郝芃斐，池 瑞，屈志堅，涂宏斌，池學(xué)鑫，張地友

（華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

近年來，市場各種類型的物流形式都在不斷地擴(kuò)大著其服務(wù)的范圍，爭取實(shí)現(xiàn)物流中心的最大輻射范圍和最佳利用率。鐵路物流配送中心作為物流體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施，它具有速度快、費(fèi)用低、運(yùn)量大、連續(xù)性好的優(yōu)點(diǎn)，在交通和物流業(yè)中發(fā)揮重要作用。鐵路物流中心的建設(shè)對提升鐵路貨物運(yùn)輸服務(wù)品質(zhì)、提供鐵路物流可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施具有重要意義［1］。

國內(nèi)學(xué)者對于物流選址的問題進(jìn)行了大量的研究分析。傳統(tǒng)的求解方法主要有三種，分別是分支定界法、重心法與拉格朗日松弛法［2］，其中，分支定界法常用來解決小規(guī)模選址問題；重心法主要用于求解單一物流配送中心選址問題；拉格朗日松弛法則是可以求取中等規(guī)模問題的次優(yōu)解。由于鐵路物流配送中心選址模型是帶有復(fù)雜約束的非線性模型，屬于典型的NP-hard 問題［3］，而傳統(tǒng)的群智能算法，像基本灰狼優(yōu)化算法（Grey Wolf Optimizer，GWO）在迭代后期易陷于局部最優(yōu)并且收斂精度不高［4］，無法很好地解決鐵路物流中心選址的問題。目前，很多研究者通過運(yùn)用一些智能算法與實(shí)際選址問題相結(jié)合來研究這個問題，如：袁群等［5］通過遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）和禁忌搜索算法相結(jié)合，并用貪婪算法改進(jìn)基本遺傳算法來有效避免早熟及局部最優(yōu)現(xiàn)象，提高了求解物流選址最優(yōu)解的效率；李茂林［6］為了解決傳統(tǒng)猴群算法全局收斂度低的問題，通過非線性調(diào)節(jié)因子和lateral 變異策略對算法進(jìn)行改進(jìn)，最后將改進(jìn)后的猴群優(yōu)化算法用于物流配送中心選址的實(shí)際問題中；生力軍［7］針對經(jīng)典粒子群算法在解決物流選址問題時易早熟收斂并且只能得到局部最優(yōu)解的問題，提出了量子粒子群算法來求取物流配送中心選址的最優(yōu)解；李小川等［8］將人群搜索算法中的行為意識引入煙花算法，來避免基本煙花算法魯棒性差的缺陷。盡管上述優(yōu)化算法可以求得所需解，但單一機(jī)制的群智能優(yōu)化算法無法滿足求解具有多個配送點(diǎn)與需求點(diǎn)的鐵路物流配送中心位置的需要，因此本文提出一種改進(jìn)的灰狼優(yōu)化算法。

基本灰狼優(yōu)化算法（GWO）是Mirjalili 等［9］提出的一種新調(diào)整參數(shù)少的群體智能算法，原理簡單且易于實(shí)現(xiàn)，但容易在迭代后期陷于局部最優(yōu)，影響收斂速度及精度［10］。因此本文從尋找最佳的鐵路物流配送中心位置出發(fā)，以求解31 個需求點(diǎn)、6 個配送中心的中等規(guī)模鐵路物流中心選址為模型，提出一種帶有佳點(diǎn)集和差值剔除策略的改進(jìn)灰狼優(yōu)化算法（Improved Grey Wolf Optimization，IGWO），最后將改進(jìn)的灰狼優(yōu)化算法用于求解中等規(guī)模的鐵路物流配送中心選址問題上。

1 鐵路物流中心選址模型

在鐵路物流中心選址問題中，由于鐵路物流中心自身的特殊性，一般情況下鐵路物流中心為中大規(guī)模，運(yùn)輸主要以大宗貨物為主，適宜遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，所以鐵路物流中心的選擇很大程度上決定了鐵路物流運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展［11］。

