Введение
Задачи транспортной логистики давно и хорошо исследованы в детерминированной постановке, в том числе классиками линейного программирования (Ашманов, 2021). Современная классификация подобных задач и методов их решения представлена, например, в (Шестаков, Зуенко, 2022). Традиционные оптимизационные методы решения подобных задач, базирующиеся на теории линейного программирования актуальны и в современных научных исследованиях (Хайрулин, 2014). Другим трендом в практике решения транспортных задач является использование методов теории графов, например, (Агапова, Попова, 2021). Часто ряд параметров в логистических задачах являются неопределенными. Для их моделирования используют, в том числе, случайные величины. Результаты, учитывающие влияние случайных параметров в транспортных задачах логистики, отражены, например, в работах (Наумов, Уланов, 2003, Наумов , Богданов, 2006, Гайнанов, Игнатов, Наумов, Рассказова, 2020). Как правило (Наумов, Уланов, 2003, Наумов , Богданов, 2006), в роли случайных параметров выступает объем доставки товара, определяемый спросом на него. Однако в современных условиях, когда все большую долю рынка завоевывает сетевая торговля, организуемая маркетплейсами, все более важную роль начинают играть сроки доставки товара конечному потребителю. Они определяются рядом параметров: доступностью товаров на складах, оперативностью и организованностью работы складского персонала и службы планирования и на конечном этапе дорожной обстановкой по пути доставки от склада к конечному потребителю. Время выполнения определенного задания учитывается в качестве случайного параметра и в других приложениях теории стохастической оптимизации, например, в теории тестирования (Наумов, Мартюшова, Степанов, 2024, Наумов, Устинов, Степанов, 2024, Наумов, Мхитарян, Черыгова, 2019). В качестве распределения случайного времени выполнения определенного задания рассматриваются как непрерывные распределения, например, логнормальное или гамма-распределение (Van der Linden, Scrams, Schnipke, 1999, Босов и др., 2019), так и дискретные (Наумов, Мартюшова, Степанов, 2024, Наумов, Устинов, Степанов, 2024, Наумов, Мхитарян, Черыгова, 2019). Использование дискретных распределений случайных параметров обосновано с одной стороны возможностью аппроксимации ими соответствующих непрерывных распределений и возможностью построения этих распределений на основе анализа гистограмм, полученных на базе обработки имеющейся статистической информации о времени выполнения задания. С другой стороны использование дискретных распределений позволяет свести полученные задачи стохастической оптимизации к детерминированным задачам смешанного целочисленного программирования (Кибзун, Наумов, Норкин, 2013).
В данной работе рассматривается задача формирования оптимального плана доставки однотипной продукции компании с имеющихся складов до конечных потребителей, например, точек розничной торговли, или точек выдачи товара. За каждым складом закреплено некоторое количество транспортных средств. Все транспортные средства однотипны и в рамках рассматриваемого горизонта планирования осуществляют лишь одну доставку со склада до одного потребителя. Время доставки товара считается случайной величиной с известным дискретным законом распределения. Задача формулируется в терминах стохастического линейного программирования с квантильным критерием и стратегией оптимизации в виде матрицы булевых переменных.
Материалы и методы
Требуется осуществить доставку товара с складов производителя однотипной продукции до конечных потребителей или точки выдачи товара в количестве точек. К моменту формирования задания на доставку на каждом из складов доступно однотипных транспортных средств, общее количество которых на всех складах равно . Каждое из транспортных средств может в рамках задания совершить одну доставку со склада, где оно находится, до любой конечной точки доставки за случайное время , которое моделируется дискретной случайной величиной, имеющей известный законом распределения с возможными значениями . Случайная природа времени доставки определяется транспортной обстановкой по пути следования и оперативностью работы (загруженностью) складских служб, осуществляющих подготовку и загрузку транспортного средства, определенного к доставке. Будем считать, что все величины независимы. Тогда общее количество возможных значений случайной матрицы равно . Стоимость доставки товара –ым транспортным средством до -ой точки доставки равна . Каждый склад характеризуется детерминированным на момент формирования транспортного задания объемом имеющегося в наличие товара . Объем товара, необходимый к доставке в каждую точку также известен . Предполагается, что вместимость любого транспортного средства позволяет его осуществить. Для каждой точки доставки определено время , за которое в рамках формируемого задания доставка должна быть осуществлена. Нарушение сроков доставки нежелательно, так как отрицательно влияет на имидж компании и может повлечь потерю части заказов товара. Поэтому, в силу случайной природы времени доставки, это ограничение требуется к выполнению с заданной вероятностью Требуется минимизировать суммарные затраты на доставку товара по точкам с учетом выполнения вероятностного ограничения на соблюдения сроков доставки.
