配送算法9 A GRASP algorithm for the Meal Delivery Routing Problem
A GRASP algorithm for the Meal Delivery Routing Problem论文学习
这篇论文聚焦哥伦比亚外卖平台的“最后一公里”配送，提出基于 GRASP 的 MDRP 求解框架：动态整合骑手可用性、订单需求与地理位置，实现订单分配与路线优化。真实数据实验表明，GRASP 在解质量与计算速度间取得有利折中，较现有仿真优化方法在订单完成率和路径效率上均具竞争。
背景
• 疫情推动外卖需求激增，哥伦比亚 Domicilios.com 2019–2020 订单量增长 50.6%，骑手数量增 62.5% 至约 19.5 万。
• 外卖 App 作为撮合平台：连接餐厅、骑手、顾客，抽佣 8–27%，负责派单、结算与路线指派。
痛点
• 末公里配送（MDRP）需实时考虑骑手容量、餐厅出餐时间、交通方式、天气等多变量；
• 骑手收入不稳、无社保，事故风险高；需求波动、路况差进一步加剧满意度难题。
本文将 MDRP 视为动态车辆路径问题（DVRP），提出 GRASP 元启发式算法；用哥伦比亚外卖平台真实一天实例验证，算法在解质量与计算时间间取得良好平衡。
问题定位
Meal Delivery Routing Problem (MDRP) 被归到 Dynamic Vehicle Routing Problem with Pickups & Deliveries（DVRP-PD）门类，其核心是“同日达”（Same-Day Delivery, SDDRP）：订单当天生成、客户未知、时间窗紧张，目标是最小化未履约单量并决定所需车辆及实时路径。
求解思路
• 动态规划：理论上精确，但随状态空间爆炸陷入维度灾难。
• Rolling Horizon：周期性滚动重优化，可处理时间依赖数据，实现实时更新。
• 强化学习/多智能体：
– 以 MDP 建模订单-骑手交互，利用 RL 为每位骑手生成个性化推荐策略；
– 深度 RL 结合启发式，用于车队+无人机混合配送，无人机 FIFO 优先，车辆按插入成本派单。
关键现实约束
• 出餐时间随机：文献普遍将其视为随机变量，并用图论+数学规划+仿真一体化处理。
• 骑手冲突：多骑手抢同一订单、位置实时变化，导致决策空间连续收缩。
• 骑手福利：现有分配算法常忽视骑手自主权，最新研究呼吁在优化目标中加入“骑手自由度”指标。
计算框架
一套 Python-Docker-SimPy-OSRM 的模块化平台被提出：
① 载入真实数据校准仿真；② 定义主体交互与 KPI；③ 调用优化/路由服务输出策略。
结论：SDDRP 从早期滚动时域+启发式，正快速转向“强化学习-推荐 + 多模态运力 + 骑手福祉”的综合研究方向。
数据
• 用户 U：每个用户 u∈U 有收货地点 lu，下单时间 αo，并期望在承诺时间窗内收到餐品。
• 餐厅 R：每个餐厅 r∈R 有取货地点 lr，餐品就绪时间 eo，取餐服务时间 sr。
• 订单 O：每单 o∈O 唯一对应 (餐厅 ro, 用户 uo)，并携带上述时间参数及用户收货服务时间 su。
• 骑手 C：每位骑手 c∈C 有上线时间 ec、下线时间 lc（lc>ec）、初始位置 lc（上线地点）。骑手最大同时携带订单数 ≤3。
• 酬劳：骑手每单收入由固定基价+与接单用时相关的浮动金额组成。
决策任务
任务一：订单指派
– 为每单 o∈O 选择一名骑手 co∈C，或留空（未指派）。
– 指派需实时完成，订单信息仅在骑手点击“接单”时才对其可见。
任务二：路线构建
– 对每位被指派的骑手，生成一条或多条“取-送”路线。
– 路线必须满足：
· 容量：骑手在任何时刻携带订单数 ≤3；
· 同一餐厅的多单可一次取货，形成 bundle（路线 s∈S，|餐厅|=1，|用户|≥1）；
