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车辆路径问题概念、模型与算法(五星推荐)
构造算法最早提出来解决旅行商问题,这些方法一般 速度快,也很灵活,但这类方法有时找到的解离最优 解差得很远。
两阶段法(Two-phase Algorithm)
学者们通过对构造算法的研究,认为由构造算法求 得的解可以被进一步改进,为此提出了两阶段法。 第一阶段得到一可行解,第二阶段通过对点的调整, 在始终保持解可行的情况下,力图向最优目标靠近, 每一步都产生另一个可行解以代替原来的解,使目 标函数值得以改进,一直继续到不能再改进目标函 数值为止。
智能化算法(Intelligent Algorithm)
这类算法以启发式准则来代替精确算法中的决策准 则,以缩小解搜索的空间。
总体来看,尽管启发式算法能够在有限的时间内求 出质量较高的解,但由于其搜索解空间的能力有所 限制,因此经常无法达到预期的要求。20世纪90年 代以来,由于人工智能方法在解决组合优化问题中 的强大功能,不少学者开始将人工智能引入车辆路 线问题的求解中,并构造了大量的基于人工智能的 启发式算法(智能化启发式算法)。
(3) 车型约束:引出多车型车辆路径问题 (Mixed/Heterogeneous Fleet Vehicle Routing Problem,MFVRP/ HFVRP)。
(4) 时间窗约束:包括硬时间窗(Hard Time windows)和软时间窗(Soft Time windows) 约束。引 出带时间窗(包括硬时间窗和软时间窗)的车辆路径 问题(Vehicle Routing Problem withTime windows, VRPTW)。
启发式算法
由于车辆路径优化问题是NP难题,高效的精确算 法存在的可能性不大(除非P=NP),所以寻找近似算 法是必要和现实的,为此专家主要把精力花在构造 高质量的启发式算法上。启发式算法是在状态空间 中的改进搜索算法,它对每一个搜索的位置进行评 价,得到最好的位置,再从这个位置进行搜索直到 目标。在启发式搜索中,对位置的估价十分重要, 采用不同的估价可以有不同的效果。目前已提出的 启发式算法较多,分类也相当多,主要的启发式算 法有以下几类:构造算法、两阶段法、智能化算法。
首先,不考虑变量的整数约束,求解松弛问题 线性规划的最优解。如果线性规划的最优解恰好是 整数解,则这个解就是整数规划的最优解。
如果线性规划的最优解中至少有一个变量不是 整数,把线性规划的可行域切割成两部分,分别求 解两个线性规划的最优解。
如果这两个线性规划的最优解还不是整数解, 分别把每一个可行域再进行分割。这个过程,叫做 “分支”。
定义变量如下:
建立此问题的数学模型:
4、车辆路径问题算法综述
目前,求解车辆路径问题的方法非常多,基本上可以 分为精确算法和启发式算法2大类。
精确算法是指可求出其最优解的算法,主要运用线性 规划、整数规划、非线性规划等数学规划技术来描述 物流系统的数量关系,以便求得最优决策。(运筹学 领域)
目前有关VRP的研究已经可以表示(如图1)为: 给定一个或多个中心点(中心仓库,central depot)、一个车辆集合和一个顾客集合,车辆和 顾客各有自己的属性,每辆车都有容量,所装载货 物不能超过它的容量。起初车辆都在中心点,顾客
在空间任意分布,车把货物从车库运送到每一个顾 客(或从每个顾客处把货物运到车库),要求满足 顾客的需求,车辆最后返回车库,每个顾客只能被 服务一次,怎样才能使运输费用最小。而顾客的需 求或已知、或随机、或以时间规律变化。
各个阶段的决策构成一个决策序列,称为一个策略。 每一个阶段都有若干个决策可供选择,因而就有许多 策略供我们选取,对应于一个策略可以确定活动的效 果,这个效果可以用数量来确定。策略不同,效果也 不同,多阶段决策问题,就是要在可以选择的那些策 略中间,选取一个最优策略,使在预定的标准下达到 最好的效果。
构造算法(Constructive Algorithm)
这类方法的基本思想是:根据一些准则,每一次将一 个不在线路上的点增加进线路,直到所有点都被安排 进线路为止。该类算法的每一步把当前的线路构形(很 可能是不可行的)跟另外的构形(也可能是不可行的)进 行比较并加以改进,后者或是根据某个判别函数(例如 总费用)会产生最大限度的节约的构形,或是以最小代 价把一个不在当前构形上的需求对象插入进来的构形, 最后得到一个较好的可行构形。这类算法中中最著名 的是Clarke和Wright在1964年提出的节约算法。
智能化启发式算法从本质上讲仍然属于启发式算法,
其基本思想是从一初始解开始,通过对当前的解进 行反复地局部扰乱(Perturbations)以达到较好的解。
目前,最常见的智能化启发式算法包括模拟退火算 法(Simulated Annealing)、禁忌搜索算法(Tabu Search)、遗传算法(Genetic Algorithm)、蚁群算法 (Ant Colony)和神经网络(Neutral Networks)、粒子 群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)方法等。
2、VRP问题约束
