求一種得物極光藍(lán)紙箱尺寸設(shè)計(jì)方案

一、背景

極光藍(lán)包裝盒成潮流標(biāo)識(shí)，得物App成年輕潮人精神歸屬，特殊的包裝材料已經(jīng)在消費(fèi)者之間形成了強(qiáng)大的心智，極光藍(lán)等于得物。

但是由于早期箱型尺寸數(shù)據(jù)由人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，出現(xiàn)包裝箱尺寸和商品尺寸匹配度不高的問題，一般會(huì)造成以下影響：

不合理的紙箱尺寸導(dǎo)致部分商品使用了較大的紙箱，造成了紙箱采購成本的浪費(fèi)。

較大紙箱會(huì)造成運(yùn)輸成本的增加。

商品和紙箱之間的空隙過大，可能在運(yùn)輸過程中造成商品的損壞。

二、確定方案

考慮到紙箱招標(biāo)節(jié)奏以及還需要留給倉內(nèi)打樣試裝，試發(fā)貨的時(shí)間，所以需要用比較快的速度完成建模和計(jì)算。

在這件事上，業(yè)務(wù)方也無法給出一些特別明確的準(zhǔn)則，例如具體要算的綜合目標(biāo)中是包含運(yùn)輸成本的，這之中包含承運(yùn)商的分配算法規(guī)則和他們的運(yùn)費(fèi)模板，將這些因素直接納入到箱型建模之中基本是不可能的，再如箱子的數(shù)量是影響采購招標(biāo)談判的成本以及倉內(nèi)的人效的，這里很難量化，也無法直接定義箱型數(shù)量值的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此首先要和業(yè)務(wù)方產(chǎn)品分析現(xiàn)狀定義目標(biāo)，將問題全部量化，同時(shí)去簡化問題。

2.1 問題分析

sku數(shù)據(jù)：過去一年的發(fā)貨sku主數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的銷量，再排除規(guī)則之外（只考慮用紙箱包裝發(fā)貨的商品、排除異性箱包裝商品）和異常值（如sku尺寸異常）。

紙箱尺寸參數(shù)約束：考慮面單尺寸（紙箱尺寸下限定義）和便于倉內(nèi)人員打包等合理性（紙箱尺寸上限定義），我們確定了紙箱上下限，形成數(shù)百萬組合的空間。

箱型數(shù)約束：排除異型箱，需綜合考慮裝箱率、采購成本和倉內(nèi)效率，一般來說單倉的箱型數(shù)量不宜超過15個(gè)。

覆蓋率約束：在已經(jīng)篩選出紙盒外包裝打包的sku的前提下，接受部分異形、大件物品不可被箱型組覆蓋，要求覆蓋發(fā)貨訂單率>=99%。

基于以上對(duì)問題的分析可以看出，如果有了一組解K個(gè)箱型，去計(jì)算裝箱率，這個(gè)問題的復(fù)雜度還好。但是如果正面去計(jì)算，則需對(duì)符合條件的sku去遍歷箱型組合，這個(gè)基本上是無法在有效時(shí)間內(nèi)算出結(jié)果的。

2.2 問題簡化

2.2.1 箱型數(shù)約束

排除異型箱，基于得物當(dāng)前的倉內(nèi)實(shí)際情況，本次預(yù)計(jì)新設(shè)計(jì)的箱子數(shù)在8~15個(gè)，需綜合考慮裝箱率、采購成本和倉內(nèi)效率，當(dāng)箱型數(shù)量增加時(shí)，裝箱率會(huì)提高，采購成本也會(huì)提高，倉內(nèi)效率會(huì)降低。

由于這里并不能量化它，例如給出具體綜合指數(shù)，因此此處決定給出多個(gè)版本，供業(yè)務(wù)方抉擇，而不作為建模的約束或目標(biāo)，這里相當(dāng)于直接簡化為把M組箱型的M * 固定一種箱型的復(fù)雜度，在實(shí)際中開發(fā)中，只需要用M個(gè)容器同時(shí)執(zhí)行一次計(jì)算即可。

2.2.2 覆蓋率約束

覆蓋率約束是個(gè)不等式約束，且當(dāng)前問題，不可覆蓋的sku部分的分布是非常顯而易見的，集中在長寬高中一個(gè)或多個(gè)值超過倉內(nèi)操控方便程度上限值，因此，這里將箱型上限值和接受不覆蓋的部分，再建模之前先確定下來。

