پایان نامه حل مسئله مسیریابی وسایل نقلیه چند انبار با پنجره زمانی با استفاده از یک الگوریتم فرابتکاری کارآمد

پایان‌نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد مهندسی صنایع

پائیز 1392

چکیده

در طی سال‌های گذشته، تلاش‌های زیادی به جهت کاهش هزینه حمل و نقل با استفاده از مدل‌های متفاوت مسأله مسیریابی وسیله نقلیه صورت گرفت. در واقع افزایش در هزینه های حمل و نقل بسیاری را تشویق کرد که هزینه حمل و نقل مرتبط با حرفه خود را با بهره‌گیری از سیستم مسیریابی وسیله نقلیه کاهش دهند. در این تحقیق ما مسأله مسیریابی وسیله نقلیه چند انبار با پنجره زمانی را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

مسأله مسیریابی وسایل نقلیه چند انبار با پنجره زمانی شامل ناوگانی از وسایل نقلیه می‌باشد که از انبارها حرکت نموده، دسته‌ای از مشتریان را ملاقات کرده و به انبار بر می‌گردند. ما در این تحقیق حالتی را در نظر گرفته ایم که دیگر نیازی نمی‌باشد هر وسیله نقلیه بعد از ملاقات مشتریان به انبار شروع حرکت برگردد بلکه ممکن است انبار ابتدای مسیر با انبار انتهای مسیر متفاوت از یکدیگر باشند. هر وسیله نقلیه دارای یک ظرفیت ثابت است، و هر مشتری دارای تقاضای مشخص است که باید کاملا ارضا شود. مسأله شامل ترکیب انتخاب ملاقات برای هر مشتری و تعیین مسیرهای وسایل نقلیه براساس قوانین مسأله مسیریابی وسیله نقلیه است؛ بطوریکه کل مسافت طی شده توسط هر وسیله نقلیه و کل زمان‌های زودکرد و دیرکرد و در مجموع کل هزینه کمینه شود.

از آنجائیکه مسأله مسیریابی وسیله نقلیه یک مسأله متعلق به کلاس NP-Hard است مسأله مسیریابی وسیله نقلیه چند انباره با پنجره زمانی نیز به عنوان تعمیمی از VRP جزء مسائل پیچیده و متعلق به کلاس NP-Hard است و برای حل آن از رویکردهای فراابتکاری استفاده می‌شود. در این پایان‌نامه الگوریتم ژنتیک برای حل مسأله مسیریابی وسیله نقلیه چند انباره با پنجره زمانی پیشنهاد شده است. وسعی شده است با استفاده از روش خوشه بندی ژنتیک، مشتریان را دسته‌بندی کرده تا فضای جستجوی مسأله را کاهش داده و سپس با استفاده از الگوریتم ژنتیک مجموعه جواب و تابع هدف مسأله را بدست می‌آ‌وریم.

کلمات کلیدی: مسیریابی وسایل نقلیه، چند‌انبار، پنجره زمانی، خوشه‌بندی، الگوریتم ژنتیک

فصل اول

کلیات تحقیق

-1- مقدمه

توسعه روز‌افزون شهر نشینی، صنایع و بخصوص صنایع پشتیبانی، جابجایی انسان و کالا را به صورت مسأله‌ای در آورده است که پیچیدگی آن دائماً در حال افزایش می‌باشد. رشد شهری باعث افزایش تقاضا در صنعت حمل و نقل شده که به تبع آن شهرها و صنایع بزرگ را دست به گریبان مشکلات زیادی در زمینه‌های تراکم ترافیکی، آلودگی هوا، اتلاف وقت‌های طولانی در مسیر سفرهای روزانه افراد، افزایش مصرف سوخت و استهلاک وسایل نقلیه و غیره کرده است.

برای حل مشکلات ترافیکی و مسایل اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی ناشی از آن در شهرهای بزرگ، صنایع تولیدی و بخش خدمات نیاز به یک سیستم مجهز و کارآمد حمل و نقل می‌باشد. در نتیجه تقاضای رو به افزایش برای راه‌حل‌هایی که اجرایی باشند و بتوانند تمامی منافع پیش‌بینی شده از جمله صرفه‌جویی در هزینه‌ها را با در نظر گرفتن حداکثر سرویس و استفاده بهینه از سرمایه و تجهیزات را حاصل نمایند وجود دارد. حمل و نقل داخل سازمانی، مسیر حرکت اتوبوس‌ها، سرویس‌های مدارس، سیستم‌های توزیع و نگهداری پخش پول و سرویس‌های بانکی و جمع‌آوری ضایعات صنعتی و غیره از جمله مسایلی هستند که می‌توان به آنها اشاره کرد.

