نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد سیستم اطلاعات مکانی (GIS)، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

3 دانشیار گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

چکیده

امروزه مدیریت شبکههای توزیع مواد غذایی با هدف پاسخگویی سریع به تقاضای مصرفکنندگان، کاهش هزینه توزیع و افزایش سود در مقایسه با رقبای تجاری اهمیت بسیاری یافته است. فروشگاههای “شهرما” شبکه گسترده توزیع محصولات کشاورزی در شهر مشهد هستند که با هدف عرضه مستقیم محصولات کشاورزی و فراهم نمودن امکان دسترسی ارزان و سریعتر شهروندان به میوه و ترهبار شکل گرفتهاند. در این مقاله، مسیرهای توزیع بهینه و به موقع محصولات فروشگاههایی با نام تجاری “شهرما” از مبدأ تا میدان میوه و ترهبار مورد بررسی قرار میگیرد. به این منظور از الگوریتمهای تکاملی ژنتیک و ازدحام ذرات برای بهینه کردن زمان توزیع استفاده شده است. برای توزیع عادلانه و به موقع محصولات میان تمام فروشگاهها یک قید زمانی سه ساعته وارد مسئله شده است. به این معنی که اگر توزیع میان تمام فروشگاهها در زمان کمتر از سه ساعت صورت نگیرد به تعداد یک وسیله نقلیه توزیع جدید به مسئله اضافه خواهد شد. این افزایش تعداد وسایل نقلیه تا جایی ادامه پیدا خواهد کرد که توزیع میان تمام فروشگاهها کمتر از سه ساعت صورت پذیرد. بهمنظور تعیین زمان مسیر میان فروشگاهها بر روی شبکه راههای شهر مشهد از آنالیز شبکه در نرمافزار ArcGIS استفاده شده است. در انتها دو الگوریتم ژنتیک و ازدحام ذرات توانستند توزیع میوه و ترهبار را با چهار وسیله نقلیه انجام دهند. مقایسه نتایج دو الگوریتم نشان میدهد که مجموع زمانی توزیع در الگوریتم ژنتیک در مقایسه با الگوریتم ازدحام ذرات 47 دقیقه کمتر بوده و الگوریتم ژنتیک، مسیرهای بهتری را برای توزیع پیشنهاد داده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Spatio-Temporal estimation of optimal distribution path for perishable materials with evolutionary algorithms - Case study: Fruits and Vegetables

نویسندگان [English]

  • Hossein Etemadfard 1
  • Hamed Kharaghani 2
  • Mahdi Najjarian 2
  • Rouzbeh Shad 3

1 Assistant Professor, Civil Engineering department, Engineering faculty, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

2 M.Sc. Student of GIS, Civil Engineering department, Engineering faculty, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

3 Associate Professor, Civil Engineering department, Engineering faculty, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

چکیده [English]