2.2.3 目標(biāo)函數(shù)定義

對(duì)于采購成本來說，這不必說，一定和紙箱的用紙情況有關(guān)，紙箱用紙?jiān)叫。埾湔归_面積越小）則成本越低；

對(duì)于運(yùn)輸成本來說，基本上3pl都是用MAX(拋重，實(shí)重)的方法來計(jì)算，那么這和紙箱展開面積的優(yōu)化方向也是正的；

如果把各3pl運(yùn)費(fèi)模板加入到建模中，同時(shí)也需要考慮承運(yùn)商分配的算法設(shè)計(jì)，那么問題會(huì)過于復(fù)雜，計(jì)算量也是很大?，F(xiàn)在很顯然，我們只要優(yōu)化單均用紙面積，如果某單優(yōu)化后的紙箱包裝未觸及運(yùn)費(fèi)模板的變動(dòng)范圍，則運(yùn)費(fèi)不變，若觸及則運(yùn)費(fèi)成本必然會(huì)降低。

綜上，最終考慮用裝箱率這個(gè)間接指標(biāo)作為目標(biāo)，裝箱率指的是測試的（數(shù)據(jù)集sku總體積 / 數(shù)據(jù)集發(fā)貨箱子總體積），這個(gè)也是產(chǎn)品和業(yè)務(wù)方很熟悉且一直在關(guān)注的指標(biāo)。

2.2.4 問題建模

經(jīng)過上述簡化，這里將目標(biāo)函數(shù)定義成了裝箱率，并且發(fā)貨訂單覆蓋率、箱型數(shù)約束值放在了建模問題之外。

其中，S_i表示Sku_i的銷量，R_i表示Sku_i的推薦箱型結(jié)果裝箱率 推薦箱型應(yīng)滿足內(nèi)部間隙大于最低要求，在箱型組中選擇最小箱型，即

箱子的大小，應(yīng)滿足至少可以貼運(yùn)單，也不能過大影響倉內(nèi)人員打包效率

同時(shí)我們對(duì)sku進(jìn)行長>寬>高的排序清洗，同時(shí)定義紙箱長>寬>高

?

最后，我們要求箱子的長寬高數(shù)據(jù)均為整數(shù)，即

三、優(yōu)化算法

3.1 一般求解方法概述

對(duì)于這個(gè)優(yōu)化問題，通常主要包括精確解算法和啟發(fā)式算法：

精確方法主要是用單純形法（線性規(guī)劃）或者一些迭代的方法（非線性規(guī)劃）再結(jié)合分枝定界法找到我們要的整數(shù)解。精確方法如果是線性規(guī)劃問題能通過單純形法在可行域的頂點(diǎn)中找到全局最優(yōu)解，非線性規(guī)劃也是通過微分學(xué)方法或者有限次的迭代找到接近于最優(yōu)解的，由于不是多項(xiàng)式時(shí)間的求解方法，故而往往在大規(guī)模實(shí)例上不可行。

啟發(fā)算法如遺傳算法、蟻群算法、進(jìn)化算法、智能算法針對(duì)普遍的問題?？梢詫⑺?dāng)作一個(gè)黑箱子對(duì)幾乎任何問題適用。啟發(fā)式算法，說白了就是有方向的窮舉法，在計(jì)算資源有限的情況下，需要根據(jù)問題場景和模型特點(diǎn)，選擇合理的鄰域結(jié)構(gòu)或操作機(jī)制，在全局搜索能力和局部搜索能力之間做權(quán)衡。啟發(fā)算法通常需要給定初始解；另外，算法不能保證在多項(xiàng)式時(shí)間收斂，但常?？梢钥刂扑惴ǖ螖?shù)。

3.2 精確解求法

線性規(guī)劃

對(duì)于線性規(guī)劃問題，它的可行解構(gòu)成的集合為凸集或者無界域，基可行解對(duì)應(yīng)凸集的頂點(diǎn)，通過凸集的性質(zhì)得出最優(yōu)解會(huì)在凸集的頂點(diǎn)上，然后通過遍歷再排序的方法可以得出最優(yōu)解，但是當(dāng)頂點(diǎn)過多的時(shí)候，則需要用單純形法找到線性規(guī)劃的最優(yōu)解。

非線性規(guī)劃

如果目標(biāo)函數(shù)或者約束條件中含有非線性函數(shù)，例如當(dāng)前的問題中目標(biāo)函數(shù)裝箱率中具有非線性因素，這種規(guī)劃問題為非線性規(guī)劃問題。一般來說，解非線性規(guī)劃問題要比解規(guī)劃問題困難的多，它不像求解線性規(guī)劃有單純形法這一種通用方法，非線性規(guī)劃目前還沒有適用于各種問題的一般算法，各個(gè)方法都有自己特定的適用范圍。

