工程管理前沿:物流无人机调度与路径优化研究

近年来,面对无人机、地面起降设施、物流仓库等多种物流元素,国内外学者研究问题包括路径规划、调度优化、航迹优化和运营管理等内容。

2023年12月20日,中国工程院、科睿唯安公司与高等教育出版社联合发布《全球工程前沿2023》报告(进入官方网站下载报告)。作为中国工程院院刊系列期刊,《Frontiers of Engineering Management》参与了工程管理领域工程研究和开发前沿的研究工作。2023年的报告依然包含了各领域工程研究和开发前沿条目及重点前沿解读。

全球工程前沿研究以数据分析为基础,以专家研判为依据,遵从定量研究与定性研究相结合、数据挖掘与专家论证相佐证、工程研究前沿与工程开发前沿并重的原则,凝练出年度全球工程前沿,并以中英文形式向全球发布。

全球工程前沿项目组

以下是有关物流无人机调度与路径优化研究的前沿热点速读。

(1)城市场景下物流无人机路径规划问题

主要包括无人机旅行商问题(TSP-D)、多无人机路径问题(VRP-D),车辆 – 无人机联合路径问题几大类重要研究。为了突破无人机飞行距离受限于电池电量而航程较短的不足,车辆 – 无人机联合配送路径规划逐渐成为兼顾车、机优势的研究重点。由此衍生出车辆辅助无人机、无人机辅助车辆、独立配送和并行配送等多类问题模型。当前研究采用成本、路径、时间窗、能耗和碳排放等多个目标优化。除借鉴经典的路径规划方法外,最新研究中还将城市场景中存在的飞行限制、公众安全与隐私因素、最后一公里配送中需求变化等动态因素引入路径规划,确保结果更为可行,这也是未来无人机物流配送路径研究的重点。

(2)无人机调度问题

无人机调度问题是路径规划问题的拓展与延伸,重点关注更为实时的多机配送任务分配、地面保障资源安排等内容。综合考虑可用配送时间、保障设施容量、充电换电设施布局等要素的无人机调度问题是当下研究热点。其中既包括车辆 – 无人机混合调度、无人机机群调度等问题,也包括对充电、仓库、起降场等设施布局的研究。最近的一些研究中,已开始将城市环境中的不确定影响因素(如风场、高大障碍物、禁飞区、坠地伤人等第三方风险等因素,以及充电站、重复访问节点、货物补给点等因素)纳入约束条件之中。可以预见,整合物流仓库位置、机队规模、电池充电、非线性能耗、无人机故障等更为复杂要素的调度优化模型,将成为新的研究重点。

(3)航迹优化与运营管理

与路径规划侧重二维路径设计不同,航迹优化关注三维空间中航迹设计。相关优化模型中,除将飞行时间最短、能耗最小作为优化目标外,主要考虑各类空中限制区、地面障碍物带来的约束。运营管理研究重点关注无人机物流影响因素、政策技术环境体系、市场规模、商业模式等内容。

针对以上物流配送路径及调度优化问题的算法可分为精确算法和启发式算法两大类。精确算法和求解器多用于小规模问题的精确解求解;启发式算法多用于大规模问题的近似最优解求解。其中,启发式算法研究重点关注解的质量、收敛速度、改进空间。随着模型复杂度不断增加,提升算法效率和求解精度成为新的关注点。分析对比精确算法、求解器和启发式算法求解结果,构建算法验证标准体系将成为新的研究领域。

电驱动零排放无人机高度契合可持续发展潮流。基于社会生态视角的物流碳排放评估研究是当下的热门研究方向之一,其中地面货车、电动车、摩托车是几类常见的研究评估对象。针对无人机物流运输,减少车– 机组合配送系统 CO2 排放的绿色路由问题,已经成为新的研究方向。未来可深入探讨太阳能、风能等清洁能源构成的充电网络中,无人机配送系统效率与充电布局关系。此外,由于无人机贴近地面飞行,噪声、坠地伤人、窥探公众隐私等也有较大的研究价值。

“物流无人机调度与路径优化研究”工程研究前沿中核心论文数排名前三位的国家是美国、中国和德国(表1),核心论文主要产出机构为美国东北大学、麻省理工学院、美国波特兰州立大学等(表2)。从主要国家间的合作网络(图1)来看,加拿大、美国、中国与其他国家间的合作较多;从主要机构间的合作网络(图2)来看,美国东北大学、麻省理工学院的合作较为紧密。由表3可以看出,中国的施引核心论文数排名第一。由表4可以看出,施引核心论文数排名靠前的机构是世宗大学、中国科学院和德比大学。图3为“物流无人机调度与路径优化研究”工程研究前沿的发展路线。

工程管理前沿:物流无人机调度与路径优化研究
表1. “物流无人机调度与路径优化研究”
工程研究前沿中核心论文的主要产出国家
工程管理前沿:物流无人机调度与路径优化研究
表2. “物流无人机调度与路径优化研究”
工程研究前沿中核心论文的主要产出机构
工程管理前沿:物流无人机调度与路径优化研究
图1. “物流无人机调度与路径优化研究”
工程研究前沿主要国家间的合作网络
工程管理前沿:物流无人机调度与路径优化研究
图2. “物流无人机调度与路径优化研究”
工程研究前沿主要机构间的合作网络
工程管理前沿:物流无人机调度与路径优化研究
表3. “物流无人机调度与路径优化研究”
工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家
工程管理前沿:物流无人机调度与路径优化研究
表4. “物流无人机调度与路径优化研究”
工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构
工程管理前沿:物流无人机调度与路径优化研究
图3.  “物流无人机调度与路径优化研究”
工程研究前沿的发展路线
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