基于启发式算法与单目优化和马尔科夫模型的进出口公司的货物装运策略——整数线性规划 随机模拟
目录
进出口公司的货物装运策略
摘要
一、问题的重述
1问题的背景
2问题的提出
3目的及意义
二、符号说明
三、模型假设
四、建模准备与问题分析
4.1 线性整数规划
4.2 三维空间分割启发式算法
4.3 混合遗传模拟退火算法
4.4 马尔科夫模型
五、问题解决与模型求解
5.1 问题1
5.2 问题1模型求解
5.3 问题2解决
5.4 问题2模型求解
5.5 问题3解决
5.6 问题3模型求解
5.9 问题5解决
5.8 问题5模型求解
六、模型的评价与推广
6.1 模型优点
6.2模型缺点
6.3模型改进和推广
七、参考文献
文末资源推荐
每文一语
进出口公司的货物装运策略
摘要
本文针对进出口公司经常需要将销售的货物通过货运飞机进行运输的经济效益问题,将货物装运问题等价为空间排样问题,以空间间隙为目标函数,以货物载重和体积为约束变量,建立线性规划和优化模型进行求解,最终给出相应的装运策略。
针对问题1,首先根据各货物的前50个历史需求量求出相应货物的平均值,并按照该平均值来组织货源。货物量以及货物体积、装载容量、运输及销售价格均已知,以货物载重和体积作为约束变量,以空间间隙作为目标函数,建立整数线性规划模型进行求解出,初步确定其装运方案,为达到方案的有效性,通过反向检验确定我们的模型是否合理,最终确定其装运方案。
针对问题2,根据问题一的预处理的数据信息将货物分为需集装箱类和非需集装箱类,装入集装箱的货物需要考虑空间利用率最大,通过直接装入,按照排样寻优算法但对一个集装箱可以装入的最多货物最终所留空隙进行迭代,最终比较出该四种需要装入集装箱的货物的所在最佳集装箱,及空间利用率最大;最后通过数学模型计算得出四种货物所需集装箱的个数,然后转换为单纯的货物装运问题,建立空间利用率最高的单目标优化模型最后得出具体的装运方案:采用小飞机装运,运输货物共需367架次。
针对问题3,集装箱不留空隙意味着剩余的空间可以通过2m3 以上的货物进行填充,这样会占用飞机的重量,会增加飞机的货运次数,但成本较大;故改变装运货物方案思想,结合实际经济效益,将目标函数可设为集装箱的利用率,飞机的空间利用率,飞机的架次/总利润。
针对问题4,针对货物销售量随机现象,采用马尔科夫模型描述此类随机现象,并对下一周期的货物量进行预测,通过问题1,问题2得到对装运方案的最大约束变量是载重约束,故对货仓与货物体积这一方面的约束不再考虑,进一步优化模型,最终在可靠性为95%的前提下,计算出最大的利润值为:8709150元,飞机总架次为:87架次。
针对问题5,沿用问题4的求解思路和模型算法,将可靠性改为75%,最终对下一个周期的销售量进行预测,求解出最大利润为:10781740元;飞机总架次108架。
关键词:整数线性规划 随机模拟 启发式算法 单目优化模型 马尔科夫模型
一、问题的重述
1问题的背景
图 1 2010-2019年全球航空货物运输量(单位:万吨,%)
2问题的提出
(1) 假定只有大、中、小三种类型的货运飞机各一架,货物可以直接装入货仓,并按照前50个周期销售量的均值来组织货源。问如何装运,可以使得货运飞机尽量不留空隙?
(3) 接第2问,进出口公司总觉得以集装箱尽量不留空隙、货运飞机尽量不留空隙作为为货物装运的思路影响了他们的经济效益。请你帮助他们调整一下装运方案,以满足他们的经济期望,并计算最佳利润。
(5) 如果将可靠性95%改为70%,最大利润值和装运策略将如何改变?