1.1 鐵路物流中心選址問題模型假設(shè)

為了構(gòu)建適當(dāng)?shù)哪Ｐ停岢鲆韵录僭O(shè)：

1）在已有的鐵路物流中心所輻射到的服務(wù)及配送區(qū)域的需求總量上，物流中心自身的負(fù)荷工作能力恒滿足其配送及服務(wù)區(qū)域的總需求量。

2）在物流中心所限區(qū)域范圍內(nèi)，滿足一一對應(yīng)的服務(wù)。3）將鐵路物流中心與其配送和服務(wù)區(qū)域的需求點(diǎn)之間的距離以及產(chǎn)生的費(fèi)用作為主要考慮因素。

4）在費(fèi)用計算中加入一個懲罰值，當(dāng)物流中心與配送點(diǎn)距離大于3 000 km時需要考慮到這個懲罰值。

5）以降低距離產(chǎn)生的費(fèi)用為目標(biāo)，通過限定規(guī)范營運(yùn)費(fèi)用，可有效控制運(yùn)營成本。

1.2 鐵路物流中心選址問題模型構(gòu)建

基于以上5 點(diǎn)假設(shè)，通過具有普遍性和代表性的物流選址模型問題影響因素分析，從M個備用鐵路物流配送中心中找出m個物流配送中心向n個需求點(diǎn)進(jìn)行配送服務(wù)，選取并建立了如下物流選址模型［12］。

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

其中：目標(biāo)函數(shù)W是各鐵路物流配送中心到需求點(diǎn)的運(yùn)費(fèi)與配送中心所需建設(shè)費(fèi)用之和；N為所有需求點(diǎn)的序號集合；Mi是所有備用配送中心與需求點(diǎn)i之間的距離小于s的集合；s為距離上限；v為運(yùn)費(fèi)率；wi為需求點(diǎn)i的需求量；dij為需求點(diǎn)i與其最近鐵路物流配送中心j的距離；Cj為鐵路物流配送中心的固定成本；p為從備選鐵路物流中心選出的物流中心總和數(shù)；Yij、hj為0-1變量。

式（1）代表所有鐵路物流中心運(yùn)營成本總和，構(gòu)成模型的目標(biāo)函數(shù)；式（2）可保證每個配送點(diǎn)與物流中心之間的一一對應(yīng)關(guān)系；式（3）表示只有當(dāng)備選的物流配送中心被選中才可以提供相應(yīng)服務(wù)；式（4）表示從物流配送中心到需求點(diǎn)距離不超過s；式（5）表示鐵路物流配送中心數(shù)為p；式（6）表示當(dāng)決策變量為1 時，表示備選物流配送中心被選中，并由其供應(yīng)需求點(diǎn)i的需求量，否則為0。

2 標(biāo)準(zhǔn)灰狼優(yōu)化算法

灰狼是一種以群居生活為主的頂級食肉動物，它們有著嚴(yán)格的社會等級制度［13］。通常每個群體中有5～12 只狼，其中第1 層稱為α，是灰狼種群中的最高領(lǐng)導(dǎo)者，負(fù)責(zé)決策各項(xiàng)事務(wù)；第2 層稱為β，在整個種群中協(xié)助頭狼α；第3 層稱為δ，主要負(fù)責(zé)偵察以及狩獵等事務(wù)，嚴(yán)格遵守α和β的指令；第4層稱為ω，它聽從于其他所有階層的指令。當(dāng)灰狼在包圍獵物的過程中，它們的行為可以表達(dá)為：

其中：式（7）表示灰狼自身與獵物的距離；式（8）表示灰狼X在算法第t+1 代時的位置；式（9）、（10）用于計算系數(shù)向量A與C；收斂因子a按照式（18）從2～0 線性減少，r1和r2是在0～1 隨機(jī)產(chǎn)生的向量。

當(dāng)灰狼發(fā)現(xiàn)獵物的位置時，狼群會逐漸包圍獵物，第4 層的ω狼會根據(jù)α、β、δ灰狼的位置更新位置，數(shù)學(xué)模型如下：

