高小芳

(泉州信息工程學(xué)院 軟件工程數(shù)字媒體系，福建 泉州 362000)

在物流這個(gè)行業(yè)中，為了滿足一個(gè)合適的車輛調(diào)度策略就需要有一個(gè)合適的配送策略，這樣才能確認(rèn)配送路徑是否合理還有有沒有優(yōu)化車輛調(diào)度.分發(fā)配送的過(guò)程中的物品，會(huì)有很多問題產(chǎn)生，受最主要影響的有兩個(gè)：動(dòng)態(tài)因素和靜態(tài)因素.動(dòng)態(tài)因素主要包括道路建設(shè)或者其他道路問題、物品收集問題、交通問題等等.靜態(tài)因素主要包括網(wǎng)上道路問題、配送中物品問題、車輛運(yùn)行被限制等等.各種配送過(guò)程會(huì)受受動(dòng)態(tài)因素或者靜態(tài)因素影響，因?yàn)闆]有選擇最佳配送路費(fèi)以及貨物延遲到達(dá)目的地而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)方面的重大損失.所以現(xiàn)在物流配送面臨的一大難題是缺少一個(gè)最佳的最優(yōu)配送路徑.在一般情況下，最短配送路徑是分為短距離的路徑、短時(shí)間的路徑和成本最經(jīng)濟(jì)這三種[1].

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于物流配送路徑選擇的研究在國(guó)內(nèi)外主要包括發(fā)展路徑選擇系統(tǒng)的研究、影響路徑選擇的問題的研究和最優(yōu)路徑算法的研究這三個(gè)方向.但是很多國(guó)內(nèi)和國(guó)外學(xué)者都在做大量關(guān)于最優(yōu)路徑算法的研究，這也是國(guó)內(nèi)外最熱門的研究話題.

在國(guó)內(nèi)，朱建榮[2]利用很多的蟻群算法的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)改進(jìn)最優(yōu)路徑算法，研究成了解決物流配送路徑的問題，一種自適應(yīng)蟻群算法.王榮彥[9]最優(yōu)路徑選擇算法是根據(jù)遺傳算法，兩個(gè)不同的是，王榮彥的算法研究了解決道路交通的方法就是用動(dòng)態(tài)路段行程時(shí)間函數(shù)模型來(lái)解決，把這些函數(shù)的值叫為道路網(wǎng)絡(luò).在國(guó)外，F(xiàn)ilipec、Skrlec和Krajcar[10]他們解決最優(yōu)配送路徑規(guī)劃問題是使用遺傳算法.他們根據(jù)交叉、選擇和變異等這些遺傳并引入了混合算子操作，然后通過(guò)并行操作調(diào)整它們的適應(yīng)度.最后的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，這種算法和明顯的增強(qiáng)了種群進(jìn)化的質(zhì)量.最后，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果檢驗(yàn)了這種算法的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定且具有收斂速度快等.

2 最優(yōu)路徑算法的分析研究

然而，很少有學(xué)者用回溯算法來(lái)研究物流配送的最優(yōu)路徑規(guī)劃問題.

(1) Dijkstra算法：時(shí)效性是好的，當(dāng)?shù)缆肪W(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，Dijkstra算法可以找到最優(yōu)解，但它的搜索速度慢，時(shí)間復(fù)雜度為O(n2)(其中n為問題規(guī)模).

(2)蟻群算法：具有很強(qiáng)的魯棒性和內(nèi)在的并行性，容易和很多種算法結(jié)合，它搜索最優(yōu)解的能力很強(qiáng)，但是隨著社會(huì)發(fā)展，問題也會(huì)越來(lái)越多，那么這種算法也很難比較快地搜索到最優(yōu)解，而且搜索速度又慢，很容易陷入局部搜索.具體該算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(NC*n2*m)(其中NC為循環(huán)次數(shù)，n為TSP規(guī)模，m為螞蟻數(shù)量).

(3) Floyd算法：此算法很簡(jiǎn)單而且有效，其時(shí)間復(fù)雜度為O(n3)(其中n為問題規(guī)模).

