第 1 章 绪论
1.1 论文的研究背景
1.1.1 研究背景
自动售货机是从 20 世纪 70 年代开始，由日本、美国和欧洲等一些发达的国家慢慢发展起来，后来被逐渐推广到其他国家[1]。我国的第一台自动售货机于 1993 年从国外引进[2]。目前，中国的自动售货机的数量大约有 20 万台[3]，但是相对于中国这个拥有 13.9 亿人口的大国，相当于平均每 69500 人拥有一台自动售货机，而在日本平均每 25 人就拥有一台自动售货机，在美国是平均每 40 人拥有一台，在欧洲是每 50 到 120 人拥有一台。在一些国家，自动售货机的商品销售金额已经占到全国零售业的 60%以上，并且以每年 10%的速度增长[4,5]。由此可见，尽管中国是世界上的人口大国，但自动售货机的数量却远远不能够满足社会的需求。作为一种新型的商业零售模式，自动售货机具有高科技、高信用、新方式、大市场、交易方便、无需专人值守，占地面积小，能够灵活部署等优点，是 24 小时全天不休息的营业微型超市，被称为永不下班的超级零售员[6]。自动售货机为人们提供了一种时尚、便捷的购物方式，使得消费者对购物商品的实时性、便利性等要求得到了满足。同时对于美化城市环境，改善城市功能也发挥了很大的作用，也提高了商品销售服务的整体水平，具有极大的社会经济价值。
如今自动售货机已经越来越受到国内人们的欢迎和认可，而且越来越多的人们开始使用自动售货机来进行消费，购买商品。自动售货机在北京、天津、上海、武汉、广州、深圳等大中型城市正处于逐渐普及的阶段，在商厦、医院、地铁站、车站、小区、街道、学校、写字楼等场所已经初步形成规模[7]，凭借着其新颖、便捷的购物方式赢得了广大消费者的青睐，并且逐渐地形成一种流行时尚。随着我国经济与科学的快速增长，城乡一体化的发展，各式各样的新社区不断诞生，新的消费群体不断涌现，自动售货机作为一种顺应时代潮流的新型现代服务行业，必将蓬勃发展，深入到城市的每个角落。中国的自动售货机行业[8]开始展示出蓬勃发展的势态，并且自动售货机市场具有巨大的发展空间。
面对无限广阔的商业市场，自动售货机管理者如何便捷地管理自动售货机成为一个需要解决的问题。设计一个实时、高效的自动售货机远程管理系统，实现高效率、低成本管理自动售货机的目标，是目前自动售货机的管理者所关注的重点问题。随着不断地发展通信技术和计算机技术[9]，中国紧跟世界发展的步伐，推动物联网、大数据以及云计算等新兴技术的发展，使得自动售货机在实时监控、高效管理等方面带来了前所未有的变革。这为研发人员开发设计高性能的自动售货机远程管理系统提供了广阔的平台和宝贵的机会，同时对推广国内自动售货机市场以及实现规范化的规模管理起到了举足轻重的作用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 自动售货机管理研究现状
在自动售货机刚刚起步发展的时期，由于没有先进的通信方式，对于自动售货机的监控与管理都是需要依靠人工来进行处理的。如今通信技术与网络都已经高度发达了，人们设计软件系统来完成这些重复和繁琐的工作。目前，比较常用的监控技术主要分为有线和无线两种方式[10]，其中，所谓有线方式指的是利用电话线或者ADSL 对互联网进行访问；无线方式则是指通过使用最新的 4G 技术或者使用无线网络对互联网进行访问。随着 4G 技术的飞速发展，无线监控的方式越来越受到企业和个人的青睐，通过使用无线技术可以将实时采集到的自动售货机终端数据传输到管理系统的后台。
现在我国的自动售货机仍然需要工作人员以定期检查的方式来获得自动售货机的缺货信息、故障信息等信息，这样不仅仅是浪费大量的人力，如果补充货物不够及时，将影响消费者购买商品，最终对管理者和消费者都带来不便。虽然中国在远程管理自动售货机方面的起步是比较晚的，但是随着时代的进步，也有一些自动售货机终端远程管理系统被设计出来。例如有 GPRS 售货机监控管理系统、香港大学研究研发的 MOVER 管理系统等[11]。虽然当前这些系统的设计中没有加入电子地图应用、路径规划等用户期望的功能，但是这些系统能够提供远程管理自动售货机的基本功能。在管理自动售货机方面，国内已经取得了很大的进步与发展。