3目的及意义
二、符号说明
符号 |
说明 |
Lij |
第 i 架飞机的第 j 个货舱的长 |
Wij |
第 i 架飞机的第 j 个货舱的宽 |
Hij |
第 i 架飞机的第 j 个货舱的高 |
HWm |
第 m 种货物的集合 |
Ym |
第 m 中集装箱的集合 |
Bij /X ij |
第 i 架次的飞机的第 j 个货舱的集装箱集合 |
BoxNumm |
第 m 种集装箱的个数 |
lk |
第 k 个货物的长 |
wk |
第 k 个货物的宽 |
hk |
第 k 个货物的高 |
ck |
第 k 个货物的重量 |
VBij |
第 i 架飞机的第 j 个货舱的空间利用体积 |
weightm |
第 m 种货物的重量 |
WBij |
第 i 架飞机的第 j 个货舱的实际载重量 |
AirWij |
第 i 架飞机的第 j 个货舱的最大载重量 |
Incomei |
第 i 种货物的单件销售价格 |
Transporti |
第 i 种货物的单件运输价格 |
Spendi |
第 i 种货物在装运飞机前的所有成本 |
num |
飞机的架次 |
Numm |
第 m 种货物的前 50 个周期地销售量均值 |
三、模型假设
由于货物类型众多,为保证航空货运的安全性,航空货物运输条件、货物类型、飞机设备,现作以下假设:
- 货物可以任意摆放和混装;
- 不考虑重心约束和方向约束;
- 货物之间不存在镶嵌、包含现象;
- 货物均为长方体,且质量分布均匀;
- 用泡沫和棉花填充集装箱剩下的空隙;
- 不考虑在运输过程中集装箱在飞机货仓内的颠簸所造成的安全问题;
- 货物属于普通货物,包装好后货物外形为矩形体,不考虑形状对货运影响;
四、建模准备与问题分析
4.1 线性整数规划
4.2 三维空间分割启发式算法
启发式算法的内容分为定序规则、定位规则、空间分割规则、空间合并规则,使得货物的装运过程有序可控。
4.3 混合遗传模拟退火算法
4.4 马尔科夫模型
五、问题解决与模型求解
5.1 问题1
5.2 问题1模型求解
首先我们根据附件2所提供的数据信息,根据题目所给定的不变参数,分别求出前50个周期的货物平均销售量、货物的体积、成本价、清仓价,最后将所有的已知信息和求算数据汇总在下表中:
货物名称 |
长度 |
宽度 |
高度 |
体积 |
重量 |
平均销量 |
运输价格 |
销售价格 |
成本价格 |
清仓价格 |
HW1 |
2.96 |
2.12 |
1.21 |
7.592992 |
2.1 |
119 |
2800 |
8000 |
3200 |
2400 |
HW2 |
1.05 |
1.05 |
1.05 |
1.157625 |
0.2 |
368 |
450 |
1500 |
600 |
450 |
HW3 |
3.17 |
0.85 |
2.12 |
5.71234 |
0.7 |
361 |
2400 |
8500 |
3400 |
2550 |
HW4 |
5.08 |
0.95 |
1.05 |
5.0673 |
1.8 |
364 |
3100 |
8800 |
3520 |
2640 |
HW5 |
2.01 |
1.26 |
0.95 |
2.40597 |
1.3 |
247 |
1200 |
4200 |
1680 |
1260 |
HW6 |
1.32 |
0.64 |
0.84 |
0.709632 |
0.3 |
307 |
280 |
1200 |
480 |
360 |
HW7 |
0.98 |
0.42 |
0.52 |
0.214032 |
0.23 |
611 |
150 |
500 |
200 |
150 |
HW8 |
2 |
1.3 |
0.95 |
2.47 |
1.2 |
2993 |
1000 |
3800 |
1520 |
1140 |
HW9 |
2.08 |
1.2 |
1.15 |
2.8704 |
0.9 |
617 |
900 |
3500 |
1400 |
1050 |
HW10 |
1.5 |
1 |
1 |
1.5 |
0.3 |
1225 |
500 |
2000 |
800 |
600 |
单位 |
米 |
米 |
米 |
立方米 |
吨 |
件 |
元/件 |
元/件 |
元/件 |
元/件 |
每种货物在各货仓中的数量用表示第种货物在第号舱的数量;=1,2,3,4,5,6,7,8,9,10表示HW1……HW10货物类别,=1,2,3,4,5,6,7,8,9表示1号舱…..9号舱属性。
目标函数:使用货仓空间总间隙最小化作为目标函数,转换为空间体积最大化:假定每个货仓的货物数量已知为,已知每个货物的体积为,以大飞机为例,最后得出空间最大的目标函数如下:
根据实际情况我们得知载重约束是首当其冲的;但是我们必须要考虑前后舱的载重比例约束,这样才能使得我们的飞机在运输过程中,安全性能得到保障,前后舱的载重比例应该趋近,如此才是符合我们的运输规则和安全保障。
结果显示发现我们的小型飞机的空间利用率比较高,大于其他两架飞机,而大飞机的实际载重高于其他两架机型。
通过反向检验判断是否需要调整我们的方案,经检验发现我们的方案合理,且体积限制非常小,且满足我们的摆放的种类较多,故确定上述方案为我们的最终货物装运方案。
5.3 问题2解决
首先,根据货物的尺寸信息,再次计算出各货物的体积,并将货物分为需集装箱类和非需集装箱类,货物具体体积信息如下表所示:
货物编号 |
体积(m3) |
HW1 |
7.593 |
HW2 |
1.158 |
HW3 |
5.712 |
HW4 |
5.067 |
HW5 |
2.406 |
HW6 |
0.710 |
HW7 |
0.214 |
HW8 |
2.470 |
HW9 |
2.870 |
HW10 |
1.500 |
货物编号 |
平均销售量(件) |
HW1 |
120 |
HW2 |
368 |
HW3 |
362 |
HW4 |
365 |
HW5 |
248 |
HW6 |
308 |
HW7 |
612 |
HW8 |
2994 |
HW9 |
618 |
HW10 |
1226 |
Step2:集装箱利用率的计算由于体积在 2m3以下的货物要被放进集装箱中,为了减少集装箱空间的间隙,
将 HW2,HW6,HW7,HW10 依次放入 7 种集装箱,计算相关的集装箱空间利用率,为 4 种货物选择依次最佳的集装箱进行装载,具体的利用率情况如表 4 所示:
由表 4 可知,HW2 用集装箱 Y4 进行装运,HW6、HW7 和 HW10 都用集装箱 Y7 进行装运。
已知 HW2,HW6,HW7,HW10 所需的货物数量和其相对应的集装箱,由于集装箱可以重复使用,所以下面计算具体需要使用的集装箱次数,计算结果如图 5 所示:
货物编号 |
集装箱数量(类型) |
HW2 |
46 (Y4) |
HW6 |
26 (Y7) |
HW7 |
16 (Y7) |
HW10 |
307(Y7) |
因此,集装箱的选择已确定,可将集装箱等同于货物,将问题二简化为单纯的货物装运问题。
由问题一的三种飞机的各机舱空间利用率结果计算比较来看,小型飞机的空间利用率明显比大型和中型高很多,所以,本题直接确定最佳机型为小型飞机,将集装箱等同于货物,进行货物的装运。下面开始模型的建立:
5.4 问题2模型求解
由表7可知,选用小飞机装运时,运输所有的货物共需 367 个架次。
5.5 问题3解决
5.6 问题3模型求解
大中小型货运飞机均安排 75 架次,能够更快的完成运输任务,充分发挥大、中、小型飞机的运输能力。最大利润为 7812150元
由表 8 可知,75 架各类型飞机的前、中、后舱总共需要安排运输的各货物数量,具体每一架货运飞机货舱的具体货物安排可以根据实际进行装运。
由于下一个周期货物的销售量是随机的,即未来时刻的销售量与现在时刻以前的任一时刻的销售量无关,本文采用马尔科夫模型来描述此种随机现象,并对下一个周期货物的销售量做出预测。
5.9 问题5解决
5.8 问题5模型求解
在 C++中实现 5.3.2 中的优化模型,代入相关数据,整理后得到货运装运策略如下:
1.运送并销售完所有货物后的最大利润为:10781740 元。
六、模型的评价与推广
6.1 模型优点
(1)采用线性整数规划,按照空间排样寻优算法不断确定约束变量的主导因素;
(2)利用较强的数学逻辑思维进行问题解剖和问题求解;
(3)结合实际商业应用场景加入多种约束变量,建立多目标函数;
(4)考虑到飞机的平衡问题对运输的影响,采用载重比例进行约束;
6.2模型缺点
(1)针对货物的体积我们采用的数据计算存在一定的偏差,对优化模型存在一定的变动影响。
(2)模型及目标函数中没有对实际存在的多种因素变量考虑周全,数学思想相对于传统,不具有调参意义。
6.3模型改进和推广
通过我们的货运装载方案的模型建立,解决了我们的直接判断和经验决策所带来的经济效益不明显,资源利用率不高的诸多实际问题,基于空间排样寻优算法对航空货运的装载策略的研究具有极高的经济价值和实用价值。[4]
七、参考文献
[1] 张丽霞. 航空货运飞机装载问题研究[D]. 南京航空航天大学, 2012.
[2] 孙小玲,李端. 整数规划新进展[J]. 运筹学学报, 2014, 18(1): 39-68.
[3] 张钧,贺可太. 求解三维装箱问题的混合遗传模拟退火算法[J]. 计算机工程与应用, 2019, 55(14): 32-39, 47.
[4] 彭聚珍. 商业生态系统视角下中国航空运输企业国际竞争战略研究[D]. 北京交通大学, 2016.
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