Extended Abstract
Introduction:
The increasing demand for sustainable food consumption as well as the change in the consumption pattern has led to efforts to improve the food distribution process. This is to speed up service delivery and prevent the spoilage of perishable materials. Among the most significant topics in the food supply chain is perishability, a phenomenon that occurs in certain categories of products such as fruits, vegetables, and dairy products. Perishability refers to the property in which a product loses its commercial value and usability after a certain period. However, meeting the general needs of citizens, especially the supply of food, is one of the most significant axes of urban service activities on the city's economic platform. In addition, the provision of comfort and well-being for residents depends on the proper establishment, optimal distribution, and sufficient variety of products offered in shopping centers. Day markets as well as fruit and vegetable fields provide fast and appropriate daily needs for residents. In addition, choosing fast and reliable routes for food distribution in the city is one of the other significant and influential factors in providing quality services. It should also be noted that in vehicle routing problems (VRP) related to food products, routes for vehicles must be created that match the schedules of some stores to deliver products.
Materials and Methods:
To optimize the fruit and vegetable distribution routes between the fruit and vegetable fields and Shahre-ma stores in Mashhad, this research will use genetic algorithms and particle swarm algorithms. This research will have the aim of optimizing distribution time, which was not addressed in previous research. This research presents its innovation by considering a three-hour time limit in the problem-solving algorithm. Genetic Algorithm (GA) is a learning method based on biological evolution and influenced by the hypothesized mechanism of natural selection in which the fittest individuals in a generation survive longer and produce a new generation. And in this article, it is implemented in such a way that the algorithm itself determines the most appropriate number of vehicles. The number of vehicles should be such that distribution among all stores is done in less than three hours and five minutes in each store. There should be a stop. And if distribution among all stores is not done in less than 3 hours, a new vehicle will be added to the number of vehicles. Also, particle swarm optimization (PSO) is a technique inspired by the behavior of birds when searching for food. In this research, the data collected include the location of Shahre-ma stores and the fruit and vegetable square in Mashhad city. These data were prepared from the information of Mashhad municipality. Also, to implement these algorithms, MATLAB software has been used. Network analysis has been done to determine the distance between Bar Square and Shahre-ma stores in ArcGIS software using network analysis.
Results and discussion:
This research proposes several hypotheses, including that the maximum optimal time is 3 hours and products should be distributed by 7 am in all places. Also, city traffic is uniform from 4 to 7 in the morning and the same product package is distributed in all stores. Comparing the results of two genetic algorithms and particle swarm shows that the genetic algorithm has a higher efficiency in optimizing the distribution path of fruits and vegetables. Because the time of the four routes derived from the genetic algorithm is approximately 92 minutes, 84 minutes, 80 minutes, and 82 minutes respectively. The total length of all routes is 127 km and 779 meters and the total time of all routes is 338 minutes. And the time of the four routes obtained from the particle swarm algorithm is approximately 102 minutes, 103 minutes, 89 minutes, and 91 minutes respectively. The total length of all routes is 175 km and 390 meters and the total time of all routes is 385 minutes. And in total, the times obtained for four vehicles in the genetic algorithm were 47 minutes less than the particle swarm algorithm. In addition, the total length of the paths in the genetic algorithm was 47 km and 611 meters less than the particle swarm algorithm.
Conclusion
The genetic algorithm was able to achieve the optimal solution by evaluating the objective function 12,000 times. This is 2,900,000 in the particle swarm algorithm. Accordingly, the time required to reach the optimal solution differs significantly between the two algorithms.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Path optimization
  • Genetic algorithm
  • Particle swarm algorithm
  • Geospatial Information System (GIS)
1- آقاجان‌زاده، آقاجان‌زاده؛ حمید، ناصر.(1388). یافتن مسیر بهینه حرکت برای اتوبوس‌های درون شهری و بهترین محل برای احداث ایستگاه‌های اتوبوس درون شهری به‌وسیله الگوریتم ژنتیک. دومین کنفرانس بین‌المللی شهر الکترونیک.
