本文是一篇物流論文，本文研究了考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級的無人機路徑優(yōu)化模型。首先對目標(biāo)任務(wù)點根據(jù)層次分析法定義其優(yōu)先級。在疫情期間，運用無人機進行無接觸配送，降低傳染風(fēng)險。

第1章緒論

1.1研究背景

近日，我國冷鏈物流領(lǐng)域第一份《“十四五”發(fā)展規(guī)劃》[1]發(fā)布，建設(shè)冷鏈物流運行體系、服務(wù)體系、監(jiān)管體系、支撐體系4個體系。聚焦“最先一公里”和“最后一公里”，補齊兩端冷鏈物流設(shè)施短板。隨著疫情等各種不確定因素的發(fā)生，對“最后一公里”有著更加嚴(yán)苛的要求，該如何利用冷鏈物流運行體系中收集到的數(shù)據(jù)對資源進行優(yōu)先級的調(diào)度，從而科學(xué)的規(guī)劃路徑成為物流領(lǐng)域的焦點。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，城鄉(xiāng)居民對冷鏈物品的需求不斷上升。在2015-2020年間，需求量翻了1.5倍；冷鏈物流市場規(guī)模也逐漸擴大，增長了近1.13倍[2]。其中，冷藏車保有量快速增多，從2015年的9.34萬輛上升到2020年28.67萬輛，增長速度為206.1%；冷庫容量由3740萬噸上升到了7080萬噸，增長了1倍多。這些規(guī)模的急速擴大，對冷鏈物流行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提出了更高的要求，對冷鏈物流數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確挖掘也增大了難度。

1.2研究目的及意義

1.2.1研究目的

本文的研究目的主要有兩個方面：一是構(gòu)建考慮優(yōu)先級的多任務(wù)單無人機冷鏈配送路徑優(yōu)化模型，為突發(fā)情況下的冷鏈運輸提供參考；二是構(gòu)建基于樣本類別不平衡數(shù)據(jù)的物流任務(wù)優(yōu)先級評估方法，為準(zhǔn)確而快速的劃分優(yōu)先級提供依據(jù)，減少總成本。

1.考慮優(yōu)先級的多任務(wù)單無人機冷鏈配送路徑優(yōu)化建模

目前無人機受到交通、地理等因素的影響較小，成本也較低，可代替人類承擔(dān)可能危害生命安全的風(fēng)險。如這次在抗擊冠狀病毒的斗爭中，無人機或無人駕駛飛機在許多方面發(fā)揮了重要的作用，限制了這一大流行病的傳播[6]。但無人機配送存在兩個問題：(1)無人機的飛行里程與運載量對其有著巨大的限制；(2)對于少類而重要的貨物需要優(yōu)先配送，但遺傳算法的路徑規(guī)劃是按照距離來確定。為解決以上問題本文引進無人機冷鏈車輛協(xié)同配送，冷鏈車輛給無人機充當(dāng)臨時停靠點，負(fù)責(zé)給無人機充電及貨物裝載等工作。無人機根據(jù)目標(biāo)任務(wù)的優(yōu)先級按照先后順序進行配送，如果超過規(guī)定時間配送會增加優(yōu)先級成本，優(yōu)先級高的目標(biāo)任務(wù)點優(yōu)先級成本高，優(yōu)先級低的目標(biāo)任務(wù)點優(yōu)先級成本低。其次，對遺傳算法進行參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)更為有效的路徑優(yōu)化。考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級的無人機路徑優(yōu)化模型有利于在突發(fā)情況中合理規(guī)劃路徑，減少損失，降低冷鏈物流的總成本。

