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        多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題的單親遺傳混合蟻群算法

        2016-06-30 01:59:12張惠珍
        公路交通科技 2016年6期
        關(guān)鍵詞:多目標(biāo)交通工程

        劉 云,張惠珍

        (上海理工大學(xué) 管理學(xué)院,上?!?00093)

        多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題的單親遺傳混合蟻群算法

        劉云,張惠珍

        (上海理工大學(xué)管理學(xué)院,上海200093)

        摘要:考慮具有最大等待時間、最大運(yùn)輸時間限制且?guī)r間窗的車輛路徑問題,建立了以車輛行駛路徑最短和使用車輛數(shù)最小為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。將單親遺傳算法和基本蟻群算法相結(jié)合,使其優(yōu)勢互補(bǔ),并利用單親遺傳算法的特點(diǎn),構(gòu)建出兩種求解該問題的單親遺傳混合蟻群算法,分別為:單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法和多點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法。測試算例的結(jié)果表明:求解多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題時,與基本蟻群算法相比,單親遺傳混合蟻群算法具有計(jì)算效率高、收斂性好等優(yōu)點(diǎn),尤其單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法不僅具有較好的計(jì)算性能,而且具有較高的穩(wěn)定性。

        關(guān)鍵詞:交通工程;車輛路徑問題;單親遺傳混合蟻群算法;多目標(biāo);時間窗

        0引言

        帶時間窗的車輛路徑問題[1](Vehicle Routing Problem with Time Windows, VRPTW)最早由Savelsbergh提出,是在車輛路徑問題(Vehicle Routing Problem, VRP)的基礎(chǔ)上增加了客戶接受配送服務(wù)的時間窗要求,較VRP更貼近實(shí)際生活。VRPTW已被證實(shí)是一個NP難問題,當(dāng)問題規(guī)模較大時,精確算法難以求出其最優(yōu)解,因此,國內(nèi)外很多學(xué)者利用智能啟發(fā)式算法來尋找其滿意解。常見的求解VRPTW的智能啟發(fā)式算法有遺傳算法[2-3]、蟻群算法[4-7]、模擬退火算法[8-9]、粒子群算法[10-11]等。然而,迄今為止,這些智能啟發(fā)式算法大都被用于求解單目標(biāo)的車輛路徑問題,在多目標(biāo)車輛路徑優(yōu)化問題中涉及的并不多。隨著電子商務(wù)的迅速發(fā)展,物流配送任務(wù)日益龐大和復(fù)雜,追逐單一目標(biāo)最優(yōu)已經(jīng)無法滿足商家的發(fā)展要求,因此研究多目標(biāo)的車輛路徑問題迫在眉睫。

        多目標(biāo)車輛路徑問題是指:給定若干具有一定需求量的客戶,若干具有一定裝載能力的車輛從配送中心出發(fā),為客戶進(jìn)行配送服務(wù)后回到配送中心,同時使總路程最短、車輛數(shù)最少、費(fèi)用最省等多個目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。與帶時間窗的單目標(biāo)車輛路徑問題相比,多目標(biāo)車輛路徑問題更接近于現(xiàn)實(shí)生活,對實(shí)際問題更有指導(dǎo)意義。本文所研究的多目標(biāo)VRPTW不僅要求完成配送任務(wù)的總路程最短和車輛數(shù)最少,而且車輛在配送過程中的等待時間和運(yùn)輸時間不能超過一定限制,本文將該問題稱之為“具有最大等待時間和運(yùn)輸時間限制的多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題”。