目前国内自动售货机的整体发展水平与国外相比较，还存在着一些差距。现如今国外的自动售货机行业相对与国内更加的成熟，而且国外售货机销售的商品种类非常新颖。如今国外的自动售货机不仅在功能和性能方面已经非常的完善，而且在人机交互、智能性等方面也表现不俗。同时，国外出现了全触摸屏式自动售货机[12]，通过操纵触摸屏来完成所有的购买操作，摆脱了旧式的按钮操作，免除了繁琐的步骤，方便购买者进行操作。目前国外许多企业已经实现了多种支付方式，例如现金支付、手机支付、信用卡支付等。同时，国外有一些销售烟酒类商品的自动售货机具有消费者身份认证功能，通过该功能可以核对购买者的身份信息是否为成年人，来防止未成年人购买烟酒类商品。国外已经设计开发了许多自动售货机远程管理系统，较好地实现了自动售货机远程管理的信息化和智能化。在自动售货机远程管理方面，实现高效率低成本的管理自动售货机是当前的发展趋势，使用信息化管理售货机的方式在增加销售利润、降低运营成本、及时补充货物以及解除机器故障等方面获得了很大的进步。另外，在对数据进行查询和统计方面，信息化运营管理方式具备无可比拟的优势。
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第 2 章 系统开发相关理论与技术
2.1 百度地图 API
地图 API 是一个基于地图服务的应用接口，是地图开发商为开发人员提供的免费公开的地图接口，开发人员可以使用多种编程语言把地图嵌入到网页当中。地图API 提供了许多使用工具用来处理地图，开发人员可以根据自己的需求往地图中添加所需要的内容，设计满足其需求的应用程序。一般情况下，地图 API 是由 B/S 架构搭建而成，其结构层次分明，主要包括三部分，分别是数据库层、业务逻辑层和用户层和地图接口，基本结构如图 2-1 所示。
常用的地图 API 有百度地图 API、高德地图 API、谷歌地图 API、腾讯地图 API、搜狗地图 API 等，它们都有各自的特色与优点。本系统调用的是百度地图 API，所以本文将对百度地图 API 进行相关介绍。
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在图 2-3 中，方框表示的是有一个物流配送中心，圆圈表示的是每个客户点的位置以及其需求量，箭头表示的是配送车辆的行驶路线顺序。从上图中可以看出，位于不同地点的客户点有 16 个，且每个客户点都有着不同的货物需求量，完成配送任务一共需要三辆配送车。三辆配送车的起点和终点都是配送中心，所有的配送车辆在完成给客户进行货物配送的任务后都要返回到配送中心，且必须满足每位客户的货物需求。每一位客户的货物需求必须一次性完成配送，而且不能超过配送车辆的最大承载量，最终使全部配送车辆的子路径的驾车总路程最短。在现实的生活中，车辆路径问题的应用很多，例如货物配送中心向大型连锁超市配送货物、城市公交车的行驶路线制定等。
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第 3 章 系统总体设计 ························ 17第 2 章 系统开发相关理论与技术
2.1 百度地图 API
地图 API 是一个基于地图服务的应用接口，是地图开发商为开发人员提供的免费公开的地图接口，开发人员可以使用多种编程语言把地图嵌入到网页当中。地图API 提供了许多使用工具用来处理地图，开发人员可以根据自己的需求往地图中添加所需要的内容，设计满足其需求的应用程序。一般情况下，地图 API 是由 B/S 架构搭建而成，其结构层次分明，主要包括三部分，分别是数据库层、业务逻辑层和用户层和地图接口，基本结构如图 2-1 所示。
