乡村振兴背景下生鲜农产品上行集货路径优化研究.pdf

第 卷第 期运 筹 与 管 理 ，年 月 收稿日期：基金项目：国家社会科学基金资助项目（）作者简介：葛显龙（），通讯作者，男，河南信阳人，博士研究生，教授，研究方向：网络配送与路径优化；杨斯然（），女，河北唐山人，硕士研究生，研究方向：城市配送。乡村振兴背景下生鲜农产品上行集货路径优化研究葛显龙，杨斯然（重庆交通大学 经济与管理学院，重庆 ；重庆交通大学 智能物流网络重庆市重点实验室，重庆 ）摘要：农产品上行“最先一公里”的集货问题是乡村经济发展中的重要一环，集货的效率直接影响农产品上行运输的经济成本。针对偏远农户集货成本高、集货不便问题，设计考虑农户协作的运输模式，建立协作距离最小化模型，实现偏远农户的协作匹配。在此基础上，以运输成本、货损成本、协作成本最小化为目标，建立农产品上行集货路径优化模型，并设计改进的节约里程 禁忌搜索算法进行求解。最后，案例分析的结果表明，本文所提出的模型和算法是有效的。关键词：生鲜物流；协作运输；匹配问题；车辆路径问题；启发式算法中图分类号：文章标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，：；引言 年中央一号文件提出全面推进乡村振兴计划，农村产业化发展迎来了重大机遇。如何在乡村振兴战略指导下，让农村产业搭上电商发展的顺风车，实现农产品上行出村进城，是农村产业快速发展的关键，也是农民在乡致富的重要途径。然而上行生鲜农产品具有“产量小、分布广、密度低、易腐坏 ”的特点，导致集货效率低、成本高，使得农产品上行的“最先一公里”集货难以高效实现，阻碍农村电商的发展。如何提高农产品上行“最先一公里”供应链效率，成为乡村振兴中农产品上行面临的一大难题。农产品上行运输的关键是集货车辆路径优化问题，刘云飞等 在考虑出口汽车零部件集货运输特点的基础上，建立了以集货运输可变成本最低为目标的混合整数规划模型。彭露和陈淮莉 研究了无水港集货路径优化问题，并考虑使用货主之间联合拼车的方法进行集货。范厚明等 研究了模糊需求下的异质车队集货问题，提出先优化再重优化的思路构建模型，在预优化阶段生成一种配送方案，重优化阶段将模糊问题转化成为确定的异质车辆路径问题。刘建胜和谭文越 研究了多集货中心下对批量整车进行集货的运输路径规划问题，建立以最小运输车数量和最低成本为目标的数学模型。以上文献研究了工业产品的集货路径问题，而目前对生鲜集货路径问题的研究文献较少，但生鲜产品由于其保质期短的特点，对于运输环境要求较高，生鲜产品集货时需要考虑的目标不同。在生鲜集货路径优化方面，等 研究了考虑产品质量随时间损耗的动态随机车辆调度问题，并设计真实采集过程仿真模型进行优化，未考虑到生鲜产品的冷链物流运输，但冷链运输对于生鲜产品的保存至关重要。葛显龙和张雅婷 将前摄性调度引入农产品集货路径优化问题，实现主动集货，但在车辆路径阶段的集货方式较为单一。为了降低农村电商集货物流成本，往往通过多主体协同进行集货作业，利用现有物流资源进行协助配送不仅能减少交通拥堵，更能在成本节约上起到良好的作用。协作配送的资源合作包括第三方物流公司间合作，社会资源共享，以及配送方与社会闲置资源合作。在公司资源合作方面，饶卫振等 ，考虑了公司间联合采购与协作配送问题，通过设计博弈模型实现联合采购与配送订单合并后的成本分摊。葛显龙等 研究了基于城市网络的多配送中心的联合配送问题，考虑使用多个配送中心共同 完 成 配 送 服 务。在 社 会 资 源 共 享 方 面，等 考虑了动态共享出行的可行性，结果表明只有足够多的共享出行参与者，系统才能正常运行，但为了保证服务水平，共享拼车服务商可以提供部分专用车辆进行服务。在物流公司与社会闲置资源合作方面，有部分学 者 考 虑 了 使用 现 有 交通 剩余 容 量 进行 货 运，等 讨论了利用共用交通进行货物运输的可能性，其中货运车辆与公共车辆的同步是实现整合运输的关键。