        單親遺傳算法[12](Partheno-Genetic Algorithm, PGA)取消了傳統(tǒng)遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)中的交叉算子,僅需一個父代,因此即使種群中的個體均相同,也不會影響遺傳操作,降低了對種群多樣性的要求。此外,單親遺傳算法在尋優(yōu)效率和“早熟收斂”上都較傳統(tǒng)遺傳算法具有優(yōu)勢[13]。而蟻群算法(Ant Colony Algorithm, ACA)具有魯棒性強(qiáng)、可以進(jìn)行分布式計(jì)算,易與其他算法有效結(jié)合等優(yōu)點(diǎn),但其容易陷入局部最優(yōu)。本文針對具有最大等待時間、最大運(yùn)輸時間限制的多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題,在單親遺傳算法和蟻群算法的基礎(chǔ)上,吸收這兩種方法的長處和優(yōu)勢,克服它們的短處和缺陷,進(jìn)而提出混合型搜索多目標(biāo)車輛路徑問題的啟發(fā)式優(yōu)化算法,并通過測試算例驗(yàn)證其求解性能。

        1具有最大等待時間和運(yùn)輸時間限制的多目標(biāo)VRPTW

        1.1問題描述

        本文研究的是總路程和車輛數(shù)均受限的多目標(biāo)VRPTW,該問題不僅要求配送車輛完成配送任務(wù)所行駛的總路程最短,而且要求在總路程最短的基礎(chǔ)上完成任務(wù)所使用的車輛數(shù)最少。假設(shè)所有車輛都相同且容量相等,所探討的問題也必須同時要滿足如下條件:

        (1)服務(wù)約束:每輛車可以服務(wù)多個客戶,但一個客戶只能由一輛車服務(wù)。

        (2)配送中心約束:所有車輛由單一配送中心出發(fā),配送完路徑上所有的客戶后返回到配送中心。

        (3)裝載量約束:每條路徑上所有客戶的需求量之和不能超過車輛的最大載重量WE。

        (4)最大運(yùn)輸時間約束:每輛車的運(yùn)輸時間(行駛時間、服務(wù)時間以及等待時間之和)不能超過最大運(yùn)輸時間T。

        (6)最大等待時間約束:車輛給任一客戶配送貨物時的等待時間不能超過W,車輛若早于客戶最早服務(wù)時間ei到達(dá),則需等待一段時間,等待時間過長會影響車輛的配送效率,增加企業(yè)成本。

        1.2符號定義與數(shù)學(xué)模型

        下面對具有最大等待時間和運(yùn)輸時間限制的多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題建立數(shù)學(xué)模型。

        決策變量:

        數(shù)學(xué)模型:

        (1)

        (2)

        S.T

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        (7)

        (8)

        (9)

        (10)

        (11)

        (12)

        模型中,式(1)和式(2)分別為要求總路程和車輛數(shù)最少的目標(biāo)函數(shù);式(3)為車輛載重量限制;式(4)表示每一個客戶只能由一輛車服務(wù);式(5)表示從配送中心出發(fā)的車輛在完成配送任務(wù)后要返回配送中心;式(6)表示車輛在服務(wù)完客戶i后緊接著服務(wù)客戶j;式(7)表示車輛在服務(wù)完客戶j之前只服務(wù)客戶i;式(8)表示消除子回路,式(6)~式(8)共同形成可行回路;式(9)為車輛運(yùn)行時間限制;式(10)為到達(dá)每個客戶的時間表達(dá)式;式(11)為時間窗限制;式(12)為等待時間表達(dá)式。

        2單親遺傳混合蟻群算法的設(shè)計(jì)

        2.1單親遺傳算法

        單親遺傳算法的遺傳算子包括基因重組算子和基因突變算子?;蛑亟M算子又可分為基因換位算子、基因移位算子以及基因倒位算子。單親遺傳算法所有的遺傳操作都可分為單點(diǎn)基因操作和多點(diǎn)基因操作。本文所用的遺傳算子為單、多點(diǎn)基因換位算子和單、多點(diǎn)基因移位算子,現(xiàn)分別介紹如下:

        (1)基因換位算子

        基因換位是指交換一條染色體中某兩個(些)基因的位置[14],被交換的基因位置隨機(jī)生成。

        單點(diǎn)基因換位:

        基因移位是指將一條染色體中某個(些)子串中基因的位置依次后移,并把該子串中的最后一個基因移到最前面的位置[14],子串長度隨機(jī)生成。

        單點(diǎn)基因移位:

        多點(diǎn)基因移位:

        2.2蟻群算法

        蟻群算法是意大利學(xué)者M(jìn).Dorigo等人通過模擬蟻群覓食行為提出的一種基于種群的模擬進(jìn)化算法。蟻群算法采用分布式并行計(jì)算機(jī)制,易與其他方法結(jié)合,具有較強(qiáng)的魯棒性等特點(diǎn)。但該算法亦有搜索時間較長,易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn)。路徑上信息素的更新和螞蟻狀態(tài)的轉(zhuǎn)移是蟻群算法的重要組成部分。本文針對基本蟻群算法收斂速度慢和易陷入局部最優(yōu)等缺點(diǎn),螞蟻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則采用了確定性選擇和偽隨機(jī)比例選擇相結(jié)合的方法,以便有效抑制算法的早熟現(xiàn)象,并加快算法的求解速度。

        2.2.1信息素更新規(guī)則

        本文利用式(13)~(15)對客戶i和客戶j路徑上的信息素進(jìn)行更新:

        (13)

        (14)

        (15)

        2.2.2狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則

        本文采用了確定性選擇和偽隨機(jī)比例選擇相結(jié)合的方法確定螞蟻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移,即當(dāng)螞蟻位于客戶i時,會以概率q0使用確定性選擇規(guī)則或以概率1-q0使用偽隨機(jī)比例選擇規(guī)則(pseudo random proportional action choice rule)選擇下一個客戶j。

        確定性選擇規(guī)則:

        (16)

        偽隨機(jī)比例規(guī)則:

        (17)

        2.3單親遺傳混合蟻群算法的步驟

        將單親遺傳算法和蟻群算法相融合,本文構(gòu)建了求解多目標(biāo)車輛路徑問題(1)~(12)的單親遺傳混合蟻群算法,其算法框圖如圖1所示。

        圖1 算法流程圖Fig.1 Flowchart of algorithm

        單親遺傳混合蟻群算法的優(yōu)化步驟如下:

        步驟1:初始化各參數(shù),確定螞蟻數(shù)m和最大迭代次數(shù)NC_max。

        步驟2:m只螞蟻從配送中心出發(fā)。對于螞蟻k,按照式(16)、(17)計(jì)算其轉(zhuǎn)移概率,確定下一個服務(wù)的客戶j,若客戶j滿足載重量(3)、車輛運(yùn)行時間(9)、 時間窗(11)、等待時間(12)等約束條件,則將客戶j加入螞蟻k的禁忌表中;否則,車輛回到配送中心,并重新啟動下一輛車執(zhí)行未完成的配送任務(wù)。

        步驟3:所有客戶服務(wù)結(jié)束后,螞蟻完成一次周游,此時得到問題的一個可行解。更新螞蟻數(shù)k=k+1,若k≤m,轉(zhuǎn)步驟2;否則,轉(zhuǎn)步驟4。

        步驟4:從m只螞蟻的禁忌表中選出最優(yōu)路徑,并對其進(jìn)行單親遺傳操作(采用不同的基因移位、基因換位操作,即可產(chǎn)生不同的單親遺傳混合蟻群算法),即將該最優(yōu)解路徑A看成一個染色體,按一定的概率q對其作移位或換位變換,生成一條新路徑B。

        步驟5:若路徑B的目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)于路徑A的目標(biāo)函數(shù)值,則更新最優(yōu)路徑和最優(yōu)解,同時將禁忌表中路徑A更新為路徑B,以新的禁忌表更新信息素;否則,最優(yōu)路徑、最優(yōu)解、禁忌表保持不變。