(1) 容量约束:任意车辆路径的总重量不能超过该 车辆的能力负荷。引出带容量约束的车辆路径问题 (CapacitatedVehicle Routing Problem,CVRP)。
(2) 优先约束:引出优先约束车辆路径问题 (VehicleRouting Problem with precedence Constraints,VRPPC)。
分支过程得到的整数解中,目标函数值最优的 一个叫做整数规划目标函数值的“界”。分支过程 中非整数的线性规划的最优解,如果目标函数值劣 于或等于这个“界”,就停止继续分支。这个过程, 叫做“定界”。
割平面法(Cutting Planes Approach)
用割平面法求解整数规划的基本思路是:先不考虑整 数约束条件,求松弛问题的最优解,如果获得整数最 优解,即为所求,运算停止。如果所得到最优解不满 足整数约束条件,则在此非整数解的基础上增加新的 约束条件重新求解。这个新增加的约束条件的作用就 是去切割相应松弛问题的可行域,即割去松弛问题的 部分非整数解(包括原已得到的非整数最优解)。而把所 有的整数解都保留下来,故称新增加的约束条件为割 平面。当经过多次切割后,就会使被切割后保留下来 的可行域上有一个坐标均为整数的顶点,它恰好就是 所求问题的整数最优解。即切割后所对应的松弛问题, 与原整数规划问题具有相同的最优解。
总的说来,精确性算法基于严格的数学手段,在可 以求解的情况下,其解通常要优于人工智能算法。
但由于引入严格的数学方法,计算量一般随问题规
模的增大呈指数增长,因而无法避开指数爆炸问题,
从而使该类算法只能有效求解中小规模的确定性 VRP,并且通常这些算法都是针对某一特定问题设 计的,适用能力较差,因此在实际中其应用范围很有 限。
车辆路径问题概念、模型及算法
1、定义
车辆路径问题(VRP)一般定义为:对一系列装货点 和卸货点,组织适当的行车线路,使车辆有序地通 过它们,在满足一定的约束条件(如货物需求量、 发送量、交发货时间、车辆容量限制、行驶里程限 制、时间限制等)下,达到一定问题的目标(如路程 最短、费用最少、时间尽量少、使用车辆数尽量少 等)。
(7) 开路:引出开路车辆路径问题(Open Vehicle RoutingProblem)。
(8) 多运输中心:引出多运输中心的车辆路径问题 (Multi-Depot Vehicle Routing Problem)。
(9) 回程运输:引出带回程运输的车辆路径问题 (VehicleRouting Problem with Backhauls)。
3、 CVRP问题描述及其数学模型
CVRP的描述:设某中心车场有k辆车,每辆配送车 的最大载重量Q,需要对n个客户(节点)进行运输配 送,每辆车从中心车场出发给若干个客户送货,最 终回到中心车场,客户点i的货物需求量是qi (i=1,2,…,n),且qi<Q。记配送中心编号为0,各客户 编号为i(i=1,2 ,…,n), cij表示客户i到客户j的距离。 求满足车辆数最小,车辆行驶总路程最短的运送方 案。
(5) 相容性约束:引出相容性约束车辆路径问题 (VehicleRouting Problem with Compatibility Constraints,VRPCC)。
(6) 随机需求:引出随机需求车辆路径问题 (VehicleRouting Problem with Stochastic Demand, VRPSD)。
模拟退火算法(Simulated Annealing) 模拟退火算法来源于固体退火原理,将固体加温至充分高,
再让其徐徐冷却,加温时,固体内部粒子随温升变为无序状, 内能增大,而徐徐冷却时粒子渐趋有序,在每个温度都达到 平衡态,最后在常温时达到基态,内能减为最小。根据 Metropolis准则,粒子在温度T时趋于平衡的概率为e(ΔE/(kT)),其中E为温度T时的内能,ΔE为其改变量,k为 Boltzmann常数。用固体退火模拟组合优化问题,将内能E模 拟为目标函数值f,温度T演化成控制参数t,即得到解组合 优化问题的模拟退火算法:由初始解i和控制参数初值t开始, 对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃” 的迭代,并逐步衰减t值,算法终止时的当前解即为所得近 似最优解,这是基于蒙特卡罗迭代求解法的一种启发式随机 搜索过程。退火过程由冷却进度表(Cooling Schedule)控制, 包括控制参数的初值t及其衰减因子Δt、每个t值时的迭代次 数L和停止条件S。
网络流算法(Network Flow Approach)
图论中的一种理论与方法,研究网络上的一类最优化 问题 。1955年 ,T.E.哈里斯在研究铁路最大通量时首 先提出在一个给定的网络上寻求两点间最大运输量的 问题。1956年,L.R. 福特和 D.R. 富尔克森等人给出了 解决这类问题的算法,从而建立了网络流理论。所谓 网络或容量网络指的是一个连通的赋权有向图 D= (V、 E、C) , 其中V 是该图的顶点集,E是有向边(即弧)集, C是弧上的容量。此外顶点集中包括一个起点和一个终 点。网络上的流就是由起点流向终点的可行流,这是 定义在网络上的非负函数,它一方面受到容量的限制, 另一方面除去起点和终点以外,在所有中途点要求保 持流入量和流出量是平衡的。