2.基于樣本類別不平衡數(shù)據(jù)的物流任務(wù)優(yōu)先級評估方法

在情況危急的突發(fā)事件中，由于物資匱乏或者交通不便無法在短時間內(nèi)完成冷鏈物資的及時輸送，需要把有限的物資按照供需方的數(shù)據(jù)指標(biāo)劃分目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級。本文僅考慮二分類目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級的劃分，通常在目標(biāo)任務(wù)中，優(yōu)先級高的為少類數(shù)據(jù)，優(yōu)先級低的為多類數(shù)據(jù)。當(dāng)目標(biāo)任務(wù)較少時，我們利用層次分析法即可得出優(yōu)先級；當(dāng)目標(biāo)任務(wù)較多時，以層次分析法為基礎(chǔ)得出少部分的目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級，隨后考慮運用機器學(xué)習(xí)算法進行二分類預(yù)測，構(gòu)建基于物流樣本類別不平衡數(shù)據(jù)處理的分類預(yù)測模型，準(zhǔn)確進行優(yōu)先級劃分，減少時間成本。

第2章文獻綜述及相關(guān)理論

2.1文獻綜述

2.1.1優(yōu)先級問題及樣本類別不平衡數(shù)據(jù)處理研究

1.配送目標(biāo)任務(wù)中的優(yōu)先級問題

由于供需比例存在一定差距，優(yōu)先級問題已廣泛應(yīng)用于配送目標(biāo)任務(wù)中。如客戶優(yōu)先級，應(yīng)急物資的配送優(yōu)先級以及人體器官移植的受體和供體的全國分配上。為提高客戶滿意度，降低配送成本。張力婭[7]等人在外賣的配送中建立了考慮客戶優(yōu)先級、帶時間窗的多目標(biāo)取貨車輛路徑模型。Shah和Jalal[8]等人介紹了一種利用無監(jiān)督機器學(xué)習(xí)算法分析電子商務(wù)產(chǎn)品顧客評價的方法，在商業(yè)領(lǐng)域利用客戶數(shù)據(jù)信息進行客戶優(yōu)先級的確定，從而進行配送的優(yōu)先級確定。在應(yīng)急物資的配送優(yōu)先級確定上，Zhu和Gong[9]等人提出了緊急救援路線的優(yōu)化需要考慮公平和優(yōu)先性問題。在損傷程度相同和不同的情況下建立了兩個不同的模型，將相對剝奪成本作為強調(diào)公平的決策目標(biāo)之一，并以救援過程中可承受的痛苦時間作為一種時間窗口約束來突出救援優(yōu)先級。由于物資屬性的不同，對于醫(yī)療用品配送的優(yōu)先級確定更多考慮的是運輸工具選擇及模型的優(yōu)化上。Eichleay[10]等人描述了將無人機集成到復(fù)雜衛(wèi)生系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，并提出了一種工具，用于考慮無人機是否可以幫助解決醫(yī)療運輸挑戰(zhàn)，以及如何將其集成到衛(wèi)生系統(tǒng)。在人體器官移植的方面，供需比例為1：30，要充分考慮到倫理方面的優(yōu)先級，其優(yōu)先級確定的分配任務(wù)難度高于其他優(yōu)先級的確定。在《中國人體器官分配與共享基本原則和核心政策》[11]中，為人體器官移植等待者進行緊急度評分，對各項指標(biāo)數(shù)據(jù)進行分析。在滿足移植要求的人中，兒童的緊急度評分高于其他人。由此可見，依據(jù)不同指標(biāo)數(shù)據(jù)進行劃分優(yōu)先級極其重要。

2.2相關(guān)理論

本節(jié)介紹冷鏈物流，車輛路徑問題以及樣本類別不平衡數(shù)據(jù)的相關(guān)理論，為后續(xù)行文做準(zhǔn)備。

2.2.1冷鏈物流

1.冷鏈物流概念

隨著制冷技術(shù)和運輸?shù)陌l(fā)展，冷鏈物品在人們的生活中有著越來越重要的作用。冷鏈物流不但給人們的生活帶來了幸福感，促進飲食的多元化，還大大提高了我國的醫(yī)療衛(wèi)生水平，實現(xiàn)了冷鏈醫(yī)療藥品的長距離運輸。在2021年的國家標(biāo)準(zhǔn)《物流術(shù)語》中指出冷鏈物流是為了保持食品新鮮的品質(zhì)或其他產(chǎn)品(醫(yī)藥等)的效能以及減少運輸損耗，在供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)貨物始終保持一定溫度的一種物流運輸活動[61]。冷鏈物流運輸?shù)奈锲钒宿r(nóng)產(chǎn)品、生活產(chǎn)品、加工產(chǎn)品、特殊產(chǎn)品等，具體如圖2.1所示。