برنامه ریزی حمل و نقل، امروزه یکی از زمینه‌های اساسی و مطرح در شاخه‌های مختلف علوم همانند تحقیق در عملیات، مهندسی صنایع و مهندسی عمران می‌باشد. هدف عمده این رشته، کمینه‌سازی هزینه حمل و نقل کالا و مواد بین دو سطح تولیدکننده و مصرف کننده می‌باشد، به طوری که تقاضای هر مصرف‌کننده باید توسط تولیدکنندگان ارضاء گردد. در این حالت با توجه به نوع مسأله مورد نظر عواملی همانند طول مسیر، کیفیت مسیر از لحاظ ساختاری و محیطی، ترافیک مسیر، گنجایش وسایل نقلیه و غیره مد نظر قرار می‌گیرند. چنانچه علاوه بر دو سطح تولید کننده و مصرف کننده، سطوح میانی نیز وجود داشته باشند، به آن شبکه حمل و نقل گفته می‌شود. به عنوان نمونه مسیریابی اتوبوس‌های داخل شهری حالت خاصی از شبکه حمل و نقل می‌باشد.

1-2- ضرورت و اهمیت برنامه‌ریزی حمل‌ونقل

حمل و نقل یکی از بخش‌های عمده و مهم، از اقتصاد هر کشوری به شمار می‌رود و همچنین یکی از مهمترین بخش‌های تشکیل دهنده هزینه تمام شده محصولات نهایی است. توسعه روز افزون شهر‌نشینی، صنایع و بخصوص صنایع پشتیبانی، جابجایی انسان و کالا را بصورت مسأله‌ای در آورده‌است که پیچیدگی آن دائماً در حال افزایش است. رشد شهری باعث افزایش فزاینده تقاضا در صنعت حمل‌ونقل شده که به تبع آن شهرها و صنایع بزرگ را دست به گریبان مشکلات زیادی در زمینه‌های تراکم ترافیکی، آلودگی هوا، اتلاف وقت طولانی در مسیر سفرهای روزانه افراد، افزایش مصرف سوخت و استهلاک وسایل نقلیه و غیره کرده است. برای حل مشکلات ترافیکی و مسایل اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی ناشی از آن در شهرهای بزرگ، صنایع تولیدی و بخش خدمات نیاز به یک سیستم مجهز و کارآمد حمل‌ونقل دارند. در نتیجه تقاضای رو به افزایش برای راه‌حل‌هایی که اجرایی بوده و بتواند تمامی منافع پیش‌بینی‌شده از جمله صرفه‌جویی در هزینه‌ها را با در نظر گرفتن حداکثر سرویس و استفاده بهینه از سرمایه و تجهیزات حاصل نماید، وجود دارد. نظافت خیابان‌ها، حمل‌ونقل داخل سازمانی، مسیرحرکت اتوبوس ها، سرویس مدارس، سیستم‌های توزیع و نگهداری پخش پول و سرویسهای بانکی و جمع آوری ضایعات صنعتی و غیره ازجمله مسایلی است که می توان به آن اشاره کرد.

در دهه‌های اخیر نتایج سودمندی در پروژه‌های بهینه‌سازی، بر مبنای روش‌های تحقیق در عملیات و برنامه‌ریزی ریاضی، در مدیریت موثر تدارک کالا و خدمت‌رسانی سیستم‌های توزیع دیده شده است. تعداد زیادی از کاربردهای واقعی جهانی، هم در آمریکای شمالی و هم در اروپا، بطور وسیع نشان داده که استفاده از روال‌های کامپیوتری برای برنامه‌ریزی فرآیند توزیع، صرفه‌جویی قابل توجهی را (معمولاً بین 5% تا 25%) در هزینه‌های عمومی حمل‌ونقل موجب می‌شود. در واقع، فرآیند حمل‌ونقل شامل همه مراحل سیستم‌های تولید و توزیع است. موفقیت بهره‌برداری از تکنیک‌های تحقیق در عملیات مدیون پیشرفت سیستم‌های کامپیوتری هم از نظر سخت‌افزار و هم از نظر نرم‌افزار و افزایش یکپارچگی سیستم‌های اطلاعاتی فرآیندهای تولید و تجاری است. فاکتور دیگر موفقیت که دارای اهمیت فوق العاده‌ای است، پیشرفت ابزارهای مدل‌سازی در سال‌های اخیر است. در واقع، مدل‌های پیشنهاد شده همه مشخصه‌های مسایل توزیع در کاربردهای واقعی، و الگوریتم‌های متناظر و اجراهای کامپیوتری را به حساب آورده و جواب‌های خوبی را برای نمونه‌های واقعی‌ جهانی در مدت زمان معقول پیدا می کند. (تاث وهمکاران،2002).

