Mathematical Modeling · Drone Delivery

基于组合优化与载荷能耗的无人机送货路径规划模型

从单机最短航程,到容量约束下的四机协同,再到载荷相关燃料最小化。这个展示页把论文核心结论、答辩 PPT 视觉与生成路线图串成一条可讲解的故事线。

24配送目的地全部覆盖
136.7200单机最短总航程 km
211.5515四机容量约束总航程 km
250.6235两机等载燃料最优
四架无人机分组路线的 AI 生成地图主视觉
答辩 PPT 封面与核心结论缩略图
PPT 风格 × 生成图 × 论文结果
So What

容量约束下,总航程较初始扫描方案下降 8.79%;燃料目标下,两架无人机最优,四架方案可作为运营冗余备选。

Model Story

一条从“距离”走向“能耗”的递进模型链

论文三问不是孤立计算,而是在同一套经纬度距离底座上逐步加约束:先求最短闭合路线,再处理多机容量,最后把目标升级为载荷相关燃料消耗。

01

距离底座

用 Haversine 公式构建球面距离矩阵,避免经纬度点位直接套欧氏距离造成尺度偏差。

02

单机 TSP

以访问序列为决策变量,结合多起点最近邻、2-opt、Or-opt 与随机重启,得到 136.7200 km 的闭合路线。

03

容量 VRP

加入“每架最多 7 个目的地”的容量限制,采用方位角扫描分组和跨组交换,形成四机可行方案。

04

载荷能耗

燃料由基础能耗与剩余载荷线性叠加,比较不同无人机数量下的等装载方案,并做灵敏度检验。

Visual Language

把 PPT 的深蓝学术感,转译成网页叙事

页面主色延续答辩 PPT 的深蓝、米白和强调色;首屏与图表区则吸收生成图中的“水墨地图 + 科技路线”质感,形成更适合浏览器滚动观看的展陈效果。

两架无人机燃料最优路线生成图
生成图主视觉用更具展示性的地图纹理承载论文的路线结果,适合做答辩网页的视觉锚点。
配送点空间分布生成图
空间分布展示仓库与目的地的整体格局,为后续路径优化铺垫。
问题一算法收敛生成图
算法收敛用 PPT 化图形表达搜索过程,增强“求解不是拍脑袋”的证据感。
燃料结构分解生成图
能耗解释基础能耗与载荷能耗分解,是第三问区别于单纯最短路的关键。
参数敏感性生成图
灵敏度展示不同无人机数量和载荷参数下结论的稳定性。
问题一单机最短路径图
单机最短路径图闭合路线覆盖全部配送点,路径整体沿相邻区域连续访问。
Distance
dij = 2R · arcsin(√a)
Haversine 球面距离用于经纬度点位。
Objective
min L = Σ dπ(k),π(k+1)
最小化完整访问序列的闭合总航程。
Search
NN + 2-opt + Or-opt
多起点生成初解,边交换与片段迁移持续改进。
Robustness
Random Restart
随机重启降低初始路线对结果的影响。
问题一单机迭代收敛图
迭代收敛展示局部搜索不断压低总航程的过程。
问题一距离矩阵热力图
距离矩阵距离底座统一支撑三问的路线、容量和能耗计算。
问题二多机分组路线图
四机分组路线方位角扫描形成空间连续初始组,跨组交换继续压缩总航程。
Route
Rr = (0, ir1, …, irq, 0)
第 r 架无人机的闭合配送路线。
Total Distance
Ltotal = Σr=1m L(Rr)
所有无人机航程求和。
Capacity
qr ≤ 7, r = 1, 2, …, m
每架无人机最多服务 7 个目的地。
Minimum Drones
mmin = ⌈24 / 7⌉ = 4
容量约束决定最少需要 4 架无人机。
无人机服务点点数航程
113, 9, 16, 17, 18, 14, 15771.7191
24, 20, 19, 24, 23, 22, 21782.2879
37, 10, 1, 5, 6, 2, 3740.3084
48, 11, 12317.2361
问题二容量利用率图
容量利用率前三架满容量,第四架服务仓库附近点位以避免远端路线回折。
问题二各无人机航程图
各机航程远端路线承担更长距离,近端点单独成线。
问题三燃料最优路线图
燃料最优路线两架无人机各配送 12 个点,满足等装载并最小化相对燃料。
Segment Fuel
frk = drk(α + βwrk)
航段燃料由距离、基础能耗和剩余载荷共同决定。
Route Fuel
F(Rr) = Σ frk
完整路线燃料消耗。
Total Fuel
Ftotal = Σr=1m F(Rr)
第三问核心目标函数。
Equal Load
q1 = q2 = … = 24 / m
比较不同无人机数量时保持装载量相等。
问题三各机燃料消耗图
燃料消耗拆分载荷项参与目标函数,不是简单把燃料等同于航程。
问题三无人机数量敏感性图
数量敏感性无人机数量增加会放大仓库往返基础能耗。
无人机数量每机包裹数总燃料总航程判断
212250.6235174.1724最优方案
38255.4441198.8512接近最优
46283.1199237.8437稳健备选
64343.0033301.0198返航增多
83388.4598351.0337返航增多
122515.7177480.7106燃料最高
PPT Reference

答辩 PPT 预览:页面视觉的主要参照

这里展示的是现有 PPT 导出的页面缩略图。网页沿用了它的结论先行、深蓝信息卡、白底学术图表和“SO WHAT”总结方式。

PPT 封面与核心结论
01 封面与核心结论
PPT 研究思路
02 研究思路
PPT 数据底座
03 数据底座
PPT 问题一
04 问题一
PPT 问题二
05 问题二
PPT 问题三
06 问题三
PPT 模型检验
07 模型检验
PPT 创新总结
08 创新总结
Validation

模型检验与敏感性观察

检验重点不是声称全局最优,而是证明结果自洽:路线闭合、容量可行、燃料模型确实包含载荷项,且主要结论在参数扰动下保持稳定。

Problem 01

多起点一致

最近邻、2-opt、Or-opt 和随机重启均在同一距离矩阵上运行,最终最短航程稳定为 136.7200 km。

Problem 02

容量可行

四架无人机服务点数量为 7、7、7、3,均未超过容量上限,且总航程较初始方案下降 8.79%。

Problem 03

燃料分解

两架方案满足等装载,燃料拆分为基础能耗与载荷能耗,说明第三问不是简单的距离最短。

Sensitivity

趋势稳定

无人机数量增加时往返基础能耗提高;2 架方案保持最优或近最优,4 架可作为运营冗余方案。

2 架
250.62
3 架
255.44
4 架
283.12
6 架
343.00
8 架
388.46
12 架
515.72
Conclusion

统一距离底座 + 递进约束 + 工程备选

本文为无人机配送调度提供了一套从路径规划到燃料解释的完整建模链条:若目标是燃料最小,2 架等装载方案最优;若强调运营冗余和并行配送能力,4 架等载方案更稳健。

  • Haversine 距离矩阵适合经纬度输入,保证三问可衔接。
  • 2-opt、Or-opt、扫描分组与跨组交换兼顾速度和可解释性。
  • 燃料模型显式区分基础能耗与载荷能耗,能解释方案差异。
  • 局限在于燃料参数仍需真实机型、电池、载重、风速和时间窗数据标定。