其中：式（12）、（13）和（14）中的A1、A2、A3由式（9）計算得出；Dα、Dβ、Dδ的定義如式（15）、（16）和（17）所示；C1、C2、C3由式（10）計算得出。

當(dāng)灰狼終止移動的時候準(zhǔn)備開始攻擊獵物。隨著迭代次數(shù)的增加，a的值在2～0線性減小，更新如式（18）所示：

其中Tmax表示最大迭代次數(shù)。

3 改進(jìn)的灰狼算法

在基本的灰狼算法中，初始種群是隨機(jī)產(chǎn)生的，并且根據(jù)式（11）～（14）來進(jìn)行位置更新，但是每次迭代前后并未進(jìn)行信息交換。針對以上基本灰狼算法的不足，提出如下改進(jìn)的灰狼優(yōu)化算法（IGWO）。

3.1 基于佳點(diǎn)集的種群初始化方法

初始種群在搜索空間內(nèi)均分布能夠使得種群具有更強(qiáng)的多樣性，進(jìn)而有助于提高算法的全局搜索能力。用佳點(diǎn)集（Good Point Set，GPS）理論的取點(diǎn)法代替隨機(jī)法可以使個體在空間中更加可靠地均勻分布，提高算法穩(wěn)定性［14］。比起最初灰狼算法隨機(jī)產(chǎn)生的辦法，佳點(diǎn)集初始種群更具有穩(wěn)定性和遍歷性。

佳點(diǎn)集的基本定義與性質(zhì)為：

1）設(shè)Gs是s維歐氏空間中的單位立方體，即x∈Gs，，1 ≤k≤n}。

2）當(dāng)r=，則說明p就是滿足s≤(p-3)2的最小素數(shù)，此時對應(yīng)的r為所求佳點(diǎn)。

3）若Pn的偏差含量滿足?(n)=C(r，ε)nε-1，其中r為佳點(diǎn)，Pn(k)稱為佳點(diǎn)集，ε是隨機(jī)產(chǎn)生的任意正數(shù)，C(r，ε)是有且只和r、ε有關(guān)的常量。

3.2 差值剔除策略

基本GWO在處理一些高維數(shù)問題時，在迭代后期收斂速度慢、易陷入局部最優(yōu)［15］。本文受到布谷鳥搜索（Cuckoo Search）算法的啟發(fā)，可以通過概率刪除方式，根據(jù)一定概率Pa剔除GWO中的差解，并產(chǎn)生對應(yīng)規(guī)模的新解的方法。通過在標(biāo)準(zhǔn)灰狼算法完成位置更新后加入差值剔除策略（D-value Elimination Strategy，DES）這一方法來提高算法的尋優(yōu)能力。

差值以概率Pa剔除后，按如下計算式產(chǎn)生對應(yīng)規(guī)模的新解：

根據(jù)式（19）～（20）生成一個新的解替換更新X。差值剔除策略增強(qiáng)了算法的局部尋優(yōu)能力，有效避免了處理問題時陷于局部最優(yōu)的情況，增加算法找到最優(yōu)解的概率。

3.3 IGWO算法步驟

本文提出的IGWO算法步驟如下：

步驟1 設(shè)定算法參數(shù)。包括種群規(guī)模、最大迭代次數(shù)、上下界以及維數(shù)，令迭代次數(shù)的初始值l=0，根據(jù)式（9）～（10）在搜索空間中隨機(jī)生成控制參數(shù)。

步驟2 種群初始化。在搜索空間中利用佳點(diǎn)集初始化種群的方法生成最初的初始種群以及對應(yīng)位置。

步驟3 根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)對灰狼位置進(jìn)行更新，計算出每個灰狼個體此時位置的適應(yīng)值。若灰狼當(dāng)前的位置優(yōu)于自身記憶的最優(yōu)位置，則用當(dāng)前位置替代它；若目前全局搜索的最優(yōu)位置優(yōu)于到當(dāng)前為止搜尋到的最優(yōu)位置，就用全局最優(yōu)的位置替代。