· 时间窗：取货 ≥ 餐品就绪时间 eo，送达 ≤ 承诺时间窗；
· 顺序：先取后送，单内不可交叉。
动态元素
• 平台根据实时需求滚动调整服务半径，保证用户可下单。
• 骑手位置、订单池、餐品就绪时间每秒都可能变化，需实时重算。
性能指标
• 履约单数（已指派且按时完成）。
• 平均/总送达时长（用户下单至收货）。
• 骑手利用率与收入。
求解目标
在满足容量、时间窗及实时信息更新条件下，最大化履约单量并最小化平均/总送达时长。
GRASP（Greedy Randomized Adaptive Search Procedure）完整方法
• 两阶段循环：
① Construction：随机-贪心生成初始派单方案；
② Local Search：交换订单在两骑手间的归属，缩短总行驶时间。
• 关键超参数：α（随机度）、iterations（总迭代次数）。
构造阶段（Algorithm 1）
输入：骑手集合、订单集合、α
步骤：
- 维护待派单队列 orders_pending 与可用骑手队列 couriers_available。
- 对每个骑手-订单对计算行驶时间 time_travel = 距离 / 骑手速度。
- 按 time_travel 升序排序，生成候选列表 RCL = 前 α·|列表| 个最小值。
- 从 RCL 随机选一对（骑手，订单）；若骑手首次被选中，记录对应餐厅；把订单加入该骑手路线，并从待派单队列删除。
- 循环直至所有订单被指派。
输出：initial_assign（每位骑手携带的订单序列）。
局部改进阶段（Algorithm 2）
输入：initial_assign
步骤：
- 计算当前方案总行驶时间 total_time。
- 对所有不同骑手对 (c₁, c₂) 遍历：
– 对 c₁ 除首单外的任一订单 o₁，与 c₂ 除首单外的任一订单 o₂，尝试交换。
– 生成新方案 new_assign，重新计算 total_time_new。
– 若 total_time_new < total_time，则接受并更新最优方案。 - 穷尽所有可行交换后返回 better_assign。
主循环（Algorithm 3）
重复 iterations 次：
• 运行构造阶段 → 局部改进阶段 → 计算当前成本。
• 若优于历史最佳，则更新 best_solution 与 best_cost。
最终输出全局最优派单-路线方案。
运行约束（Delivery Assumptions）
• 每单有固定准备+取送时间窗，超时即视为未履约。
• 骑手最多同时携带 3 单且必须来自同一餐厅。
• 车型速度：摩托 20 km/h > 汽车 15 km/h > 自行车 12 km/h > 步行 5 km/h。
• 骑手送完最后一单后返回原地等待新任务。
实验结果
数据与平台
• 22 组真实哥伦比亚外卖日数据（订单 295–56 420 单，骑手 396–16 710 名）。
• 平台现行策略：每 2 min 重新跑派单/路径算法，目标减少排队、提高履约。
GRASP 调参
• α 0–1 步长 0.1，迭代 500–2000。
• 最优 α ≥ 0.7，迭代 ≈ 2000 时目标值最佳，但耗时 > 5 min；
• 折中选择 α = 0.7、迭代 1000：目标值仅低 2%，但耗时 < 2 min，满足业务窗口。
与基准对比
• GRASP 在 22 例中 21 例完成单量 ≥ 仿真优化，平均提升 0.97%，最高 1.54%。
• 路由时间略增（≤1.28%），因 GRASP 利用更多骑手（平均多用 1–3 名），换取更高履约率。
• 关键发现：GRASP 在高单量、高骑手场景下依旧稳定，展示良好可扩展性。
局限与展望
• 当前目标侧重订单完成率与行驶时间，未来需：
– 引入多目标模型，显式最大化骑手福利（收入、自由度、安全）；
– 实现“配送民主化”，确保“用户-商家-骑手”三方长期可持续共赢。