(4) 回溯法：這種算法特別適合只滿足一些條件范圍性的搜素，它比較適用于大型動(dòng)態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò).選擇最優(yōu)搜索是一種通過(guò)構(gòu)建約束函數(shù)來(lái)提高程序的效率的枚舉的嘗試方式，這些程序結(jié)構(gòu)清晰，容易解讀容易被理解，而且應(yīng)用范圍比較廣泛還靈活.雖然時(shí)間復(fù)雜度大，但在實(shí)際問題上，根據(jù)實(shí)際情況做出不同的選擇，其具體的時(shí)間復(fù)雜度是O(n！)，其中n是問題的大小.

(5) 遺傳算法：可以直接操縱結(jié)構(gòu)對(duì)象且利用概率優(yōu)化方法，有固定的全局優(yōu)化能力與隱藏并行性，但是它不會(huì)控制收殮過(guò)早的問題因?yàn)樗碾S機(jī)搜索方向不夠明確，其時(shí)間復(fù)雜度為O(n*2n)，其中這里的n指的是問題的大小.

(6) A*算法：這種算法可以用于求解局部的最優(yōu)解，它可用于大的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑問題.這種算法內(nèi)存空間小，而且搜索的速度很快.但是也是只能有范圍內(nèi)的確定搜索，當(dāng)真正面臨實(shí)際問題的時(shí)候它會(huì)模糊不定，在整體解決中不好取得最優(yōu)路徑.該算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(bd)(其中b是分支因子，即任何節(jié)點(diǎn)的后續(xù)節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目;d是主要目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的深度).

由以上算法分析可知，回溯算法是類似枚舉的首選搜索方法，不僅程序結(jié)構(gòu)清晰，容易解讀，而且應(yīng)用范圍廣泛并且靈活.基本思路是：一直往前，直到碰到墻壁才回頭.也就是說(shuō)，從一條路向前走，遇到阻擋墻后遇到回歸，選擇另一種方式去. 另外，F(xiàn)loyd算法相對(duì)其他算法而言，適合用于解決小型方向網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑，邊緣權(quán)重為正負(fù)，密集圖的最佳效果，也被經(jīng)常用于研究算法的最優(yōu)路徑問題.因此，回溯算法是最適合作物流配送路徑尋優(yōu)算法.

3 可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件設(shè)計(jì)的總體想法是，用戶在用戶界面中隨機(jī)選擇并自己確認(rèn)倉(cāng)庫(kù)點(diǎn)，當(dāng)確定了倉(cāng)庫(kù)點(diǎn)以及那個(gè)分配點(diǎn)以后，根據(jù)最優(yōu)算法可以讓用戶自行在整個(gè)配送過(guò)程中的路徑和單程部分路徑選擇來(lái)回切換；用戶可以選擇要不要阻塞，但是有時(shí)候阻塞會(huì)自己產(chǎn)生一個(gè)上限值，在被運(yùn)行的界面上會(huì)顯示所有的信息，這里的當(dāng)前分配點(diǎn)或者整條路徑的信息包括：整條路徑的長(zhǎng)度、需要花費(fèi)的時(shí)間以及車的速度，最終這些操作完成后會(huì)返回原來(lái)的整條路徑模式并且會(huì)顯示信息.

(1) 物流配送最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法和分段法的思想，扔掉了最短路徑算法去讓三角旅行商算法完成.根據(jù)回溯算法對(duì)路徑優(yōu)化算法進(jìn)行分析，它設(shè)計(jì)出來(lái)的軟件會(huì)自動(dòng)生成最佳配送路線從倉(cāng)庫(kù)點(diǎn)到每個(gè)分配點(diǎn).和其他最優(yōu)配送路徑算法進(jìn)行比較，對(duì)Floyd算法和回溯算法的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn).

(2) 需要考慮到物流成本因素，包括在最短的時(shí)間和時(shí)間的車輛等這些因素，目的是節(jié)約車輛成本，減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本，從倉(cāng)庫(kù)運(yùn)到最短路線和最佳時(shí)間分配時(shí)車輛的返回，求阻塞最佳路徑.

(3) 物流配送路徑規(guī)劃模擬軟件分為生成裝載點(diǎn)的功能和GPS移動(dòng)終端配送路徑的選擇這兩個(gè)擴(kuò)展功能.擴(kuò)展裝載點(diǎn)包括車輛的存儲(chǔ)和單個(gè)貨物的裝載兩個(gè)功能.車輛運(yùn)輸?shù)亩鄶?shù)選擇需要物品的分配.單個(gè)物件對(duì)象的掃描使用手持終端進(jìn)行掃描并傳輸需要交付的物件對(duì)象.這是模擬物流行業(yè)中兩種常見的分銷業(yè)務(wù)流程.