步驟4 將適應(yīng)度值排列前三位置的灰狼個體記為α、β、δ，它們對應(yīng)的位置記為Xα、Xβ、Xδ，Xα作為主導(dǎo)的位置。

步驟5 按照式（12）～（14）計算其余灰狼個體與α、β、δ灰狼之間的位置，并且根據(jù)式（15）～（17）更新當(dāng)前其余灰狼個體的位置。

步驟6 對當(dāng)前最優(yōu)的灰狼個體α的位置進(jìn)行式（19）～（20）操作，增加最優(yōu)位置Xα的局部尋優(yōu)能力。

步驟7 更新步驟1 中隨機(jī)產(chǎn)生的參數(shù)r、A、C的值，再令l=l+1，返回步驟3循環(huán)，直到迭代次數(shù)達(dá)到最大限制值。

4 數(shù)值仿真

為測試本文提出的改進(jìn)灰狼優(yōu)化算法（IGWO）的優(yōu)化效果進(jìn)行大量的Matlab數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，并且與基本GWO進(jìn)行了比較。選取了10 個測試函數(shù)（如表1 所示），兩種算法種群規(guī)模均取30，最大迭代次數(shù)取500。

表1 十個測試函數(shù)Tab.1 Ten test functions

4.1 佳點(diǎn)集初始化種群的仿真分析

采用佳點(diǎn)集來改進(jìn)基本GWO初始種群的方法，有效提高了算法的全局收斂性以及搜索效率。為了更加直觀看出利用佳點(diǎn)集初始種群帶來的優(yōu)化性與可行性，選取了在6 個具有代表性的測試函數(shù)下，單獨(dú)加入佳點(diǎn)集初始化種群（GWOGPS），來驗(yàn)證算法的有效性。當(dāng)測試函數(shù)在30 維的情況下，將6 個測試函數(shù)Schwefel’s 2.22 函數(shù)、Sphere 函數(shù)、Zakharov函數(shù)、Sum Square 函數(shù)、Ackley 函數(shù)以及Rastrigin 函數(shù)針對適應(yīng)度值的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對，如圖1所示。

通過圖1 可以看出，在算法中單獨(dú)加入佳點(diǎn)集可以有效提高基本GWO的尋優(yōu)結(jié)果，通過在實(shí)驗(yàn)中單獨(dú)加入佳點(diǎn)集來初始化種群，使GWO-GPS 可以很快找到最優(yōu)結(jié)果，但依舊存在對于某些函數(shù)的尋優(yōu)結(jié)果并不是特別理想，只在部分迭代次數(shù)階段有效。總之，單獨(dú)加入佳點(diǎn)集初始化種群可以提高大部分基本GWO 的尋優(yōu)結(jié)果，只對有部分測試函數(shù)具有局限性。

圖1 GWO與GWO-GPS的尋優(yōu)結(jié)果比較Fig.1 Optimization results comparison of GWO and GWO-GPS

4.2 差值剔除策略的仿真分析

通過典型測試函數(shù)尋優(yōu)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入差值剔除策略可以增加局部尋優(yōu)能力，而且在基本GWO 中，它充分考慮到的是局部尋優(yōu)，尋找每一次的最優(yōu)解，通過差值剔除策略的加入形成的GWO-DE 則是在全局尋優(yōu)能力上有所提升。為了更加直觀顯示改進(jìn)算法的有效性，將GWO-DE 在函數(shù)30維的情況下，分別對10 個測試函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，如圖2 選取了其中6 個測試函數(shù)的尋優(yōu)結(jié)果。從圖2 中可以看出，加入差值剔除策略的GWO-DE 尋優(yōu)速度更快，求解精度更高，但對于Rastrigin函數(shù)尋優(yōu)效果不明顯。

圖2 GWO與GWO-DE的尋優(yōu)結(jié)果比較Fig.2 Comparison of optimization results of GWO and GWO-DE