常用的地图 API 有百度地图 API、高德地图 API、谷歌地图 API、腾讯地图 API、搜狗地图 API 等，它们都有各自的特色与优点。本系统调用的是百度地图 API，所以本文将对百度地图 API 进行相关介绍。
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2.2 车辆路径问题
2.2.1 车辆路径问题描述
车辆路径问题（VRP）具有广泛的应用领域以及很大的社会经济价值，因此，吸引了国内外许多的专家和学者对 VRP 进行深入研究。一般地 VRP 可以被描述为，车辆从配送中心出发给每位客户配送货物，已知所有的客户数量与每位客户的货物需求数量，并且每位客户对于货物的需求量有可能是不一样的。首先需要合理的安排出车辆的行驶路线，然后再根据所需要的车辆为客户配送货物，最后在一定的约束条件下，例如每一辆车的最大承载量限制、每一辆车的行驶里程限制、客户对货物的需求数量限制、客户服务优先级别限制、服务时间限制等，完成客户的货物需求任务，并且可以完成设定的目标，例如车辆行驶路线最短、花费时间最短、使用车辆数目最少、运输成本最少等，车辆路径问题可以描述如图 2-3 所示。
2.2.1 车辆路径问题描述
车辆路径问题（VRP）具有广泛的应用领域以及很大的社会经济价值，因此，吸引了国内外许多的专家和学者对 VRP 进行深入研究。一般地 VRP 可以被描述为，车辆从配送中心出发给每位客户配送货物，已知所有的客户数量与每位客户的货物需求数量，并且每位客户对于货物的需求量有可能是不一样的。首先需要合理的安排出车辆的行驶路线，然后再根据所需要的车辆为客户配送货物，最后在一定的约束条件下，例如每一辆车的最大承载量限制、每一辆车的行驶里程限制、客户对货物的需求数量限制、客户服务优先级别限制、服务时间限制等，完成客户的货物需求任务，并且可以完成设定的目标，例如车辆行驶路线最短、花费时间最短、使用车辆数目最少、运输成本最少等，车辆路径问题可以描述如图 2-3 所示。
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3.1 系统功能需求分析 ··················· 17
3.2 系统软件结构 ····················· 17
3.3 系统架构的选取 ················ 18
第 4 章 基于遗传算法的路径规划问题 ·························· 27
4.1 基于遗传算法的路径规划工作流程 ······················ 27
4.2 CVRP 数学模型构建 ··················· 28
4.3 编码设计 ················ 29
第 5 章 系统的设计与实现 ···················· 39
5.1 系统设计原则与目标 ·················· 39
5.2 百度地图 API 的应用 ··············· 39
第 5 章 系统的设计与实现
5.1 系统设计原则与目标
为了确保本系统能顺利的实施和良好的运行，在系统的设计和实现过程中应该遵循一些设计原则。
(1) 数据准确性 数据作为任何一个系统的基础，基础数据是否准确会直接影响到一个系统是否可以正常运行，因此，需要采用先进的技术与手段，来保证自动售货机在数据采集和数据传输等方面的准确性。
(2) 稳定可靠性 为保证系统能够稳定可靠地运行，非常有必要构建一个容错机制，防止数据因意外而被丢失，并确保数据的完整性，同时也需要构建一个错误故障处理机制，来处理未知的突发情况。
(3) 系统安全性 确保系统不会被外界非法入侵，维护系统的数据不会被非法盗取和篡改，并且需要采用多种检测手段来保证系统的安全。
