智慧物流与物流优化

在物联网、大数据、人工智能等先进信息技术背景下，智能与互联是现代物流的主要发展方向，而智慧物流是该发展方向下的产物。本书给出了智慧物流系统的定义，分析了智慧物流的产生、结构、高级特征与智能机理；对物流行业进行总结，分析并定义了十种智慧物流服务模式，包括智能快递柜、普通网络配货、即呼即应配货、社区公共终端、云仓、供应链物流跟踪等，并给出了案例；针对物流系统中生鲜配送、垃圾分类收运、加油站配送、外卖配送、拣货调度、多式联运等七个典型优化决策场景，建立了数学模型并设计启发式算法。本书的运送工具涉及电动汽车、无人车、自主机器人等，算法包括蚁群算法、变邻域搜索算法、自适应大规模邻域搜索算法等。本书理论联系实际，既可供交通运输、物流等领域的教学及科研人员、管理人员和工程技术人员阅读参考，也可供高年级本科生或研究生使用。

刘志硕，北京交通大学交通运输学院副教授，研究领域为智慧物流系统工程。清华大学自动化系博士后（2005年）、加州大学欧文分校访问学者（2016年）。在智慧物流领域深耕20余年，承担了50余项国家与省部级科技项目，相关成果应用于交通运输部、国铁集团、中国物流集团、中远物流、中石化、首都机场、顾家家居、珍宝岛药业等单位，在TITS、TASE，以及《系统工程理论与实践》《中国公路学报》《管理科学学报》《控制与决策》等期刊发表论文50余篇，出版专著3部，曾参与制定多项交通行业标准规范和咨政建议，获得中国公路学会科学技术奖一等奖和三等奖。系中国仿真学会交通建模与仿真专业委员会、中国智慧交通车联网产业创新联盟专家委员会、浙江省人工智能学会智能交通信息工程分会专家委员会委员。

第1 章 智慧物流理论 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????.001 1.1 物流系统及其发展与演化 .................................................................................. 001 1.1.1 物流系统 ................................................................................................... 001 1.1.2 物流系统的发展与演化 ........................................................................... 002 1.2 智慧物流 .............................................................................................................. 004 1.2.1 智慧物流的产生 ....................................................................................... 004 1.2.2 智能物流与智慧物流 ............................................................................... 005 1.3 智慧物流的决策主题及解决手段 ...................................................................... 018 1.3.1 决策主题 ................................................................................................... 019 1.3.2 解决手段 ................................................................................................... 020 参考文献 ....................................................................................................................... 021 第2 章 智慧物流服务模式 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????.022 2.1 现代物流体系的构成 .......................................................................................... 022 2.1.1 物流网络 ................................................................................................... 022 2.1.2 物流作业及其管理 ................................................................................... 022 2.1.3 运营主体 ................................................................................................... 023 2.1.4 物流组织模式 ........................................................................................... 025 2.1.5 物流信息化 ............................................................................................... 025 2.2 现代物流服务模式 .............................................................................................. 026 2.3 智慧物流相关服务模式 ...................................................................................... 027 2.3.1 智慧物流信息网络 ................................................................................... 027 2.3.2 智能快递柜 ............................................................................................... 031 2.3.3 网店专线 ................................................................................................... 032 2.3.4 普通网络配货 ........................................................................................... 033 2.3.5 即呼即应配货 ........................................................................................... 034 2.3.6 社区公共终端物流服务 ........................................................................... 035 2.3.7 公路港物流服务 ....................................................................................... 036 2.3.8 供应链物流跟踪服务 ............................................................................... 037 2.3.9 云仓物流服务 ........................................................................................... 040 2.3.10 外卖配送服务 ......................................................................................... 041 参考文献 ....................................................................................................................... 042 第3 章 基于电动汽车的城市商超生鲜配送问题 ???????????????????????????????????????????.044 3.1 引言 ...................................................................................................................... 044 3.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 045 3.2.1 冷链物流路径优化问题研究现状 ........................................................... 045 3.2.2 电动汽车路径优化问题研究现状 ........................................................... 046 3.3 问题描述和模型建立 .......................................................................................... 048 3.3.1 问题描述 ................................................................................................... 048 3.3.2 模型建立 ................................................................................................... 048 3.4 蚁群算法 .............................................................................................................. 052 3.4.1 概述 ........................................................................................................... 052 3.4.2 转移规则 ................................................................................................... 054 3.4.3 路径构造过程 ........................................................................................... 055 3.4.4 信息素更新策略 ....................................................................................... 056 3.4.5 局部优化策略 ........................................................................................... 057 3.5 实验分析 .............................................................................................................. 057 3.5.1 实验设计 ................................................................................................... 057 3.5.2 实验结果 ................................................................................................... 059 3.6 小结 ...................................................................................................................... 060 参考文献 ....................................................................................................................... 061 第4 章 基于电动汽车的城市生活垃圾分类回收调度问题 ???????????????????????????????.065 4.1 引言 ...................................................................................................................... 065 4.2 城市生活垃圾分类收运和处理 .......................................................................... 067 4.2.1 生活垃圾分类方式 ................................................................................... 067 4.2.2 生活垃圾分类收集方式 ........................................................................... 068 4.2.3 生活垃圾分类收运模式 ........................................................................... 069 4.2.4 生活垃圾分类处理 ................................................................................... 070 4.3 国内外研究现状 .................................................................................................. 071 4.4 问题描述和模型建立 .......................................................................................... 