2- احمدی‌تیفکانی، مریم (1397). بهینه‌سازی مسیر ایستگاه‌های حمل و نقل عمومی با استفاده از تئوری مورچگان. شانزدهمین همایش ملی پژوهش‌های نوین در علوم و فناوری.
3- اسدی، اکبری؛ احمد، ابراهیم (1399). تحلیل فضایی کیفیت زندگی شهروندان در محیط‌های شهری با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی(GIS) (مطالعه موردی: منطقه2 شهر مشهد). (20)58.
4- اسماعیل‌زاده، کفاش‌چرندابی، حیدری‌مظفر؛ هادی، ندا، مرتضی. (1395). انتخاب مسیر بهینه برای مترو به کمک GIS و روش‌های فراابتکاری (مطالعه موردی: شهرک جدید خاوران تبریز). دومین کنفرانس ملی مهندسی فناوری اطلاعات مکانی.
5- امین‌طهماسبی، زره‌پوش؛ حمزه ، امیر. (1399). ارائه مدل برنامه‌ریزی ریاضی برای مسئله مسیریابی وسیله نقلیه چندمحصولی با پنجره زمانی و تقاضای فازی (موردمطالعه: شرکت قفلیران). 22(66)، 52-62.. نشریه علمی مدیریت زنجیره تأمین22 (66)، 52-62.
6- پیاده‌کوهسوار، مازندرانی‌زاده، صدر؛ جواد،  حامد، سیدمحمدکاظم. (1398). ارزیابی الگوریتم‌های بهینه‌سازی GA و PSO در بهره‌برداری از سیستم‌های چندمخزنه مطالعه موردی: سدهای حوضه گرگان رود. پژوهش‌های حفاظت آب و خاک (علوم کشاورزی ومنابع طبیعی). (2)26. 239-250.
7- جامی‌الاحمدی، کافی، نصیری‌محلاتی؛ محمد، مجید، مهدی. (1390). بررسی ویژگی‌های جوانه‌زنی بذر گیاه جارو (Kochia scoparia) در واکنش به سطوح مختلف شوری در محیط کنترل شده. پژوهش‌های زراعی ایران, 2(2)، 151-159.
8- جعفری، محمدرضا. (1399). بهینه‌سازی چندهدفه مسائل مکان‌یابی تسهیلات و مسیریابی باز در طراحی زنجیره تأمین مصالح ساختمانی: مدل ریاضی و ‌الگوریتم‌های فراابتکاری. نشریه علمی مدیریت زنجیره تأمین, 22(69), 37-66.
9- جهان‌بخش، توحیدی؛ نگین ، حمید. (1399). طراحی رقابتی شبکه زنجیره لجستیک کالای فاسدشدنی با تکیه بر بهینه‌سازی تقاضا و افزایش رضایت‌مندی مشتریان. نشریه علمی مدیریت زنجیره تأمین 22(69), 20-36.
10- حاجی‌زاده، غفاری گیلانده، محمدی؛ محمدجواد، عطا، علیرضا. (1396). تعیین مسیر بهینه‌ی اتوبوس شهری با استفاده از GIS؛ مطالعه موردی: شهر اردبیل. پنجمین کنگره بین المللی عمران، معماری و توسعه شهری.
11- سعیدیان، ب و مسگر، م و قدوسی م.(1393). ارزیابی و مقایسه الگوریتم ژنتیک و الگوریتم زنبور عسل برای مکان یابی و تخصیص مراکز امداد زلزله. نشریه بین‌المللی.
12- سهامی، رمضانی؛ حبیب‌الله، ابوذر. (1397). بهینه‌سازی مسیر حرکت پهپادها برای بیشترین پوشش در تهیه تصاویر. فصلنامه پدافند غیرعامل. 9(3). 1-10.
13- شریفی، حسینی، شیدپور، تختی؛ صادق، سیدفرزاد، حسام، سیده‌نجمه. (1397). تعیین مسیر بهینه کشتی‌های کانتینربر با فرض پنجره‌های زمانی و تقاضای بنادر مقصد با استفاده از الگوریتم‌های شبیه‌سازی تبرید، بهینه‌سازی ازدحام ذرات و رقابت استعماری. ششمین کنفرانس ملی تازه یافته‌ها در مدیریت و مهندسی صنایع با تأکید بر کارآفرینی در صنایع.
14- شهرآیینی، مقدم نانسا، شهرآیینی؛ سمیرا، وحید، سیدمحمد.(1386). حل مسئله مسیریابی وسایل نقلیه با استفاده از الگوریتم ژنتیک. کنفرانس بین‌المللی سواحل، بنادر و سازه‌های دریایی.
15- فیلی، سهیلی‌نیا؛ حمیدرضا، حسین. (1390)، مکان‌یابی بازارهای روز شهری به روش جایابی چندتسهیلاتی و فرآیند تحلیل سلسله مراتبی AHP به‌منظورمدیریت بهینه حمل و نقل شهری، اولین کنفرانس اقتصاد شهری.
16- کارگری، اسدی؛ مهرداد، مصطفی. (1398). ارائه الگوریتم مسیریابی وسایل نقلیه چندقرارگاهی و چندمحصولی توزیع بهینه فرآورده‌های دارویی با رویکرد کاهش هزینه‌های حمل و نقل. شانزدهمین کنفرانس بین‌المللی مهندسی صنایع.
17- کریمی، ستاک؛ حسین، مصطفی. (1391). بهینه‌سازی استوار مسئله مسیریابی وسایل نقلیه با در نظر گرفتن داده بازه‌ای برای زمان سفر. کنفرانس لجستیک و زنجیره تأمین1391.
18- کفاش‌چرندابی، آل‌شیخ؛ ندا، علی‌اصغر. (1391). ارائه مدلی ترکیبی در GIS برمبنای روش PROMETHEE و الگوریتم PSO برای تعیین اماکن مناسب احداث بیمارستان. آمایش محیطی.(5)19. 99-119.
19- گرمابکی، حسن‌زاده، صحرائیان، خسروی، دیز، کرانی؛ حبیب‌اله، رضا، رضا، راشد، محمدباقر، احسان. (1396). حل مسئله مسیریابی وسایل نقلیه و مکان‌یابی با متغیرهای ریسک سفر با استفاده از برنامه‌ریزی آرمانی. نشریه علمی مدیریت زنجیره تأمین, 19(56), 67-77.
20- گورکانی، غفارپور، همتی؛ مجید، رضا، حسین. (1398). استفاده از الگوریتم‌های فراابتکاری به‌منظور بهینه‌سازی مسیر راه. پنجمین همایش ملی علوم و مهندسی دفاعی.
21- لله آهی‌زاده، صادق عمل‌نیک؛ بهناز، محسن. (1399). بهینه‌سازی مسئله‌ی مکان‌یابی - مسیریابی زنجیره تأمین چهار سطحی در شرایط اختلال. نشریه علمی مدیریت زنجیره تأمین, 22(66), 4-19.
22- معصوم‌نژاد، محمدشفیعی‌نژاد، محمدشفیعی‌نژاد، محمدشفیعی‌نژاد؛ مجتبی، علی، مجتبی، امیر. (1397). بهینه‌سازی مسیر یک ربات پرنده با استفاده از الگوریتم PSO. پنجمین کنفرانس بین‌المللی پژوهش‌های کابردی در مهندسی برق مکانیک و مکاترونیک.
23- میرزاآقایی، هادی‌پور، رحمانی؛ مرضیه، مهرداد، محسن(1395). بهینه‌سازی شبکه حمل و نقل درون شهری قم از لحاظ زیست محیطی به کمک الگوریتم ژنتیک و GIS. علوم محیطی. (4)14. 91-104.
24- وحدانی، طاهروردی؛ بهنام، محمدحسین. (1398). ارائه یک مدل برنامه‌ریزی چند‌هدفه برای مسئله مکان‌یابی-موجودی- مسیریابی در یک شبکه زنجیره تأمین چند سطحی با در نظر گرفتن حداکثر پوشش تقاضا. مطالعات مدیریت صنعتی, 17(52), 239-286.
25- Aworh, O. C. (2018). From lesser known to super vegetables: the growing profile of African traditional leafy vegetables in promoting food security and wellness. Journal of the Science of Food and Agriculture, 98(10), 3609-3613.‏
26- Bęczkowska, S. (2019). The method of optimal route selection in road transport of dangerous goods. Transportation Research Procedia, 40, 1252-1259.
 