(جداول و تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده میباشد)

1-3- حمل‌ونقل در ایران

بخش حمل‌ونقل نیز به عنوان یکی از زیر بخش‌های مهم اقتصادی کشور که تولید آن به قیمت‌های ثابت دارای نرخ رشد بالاتری نسبت به نرخ رشد اقتصاد ملی بوده است، نیاز به توجه بیشتری در نظام مدیریتی کشور دارد. بررسی داده‌های آماری حساب های ملی در بازه ی بین دو مقطع زمانی 1370 تا 1386 نشان می دهد که در این دوره زمانی سهم فعالیت‌های حمل و نقل از تولید ناخالص ملی افزایش یافته است. افزایش سهم نسبی بخش حمل و نقل، انبارداری و ارتباطات از این عملکرد در سطح ملی 8/2 درصد بوده است. جدول (1-1)، مقایسه ارزش حمل و نقل در تولید ناخالص ملی در کشور در سال‌های 1370 تا 1386 را نشان می‌دهد. (شریعت،2004).

 بدین ترتیب، در روند تحولات اقتصادی، بخش حمل‌و‌نقل در سال‌های پس از انقلاب، بخصوص حمل‌و‌نقل زمینی، برجستگی بیشتری یافته و تکیه‌گاه اصلی جابجایی بار و مسافر بوده است، لذا با توجه به حجم بالای ارزش افزوده این بخش، اهمیت بیش از پیش بررسی و برنامه‌ریزی حمل و نقل در ایران به منظور تقلیل بخشی از هزینه‌های مربوطه احساس شده و برخورد علمی و منطقی با این مبحث مهم، امری ضروری است.

1-4- هدف از انجام مطالعه

برنامه‌ریزی حمل‌و نقل، امروزه یکی از رشته‌های اساسی و مطرح در شاخه‌های مختلف علوم همانند حمل و نقل در سیستمهای اقتصادی، تولیدی و خدماتی از جایگاه مهمی برخوردار است و بخش قابل‌توجهی از تولید ناخالص ملی هر کشوری را به خود اختصاص میدهد. مسأله مسیریابی وسیله‌نقلیه یکی از مهمترین مسائل برنامه‌ریزی حمل‌ونقل است که امروزه بسیار مورد توجه محققان و دانشمندان قرار گرفته است. هدف در این مسأله برآورده ساختن همه تقاضاها با حداقل هزینه می‌باشد. اگرچه اهداف فرعی تری از جمله حداقل کردن مسافت طی  شده، متعادل ساختن مسیر از جهت زمان سفر و حجم بار وسیله نقلیه، حداقل کردن خسارت دیرکرد ارائه خدمت به مشتریان، حداقل کردن تعداد مسافرت‌های هر وسیله نقلیه وغیره می‌باشد. یکی از زیر‌مجموعه‌های برنامه‌ریزی حمل‌و‌نقل، مسأله مسیریابی خودرو[1] است،شکل (1-2)، که از مسایل مهم و شناخته‌شده بهینه‌سازی ترکیبی[2] است که به دلیل اهمیت و کاربرد زیاد آن، از سال‌ها قبل مورد توجه محققان و پژوهشگران قرار گرفته است.