整數(shù)規(guī)劃

因?yàn)橐筝敵龅慕Y(jié)果是整數(shù)，所以需要用分支定界法來求解。

分支定界法的核心思想就是分枝和剪枝。當(dāng)不考慮所求解必須是整數(shù)這個(gè)條件時(shí)，用單純形法可求出最優(yōu)解，但是這個(gè)解往往不全是整數(shù)，因此采用剪枝的方式一點(diǎn)一點(diǎn)縮小范圍，直到所求解為整數(shù)解。

從圖中可以看到，初始化階段，需要給定輸出的全局的上界和下界，如果能有一些啟發(fā)式的方法獲得稍微好點(diǎn)的上下界作為初始解導(dǎo)入那是最好的不過的了。如果沒有的話可以先設(shè)置為正負(fù)無窮大。

接著進(jìn)入到主循環(huán)中，通過求解整數(shù)規(guī)劃的連續(xù)松弛問題（線性規(guī)劃）來得到該子問題的上界；分解問題可以幫助對(duì)整數(shù)規(guī)劃問題進(jìn)行拆分，同時(shí)也可以幫助我們得到下界。

3.3 元啟發(fā)式方法

以遺傳算法為代表的這類算法，適合以下場景：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超參數(shù)優(yōu)化

一部分結(jié)構(gòu)和特性固定的組合優(yōu)化問題

一部分機(jī)理模型難以建立的黑箱優(yōu)化問題

多目標(biāo)優(yōu)化問題

3.3.1 遺傳算法

基本概念

基因：可行解的元素 染色體：一條染色體為一個(gè)可行解 交叉：多條染色體切斷拼接成新的染色體 變異：將染色體的部分基因進(jìn)行修改 復(fù)制：完全遺傳復(fù)制上一條染色體

執(zhí)行流程

1）在算法初始階段，它會(huì)隨機(jī)生成一組可行解，也就是第一代染色體。

2）然后采用適應(yīng)度函數(shù)分別計(jì)算每一條染色體的適應(yīng)程度，并根據(jù)適應(yīng)程度計(jì)算每一條染色體在下一次進(jìn)化中被選中的概率。

3）通過“交叉”，生成N-M條染色體。

4）再對(duì)交叉后生成的N-M條染色體進(jìn)行“變異”操作。

5）然后使用“復(fù)制”的方式生成M條染色體；

6）重復(fù)2~5。

四、具體建模

4.1 數(shù)據(jù)分析

首先粗略看下近一年得物發(fā)貨的sku的長、寬、高主數(shù)據(jù)及其銷量分布，這是我們?cè)O(shè)計(jì)箱型的依據(jù)數(shù)據(jù)。同時(shí)綜合考慮倉內(nèi)實(shí)際作業(yè)時(shí)候的效率以及采購的成本，因此箱子的種類數(shù)量也不可太多，否則會(huì)增加倉內(nèi)打包人員取箱子的難度，采購成本也會(huì)相應(yīng)提高。

在這一步，考慮到首先要準(zhǔn)確和當(dāng)前箱型 A/B ，同時(shí)8~15種這個(gè)數(shù)量加入到建模參數(shù)中也增加了計(jì)算復(fù)雜度，所以決定固定這個(gè)箱型數(shù)量的值，首先假設(shè)固定N種箱型，每個(gè)箱型長寬高三個(gè)數(shù)，即輸出3 * N個(gè)參數(shù)。 接下來我們定義一下商品sku和箱型的 長>寬>高，首先對(duì)近一年的數(shù)據(jù)進(jìn)行長寬高排序、異常值等清洗，例如固定了12種箱型，我們就將sku和箱型在長寬高維度用k-means聚類成12組。

? ?