27- Bodin, L. D. (1975). A taxonomic structure for vehicle routing and scheduling problems. Computers & Urban Society, 1(1), 11-29.‏
28- Bodin, L. (1983). Routing and scheduling of vehicles and crews, the state of the art. Comput. Oper. Res., 10(2), 63-211.‏
29- Borim nezhad, V., rahimibadr, B. (2016). Fruit and Vagatable Markets Positioning in 22 Regions of Tehran Municipality: With the Usage of AHP Approach. Agricultural Economics, 10(2), 147-171. doi: 10.22034/iaes.2016.19776
30- Dantzig, G. B., & Ramser, J. H. (1959). The truck dispatching problem. Management science, 6(1), 80-91.‏
31- Desrochers, M., Lenstra, J. K., & Savelsbergh, M. W. (1990). A classification scheme for vehicle routing and scheduling problems. European Journal of Operational Research, 46(3), 322-332.
32- Fang, C., Gu, X., Cheng, S., & Wu, D. (2022). Research on long-distance cold chain logistics route optimization considering transport vibration and refrigerant carbon emission. Procedia Computer Science, 214, 1262-1269.
33- Goleij, H., & Torabi Poudeh, H., & Mansouri, R., & Sadeghi, M. (2019). Estimation of the water distribution uniformity in sprinkler irrigation by using PSO Algorithm Method. WATER ENGINEERING, 12(40 ), 129-136.
34- Katoch, S., Chauhan, S. S., & Kumar, V. (2021). A review on genetic algorithm: past, present, and future. Multimedia Tools and Applications, 80, 8091-8126.‏
35- Kavzoglu, T., Sahin, E. K., & Colkesen, I. (2015). Selecting optimal conditioning factors in shallow translational landslide susceptibility mapping using genetic algorithm. Engineering Geology, 192, 101-112.‏
36- Melkonyan, A., Gruchmann, T., Lohmar, F., Kamath, V., & Spinler, S. (2020). Sustainability assessment of last-mile logistics and distribution strategies: The case of local food networks. International Journal of Production Economics, 228, 107746.‏
37- Mogale, D. G., Cheikhrouhou, N., & Tiwari, M. K. (2020). Modelling of sustainable food grain supply chain distribution system: a bi-objective approach. International Journal of Production Research, 58(18), 5521-5544.‏
38- Saeidian, B., Mesgari, M. S., & Ghodousi, M. (2016). Evaluation and comparison of Genetic Algorithm and Bees Algorithm for location–allocation of earthquake relief centers. International Journal of Disaster Risk Reduction, 15, 94-107.‏
39- Tai, T. S., & Yeung, C. H. (2022). Adaptive strategies for route selection en-route in transportation networks. Chinese Journal of Physics, 77, 712-720.
40- Toth, P., & Vigo, D. (Eds.). (2002). The vehicle routing problem. Society for Industrial and Applied Mathematics.‏
41- Wang, Y., Roy, N., & Zhang, B. (2023). Multi-objective transportation route optimization for hazardous materials based on GIS. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 81, 104954.