等 ，首先考虑静态和动态环境下利用出租车协助进行包裹配送，后又在此基础上考虑了运输时间和交付地点不确定性，并设计自适应大邻域搜索算法进行求解。等 ，的方法 限 制 为 一 辆出 租 车 只能 同时 运 输 一位 乘 客。等 考虑利用公共汽车的闲置运力来运输包裹到市中心，并提出了一个数学模型和自适应大邻域搜索算法来解决双层运输问题。等 在研究混合货物运输与顾客运输时，提出了一种顾客与货物混合旅行的城市自动快速运输系第 期葛显龙，等：乡村振兴背景下生鲜农产品上行集货路径优化研究统。等 研究了使用共享的自动驾驶汽车与车厢整合客运与货运，结果表明交通场景越繁忙效果越好。以上文献主要考虑使用共用交通的闲置运力进行货物运输，并未考虑私家车辆用于协助运输。在使用社会个人车辆协作运输方面，和 等 首先定义了临时司机路线问题（），雇佣临时司机来补充商家的车队配送，继而提出在线客户请求的使用临时司机送货的路线问题（）。等 在考虑临时司机的基础上分别考虑允许临时司机多次送货和分批送货情况，并设计两种混合整数规划模型。等 提出了考虑临时司机的动态取送货问题的变体，同时提出了用于消除不满足意愿的包裹任务及路线的启发式方法，实现对临时驾驶员以及专用驾驶员的最优订单分配。现有的考虑外部协作的车辆路径问题大多聚焦于普通包裹的“最后一公里”配送问题，对集货路径的“最先一公里”优化问题少有研究。李琳和范体军 提出生鲜集货路径问题在集货的方式和成本考量方面区别于普通包裹的送货问题。针对生鲜农产品的集货作业问题，本文采用匹配方式，使用农户车辆协作辅助运输，从而减小运输成本，提高运输效率。在新城市物流背景下，伴随共享经济的发展，车辆协作与联合配送在城市“最后一公里”物流问题中被广泛应用。结合农村实际情况，考虑利用车辆协作辅助进行农产品上行的“最先一公里”集货，可以从根源上节约车辆路径成本。近年来农村运输工具增多，为协作集货提供了基础，且目前农村老年人为弱势群体，大多无法使用交通工具。在农村互帮互助的文化底蕴下，为协作车辆提供补偿成本，为协作集货方式提供了可能。为此，考虑乡村振兴背景下上行农产品量小而散、易腐坏的特点，采用车辆协作方式解决农产品上行集货困难问题，提出带有外协服务的农产品上行集货模式，并建立以成本最小化为目标的优化模型，并设计匈牙利算法和基于改进的节约里程的禁忌搜索算法对模型进行求解。最后结合重庆市某区县实际数据对所提出模型和算法进行检验。问题描述农产品上行主要考虑乡村振兴计划中农特产品的外销问题，实现农产品高效上行的核心在于其“最先一公里”集货作业的优化。其过程表述如下：乡村区域内有中心集货仓库兼调度中心，中心集货仓库储存所有农特产品，其覆盖范围内的每个农户位置已知。将农户按照距离中心仓库的远近分为普通农户和偏远农户。对于偏远农户，调度中心意愿使用其附近拥有私家货车的农户将产品运送至主线路上，并给予协助集货的农户一定的补偿费用。将协助集货的农户车辆称为协作车辆，协作车辆均为普通货车。未能由协作车辆协助集货的农户将由中心仓库车辆进行集货，称中心仓库的车辆为中心车辆，中心车辆均为冷藏车。协作车辆完成协作集货后返回起始点，中心车辆集货完成后返回中心仓库。农产品成熟时，农户预约集货中心的车辆进行集货。当没有车辆协作时，所有农户都需要中心车辆进行集货，此时问题为普通 问题，如图 （）所示；考虑外协车辆协作后，部分偏远地区农户可由其协作车辆集货至集合点上，未能由协作车辆集货的农户仍由中心车辆进行集货，如图 （）所示。其中协作车辆最多为除自身外的一户农户进行服务，并得到由集货中心给予的相应补偿。中心车辆将为其最终集货路线上的每位农户服务且仅服务一次。协作车辆对其协作农户完成集货后，行驶至中心车辆路线上的某普通农户点（记为集合点），对中心车辆进行交货。