072 4.4.1 问题描述 ................................................................................................... 072 4.4.2 模型建立 ................................................................................................... 073 4.5 蚁群算法 .............................................................................................................. 075 4.5.1 转移规则 ................................................................................................... 076 4.5.2 路径构造过程 ........................................................................................... 076 4.5.3 局部优化算子设计 ................................................................................... 078 4.5.4 信息素更新策略 ....................................................................................... 079 4.6 实验分析 .............................................................................................................. 079 4.6.1 小规模算例实验分析 ............................................................................... 080 4.6.2 大规模算例实验分析 ............................................................................... 081 4.6.3 带隔舱与不带隔舱的实验比较 ............................................................... 084 4.7 小结 ...................................................................................................................... 085 参考文献 ....................................................................................................................... 085 第5 章 基于带隔舱的车辆的成品油二次配送优化问题 ??????????????????????????????????.088 5.1 引言 ...................................................................................................................... 088 5.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 090 5.3 问题描述与假设 .................................................................................................. 091 5.3.1 问题描述 ................................................................................................... 091 5.3.2 问题假设 ................................................................................................... 092 5.4 数学建模 .............................................................................................................. 093 5.4.1 集合 ........................................................................................................... 093 5.4.2 参数 ........................................................................................................... 094 5.4.3 变量 ........................................................................................................... 096 5.4.4 数学模型 ................................................................................................... 096 5.5 变邻域搜索算法设计 .......................................................................................... 098 5.5.1 初始解生成 ............................................................................................... 100 5.5.2 邻域结构设计 ........................................................................................... 101 5.5.3 算法框架 ................................................................................................... 102 5.6 实验分析 .............................................................................................................. 104 5.6.1 标杆算例实验分析 ................................................................................... 104 5.6.2 实例分析 ................................................................................................... 107 5.7 小结 ...................................................................................................................... 110 参考文献 ....................................................................................................................... 111 第6 章 “货到人”拣货系统中AGV 优化调度问题 ??????????????????????????????????????????.114 6.1 引言 ...................................................................................................................... 114 6.2 移动机器人履行系统 .......................................................................................... 115 6.2.1 概述 ........................................................................................................... 115 6.2.2 订单拣选方式 ........................................................................................... 117 6.3 研究综述 .............................................................................................................. 119 6.3.1 AGV 调度问题 ......................................................................................... 119 6.3.2 RMFS 订单处理问题 ............................................................................... 121 6.4 问题描述和模型建立 .......................................................................................... 123 6.4.1 问题描述与基本假设 ............................................................................... 123 6.4.2 模型建立 ................................................................................................... 125 6.5 变邻域搜索算法设计 .......................................................................................... 129 6.5.1 初始解生成 ............................................................................................... 130 6.5.2 目标函数计算 ........................................................................................... 131 6.5.3 邻域结构设计 ........................................................................................... 133 6.5.4 邻域搜索策略 ........................................................................................... 135 6.5.5 邻域变换规则及顺序 ............................................................................... 136 6.6 实验分析 .............................................................................................................. 136 6.6.1 算例构建 ................................................................................................... 137 6.6.2 小规模算例实验分析 ............................................................................... 138 6.6.3 大规模算例实验分析 ............................................................................... 139 6.6.4 订单分配的影响分析 ............................................................................... 142 6.7 小结 ...................................................................................................................... 143 参考文献 ....................................................................................................................... 143 第7 章 基于骑手与无人车的外卖配送动态调度问题 ?????????????????????????????????????.146 7.1 引言 ...................................................................................................................... 146 7.2 骑手与无人车联合服务的运作模式 .................................................................. 147 7.2.1 无人配送车 ............................................................................................... 148 7.2.2 运作模式 ................................................................................................... 149 7.2.3 模式的特点 ............................................................................................... 150 7.3 国内外研究现状 .................................................................................................. 