        步驟6:根據(jù)信息素更新規(guī)則,式(13)~(15)對信息素進(jìn)行更新,并清空禁忌表。更新迭代次數(shù)NC=NC+1 ,若NC≤NC_max,轉(zhuǎn)步驟2。

        步驟7:輸出當(dāng)前最優(yōu)解和最優(yōu)路徑。

        3實(shí)例計(jì)算

        為了測試算法的計(jì)算性能,本文利用基本蟻群算法、單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法和多點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法對文獻(xiàn)[15]中的測試算例進(jìn)行求解,并對比分析各種算法的求解效率與精度。

        從這一土地流轉(zhuǎn)的案例中,我們可以看到,農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)實(shí)踐并非只要按照《土地承包法》的法律條文和完全的市場競爭原則,承包人與農(nóng)戶就可以面對面地討價還價并達(dá)成流轉(zhuǎn)協(xié)議。土地流轉(zhuǎn)的過程其實(shí)是一個復(fù)雜的社會建構(gòu)過程,在這一過程中,資本角色、政府角色和農(nóng)戶角色都可能要根據(jù)特定的社會情境選擇各自的行動策略,并圍繞土地流轉(zhuǎn)目標(biāo)建構(gòu)起流轉(zhuǎn)優(yōu)先權(quán)的社會意義,也就是要賦予農(nóng)村土地權(quán)屬和邊界的變動以合適的理由或解釋,即為什么要進(jìn)行土地流轉(zhuǎn),為什么要把土地流轉(zhuǎn)給特定承包者。

        測試算例中各參數(shù)設(shè)定情況如下:利用最大載重量WE為8 t的最少車輛向20個客戶(客戶數(shù)據(jù)如表1所示)提供配送服務(wù),每輛車的最大運(yùn)行時間T為8 h,車輛等待時間wi上限為4.5 h(為避免初次迭代時無法確定第一個客戶,故等待時間上限為客戶中最遲的時間窗開始時刻,即為客戶編號10的時間窗開始時刻4.5 h),車輛的運(yùn)行速度v保持恒定為40 km/h。配送中心坐標(biāo)位置為(70 km,70 km),配送中心的需求量、服務(wù)時間、時間窗均為0。

        表1 客戶數(shù)據(jù)

        本文利用MATLAB R2011a 對基本蟻群算法、單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法和多點(diǎn)單親混合蟻群算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn),3種算法在 Intel Core i3-2310M 2.10 GHz (6.00GB RAM),操作系統(tǒng)為Win7的環(huán)境下運(yùn)行。為便于比較,3種算法中各參數(shù)設(shè)定相同的數(shù)值,參數(shù)設(shè)定情況為:螞蟻數(shù)m=20,最大迭代次數(shù)NC_max=200,信息素?fù)]發(fā)系數(shù)ρ=0.1,信息素強(qiáng)度Q= 15,信息素因子α=1,顯著性因子β=1,時間窗緊度因子γ=2,節(jié)約量因子ε= 3,轉(zhuǎn)移概率q0=0.6,換位算子概率q=0.7。

        3種算法隨機(jī)運(yùn)行25次,優(yōu)化結(jié)果如表2所示。基本蟻群算法求出的最優(yōu)路徑長度為1 201.923 km,最優(yōu)車輛數(shù)為8輛,算法運(yùn)行平均耗時為65.84 s;單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法求出的最優(yōu)路徑長度為1 157.415 km,最優(yōu)車輛數(shù)為7輛,算法運(yùn)行平均耗時為56.25 s;多點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法求出的最優(yōu)路徑長度為1 189.409 km,最優(yōu)車輛數(shù)為7輛,算法運(yùn)行平均耗時為57.63 s。可見,單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法與多點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法具有較高的求解效率,其求得的解均優(yōu)于基本蟻群算法求得的解,并且單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法的求解性能更優(yōu)于多點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法。