图 集货路径示意图 模型建立 问题假设为了便于研究与模型建立，做如下假设：（）中心车辆为同质冷藏车队，协作车辆为同质普通货车，中心仓库的存储量大于集货总量；（）车辆每次只对一种农产品进行集货，每个农户只能由一辆货车服务一次，且其容量满足农户的需求；（）每辆协作车辆最多只能为一名农户提供协助运输服务；（）任一偏远点农户的集货量不超过协作车辆容量，任一普通农户集货量不超过中心车辆容量；（）协作车辆在集货订单发出时表明其协作意愿运 筹 与 管 理 年第 卷及地理位置，且交货后返回其出发点。假设（）明确中心仓库属性及集货车辆属性；假设（）限定集货属性；假设（）简化协作流程；假设（）限定了货车容量可以满足其服务的农户集货需求；假设（）表明进行集货前中心仓库所获取的信息。符号说明本文所研究的生鲜农产品集货路径优化模型已知参数如下：表示节点集合，为中心仓库，表示协作路线起始点集合，表示偏远客户集合，表示 普通 客户 集合，表 示协 作 客户 集 合，。表示所有车辆集合，表示中心冷藏车集合，表示协作车辆集合。表示车辆从点 行驶到点 的时间，表示客户点 的服务时间，表示车辆 行驶到客户点 的时间，表示车辆出发的时间。表示客户点 的集货量，表示中心冷藏车容量，表示协作车辆容量。表示协作车辆运输补偿系数，表示车辆 行驶速度。，表示若车辆 从客户 行驶到客户 ，则 ，否则 ；，表示若车辆 服务于客户 ，则 ，否则 ；，表示若车辆从客户 行驶至客户 ，则 ，否则 。协作车辆匹配机制根据距离中心仓库的距离划分普通农户点与偏远农户点，普通农户点由中心车辆进行集货，偏远农户点中有部分农户拥有自有车辆，可协助中心车辆进行集货。根据假设，在集货作业开始前已知有意愿进行集货作业的农户位置 ，为完成协作配送过程，需要匹配协作车辆与被协作农户，并确定集合点的位置，即协作车辆与中心车辆汇合的位置。为使总成本最小，应控制协作车辆的补偿成本，即减少协作车辆的行驶距离，故协作过程需在车辆容量限制的约束下以距离最小化为目标。首先确定协作农户到其最近的集合点的距离 ，继而确定协作集货农户点 和集合点。若在距离 内无满足容量约束的点，则协作车辆只对自身进行集货。即 ，（）（）（），（）（）（），（）（），（）（）（）目标函数（）表示最小化协作距离。约束（）为决策变量约束。约束（）为容量约束。约束（）表示协作车辆总行驶距离不超过其意愿绕行距离。约束（）（）保证协作客户与被协作客户的对应关系。集货成本分析集货总成本综合考虑了中心冷藏车辆的运输成本、农 产 品 货损 成本 以 及对 协 作 车辆 的补 偿成本。（）中心车辆的车辆成本由于中心车辆为冷藏车，其成本除固定使用成本及与运输距离有关的运输成本，还包括用于果蔬保鲜的冷藏能耗成本。其中由于进行集货装车作业时，会导致制冷系统消耗附加能耗成本，因此中心车辆的总车辆成本表示为式（）。，（）其中 和 分别为冷藏车运输和启动的单位成本，为冷藏车行驶过程中制冷单位成本，为装卸过程中制冷单位成本。（）货损成本农产品运输时，由于温度、氧气等含量变动等因素，农产品生鲜的新鲜程度会受到一定损坏。本文假设农产品由协作车辆运输时的损腐为常温下的损腐，而冷藏车运输过程中会产生冷藏温度下的慢性损腐和由于开关门引起的温度变化导致的生鲜损坏。则总的货损成本可分为常温下的货损成本、冷藏车运输过程中的货损成本与冷藏车装卸过程中开关车门所造成的货损成本。引入生鲜产品质量的变量函数：（），其中 （）表示 时刻生鲜产品的质量；为初始时刻生鲜产品质量；为生鲜的质量衰减系数，与生鲜自身特性、周围环境的温度和含氧量相关。记为冷藏车运输过程中的质量衰减系数，为冷藏车装卸过程中果蔬的质量衰减系数，为普通货车运输时的果蔬质量衰减系数 。由实际情况，可知。因此中心冷藏车辆运输过程中的货损成本可表示为：（）（）（）其中 为农产品单价，为车辆 离开农户 时的装载量。