В роли оптимизационной стратегии выступает матрица булевых переменных размерностью , где
Таким образом, первые строк в матрице соответствуют транспортным средствам находящимся на - ом складе, и так далее, последние строк соответствуют транспортным средствам находящимся на складе с номером к моменту формирования задания на доставку. Рассмотрим величину , пусть .
Задача формулируется в терминах одноэтапной задачи стохастического линейного программирования с квантильным критерием (Наумов, Игнатов, 2022). Рассмотрим функцию квантили:
(1)
Для поиска оптимальной стратегии доставки необходимо решить следующую оптимизационную задачу:
(2)
при ограничениях:
(3)
(4)
Согласно доверительному методу [15] и утверждению, доказанному в [13], задача (2)-(3) эквивалентна следующей задаче целочисленного линейного программирования:
(5)
при ограничениях:
(6)
(7)
(8) , (9)
где , а - максимальное время, из всех возможных значений случайных величин . Вектор определяет вид оптимального доверительного множества в доверительном методе (Кан, Кибзун, 2009) решения задач квантильной оптимизации. Если координата оптимального значения вектора принимает значение единица, то соответствующее -е возможное значение случайной матрицы принадлежит оптимальному доверительному множеству, и ограничение (8) на время доставки должно быть выполнено. Если же , то ограничение (8) очевидно становится пассивным из-за выбора величины .
Несмотря на то, что задача (5)-(7) является детерминированной задачей целочисленного линейного программирования, поиск ее оптимального решения может быть затруднен большой размерностью этой задачи. Поэтому не лишено смысла в предложении специальных алгоритмов решения задачи (2)-(4), использующих ее специфику. Рассмотрим такой алгоритм:
Алгоритм.
Шаг 0.
Положим , а — нулевой.
Шаг 1.
Исключим стратегии назначения, которые не удовлетворяют ограничению на время доставки даже в самом оптимистичном сценарии, где каждая доставка осуществляется за минимально возможное время .
Из всех допустимых матриц , удовлетворяющих условиям (3)–(4), выбираем стратегий, образующих множество , для элементов которого выполнены условия:
Перенумеруем все элементы множества . Таким образом, число от 1 до однозначно определяет элемент множества. Под будем понимать -й элемент множества . Положим
На этом шаге инициируется внешний цикл перебора всех выбранных стратегий оптимизации.
Шаг 2.
Если то переходим к шагу 7. В противном случае полагаем , где – вспомогательный параметр для расчета вероятности выполнения ограничений.
Шаг 3.
Пусть матрица содержит ровно единиц, расположенных в позициях , где — номер машины, назначенной -му потребителю.
Рассмотрим подвектор случайной матрицы
Положим , а .
На этом шаге инициализируется цикл перебора всех возможных реализаций
где — число возможных значений каждой случайной величины .
Шаг 4.
Если , то переходим к шагу 6.
В противном случае вычисляем вероятность данной реализации:
и проверяем выполнение ограничений по времени:
Если все ограничения выполнены, то полагаем
Шаг 5.
Полагаем , и переходим к началу шага 4.
Шаг 6.
Вычисляем значение критерия для стратегии
Если величина и , то полагаем
Независимо от результата сравнения, полагаем и переходим к шагу 2.
Шаг 7.
Если , то решение задачи (2)–(4) отсутствует.
В противном случае полагаем оптимальное значение критерия равным , а оптимальную стратегию — равной .
Результаты
Задача, рассмотренная в работе, решалась для следующих исходных данных:
, , , , , , , , , , , , , , , , , , .
Таблица 1./ Table 1.
Стоимость доставки
Delivery cost
|
|
3000
|
3200
|
3400
|
3100
|
3300
|
3500
|
|
|
6000
|
6200
|
6400
|
6100
|
6300
|
6500
|
|
|
4500
|
4700
|
4900
|
4600
|
4800
|
5000
|
Таблица 2./ Table 2.
Распределение времени доставки , .