3.1 可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

3.1.1 軟件開發(fā)目的.建立物流公司存在一些在配送過(guò)程中的問題，包括車輛配送問題、路線不合理問題、運(yùn)輸由于各種原因產(chǎn)生資源浪費(fèi)問題、沒辦法一起配送問題等.利用回溯算法和Floyd算法進(jìn)行了物流的最優(yōu)配送路徑算法的改進(jìn)優(yōu)化，研發(fā)面向中小型物流公司可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件.

3.1.2 軟件運(yùn)行環(huán)境.物流配送最佳路徑規(guī)劃模擬軟件的硬件要求是1.8GHz以上的中央處理器，1G以上內(nèi)存和超過(guò)50G的硬盤; 需要的是 Windows XP或Windows 7操作系統(tǒng)并且預(yù)先安裝.Net Framework 3.5進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).

3.2 軟件系統(tǒng)的功能需求

3.2.1 軟件系統(tǒng)的功能分析.軟件功能它們可以分成下面三個(gè)層次.

(a) 高—在軟件必須實(shí)現(xiàn)功能，用戶對(duì)相關(guān)功能和要求有明確的定義.

(b) 中—會(huì)在軟件中實(shí)現(xiàn)功能，但是用戶功能的定義和要求可能是不確定的，不是特定的或低約束的.但是缺少這項(xiàng)功能可能導(dǎo)致用戶不滿意，所以需求分析應(yīng)指導(dǎo)用戶明確相關(guān)功能的具體需求.

(c) 低—在軟件應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)功能，并且按照相關(guān)功能的開發(fā)進(jìn)度實(shí)現(xiàn)，盡可能提高用戶的滿意程度.

3.2.2 軟件功能需求表.按照軟件的三個(gè)功能層次，設(shè)計(jì)出了功能需求表，如表1所示.

表1 物流配送最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件功能需求表

3.3 軟件系統(tǒng)的架構(gòu)

物流配送管理系統(tǒng)分為界面服務(wù)管理系統(tǒng)(UI層)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DP層)這兩層.物流分配管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為接口服務(wù)管理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理輸出三個(gè)部分.服務(wù)接口管理包括管理機(jī)制、管理保障機(jī)制和繪圖按鈕，用戶數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換管理；在數(shù)據(jù)處理部分輸出的數(shù)據(jù)采集和處理是主要路徑一代；數(shù)據(jù)采集部分是用來(lái)連接UI層和DP層之間的數(shù)據(jù)交換，讀取服務(wù)器上的數(shù)據(jù).

界面服務(wù)管理系統(tǒng)(UI層)中的接口主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出以及接口管理，還負(fù)責(zé)管理阻止輸入的錯(cuò)誤消息，以及接收DP層數(shù)據(jù).該系統(tǒng)包括繪圖按鈕保護(hù)管理機(jī)制，用戶數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理四個(gè)部分之間的交流，這管理機(jī)制是主要在繪制路徑移動(dòng)管理繪制和重繪圖片的；控制保護(hù)機(jī)制是拿來(lái)控制恢復(fù)和屏蔽功能的；采集用戶數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中數(shù)據(jù)交換管理是DP層傳輸和訪問相關(guān)數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DP層)主要從用戶界面層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，并把有效的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩艚缑鎸?該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中間數(shù)據(jù)交換、采集與計(jì)算和路徑處理系統(tǒng)管理這三部分組成.數(shù)據(jù)采集與計(jì)算主要是實(shí)現(xiàn)鄰接矩陣、路徑長(zhǎng)度、時(shí)間和速度數(shù)據(jù)的生成.路徑處理系統(tǒng)是為了使全局最優(yōu)路徑和阻塞的形成；中間數(shù)據(jù)交換管理是為了對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和傳輸?shù)接脩艚缑鎸拥膫鬏?

3.4 可視化模擬軟件測(cè)試

3.4.1 測(cè)試環(huán)境.總的來(lái)說(shuō)軟件測(cè)試環(huán)境分為硬件環(huán)境測(cè)試和軟件環(huán)境測(cè)試這兩種.物流配送優(yōu)化路徑規(guī)劃模擬軟件只需要一臺(tái)單機(jī)電腦即可完成，需要為1.8 GHz以上的中央處理器頻率的硬件要求，1 G以上的內(nèi)存以及50 G以上的硬盤就可以.所需的軟件操作環(huán)境是需要預(yù)先安裝.Net Framework 3.5在Windows XP或Windows 7操作系統(tǒng)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).