第 期葛显龙，等：乡村振兴背景下生鲜农产品上行集货路径优化研究协作车辆常温运输时货损成本表示为：（）（）（）集货过程总货损成本为 。（）补偿成本引入临时司机补偿公式协作车辆 将得到补偿 ，其中 为补偿系数。则总的补偿成本表示为 （）（）模型建立根据上述问题分析及成本构成，以成本最小化为目标建立数学模型。（），（）（），（），（），（），（）（），（），（），（）目标函数（）为最小化总成本，其中包括车辆成本，货 损 成 本 和 协 作 车 辆 补 偿 成 本。约 束（）保证每个农户节点将被访问且仅被访问一次。约束（）表示所有农户总需求量不大于集货中心总容量。约束（）保证即流量平衡。约束（）表示中心车辆剩余容量不小于服务农户前农户的集货请求。约束（）表示中心车辆返回中心仓库的载重不大于其额定载重。约束（）表示中心车辆从仓库出发并返回仓库，其集货任务完成。约束（）表示任意农户节点的集货需求非负，车辆额定载重为正。约束（）（）为 变量。算法设计考虑到本文所研究的生鲜农产品集货问题为两阶段问题，设计两阶段求解算法。首先设计匈牙利算法，以最小距离和容量约束实现协作车辆与被协作农户以及集合点的匹配，继而设计节约里程 禁忌搜索算法解决集货的车辆路径问题。设计匹配算子由于问题的特殊性，首先需完成协作车辆与被协作农户的匹配，考虑协作车辆的车辆容量，其他偏远农户点的集货量以及距离进行初步匹配，使用匈牙利算法进行求解。步骤 利用已知协作车辆的容量约束与距离约束进行匹配；步骤 采用匈牙利算法，得到每个可协作农户协作集货的总成本最小结果；步骤 将成功匹配到的被协作农户点从中心车辆服务列表中删除。改进的节约里程 禁忌搜索算法禁忌搜索算法以其较强的爬山能力，搜索过程中能够接受较劣质解，可在搜索过程中跳出局部最优，增加获得全局最优解的概率。但由于禁忌搜索算法对初始解的敏感性较高，初始解的质量直接影响禁忌搜索收敛速度和解的质量。故采用节约里程算法生成初始解，然后传入禁忌搜索算法中，从而得到更高质量的解。（）节约里程算法获得初始 解步骤 对于未被协作集货和便利距离内的农户，使用节约里程算法，在不考虑容量约束前提下，生成从集货中心出发到完成整个集货任务的 初始解；步骤 按容量限制约束，判断当前集货农户需求是否超出车辆容量限制，若超出容量约束，则使用分车算子将其拆分，从而得到初始可行路径。（）改进的禁忌搜索算法步骤 设计邻域结构。根据当前解，分别采用四种算子来产生新的邻域解和候选解，算子设计如下。每次迭代时随机选取一个算子获取候选解，并将其中最优解加入禁忌表。逆序邻域算子：逆序一段随机截取的路径。交换算子：随机截取一个农户点插入到路径中的另一个位置。交换算子：随机选取两个农户点并将其交换位置。交换算子：随机选取三个农户点，依次调换其位置。步骤 设定藐视规则。当此时候选解为可行的禁忌解时，若改进解比目前所达到的最优解更优，则将其解禁并作为新的解。步骤 设定停止准则。采用以下方法作为停止准则：给定最大迭代次数；设定最大禁忌频率；设定适配值的偏离阈值 。运 筹 与 管 理 年第 卷 实例分析 重庆市某区县农产品集货实例分析以重庆市某区县为例，中心集货仓库为 ，集货范围内有 个农户。距离中心仓库 范围内的农户 为普通农户点，距离中心仓库 外的农户点 为普通农户点。所有农户 点 的 需 求 量 已 知。中 心 冷 藏 车 容 量 为 ，行驶速度为 ，单位运输成本为 元 ，启 动 成 本 为 元。协 作 货 车 容 量 为 ，行驶速度为 。将农户地理位置及集货请求数量代入禁忌搜索程序运行 次，得到最优路径规划结果如表 所示。测算结果显示，在不使用协作车辆时，平均成本 元，中心车辆需访问 个集货农户点，行驶总距离平均 。使用协作车辆进行集货时，有 个集货农户可由协作车辆完成集货，中 心 车 辆 访 问 个 农 户 点，平 均 总 成 本 元。