2.醫(yī)療藥品冷鏈物流

醫(yī)療藥品冷鏈物流是指某部分藥品對環(huán)境溫度具有一定的要求，為了滿足醫(yī)療藥品質(zhì)量的情況下，運用專業(yè)的冷鏈設(shè)備、物流體系、供應(yīng)鏈體系，將藥品在全物流環(huán)節(jié)中保持低溫的狀態(tài)[62]。

醫(yī)療冷鏈藥品與其他冷鏈物流有著較大的區(qū)別，對溫度、時間、配送資質(zhì)及費用有著很高的要求。

車輛路徑問題（VRP）是指：在確定數(shù)量的目標(biāo)任務(wù)點中，各個目標(biāo)任務(wù)點具有不同的需求量，由配送中心向各個目標(biāo)任務(wù)點配送，選擇合適的路徑使得目標(biāo)任務(wù)點的需求被滿足并能在約束條件下達(dá)到效率最好[63]。解決車輛路徑問題需要滿足以下幾個基本條件[64]：(1)配送路徑上目標(biāo)任務(wù)點的貨物需求總量不超過單次運輸工具的額定載貨量；(2)配送路徑上各目標(biāo)任務(wù)點的總長度不超過單次運輸工具行駛的最大距離；(3)一個目標(biāo)任務(wù)點由一輛運輸工具完成配送。

第3章考慮優(yōu)先級的多任務(wù)單無人機冷鏈配送路徑優(yōu)化建模...............................21

3.1多任務(wù)單無人機路徑優(yōu)化基礎(chǔ)模型..................................21

3.1.1問題描述..................................22

3.1.2成本分析及符號說明...............................23

第4章基于樣本類別不平衡數(shù)據(jù)的物流任務(wù)優(yōu)先級評估方法...............................37

4.1物流目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級指標(biāo)建立.......................................37

4.1.1運送貨物供給側(cè)的相關(guān)指標(biāo)...................................37

4.1.2冷鏈物流目標(biāo)任務(wù)點的相關(guān)指標(biāo)............................37

第5章冷鏈物流案例分析................................57

5.1冷鏈物流案例背景...................................57

5.2冷鏈物流目標(biāo)任務(wù)點優(yōu)先級評估...............................58

第5章冷鏈物流案例分析

5.1冷鏈物流案例背景

本文以給WH市的16個目標(biāo)任務(wù)點運送疫苗為例，1-16代表各個目標(biāo)任務(wù)點的位置編號。假設(shè)疫苗供給充足，但是對時間要求較高，無人機每次配送的最大距離30km，各目標(biāo)任務(wù)點之間的具體位置如下圖所示。

第6章結(jié)論與展望

6.1研究結(jié)論與管理啟示

6.1.1研究結(jié)論

雖然我國的冷鏈物流發(fā)展取得了一定的成就，但是還存在著一定的弊端：由于實際生活中存在著疫情等突發(fā)情況，對冷鏈物流中的配送路徑優(yōu)化存在著巨大的挑戰(zhàn)；其次在數(shù)據(jù)挖掘角度雖然獲得了大量的冷鏈物流數(shù)據(jù)，但是對數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用還存在著巨大的不足。

