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        淺析蟻群算法在車輛調(diào)度問題中的應(yīng)用

        2018-09-10 08:08:43陳夢圓余函
        大東方 2018年5期

        陳夢圓 余函

        摘 要:最優(yōu)解方案是在生活和工作中經(jīng)常出現(xiàn)的問題策略,其往往尋求系統(tǒng)中最高收入最低成本的設(shè)置點。本文以運輸業(yè)常見的車輛調(diào)度問題作為案例場景,建立VRP模型。使用蟻群算法進行求解,尋找到用時最短人數(shù)最少的方案。

        關(guān)鍵詞:蟻群算法;車輛調(diào)度;數(shù)學建模;VRP模型

        一、引言

        當今社會,快遞行業(yè)已成為人們?nèi)粘I钪须x不開的一部分,快遞行業(yè)的蓬勃發(fā)展為生活帶來了諸多便利。一般地,所有快遞到達某地后,統(tǒng)一存放在公司總部,然后安排業(yè)務(wù)員將快件一一送達。對公司而言,既希望能盡快送完當日快件,又希望送貨費用最省。但越多的業(yè)務(wù)員意味著成本會越高,因此需要制定合理方案,提前安排好路線,保證任務(wù)的盡快完成,又能讓業(yè)務(wù)員人數(shù)最少。

        本文建立送貨線路的VRP模型和最優(yōu)人數(shù)的0-1規(guī)劃模型,使用蟻群算法進行求解并將求解方案與現(xiàn)實方案進行對比來說明蟻群算法在車輛調(diào)度問題中的應(yīng)用。

        二、送貨線路的VRP模型

        車輛調(diào)度問題VRP(Vehicle Routing Problem),可表示為:給定一個中心點(即公司總部)、一個車輛(即業(yè)務(wù)員)集合、一個客戶(即送貨點)集合,每輛 車和客戶都有自己的屬性(載重量,貨物需求量),要求所裝載的貨物不能超過車 輛的總量(即載重量)。起初所有車輛都在中心倉庫,中心倉庫和各客戶點的位置 坐標及貨物需求量已知,中心倉庫派送若干車輛。每輛車都必須從起點出發(fā),完成 若干客戶點的運送任務(wù)再回到起點。[1]

        先假設(shè)每個業(yè)務(wù)員只送貨一次,即只往返一趟,求得總路程最短的各個線路。業(yè)務(wù)員送貨運行線路均為平行于坐標軸的折線,為便于計算,先將折線化為直線,即視業(yè)務(wù)員通過任意兩個相鄰送貨點之間行駛的線路均為直線。

        業(yè)務(wù)員從公司總部出發(fā),到各送貨點送貨,最終返回總部。用點 0 表示總部,并命名為源點,點1,2,...,l表示m個業(yè)務(wù)員需要到達的送貨點。

        設(shè)任意兩個送貨點坐標分別為,因業(yè)務(wù)員送貨運行線路均為平行于坐標軸的折線,故這兩點間的距離為:

        完成每天快件派送所需業(yè)務(wù)員的最少人數(shù):

        業(yè)務(wù)員每天送貨,既要受限于一次性的快件攜帶量,又要受限于每日工作時間上限,屬于多約束的非線性規(guī)劃問題,是組合優(yōu)化領(lǐng)域中的典型的NP難問題[2]。一般的求解方法不僅計算周期長,甚至難以得到結(jié)果,精確算法的計算量隨著問題規(guī)模的增大而大幅增長。

        三、蟻群算法的實際應(yīng)用

        蟻群系統(tǒng)(Ant System或Ant Colony System)是由意大利學者Dorigo、Maniezzo等人于20世紀90年代首先提出來的。他們在研究螞蟻覓食的過程中,發(fā)現(xiàn)單個螞蟻的行為比較簡單,但是蟻群整體卻可以體現(xiàn)一些智能的行為。例如蟻群可以在不同的環(huán)境下,尋找最短到達食物源的路徑。這是因為蟻群內(nèi)的螞蟻可以通過某種信息機制實現(xiàn)信息的傳遞。后又經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn),螞蟻會在其經(jīng)過的路徑上釋放一種可以稱之為“信息素”的物質(zhì),蟻群內(nèi)的螞蟻對“信息素”具有感知能力,它們會沿著“信息素”濃度較高路徑行走,而每只路過的螞蟻都會在路上留下“信息素”,這就形成一種類似正反饋的機制,這樣經(jīng)過一段時間后,整個蟻群就會沿著最短路徑到達食物源了。[2]

        蟻群算法的本質(zhì)是一種隨機搜索算法,是通過對候選解組成的群體的進化來搜索全局最優(yōu)解。[3]

        使用改進的蟻群算法,能夠通過多次迭代找到總路程最短時的線路條數(shù),并給出具體線路,不用人為劃分線路條數(shù)。

        初始時刻,各條路徑上的信息素量相等:

        將螞蟻隨機或均勻分布在各送貨點上。

        禁忌表tabuk用來標記已被訪問過的送貨點,保證不重復訪問。每只螞蟻通過 訪問各送貨點而形成一個解,在訪問過程中,將訪問記錄保存在禁忌表中。

        在貨運點i的每只螞蟻依據(jù)概率公式(1-16),在未訪問過的貨運點中選擇下一 個要訪問的貨運點j。循環(huán)進行此步,直到訪問完所有貨運點。

        概率公式為:

        計算每只螞蟻行走的總線路長度,并保存最優(yōu)方案。

        進行信息素調(diào)整,每只螞蟻完成對所有貨運點的遍歷后,更新殘留信息素。

        其中,Q表示信息素強度,它在一定程度上影響算法的收斂速度;Lk表示第K只螞蟻在本次循環(huán)中所走線路的總長度。

        判斷系統(tǒng)是否滿足停止條件,不滿足則又重新安排螞蟻,再次進行運算,直至得到最優(yōu)策略。

        基本蟻群算法的結(jié)構(gòu)流程圖:

        四、總結(jié)

        將蟻群算法應(yīng)用于解決優(yōu)化問題的基本思路為:用螞蟻的行走路徑表示待優(yōu)化問題的可行解,整個螞蟻群體的所有路徑構(gòu)成待優(yōu)化問題的解空間。路徑較短的螞蟻釋放的信息素量較多,隨著時間的推進,較短的路徑上累積的信息素濃度逐漸增高,選擇該路徑的螞蟻個數(shù)也愈來愈多。最終,整個螞蟻會在正反饋的作用下集中到最佳的路徑上,此時對應(yīng)的便是待優(yōu)化問題的最優(yōu)解。[4]

        社會的高速發(fā)展對時間的要求越來越嚴苛,追求高速度的同時又想要低成本,使用蟻群算法協(xié)調(diào)車輛能夠達到智能化的最優(yōu)搜索方案。

        參考文獻

        [1]宋燕子,基于模擬退火算法的啟發(fā)式算法在VRP中的應(yīng)用[D].華中師范大學,2013.1

        [2]康與云,元功能鏈驅(qū)動的機電產(chǎn)品矩陣式創(chuàng)新設(shè)計方法.山東人民出版社,2015.11

        [3]于鳳青,物流配送車輛優(yōu)化調(diào)度問題研究[D].沈陽工業(yè)大學,2007:28-31

        [4]郁磊、史峰、王輝、胡斐,MATLAB智能算法30個案例分析(第2版)北京航空航天大學出版社,2015.9

        (作者單位:重慶郵電大學 計算機科學與技術(shù)學院)

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