做這個(gè)聚類分析，一方面，根據(jù)實(shí)際情況，例如結(jié)合面單尺寸定義箱型下限，再結(jié)合箱型覆蓋率下限值，定義箱型上限尺寸；

另一方面，每個(gè)聚類的最大值可以作為箱型的初始化值（實(shí)際需要加上5mm作為縫隙）。

4.2 約束和目標(biāo)

業(yè)務(wù)上約束來說，只需要將商品裝入箱子，留下縫隙即可，且由于確定箱子的種類數(shù)量，這里還需要確定的是每組箱子的長>寬>高，即

constraint_ueq = (


    # 單個(gè)箱子長>寬>高
    lambda x: x[1] - x[0],
    lambda x: x[2] - x[1],


    lambda x: x[4] - x[3],
    lambda x: x[5] - x[4],


    ...   
 ）

def cal_avg_r_cached(p):
    '''The objective function. input routine, return total distance.
    cal_total_distance(np.arange(num_points))
    '''
    total_r = 0
    for row in npd:
        r = [-1] * box_num
        for i in range(box_num):
            if (row[0] <= p[3 * i]) and (row[1] <= p[3 * i + 1]) and (row[2] <= p[3 * i + 2]):
                r[i] = row[4] / (p[3 * i] * p[3 * i + 1] * p[3 * i + 2])
        total_r += max(r) * row[3]
    print(total_r)
    return -total_r / sum_cnt

4.3 結(jié)論

最終并行跑了幾個(gè)版本，裝箱率均有不等的提升，單均用紙面積有顯著下降； 最終選擇的1203方案作為工程側(cè)的輸出，裝箱率提升5.49%，單均用紙面積節(jié)約7.6%，單均運(yùn)費(fèi)降低0.06元。

五、彩蛋 -- 使用遺傳算法繪制NONO

在寫這篇文章查相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)的挺有腦洞的內(nèi)容，用數(shù)個(gè)帶有顏色的三角形，組裝成圖像。 這里試著用60個(gè)三角形繪制了下NONO。

效果大致如下：

?

在優(yōu)化算法中，介紹了遺傳算法的大致流程，那么繪制這個(gè)NONO和箱型設(shè)計(jì)有啥區(qū)別呢？

在箱型設(shè)計(jì)中，需要基于裝箱率指標(biāo)去計(jì)算箱子尺寸，因此，在定義適應(yīng)度函數(shù)的時(shí)候，只要取Maximize裝箱率這個(gè)指標(biāo)即可，那么到了此處，只要將目標(biāo)函數(shù)定義為不同顏色尺寸的透明三角形組裝結(jié)果與目標(biāo)圖片的相似度即可。

5.1 適應(yīng)度函數(shù)

首先需要找到能夠量化透明三角形組成的圖和目標(biāo)NONO圖的差異或者相似度的方法，那么如何定義相似度呢？圖像的相似度即在某個(gè)顏色空間（例如RGB、HSV）下的值向量的相似度，每個(gè)點(diǎn)的差異值總和最小則越接近想要的目標(biāo)圖案，常用的評(píng)估函數(shù)例如MSE、RMSE、PSNR、ERGAS、SAM等。

下圖是對(duì)于一些圖像噪聲方法，各種相似度評(píng)估方法對(duì)應(yīng)的相似度結(jié)果。其中“Original”一欄顯示的是原始圖像與自身比較后的分?jǐn)?shù)。 這里選擇ERGAS來作為我們的適應(yīng)度函數(shù)的依據(jù)。

5.2 選擇

這里用不一定完全用輪盤賭方法來做選擇，95%概率選擇適應(yīng)度函數(shù)靠前的解，5%的概率從其他解里面隨機(jī)選擇。

if random.random() < 0.95:
    '''選擇基因的來源父母，95%幾率從最優(yōu)的祖先中隨機(jī)'''
    poly_a = random.choice(polygons[:1])
    poly_b = random.choice(polygons[1:5])
else:
    '''選擇基因的來源父母，5%從所有的祖先中隨機(jī)'''
    poly_a = random.choice(polygons)
    poly_b = random.choice(polygons)

5.3 交叉和變異

這里也一樣用隨機(jī)數(shù)，大概率隨機(jī)從父類中繼承賦值基因，小概率修改基因值，坐標(biāo)交叉變異大致如下，顏色交叉變異同理。

temp = random.random()
    if temp < 1 / polygon_num:
        '''設(shè)定一定幾率坐標(biāo)變異'''
        rnd_temp_coord = poly_a.coord_list[i][:]
        rnd_temp_coord[random.randint(0, vertices - 1)] = random.randint(0, img_width), random.randint(0, img_height)
        temp_coords.append(rnd_temp_coord)
    elif temp < 0.5:
        '''隨機(jī)繼承父母中的一個(gè)基因'''
        temp_coords.append(poly_b.coord_list[i])
    else:
        temp_coords.append(poly_a.coord_list[i])
    temp = random.random()

審核編輯：劉清