3.4.2 測(cè)試方法.通過(guò)現(xiàn)實(shí)生活中模擬用戶真實(shí)情況的一種實(shí)驗(yàn)測(cè)試，不管是否交通有擁堵，可能的問題有兩種：(1) 只有一條邊可以進(jìn)去和出來(lái)的情況，它存在一些點(diǎn)但只有單條邊的點(diǎn)，如圖1.(2) 有很多個(gè)點(diǎn)且每個(gè)點(diǎn)都在主道上面，如圖2.

圖1 道路問題1 圖2 道路問題2

這些問題都會(huì)造成后期很嚴(yán)重的后果，我們解決這個(gè)問題的方案是確保每個(gè)點(diǎn)有三個(gè)發(fā)展下限來(lái)防止出現(xiàn)問題在阻塞的時(shí)候.

3.4.3 測(cè)試結(jié)果.我們對(duì)10個(gè)分配派送點(diǎn)進(jìn)行記錄，再選中當(dāng)中的一個(gè)分配派送點(diǎn)當(dāng)做倉(cāng)庫(kù)點(diǎn)，找從倉(cāng)庫(kù)點(diǎn)到分配派送點(diǎn)的配送的成本最優(yōu)路徑來(lái)檢驗(yàn)可視化模擬軟件的測(cè)試效果.在可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件中完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)下面的軟件進(jìn)行了測(cè)試，得到測(cè)試運(yùn)行界面.可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件主界菜單包括標(biāo)識(shí)投遞點(diǎn)、投件、車輛裝載、掃描、復(fù)位全部、顯示信息和退出選項(xiàng).

(1) 軟件運(yùn)行界面——路徑優(yōu)化，在軟件界面中所確定各配送點(diǎn)的坐標(biāo)且道路信息也清晰.當(dāng)V3被選擇為倉(cāng)庫(kù)點(diǎn)時(shí)，分發(fā)點(diǎn)變成黃色的時(shí)候表示著它已經(jīng)被訪問過(guò)，如圖3所示.也就是說(shuō)分配派送完成了.軟件界面會(huì)顯示詳細(xì)信息在分配過(guò)程中，動(dòng)態(tài)路徑包括坐標(biāo)的最優(yōu)路徑和當(dāng)前路徑的排列分布和方向，距離的比較和所需要走或者走過(guò)的總距離，車輛的平均車速和所花費(fèi)的總時(shí)間.用戶還可以通過(guò)可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件的“信息顯示”這個(gè)菜單窗口查看當(dāng)前路徑的所有詳細(xì)信息.這些信息包括了現(xiàn)實(shí)道路分布的路徑、現(xiàn)實(shí)道路所需要花費(fèi)的時(shí)間和和現(xiàn)實(shí)道路估計(jì)花費(fèi)時(shí)間以及它們的和.在分配完成后，車輛將返回到倉(cāng)庫(kù)點(diǎn)，這時(shí)車輛最優(yōu)路徑V3-V4-V5-V6-V7-V8-V9-V10-V0-V1-V2-V3會(huì)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示.這是沒有擁堵的道路的情況，讓分配派送的時(shí)間最短，且總距離最短從而達(dá)到配送成本的最小值.

圖3 動(dòng)態(tài)路徑線路圖 圖4 最優(yōu)路徑線路圖

(2) 軟件運(yùn)行時(shí)——最佳時(shí)間，如圖5所示.同樣分配任務(wù)，路徑優(yōu)化是從最短的總配送路徑，和時(shí)間最優(yōu)路徑V3-V2-V1-V0-V5-V6-V9-V8-V7-V4-V3這里是最小總配送時(shí)間消耗.想到現(xiàn)實(shí)生活中的情況，用隨機(jī)阻塞來(lái)模擬道路擁擠，如圖6所示.當(dāng)分配派送的車輛到達(dá)分配派送點(diǎn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)前方有道路擁擠或其他情況，這時(shí)軟件將根據(jù)現(xiàn)實(shí)實(shí)際情況再生成另一條最優(yōu)配送路徑，并且根據(jù)這條路徑重新分配.由于道路擁堵，對(duì)最優(yōu)路徑V3-V2-V0-V1-V5-V6-V9-V10-V8-V7-V4-V3分配的最終結(jié)果，在理想條件下的最優(yōu)分配路徑是不一樣的，從圖6中可以看出，如果配送總時(shí)間比預(yù)期的要長(zhǎng)，但交貨時(shí)間已經(jīng)達(dá)到最快，最后也會(huì)實(shí)現(xiàn)減少損失和成本優(yōu)化的最終目標(biāo).