151 7.3.1 外卖配送问题研究现状 ........................................................................... 151 7.3.2 无人车配送研究现状 ............................................................................... 153 7.3.3 研究评述 ................................................................................................... 153 7.4 问题描述和模型建立 .......................................................................................... 154 7.4.1 问题描述 ................................................................................................... 154 7.4.2 模型建立 ................................................................................................... 156 7.4.3 目标函数 ................................................................................................... 159 7.4.4 约束条件 ................................................................................................... 160 7.5 自适应大规模邻域搜索算法设计 ...................................................................... 163 7.5.1 概述 ........................................................................................................... 163 7.5.2 算法总体框架 ........................................................................................... 165 7.5.3 构造初始解 ............................................................................................... 166 7.5.4 移除算子 ................................................................................................... 167 7.5.5 插入算子 ................................................................................................... 170 7.5.6 换电站优化 ............................................................................................... 172 7.5.7 算子的权重 ............................................................................................... 172 7.5.8 模拟退火接受准则 ................................................................................... 173 7.6 实验分析 .............................................................................................................. 173 7.6.1 算法参数设置 ........................................................................................... 174 7.6.2 小规模算例实验分析 ............................................................................... 175 7.6.3 大规模算例实验分析 ............................................................................... 178 7.6.4 调度方案 ................................................................................................... 181 7.7 小结 ...................................................................................................................... 182 参考文献 ....................................................................................................................... 183 第8 章 快递的多运输方式组合路径优化问题 ??????????????????????????????????????????????.185 8.1 引言 ...................................................................................................................... 185 8.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 186 8.3 多运输方式组合模型 .......................................................................................... 187 8.3.1 固定节点顺序的运输模型 ....................................................................... 187 8.3.2 不固定节点顺序的运输模型 ................................................................... 188 8.4 问题描述和模型建立 .......................................................................................... 190 8.4.1 问题描述 ................................................................................................... 190 8.4.2 数学模型 ................................................................................................... 190 8.5 混合蚁群算法 ...................................................................................................... 192 8.5.1 算法介绍 ................................................................................................... 192 8.5.2 路径构造过程 ........................................................................................... 194 8.5.3 信息素更新策略 ....................................................................................... 195 8.5.4 局部优化算子 ........................................................................................... 195 8.6 MSAU 算法设计 ................................................................................................. 197 8.7 实验分析 .............................................................................................................. 198 8.7.1 算例设置 ................................................................................................... 198 8.7.2 实验结果分析 ........................................................................................... 199 8.8 小结 ...................................................................................................................... 202 参考文献 ....................................................................................................................... 202 第9 章 多周期随机库存运输联合优化问题 ?????????????????????????????????????????????????.204 9.1 引言 ...................................................................................................................... 204 9.1.1 问题的提出 ............................................................................................... 204 9.1.2 问题的描述 ............................................................................................... 205 9.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 206 9.3 模型建立及分析 .................................................................................................. 209 9.3.1 符号说明 ................................................................................................... 209 9.3.2 库存问题的模型及求解方法 ................................................................... 210 9.3.3 系统模型的建立及分析 ........................................................................... 214 9.4 算法设计 .............................................................................................................. 216 9.4.1 运输费用分解法的提出 ........................................................................... 216 9.4.2 基于TCPP 思想的问题求解思路 ............................................................ 217 9.4.3 库存子问题模型及求解 ........................................................................... 218 9.4.4 路径子问题（PT）模型及求解 ............................................................... 220 9.4.5 算法步骤 ................................................................................................... 222 9.5 实验及分析 .......................................................................................................... 224 9.5.1 实例1 ........................................................................................................ 224 9.5.2 实例2 ........................................................................................................ 228 9.6 小结 ...................................................................................................................... 229 参考文献 ....................................................................................................................... 229