平均节约成本 ，节约行驶里程 。带协作车辆的集货路径成本组成为运输成本 元，占总成本 ，货损成本为 元，占总成本 ，协作成本为 元，占总成本 。表 使用协作车辆集货与不用协作车辆集货对比集货方式总成本（元）行驶距离（）成本节约距离节约使用协作车辆 不用协作车辆 考虑到农村地理位置分布的实际情况，为了验证普通农户与偏远农户划分标准的实际影响我们进一步在便利距离设置为 ，和 的情况下对实例进行求解，考虑到不同的协作灵活度下 对 结 果 的影 响，本 文 使 用协 作灵 活 度 系数 ，的情况下分别对实例进行求解，具体结果如表 所示。表 灵敏度分析 成本距离成本距离成本距离 由表 可知，当协作灵活度越大时，配送成本越低。同时协作灵活度增大会使协作农户与偏远农户的匹配程度增加，可以在一定程度上减少中心冷藏车辆的行驶距离。但总成本不会随着协作灵活程度无限增大，当协作灵活程度到达 后，成本节约几乎不变，因为较大协作灵活度也带来较高协作成本。同时当 值减小时，中心冷藏车辆的行驶距离和成本并不会随之减小，说明对于农村的实际地理情况而言，需要考虑选取合适的标准对农户位置的偏远与否进行划分。算法验证为进一步验证算法有效性，将改进的节约里程禁忌搜索算法与遗传算法、禁忌搜索算法进行比较。分别在 ，个农户点分布，便利距离设置为 ，协作灵活度系数 的条件下进行测算。分别在有无协作车辆协助集货的情况下对各算法的求解结果进行分析，得到计算结果见表 。由表 计算结果可知，本文所设计的改进节约里程 禁忌搜索算法适合大中小规模算例的求解。表 不同算例规模下改进算法性能验证算例规模考虑协作不考虑协作平均成本（元）平均行驶距离（）平均成本（元）平均行驶距离（）结论立足于改善乡村振兴最先一公里农产品集货问题，通过引入农户协作集货概念，实现偏远农户的协作匹配过程，使用偏远点农户辅助进行农产品集货作业。建立了以总成本最小化为目标的数学模型，并使用改进的节约里程 禁忌搜索算法进行第 期葛显龙，等：乡村振兴背景下生鲜农产品上行集货路径优化研究求解，最后结合重庆市某区县农产品集货数据进行实例分析。算例结果验证了模型与算法的有效性。通过偏远点农户协作进行集货可减少 农产品集货成本，节约 中心车辆行驶距离，有效提高集货效率。由于数据获取困难，本研究考虑了静态的农户点及农户请求，未来的研究可以考虑农户集货请求的动态性，考虑临时农户请求对农产品集货的成本影响；另外，可以在现有基础上将集货成本和农产品新鲜程度作为双目标进行集货优化。参考文献：李军，蔡小强 易 腐 性产 品运 输 设 施 选 择 博 弈 管理科学学报，（）：刘云飞，赵磊，朱道立 出口汽车零部件集货运输问题的双层 遗 传 算 法 计 算 机 集 成 制 造 系 统，（）：彭露，陈淮莉 改进遗传算法下的无水港集货路径优化研 究 计 算 机 工 程 与 应 用，（）：范厚明，刘浩，刘鹏程，等 集货需求模糊的异型车同时 配 集 货路 径优 化 控 制 理 论与 应 用，（）：刘建胜，谭文越 应用混合遗传算法的多集货中心多车型整车路径规划研究 机械设计与制造，（）：，：葛显龙，张雅婷 基于前摄性调度的生鲜物流集货路径优化 系统工程，（）：饶卫振，徐丰，段忠菲 联合采购与配送协同成本分摊方 法 计 算 机 集 成 制 造 系 统，（）：饶卫振，徐丰，段忠菲 协作配送中成员退出联盟的违约追偿和损失补偿机制 系统工程理论与实践，（）：葛显龙，许茂增，王伟鑫 基于联合配送的城市物流配送 路 径 优 化 控 制 与 决 策，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：李琳，范体军 零售商主导下生鲜农产品供应链的定价策略对比研究 中国管理科学，（）：运 筹 与 管 理 年第 卷