圖5 時(shí)間最優(yōu)路徑線路圖 圖6 隨機(jī)阻塞時(shí)的最優(yōu)路徑線路圖

在SQL Server 2008和VS2010開發(fā)環(huán)境里，用C #語(yǔ)言和SQL語(yǔ)言進(jìn)行編程且實(shí)現(xiàn)，按路線來(lái)規(guī)劃隨機(jī)生成路線的模擬，知道配送的方向、配送的距離、速度以及所花費(fèi)的總時(shí)間，最后選擇十組的進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化，優(yōu)化路徑的結(jié)果數(shù)據(jù)線圖生成如下.

圖7 優(yōu)化前后路程對(duì)比數(shù)據(jù)折線圖 圖8 優(yōu)化前后總耗時(shí)對(duì)比數(shù)據(jù)折線圖

算法優(yōu)化配送路徑的距離，盡管一些組織比以前的配送路徑優(yōu)化長(zhǎng)距離從圖7可以看出，但選擇更不擁擠的配送路程會(huì)讓交貨時(shí)間更短，這樣能得到更好的配送路徑，配送成本也跟著降低，從而更好的滿足客戶的要求.同時(shí)也證實(shí)了回溯算法和Floyd算法相結(jié)合得到的最優(yōu)配送路線算法是可以的.從圖8可以計(jì)算出，之前的數(shù)據(jù)方差是0.32，優(yōu)化后的算法方差是0.14，方差算法在優(yōu)化前的2.3倍左右的優(yōu)化算法，反映之前不同的離散程度高，同時(shí)也表明每條分配路徑算法都算比較集中，看到的優(yōu)化后的每條配送路徑優(yōu)化算法得到的配送總時(shí)間也減少很多；在分配派送的時(shí)間上，派送路徑優(yōu)化算法根據(jù)時(shí)間比優(yōu)化路徑那種優(yōu)化算法的時(shí)間長(zhǎng)，優(yōu)化算法的總時(shí)間比之前的7%還少一些，由分配派送點(diǎn)的變多，總的時(shí)間分布算法的優(yōu)化是相對(duì)減少，即提高分配效率.通過(guò)對(duì)比圖以上數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)最優(yōu)路徑算法的優(yōu)化算法的物流搜索路由與傳統(tǒng)路由算法相比，總的路程不短，但是所有時(shí)間和是最少的，路徑優(yōu)化算法效率最高，至少?gòu)陌l(fā)貨到收貨時(shí)間優(yōu)化了、最低的成本優(yōu)化了以及配送路徑優(yōu)化.

4 小結(jié)

在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中的物流配送可視化模擬軟件的最優(yōu)路徑規(guī)劃，盡可能考慮到物流所有成本包括用最短的時(shí)間、最近的距離以及路線規(guī)劃等，這個(gè)軟件的宗旨是降低成本為各大中小企業(yè)節(jié)省車輛費(fèi)用，從倉(cāng)庫(kù)到最短路徑的每個(gè)分布點(diǎn)和時(shí)間最優(yōu)的運(yùn)輸和交通堵塞的車輛后阻塞回溯返回的最優(yōu)配送路徑.首先，按照最優(yōu)配送路徑規(guī)劃的開發(fā)和可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的分析和設(shè)計(jì)，針對(duì)可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)了功能結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)用例圖、順序圖和活動(dòng)圖，且提出了可視化最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件的總體框架，這個(gè)框架主要分為服務(wù)管理系統(tǒng)(UI層)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(DP)兩個(gè)界面，在軟件測(cè)試完成后，最優(yōu)路徑規(guī)劃模擬軟件已經(jīng)得到良好的運(yùn)行效果在路徑優(yōu)化和時(shí)間優(yōu)化這兩種不同的分布模式優(yōu)化.

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