(4) 完整和可扩展性 为了保证系统满足预计需求的基础上，还能为以后可能存在的需求提供可扩展空间，就要充分了解用户对系统的功能需求与使用场景，同时采用相关技术比如集成化和功能模块化，使系统拥有可扩展性。
本系统的目标是为管理者提供一个结合电子地图实现对自动售货机进行方便、快速管理的远程管理系统。通过百度地图实现自动售货机位置的可视化，实现对自动售货机配送货物的路线规划等功能，便于配送人员对自动售货机进行定点货物配送。对商品的销售数据进行统计分析以及数据可视化，帮助管理者能够直观地查看商品的具体销售情况，对自动售货机和商品的布放提供参考。同时，提高自动售货机远程管理系统处理海量售货机相关业务信息的能力，使它满足设计要求。
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结论
随着社会的发展，在商场、地铁站、社区等多种场所都可以看到自动售货机，由于使用自动售货机购买商品比较方便灵活，所以现在越来越多的人们选择使用自动售货机来购买商品。在未来的几年里，自动售货机的数量与规模将会急速地扩大，在对自动售货机进行远程管理的过程中也将产生一些明显的问题。在管理自动售货机方面，实现远程管理是当今的发展趋势，采用信息化的远程管理方式对于减少运营成本、增加利润、解决故障以及快速补货等方面有很大的提高。在数据查询和数据统计方面，采用信息化的远程管理方式也有着极大的优势。
随着社会的发展，在商场、地铁站、社区等多种场所都可以看到自动售货机，由于使用自动售货机购买商品比较方便灵活，所以现在越来越多的人们选择使用自动售货机来购买商品。在未来的几年里，自动售货机的数量与规模将会急速地扩大，在对自动售货机进行远程管理的过程中也将产生一些明显的问题。在管理自动售货机方面，实现远程管理是当今的发展趋势，采用信息化的远程管理方式对于减少运营成本、增加利润、解决故障以及快速补货等方面有很大的提高。在数据查询和数据统计方面，采用信息化的远程管理方式也有着极大的优势。
本文主要做了以下具体工作：
1）根据车辆路径问题（VRP）以及遗传算法的特点，本文确定了使用遗传算法求解带能力约束的车辆路径问题（CVRP）数学模型，并且对遗传算法中的染色体的编码方式、初始种群的生成、评价函数的构建以及遗传算子的设计依据本文构建的CVRP 进行了设计。
2）结合百度地图 API 的相关技术应用于本系统中，实现自动售货机在百度地图中位置标注。同时结合百度地图 API 中可以为两个地点之间推荐驾车最优路径，应用遗传算法求解车辆路径规划，为不同地点的自动售货机配货进行最短路径规划。
3）通过对用户的需求进行分析后，为自动售货机远程管理系统设计了四个功能模块。这四个功能模块分别是终端监控模块、运营管理模块、信息管理模块、统计分析模块。管理者通过本系统可以快速地查询自动售货机的工作状态及其商品的销售情况等信息，从而信息化地管理自动售货机。
参考文献（略）
1）根据车辆路径问题（VRP）以及遗传算法的特点，本文确定了使用遗传算法求解带能力约束的车辆路径问题（CVRP）数学模型，并且对遗传算法中的染色体的编码方式、初始种群的生成、评价函数的构建以及遗传算子的设计依据本文构建的CVRP 进行了设计。
2）结合百度地图 API 的相关技术应用于本系统中，实现自动售货机在百度地图中位置标注。同时结合百度地图 API 中可以为两个地点之间推荐驾车最优路径，应用遗传算法求解车辆路径规划，为不同地点的自动售货机配货进行最短路径规划。
3）通过对用户的需求进行分析后，为自动售货机远程管理系统设计了四个功能模块。这四个功能模块分别是终端监控模块、运营管理模块、信息管理模块、统计分析模块。管理者通过本系统可以快速地查询自动售货机的工作状态及其商品的销售情况等信息，从而信息化地管理自动售货机。
参考文献（略）