Distribution of delivery time , .
|
|
j=1
|
j=2
|
j=3
|
|
|
|
|
2.0
|
2.6
|
4.8
|
|
|
0.65
|
0.25
|
0.1
|
|
|
|
2.1
|
2.7
|
4.9
|
|
|
0.6
|
0.3
|
0.1
|
|
|
|
2.2
|
2.8
|
5.0
|
|
|
0.55
|
0.35
|
0.1
|
|
|
|
|
|
2.1
|
2.7
|
4.7
|
|
|
0.62
|
0.28
|
0.10
|
|
|
|
2.2
|
2.8
|
4.8
|
|
|
0.58
|
0.32
|
0.10
|
|
|
|
2.3
|
2.9
|
4.9
|
|
|
0.54
|
0.36
|
0.10
|
|
|
|
|
|
1.9
|
2.5
|
4.9
|
|
|
0.68
|
0.22
|
0.10
|
|
|
|
2.0
|
2.6
|
5.0
|
|
|
0.64
|
0.26
|
0.10
|
|
|
|
2.1
|
2.7
|
5.1
|
|
|
0.60
|
0.30
|
0.10
|
|
|
|
|
|
3.7
|
4.0
|
4.3
|
|
|
0.25
|
0.50
|
0.25
|
|
|
|
3.8
|
4.1
|
4.4
|
|
|
0.20
|
0.60
|
0.20
|
|
|
|
3.9
|
4.2
|
4.5
|
|
|
0.15
|
0.70
|
0.15
|
|
|
|
|
|
3.8
|
4.1
|
4.4
|
|
|
0.30
|
0.40
|
0.30
|
|
|
|
3.9
|
4.2
|
4.5
|
|
|
0.25
|
0.50
|
0.25
|
|
|
|
4.0
|
4.3
|
4.6
|
|
|
0.20
|
0.60
|
0.20
|
|
|
|
|
|
3.2
|
3.6
|
4.2
|
|
|
0.45
|
0.40
|
0.15
|
|
|
|
3.3
|
3.7
|
4.3
|
|
|
0.40
|
0.45
|
0.15
|
|
|
|
3.4
|
3.8
|
4.4
|
|
|
0.35
|
0.50
|
0.15
|
|
|
|
|
|
3.3
|
3.7
|
4.1
|
|
|
0.50
|
0.35
|
0.15
|
|
|
|
3.4
|
3.8
|
4.2
|
|
|
0.45
|
0.40
|
0.15
|
|
|
|
3.5
|
3.9
|
4.3
|
|
|
0.40
|
0.45
|
0.15
|
|
|
|
|
|
3.1
|
3.5
|
4.3
|
|
|
0.40
|
0.45
|
0.15
|
|
|
|
3.2
|
3.6
|
4.4
|
|
|
0.35
|
0.50
|
0.15
|
|
|
|
3.3
|
3.7
|
4.5
|
|
|
0.30
|
0.55
|
0.15
|
|
Таблица 3./ Table 3.
Распределение времени доставки , .
Distribution of delivery time , .
|
|
j=4
|
j=5
|
j=6
|
|
|
|
|
2.0
|
2.6
|
4.8
|
|
|
0.65
|
0.25
|
0.1
|
|
|
|
2.1
|
2.7
|
4.9
|
|
|
0.6
|
0.3
|
0.1
|
|
|
|
2.2
|
2.8
|
5.0
|
|
|
0.55
|
0.35
|
0.1
|
|
|
|
|
|
2.1
|
2.7
|
4.7
|
|
|
0.62
|
0.28
|
0.10
|
|
|
|
2.2
|
2.8
|
4.8
|
|
|
0.58
|
0.32
|
0.10
|
|
|
|
2.3
|
2.9
|
4.9
|
|
|
0.54
|
0.36
|
0.10
|
|
|
|
|
|
1.9
|
2.5
|
4.9
|
|
|
0.68
|
0.22
|
0.10
|
|
|
|
2.0
|
2.6
|
5.0
|
|
|
0.64
|
0.26
|
0.10
|
|
|
|
2.1
|
2.7
|
5.1
|
|
|
0.60
|
0.30
|
0.10
|
|
|
|
|
|
3.7
|
4.0
|
4.3
|
|
|
0.25
|
0.50
|
0.25
|
|
|
|
3.8
|
4.1
|
4.4
|
|
|
0.20
|
0.60
|
0.20
|
|
|
|
3.9
|
4.2
|
4.5
|
|
|
0.15
|
0.70
|
0.15
|
|
|
|
|
|
3.8
|
4.1
|
4.4
|
|
|
0.30
|
0.40
|
0.30
|
|
|
|
3.9
|
4.2
|
4.5
|
|
|
0.25
|
0.50
|
0.25
|
|
|
|
4.0
|
4.3
|
4.6
|
|
|
0.20
|
0.60
|
0.20
|
|
|
|
|
|
3.2
|
3.6
|
4.2
|
|
|
0.45
|
0.40
|
0.15
|
|
|
|
3.3
|
3.7
|
4.3
|
|
|
0.40
|
0.45
|
0.15
|
|
|
|
3.4
|
3.8
|
4.4
|
|
|
0.35
|
0.50
|
0.15
|
|
|
|
|
|
3.3
|
3.7
|
4.1
|
|
|
0.50
|
0.35
|
0.15
|
|
|
|
3.4
|
3.8
|
4.2
|
|
|
0.45
|
0.40
|
0.15
|
|
|
|
3.5
|
3.9
|
4.3
|
|
|
0.40
|
0.45
|
0.15
|
|
|
|
|
|
3.1
|
3.5
|
4.3
|
|
|
0.40
|
0.45
|
0.15
|
|
|
|
3.2
|
3.6
|
4.4
|
|
|
0.35
|
0.50
|
0.15
|
|
|
|
3.3
|
3.7
|
4.5
|
|
|
0.30
|
0.55
|
0.15
|
|
Отличие в распределении времени доставки от склада до точки доставки объясняется взаимным расположением этих объектов, оперативностью работы складских служб, техническим состоянием автомобиля и квалификацией водителя. В результате решения задачи (5)-(8) были получены следующие результаты.