        表2 3種算法計(jì)算結(jié)果的比較

        經(jīng)過多次測試運(yùn)算發(fā)現(xiàn),單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法在其他參數(shù)保持不變的情況下,改變轉(zhuǎn)移概率q0的取值,計(jì)算結(jié)果能夠得到進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)q0=0.4時,隨機(jī)運(yùn)行單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法10次所得的車輛數(shù)均為7,路徑長度的標(biāo)準(zhǔn)差為16.435 km。較低的標(biāo)準(zhǔn)差說明單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法具有較好的穩(wěn)定性。

        單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法10次運(yùn)行結(jié)果的最優(yōu)路徑長度為1 095.510 km,車輛數(shù)為7輛,最優(yōu)配送方案的路線圖如圖2所示(1代表配送中心,2-21代表20個客戶的編號)。7輛車的配送路線分別為:

        車輛1:1-8-4-1;

        車輛3: 1-2-3-18-1;

        車輛4: 1-19-15-12-6-1;

        車輛5: 1-11-14-21-7-1;

        車輛6: 1-20-13-1;

        車輛7: 1-9-17-1。

        圖2 最優(yōu)配送方案路徑圖(單位:km)Fig.2 Routes of optimal delivery scheme(unit:km)

        4結(jié)論

        本文對具有最大等待時間和運(yùn)輸時間限制的多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題建立了數(shù)學(xué)模型,然后針對該問題,將單親遺傳算法與蟻群算法相結(jié)合,使兩種算法相互取長補(bǔ)短,設(shè)計(jì)出求解多目標(biāo)車輛路徑問題的單親遺傳混合蟻群算法。求解測試算例表明:在基本蟻群算法中引入單親遺傳算子操作后,能夠有效改善基本蟻群算法收斂速度慢和易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的單親遺傳混合蟻群算法不僅具有較好的求解性能,而且能夠有效求解多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題,尤其單點(diǎn)單親遺傳混合蟻群算法具有較高的計(jì)算效率和較高的穩(wěn)定性,是求解多目標(biāo)帶時間窗的車輛路徑問題的一種有效算法。

        本文所提出的單親遺傳混合蟻群算法不僅為多目標(biāo)車輛路徑問題的求解提供了一種較為有效的工具和手段,而且本文研究內(nèi)容也拓寬了蟻群算法的改進(jìn)方法。

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        A Partheno-genetic Hybrid Ant Colony Algorithm for Solving Multi-objective Vehicle Routing Problem with Time Window

        LIU Yun, ZHANG Hui-zhen

        (School of Management, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

        Abstract:Considering the vehicle routing problem which has the restriction of maximum vehicle waiting time, maximum vehicle transport time and time windows, a mathematical model for the shortest length of vehicle travel and the minimum number of the using vehicles as the multi-objective is established. Then, 2 partheno-genetic hybrid ant colony algorithms for solving the problem are proposed by combining partheno-genetic algorithm with basic ant colony algorithm to have their complementary advantages and the features of partheno-genetic algorithm, which are monogene partheno-genetic hybrid ant colony algorithm and polygenic partheno-genetic hybrid ant colony algorithm. The result of the test case shows that the partheno-genetic hybrid ant colony algorithm has the advantages of better computational efficiency and convergence, and especially monogene partheno-genetic hybrid ant colony algorithm is more stable and has better computational performance.

        Key words:traffic engineering;vehicle routing problem;partheno genetic hybrid ant colony algorithm;multi-objective;time window

        收稿日期:2015-08-20

        基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71401106);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金聯(lián)合課題項(xiàng)目(20123120120005);上海市教育委員會科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ090);上海高校青年教師培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(slg12010)

        作者簡介:劉云(1992-),女,江蘇鹽城人,碩士研究生.(duianly0915@163.com)

        doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.06.015

        中圖分類號:TP18

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1002-0268(2016)06-0095-06

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