配送路径优化问题[7]，除开传统配送模式，在新的绿色物流配送下，车辆调度路径优化还有更多的研究和发展空间，在考虑配送成本以及碳排放两个因素的前提下实现绿色配送物流的要求。
（3）模型求解及优化
在模型的求解和优化上面，对于T-DVRP问题，采用遗传算法，改进了对客户的实数编码方式，设计算例验证模型和算法的有效性和可行性[5]。在GVRSP问题上，Marcos Raylan采用了一种基于变邻域搜索（VNS）和混合整数线性规划（MILP）优化概念的混合方法去解决配送中不同交付时间的问题[6]。对于基于时变速度的绿色配送问题的模型研究中，提出了考虑时变速度的绿色车辆调度路径问题的联合优化模型。考虑在非工作期间的额外工资和软时间窗限制，提出了一种基于自适应大邻域搜索算法的启发式算法[8]。最后，通过数值仿真实例说明了优化模型及其算法。
在综合考量车辆类型、排污量、车辆满载率、客户群分布等诸多因素，进行相关的数学建模。建模完成后，通过相应数学软件以及算法进行求解和优化。最终得出结论，达到节能减排并且保证或者提高配送效率的目的。
1.3研究内容及技术路线
1.3.1基本内容
（1）电动物流车在城市绿色配送中的应用现状分析
现如今的环境下，城市绿色配送中，燃油消耗是必不可少的，在车辆调度中使用电动物流车虽然带来了不小的成本，但是可以很大的保护城市环境，降低碳排放，削减燃料的不可替代性。这可以看出电动物流车是在绿色配送中有很大的前景，为了更一步了解电动物流车的覆盖率等情况，需要通过一定的数据搜集来进行分析，比如实地进行调查来分析电动物流车在城市绿色配送的应用现状。
（2）城市绿色配送车辆调度问题的特殊性
城市绿色配送车辆调度问题是通过实施有效的车辆路线和车辆调度来平衡环境和经济成本，追求最小的运输成本外，还要求中最大限度减少路线中的燃油消耗，这也是城市绿色配送车辆调度问题的特殊性，作为绿色物流的衍生，它的实现需要考虑很多因素。因此研究城市绿色配送车辆调度问题必须得对其特殊性有更进一步的认识。
（3）城市绿色配送车辆调度优化数学模型构建
城市绿色配送车辆调度问题本质上是一个数学问题，对于这种复杂、动态的车辆调度问题，要对其有更进一步的研究离不开数学模型。这个模型的构建需要对城市绿色配送车辆调度问题的特殊性有更多的了解，需要清楚了解问题的最终目的、以及影响问题的诸多因素，才可以把理论问题转换为数据模型。
（4）优化算法设计
数学建模完成之后，进行模型的求解以及优化。这一步需要选择合适的算法以及某些专业数学软件对模型进行从数学问题转换到编程问题。设计符合模型得算法，适应度迭代函数等。
（5）应用实例
设计算例，输入到软件模型中，进行模拟演算，得出多组计算结果，验证模型的可行性。
（6）总结和展望
总结论文工作、缺陷以及创新点，对研究方向做出一定方向的展望，做出经济学分析总结。
1.3.2目标
通过构建绿色车辆调度模型，对模型进行求解优化，将实际问题和数据模型结合起来，综合分析其可行性和现实意义，得出最终结论，使其在理论上可以一定程度上实现节能减排，达到城市绿色配送的目的。
1.3.3技术方案及措施
图 1.1 技术路线图
(1)调查多家物流企业的电动物流车使用情况，在配送中心进行实地调研，同时在网上查阅、收集电动车近年来的普及率、价格等数据。通过实地调研和数据收集结合来对电动车的应用现状进行综合分析。
(2)检索多篇绿色配送车辆调度问题相关的期刊、论文，仔细阅读之后，总结归纳出城市绿色配送车辆调度问题的各个方面、影响因素等，充分得了解其问题的特殊性。
(3)学习运筹学理论，使用运筹学方法，分析城市绿色配送车辆调度问题，建立合适的目标函数，考虑城市绿色配送的特殊性，加入其特定的限定条件，构建车辆调度线性规划数学模型。
(4)模型构建完成之后，输入模型程式到MATLAB 脚本函数中，使用遗传算法进行编码，以及适应度函数的撰写，把数学问题进行转换。
(5)设计出符合模型，以及编程软件的算例，进行输入演算，得出计算结果，分析计算结果，得出结论。。
电动物流车在城市绿色配送中的应用分析
2.1电动物流车介绍
2.1.1 电动物流车简介
电动物流车是电池为动力的新能源运输货车。全国具备电动物流车制造能力的电动车企业数目不少，但技术程度先进的企业屈指可数，这也正是电动物流车发展的重大桎梏。
现如今，电动车的发展前景很大，但是大部分物流企业对其是否启用还是有很大的犹豫的。电动车是在全球环境问题严峻的情况下，应社会需要而出现的新事物，对于新事物，人们往往会持有观望态度。现在电动车暴露的主要问题就是性能方面值得考虑，对于物流企业来说，能否完成合格的配送是最基本的条件。但是基于电动车的电量、载货量、航程、以及离不开的充电桩，大部分的电动车目前还是不能很好的完成配送。同时，现在大部分城市内的交通拥堵情况日益严重，限行也大大的影响物流企业的配送，这种情况下，电动物流车会逐渐得被物流企业使用。
2.1.2新能源汽车政策介绍
（1）货车新标准。
使用一套新的标准。不仅是已经认证过的，在五月一日之后生产的货车也要严格把控标准，严格控制现在市面上的货车规格。
（2）绿色物流示范工程城市出现。
在多个城市中，新能源汽车要大幅度的发展和被使用，这是一次很好的契机，电动物流车作为新能源汽车的主要组成，肯定可以在政策下得到相当好的发展。
（3）取消新能源汽车外资股比限制。
这也就是说，允许外资投入来促进新能源汽车的发展，这对于新能源汽车来说，是个考验，也是个难得的机会。
（4）纯电动轻型货车少限行，推广使用新能源。
对于城市配送方面，政府决定正式采用新能源汽车来推动城市绿色物流配送的发展，也呼吁广大企业、市民使用新能源和清洁能源车辆，而这对于新能源汽车的重要性也不用多说，是由政府带头促进其推广。
（5）最新的新能源汽车补贴政策
最新的补贴政策中，对于新能源汽车的规格方面，做出了明确的限制，而这也是最直接的在推进新能源汽车制造企业的发展，要想得到补贴，就要全心全力的发展新能源汽车的技术。
2.2新能源汽车应用情况
2.2.1 全国载货汽车总计
表 2.1 全国载货汽车持有量