在此背景下，本文主要對冷鏈物流運輸中的數(shù)據(jù)進行處理、分析及后續(xù)的配送路徑優(yōu)化應(yīng)用。以冷鏈車輛為臨時停靠點，無人機進行無接觸的配送為前提。首先根據(jù)目標(biāo)任務(wù)點的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)利用層次分析法評估出各個目標(biāo)任務(wù)點的優(yōu)先等級，再考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級的冷鏈物流路徑優(yōu)化模型。當(dāng)目標(biāo)任務(wù)較多時也可在大數(shù)據(jù)中利用HSUD模型對不平衡的冷鏈物流數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確的二分類預(yù)測，評估每項數(shù)據(jù)的優(yōu)先度等級，以便進行后續(xù)的配送及路徑優(yōu)化工作。最后利用HSUD模型還能對冷鏈物流數(shù)據(jù)進行分析，有利于決策者對預(yù)測的結(jié)果提前關(guān)注及預(yù)警，減少在物流環(huán)節(jié)的成本損失。總的圍繞物流數(shù)據(jù)分析目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級以及根據(jù)結(jié)果展開后續(xù)的物流環(huán)節(jié)這兩個方面展開對應(yīng)研究，并得出相應(yīng)的結(jié)論與啟示。本文研究結(jié)論主要有以下幾點：

1.本文研究了考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級的無人機路徑優(yōu)化模型。首先對目標(biāo)任務(wù)點根據(jù)層次分析法定義其優(yōu)先級。在疫情期間，運用無人機進行無接觸配送，降低傳染風(fēng)險。以冷鏈物流無人機路徑優(yōu)化模型的總成本最低為目標(biāo)，考慮了目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級成本，冷鏈車輛及無人機固定成本、冷鏈物流運輸中的懲罰成本以及運輸成本四個部分。對于配送路徑優(yōu)化，設(shè)計K-means算法和遺傳算法相結(jié)合的路徑優(yōu)化模型。在考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級的基礎(chǔ)上，根據(jù)各個目標(biāo)任務(wù)點的距離確定最優(yōu)的臨時冷鏈車輛停靠點位置及個數(shù)，為無人機進行配送路徑優(yōu)化。在第5章的案例分析中，對1、2、3個臨時停靠點對比了成本，當(dāng)設(shè)定3個臨時停靠點時，降低了總成本。減少了配送時間，提升了服務(wù)質(zhì)量。同時也對有無考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級的成本進行了對比，考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級與運輸成本會有一定的矛盾性，但是在配送應(yīng)急的冷鏈藥品時，考慮目標(biāo)任務(wù)優(yōu)先級成本會降低許多隱藏的成本。

2.在大數(shù)據(jù)時代，冷鏈物流數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用對物流行業(yè)的發(fā)展也起著促進作用。對少量數(shù)據(jù)進行目標(biāo)任務(wù)的優(yōu)先級劃分具有可實現(xiàn)性，但是在大數(shù)據(jù)中利用人工對目標(biāo)任務(wù)點進行優(yōu)先級劃分有著巨大的困難。由于資源的有限性，以二分類不平衡數(shù)據(jù)為例，通常優(yōu)先級高的目標(biāo)任務(wù)都是少類數(shù)據(jù)，但是對于通用的分類預(yù)測模型不能準(zhǔn)確預(yù)測出少類數(shù)據(jù)。本文設(shè)計將SMOTE算法與均勻設(shè)計模型相結(jié)合，解決了SMOTE算法中少類數(shù)據(jù)與多類數(shù)據(jù)的采樣參數(shù)設(shè)定，為其提供了分類預(yù)測結(jié)果更準(zhǔn)確的不平衡數(shù)據(jù)分類模型。運用該模型同時也能在大數(shù)據(jù)中選擇出影響結(jié)果的特征，可降低物流企業(yè)在運輸過程中的檢測成本。在鮑魚的結(jié)果分類預(yù)測案例分析中，應(yīng)用本模型與原不平衡數(shù)據(jù)結(jié)果進行對比，證明了本模型對分類預(yù)測結(jié)果的有效性，不但為物流企業(yè)提供更智能的分類預(yù)測模型，而且在配送等路徑規(guī)劃的問題上，根據(jù)分類預(yù)測結(jié)果得到每個目標(biāo)任務(wù)的優(yōu)先級，在考慮優(yōu)先級的基礎(chǔ)上進行更為合理科學(xué)的路徑優(yōu)化。

參考文獻（略）