4.3 IGWO仿真分析

為了比較的公平一致性，在實(shí)驗(yàn)中基本GWO 和IGWO 采用相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和測試環(huán)境，可以從表2 的數(shù)據(jù)看出：IGWO 產(chǎn)生適應(yīng)值的最優(yōu)結(jié)果（Best）、最差結(jié)果（Worst）、平均結(jié)果（Mean）和方差結(jié)果（St.dev）都優(yōu)于基本GWO 產(chǎn)生的結(jié)果，平均結(jié)果相比較說明在一定的迭代次數(shù)下IGWO 具有更快的收斂速度；10個函數(shù)的方差對比表明，IGWO 產(chǎn)生的方差更小，說明IGWO在每次的優(yōu)化過程中穩(wěn)定性和魯棒性更好。

為了更加直觀地反映算法的尋優(yōu)效果，將基本GWO 與IGWO對6個測試函數(shù)的收斂曲線結(jié)果進(jìn)行比對，如圖3所示。從圖3可以清晰地看出：對6個函數(shù)的測試中，無論是從收斂快 慢還是收斂精度上比較，IGWO都比基本GWO有所提高。

圖3 GWO和IGWO對6個函數(shù)的收斂性能比較Fig.3 Convergence performance comparison of GWO and IGWO for six functions

為了更加直觀看出IGWO的尋優(yōu)性能，圖4選取了在單峰函數(shù)Sphere 與多峰函數(shù)Rastrigin 下，GWO、GWO-GPS、GWODE、IGWO 算法的尋優(yōu)性能進(jìn)行對比。通過仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，加入佳點(diǎn)集的初始化種群算法可以增強(qiáng)種群的遍歷性，在迭代前期可能效果不是特別明顯，但隨著迭代次數(shù)增加，GWO-GPS 的尋優(yōu)性能就顯現(xiàn)出來了。再加入差值剔除策略來生成對等規(guī)模的新解，GWO-DE提高了收斂速度，可以幫助算法跳出局部最優(yōu)。可見，IGWO 相比較GWO 更具有優(yōu)越性，可以考慮把IGWO 運(yùn)用到解決實(shí)際問題中，比如求解鐵路物流中心選址的問題上。

圖4 函數(shù)測試下GWO、GWO-GPS、GWO-DE、IGWO尋優(yōu)性能對比Fig.4 Optimization performance comparison of GWO，GWO-GPS，GWO-DE，IGWO under function test

5 鐵路物流中心物流選址比對

為了驗(yàn)證本文所提IGWO的優(yōu)化可行性，本文獲取31個需要鐵路物流配送的城市地理位置信息，選取式（6）為目標(biāo)函數(shù)，建立物流配送中心選址數(shù)學(xué)模型，并將IGWO與基本粒子群優(yōu)化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法、灰狼優(yōu)化算法（Grey Wolf Optimizer，GWO）、差分進(jìn)化（Differential Evolution，DE）算法與遺傳算法（GA）的迭代效果進(jìn)行比對。假設(shè)31城市分別需要一個需求點(diǎn)，并從31個需求點(diǎn)中選出6個作為鐵路物流配送中心，其中地址的空間位置及需求量如表3所示。

表3 用戶的位置與空間需求量Tab.3 Users’locations and space requirement amounts

圖5 分別展示了算法GWO 和IGWO 的鐵路物流中心選址，圖中所顯示的物流配送中心即為算法求得的最優(yōu)解。

圖5 兩種算法選址結(jié)果對比Fig.5 Comparison of location selection results of two algorithms

以圖5（a）為例進(jìn)行說明，配送中心31負(fù)責(zé)需求點(diǎn)26、27、28、30 的配送任務(wù)，配送中心24 負(fù)責(zé)需求點(diǎn)13、20、25 的配送任務(wù)，配送中心18 負(fù)責(zé)為需求點(diǎn)3、17、21、22 提供服務(wù)，配送中心12負(fù)責(zé)需求點(diǎn)1、11、13、14、15、29的配送服務(wù)，配送中心5 為需求點(diǎn)2、4、6、7、16、23 提供配送服務(wù)，配送中心10 為需求點(diǎn)8、9 提供配送服務(wù)。以此類推，圖5（b）展示IGWO 算法的選址方案，其中方框表示配送中心，圓點(diǎn)表示需求點(diǎn)，方框與圓點(diǎn)之間的連線表示某需求點(diǎn)的物資由物流配送中心負(fù)責(zé)配送。用本文所提改進(jìn)灰狼優(yōu)化算法對鐵路物流配送中心選址模型進(jìn)行優(yōu)化，得出的選址方案為［27，24，18，12，5，9］。