در معمول‌ترین شکل این مسأله، هدف بهینه‌سازی نحوه سرویس‌دهی به مجموعه‌ای از مشتریان است که از نظر موقعیت جغرافیایی با هم متفاوت هستند. سرویس‌دهی توسط ناوگان حمل و نقلی که در یک مرکز مستقر هستند، انجام می‌پذیرد. با توجه با قابلیت مسأله مسیریابی خودرو در مدل‌کردن انواع مسایل مطرح در لجستیک سازمان‌ها و به طور اخص سیستم‌های توزیع و یا تأمین آنها توجه به بالا بردن قابلیت‌های مسأله در مدل‌کردن شرایط دنیای واقعی از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان نمونه، مسیریابی اتوبوس‌های داخل شهری، جمع‌آوری ضایعات، مسیریابی فروشنده دوره‌گرد، و واحدهای تعمیر و نگهداری، حالات خاصی از شبکه حمل و نقل است که از آن می‌توان به عنوان مسأله مسیریابی وسایل نقلیه یاد کرد.

-5- تعریف مسأله

VRP یک موضوع چالش برانگیز برای بسیاری از محققان از ابتدای معرفی آن توسط دانتزیگ و رامسر برای حل مسأله توزیع کامیون‌ها[3] بوده است. انواع روش های بهینه سازی پیشنهاد و مطالعه شده است. همان طور که عنوان گردید، اهمیت و کاربرد زیاد مسأله VRP در دنیای واقعی موجب گردیده است که مطالعه زیادی روی چگونگی مدل کردن انواع مسأله، توسعه فرضیات مسأله برای تطبیق با شرایط کاربردی در دنیای واقعی و همچنین ایجاد یا توسعه روش های حل مسأله به منظور کسب نتایج بهتر انجام پذیرد. این مطالعه نیز با هدف توسعه و ایجاد مدلی برای مسأله VRP، به منظور افزایش قابلیت مسأله در کاربردهای واقعی انجام پذیرفته است.

در این پایان‌نامه، مسأله VRP در حالت چند انباره و با در نظر گرفتن محدودیت پنجره زمانی به منظور در نظر گرفتن کاربردهای واقعی بیشتر مورد بررسی قرار گرفته است که در آن به کارگیری حالتی که انبار اول و آخر مسیر ممکن است متفاوت از هم باشند در نظر گرفته‌شده است و سپس با استفاده از روش خوشه‌بندی ژنتیک برای گروه‌بندی مشتریان و از الگوریتم ژنتیکی برای محاسبه تابع هدف، الگوریتم ترکیبی کارا برای حل ارائه می‌شود. جواب این مسأله شامل یافتن کوتاهترین مسیری که در آن هزینه هر مسیر کمینه شود. در انتها حل مسائل نمونه با استفاده از الگوریتم پیشنهادی ارائه شده است، که با استفاده از نرم افزار متلب کدنویسی و اجرا شده است.

1-6- جمع‌بندی و ساختار ارائه مطالب

فصول پایان‌نامه به شرح زیر تدوین شده‌اند: فصل اول تحقیق به معرفی اجمالی آن اختصاص یافته است. در این فصل مقدمه‌ای بر آشنایی با مسأله مسیریابی خودرو، اهمیت آن، هدف از انجام مطالعه و روش‌های بکار گرفته شده در این مطالعه آورده شده است. در فصل دوم به تعریف مسأله مسیریابی خودرو، تعاریف و نیز سوابق تحقیقات انجام شده پیرامون آن پرداخته شده است. در این فصل ضمن بیان مفاهیم اصلی و ادبیات موضوع مربوط به مسأله VRP که شامل تشریح اجزای مسأله، اهداف و محدودیت‌های آن می‌باشد، انواع حالت‌های خاص مسأله و انواع روش‌های آن و تحقیقات انجام شده پیرامون آنها ارایه شده است. در فصل سوم تحقیق، مدل پیشنهادی برای نوع خاصی از مسأله VRP تشریح شده است. سپس در همین فصل، الگوریتم فراابتکاری ژنتیک، برای حل مسأله مورد نظر ارائه می‌گردد. نتایج محاسباتی الگوریتم پیشنهادی با استفاده از نرم افزار مربوطه، در فصل چهارم مورد بررسی قرار می گیرد. سر انجام در فصل پنجم، با جمع‌‌بندی مطالب ارائه شده در تحقیق و نتیجه گیری کلی، پیشنهادها و توصیه‌هایی برای انجام مطالعات بعدی روی موضوع تحقیق آورده ارائه خواهد شد.

فصل دوم

ادبیات تحقیق

1-مقدمه