Таблица 4./ Table 4.
Зависимость оптимального решения задачи от параметра α.
Dependence of the optimal solution of the problem on the α parameter.
|
|
Равные 1 элементы оптимальной матрицы
|
Оптимальное значение критерия
|
Время расчета(сек)
|
|
0.6
|
c_11, c_22, c_33, c_64, c_75, c_86
|
24000
|
47.91
|
|
0.7
|
c_11, c_22, c_33, c_64, c_75, c_86
|
24000
|
47.40
|
|
0.8
|
c_11, c_22, c_43, c_64, c_75, c_86
|
27000
|
47.46
|
|
0.9
|
c_11, c_42, c_53, c_64, c_75, c_86
|
30000
|
47.69
|
|
0.95
|
Нет решения
|
—
|
47.72
|
Обсуждение результатов
Полученные результаты работы алгоритма демонстрируют существенную зависимость оптимального решения от выбранного априори уровня доверительной вероятности, делая вероятностное ограничение на время выполнения доставки товара доминирующим при выборе оптимальной стратегии доставки. За счет априорного сокращения множества допустимых стратегий оптимизации время работы предложенного автором алгоритма оказывается приемлемым с точки зрения его использования при планировании доставки товара. Значительный перебор всех возможных значений матрицы булевых переменных , являющейся решением задачи, может быть существенно сокращен за счет априорного учета детерминированных ограничений задачи. На этом основана идея предложенного автором алгоритма решения рассматриваемой задачи. Для предложенных выше данных удается сократить перебор возможных стратегий оптимизации с до величины меньше либо равной .
Заключение
В работе предложена базовая модель оптимального планирования доставки товара со складов предприятия до точек выдачи товара или розничной торговли. Отличительной особенностью данной модели является учет случайного времени доставки в виде вероятностного ограничения, что особенно актуально для работы современных маркетплейсов. Данная модель может быть усложнена возможностью использования, в рамках планируемого задания на доставку, автомобилей различной грузоподъемности, с различной стоимостью доставки и т.д. Полученная задача стохастического линейного программирования допускает сведение к детерминированной задаче линейного программирования с булевыми переменными и большой размерностью. Трудности, вызванные большой размерностью полученной детерминированной задачи делает актуальной разработку специальных подходов к поиску оптимального решения исходной задачи.
Можно отметить, что подобные модели могут быть также использованы в других прикладных областях теории оптимизации, таких как финансовая математика (Игнатов, 2020), оптимизация в мультиагентных системах (Kuravsky, Popkov, 2018), и других областях (Santoso, Ahmed, Goetschalckx, Shapiro, 2005).