為了驗(yàn)證IGWO在鐵路物流選址中的有效性，通過圖6對IGWO與其他四種基本智能算法適應(yīng)度值進(jìn)行對比。

圖6 五種算法迭代效果對比Fig.6 Comparison of iterative effects of five algorithms

從圖6 可以看出，在迭代前期IGWO 適應(yīng)度值高于算法PSO、DE 與GA，隨著迭代次數(shù)的增加，IGWO 的全局尋優(yōu)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，搜索與開發(fā)能力提高，IGWO 尋得的適應(yīng)度值優(yōu)于GWO 與GA。在整個迭代過程中，PSO 與DE 的穩(wěn)定性更強(qiáng)，最終的尋優(yōu)結(jié)果也略優(yōu)于IGWO，但PSO 在迭代初期易陷于局部最優(yōu)。還可以看出，在代數(shù)迭代的初期，GWO 最優(yōu)值更穩(wěn)定，但隨著迭代次數(shù)的增加，GWO 陷入了局部最優(yōu)解，而IGWO 解決了這個問題，它從局部最優(yōu)中跳出，增強(qiáng)了局部尋優(yōu)能力，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于GWO。

從表4 可以看出，IGWO 尋優(yōu)結(jié)果相較于GWO 提高了3.2%，IGWO 相較于PSO、DE、GA 運(yùn)行速度分別提高了39.6%、46.5%、65.9%；IGWO 相較GWO 時間增加了5.6%，因?yàn)樵贕WO 中加入了差值剔除策略會導(dǎo)致再次生成與篩選種群的過程，消耗一定的時間，但尋優(yōu)結(jié)果更加理想。雖然PSO 與DE 的適應(yīng)度值更小，但它們的運(yùn)行速度更慢。綜上所述，結(jié)合適應(yīng)度值與運(yùn)行速度整體綜合考慮，IGWO 優(yōu)于大部分經(jīng)典智能算法，有效減少了選址時間，全局搜索能力強(qiáng)，不易陷于局部最優(yōu)，因此IGWO 求解鐵路物流配送中心選址問題求解得到的選址方案可以為實(shí)際的鐵路物流選址規(guī)劃提供一定程度的參考。

表4 5種算法的性能比較Tab.4 Performance comparison of five algorithms

6 結(jié)語

針對基本灰狼算法（GWO）求解鐵路物流配送中心的問題的局限性，本文提出了一種改進(jìn)的灰狼優(yōu)化算法（IGWO）。在GWO基礎(chǔ)上引入了佳點(diǎn)集來優(yōu)化初始種群，使初始種群更加具有遍歷性，搜索能力加強(qiáng)。在基本灰狼算法位置更新中加入了差值剔除策略增加擾動因素，加快了收斂速度，有效避免了陷入局部最優(yōu)，提高了局部尋優(yōu)能力。

在對10 個標(biāo)準(zhǔn)測試函數(shù)的實(shí)驗(yàn)仿真表明，本文提出的IGWO 有效提高了優(yōu)化效率、收斂速度和魯棒性；然而，IGWO也有自身的局限性，對于某些測試函數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想，可見IGWO 對于部分函數(shù)不適合。通過加入IGWO 優(yōu)化鐵路物流選址模型，是對于求解鐵路物流中心選址的一種有效補(bǔ)充，可以有效降低運(yùn)營成本。下一步研究可在模型的選取上進(jìn)行優(yōu)化，使IGWO 在物流選址問題或更多工業(yè)工程問題中有更深層次的優(yōu)化性。