九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
暫定理想点法を用いた経路生成手法の提案とドロー ン宅配によるコスト削減効果の定量的評価
大曲, 宏樹
https://doi.org/10.15017/4060172
出版情報：Kyushu University, 2019, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：
権利関係：
氏 名 ：大曲 宏樹
論 文 名 ：暫定理想点法を用いた経路生成手法の提案とドローン宅配によるコスト削減効果の 定量的評価
区 分 ：工学
論 文 内 容 の 要 旨
本研究では, 近年世界中で活発な研究開発が行われているドローン宅配サービスの経路生成手法 を提案する. 宅配経路問題は, 制約付き多目的最適化問題として定式化することができる. 本論文 では, その解法として遺伝的アルゴリズムをベースとした「暫定理想点法」を提案するとともに, ド ローン宅配サービスが従来のトラックのみを用いた宅配サービスと比較してどれくらい宅配コスト を削減できるのかを提案手法を用いて定量的に評価する試みを行った. 本論文の構成は以下のとお りである.
第１章では, 我が国の物流産業における慢性的なドライバー不足と宅配需要の急増が大きな課題 となっている現状について各種統計データを用いて示す. また, その解決手段の１つとして, ドロ ーン宅配による宅配業務の省人化が大きな注目を集めている一方, その実現には多くの技術的なハ ードルに加え, 法規制, 安全管理, 国民感情など, 解決すべき課題が山積していることについて述 べる. 最後に, 本研究の位置づけと論文構成について示す.
第２章では, 最適化問題の一般的な概念や用語について整理するとともに, 最適化問題の近似解 法に該当するいくつかの解探索アルゴリズムについて紹介する. また, これまで提案されてきた数 多くの多目的最適化手法を 2つのカテゴリーに分類し, その両方の利点と欠点について示すととも に, いずれの手法を用いても本研究の対象となる最適化問題の解法としては不十分であることを示 す.
第 3 章では, 新しい多目的最適化手法として暫定理想点法を提案する. この手法の解探索プロセ スは 2 段階に分かれている. 第 1 段階では, 与えられた全ての制約条件を満足する実行可能解を生 成するため, 制約条件から逸脱した偏差量の総和をペナルティー関数として定義し, その値が 0 と なる解を優先的に探索する. 実行可能解を生成に成功したならば, 第 2 段階である多目的最適化の プロセスへ移行する. このプロセスでは, 全ての目的関数を最適化可能な理想的な解の座標点を意 味する暫定理想点と, 実行可能解の座標点を意味する解点との間のユークリッド距離を定義し, こ れを最小化することによって多目的最適化を実現する. この手法の有用性と妥当性を検証するため, 制約付き単目的最適化問題であるGO問題と制約なし多目的最適化問題であるDTLZ問題の計2種 類のベンチマーク問題に対して本手法を適用し. その全てのベンチマーク問題において本手法が想 定したとおりの解探索を実行できていることを示す.
第 4章では, 従来のトラックのみを用いた宅配スタイルをTruck 宅配, ドローンのみを用いた宅 配スタイルをDrone宅配, トラックとドローンを組み合わせた宅配スタイルを Hybrid宅配とそれ ぞれ命名するとともに, この 3 つの宅配スタイルの解表現方法と遺伝的操作方法をそれぞれ提案す る. また, 3 つの宅配スタイルの経路生成問題をそれぞれ制約付き多目的最適化問題として定式化
する. ここで, ドローンを用いた宅配経路問題のことをDDP (Drone Delivery Problem)と呼ぶ.
第5章では, DDPに暫定理想点法を適用する際に生じる２つの問題点について説明する. 1つ目は,
DBZ (Division By Zero)問題と呼ばれるものである. これは, 評価関数が無限に発散することで解
同士の優劣判定が不可能となる状態のことを指す. 2つ目は, IC (Immature Convergence)問題と呼 ばれるものである. これは, 暫定理想点法が突然変異演算子のみに依存しているために解探索の効 率が極めて悪く, 収束する以前に計算を打ち切らざるを得ない状態になることを指す. DBZ 問題に 関しては, 変換係数を用いて DDP を宅配コストに関する単目的最適化問題に変換することによっ て対処できる. IC 問題に関しては, タブーサーチを暫定理想点法に組み合わせることで解決可能で ある. 改良前後の暫定理想点法をDDPとベンチマーク問題であるTSPLIBにそれぞれ適用し, その 解探索性能を比較ことによって改良型暫定理想点法の有用性を示す.
第 6 章では, 改良型暫定理想点法を用いて各宅配スタイルの経路をそれぞれ生成するとともに, ドローン宅配のコスト削減効果を定量的に評価する. これらの計算結果より, トラックに対するド ローンの相対コスト比をできるだけ小さくすることや, 複数の宅配場所を連続宅配できるドローン を使用することがドローン宅配サービスにおける宅配コストの削減効果向上に有効であること, ま た, トラックに対するドローンの相対コスト比次第でコスト削減効果に有利となる宅配スタイルが 変化することを示す. また, ドローンの飛行速度や飛行可能時間, 離着陸時間などに関する性能諸 元をそれ単独で向上させたとしても, コスト削減効果に必ずしも寄与しない場合があることなど, 得られた知見を示す.
第7章では, 本論文の結論と今後の課題について述べる.
