【改进篇】Python实现VRP常见求解算法——蚁群算法(ACO)

基于python语言,实现经典蚁群算法(ACO)对车辆路径规划问题(CVRP)进行求解, 优化代码结构,改进Split函数

目录

  • 往期优质资源
  • 1. 适用场景
  • 2. 改进效果对比
    • 2.1实验结果
    • 2.2 改进前后算法性能对比
  • 3. 求解结果
  • 4. 改进内容
  • 5. 部分代码
  • 6. 完整代码
  • 参考

往期优质资源

CVRP系列
遗传算法
蚁群算法
禁忌搜索算法
模拟退火算法
自适应大邻域算法
粒子群算法
量子粒子群算法
差分进化算法
MDVRP系列
遗传算法
蚁群算法
禁忌搜索算法
模拟退火算法
自适应大邻域算法
粒子群算法
量子粒子群算法
差分进化算法
VRPTW系列
遗传算法
蚁群算法
禁忌搜索算法
模拟退火算法
自适应大邻域算法
粒子群算法
量子粒子群算法
差分进化算法
HVRP系列
遗传算法
蚁群算法
禁忌搜索算法
模拟退火算法
自适应大邻域算法
粒子群算法
量子粒子群算法
差分进化算法
MDHFVRPTW系列
遗传算法
蚁群算法
禁忌搜索算法
模拟退火算法
自适应大邻域算法
粒子群算法
量子粒子群算法
差分进化算法

1. 适用场景

  • 求解CVRP
  • 车辆类型单一
  • 车辆容量不小于需求节点最大需求
  • 单一车辆基地

2. 改进效果对比

这里做了简单的参数敏感性分析,比较不同参数组合下两个版本code的最优值与求解时间的差异。具体为:1)设定信息素挥发因子为0.1,0.3三个不同等级;2)设定信息启发式因子为1,2,3,4,5不同值;3)设定期望启发式因子为1,2,3,4,5不同值,其他参数固定不变:最大迭代次数为300,车辆容量为80。

2.1实验结果

rho=0.1:
【改进篇】Python实现VRP常见求解算法——蚁群算法(ACO)_第1张图片
rho=0.3:
【改进篇】Python实现VRP常见求解算法——蚁群算法(ACO)_第2张图片

2.2 改进前后算法性能对比

求解时间对比(红色为改进后,蓝色为改进前):
【改进篇】Python实现VRP常见求解算法——蚁群算法(ACO)_第3张图片
行驶距离对比(红色为改进后,蓝色为改进前):
【改进篇】Python实现VRP常见求解算法——蚁群算法(ACO)_第4张图片

可以直观看出,改进后算法求解时间略有增加, 平均增加3.10%,目标函数平均优化1.38%

3. 求解结果

(1)收敛曲线
【改进篇】Python实现VRP常见求解算法——蚁群算法(ACO)_第5张图片

(2)车辆路径
【改进篇】Python实现VRP常见求解算法——蚁群算法(ACO)_第6张图片
(3)输出文件

【改进篇】Python实现VRP常见求解算法——蚁群算法(ACO)_第7张图片

4. 改进内容

本期代码在前期代码的基础上做了以下改进:

  • 增加距离矩阵,减少代码中重复计算节点间距离代码
  • 引入文献中基于图论的Split方法,在给定节点id序列时,可求得最优分割方案

除了以上关键改动之外,还对代码做了细小调整。

5. 部分代码

(1)数据结构

# 数据结构:解
class Sol():
    def __init__(self):
        self.node_no_seq=None # 解的编码
        self.obj=None # 目标函数
        self.action_id=None # 算子id
        self.route_list=None # 解的解码
        self.route_distance = None  # 车辆路径的长度集合
# 数据结构:网络节点
class Demand():
    def __init__(self):
        self.id = 0 # 节点id
        self.x_coord = 0 # 节点平面横坐标
        self.y_coord = 0  # 节点平面纵坐标
        self.demand = 0 # 节点需求
# 数据结构:全局参数
class Model():
    def __init__(self):
        self.best_sol = None # 全局最优解
        self.demand_dict = {}  # 需求节点集合
        self.demand_id_list = []
        self.sol_list = []  # 解的集合
        self.depot = None # 车场节点
        self.number_of_nodes = 0 # 需求节点数量
        self.vehicle_cap = 80 # 车辆最大容量
        self.distance_matrix = {}
        self.popsize = 100 # 种群规模
        self.alpha = 2 # 信息启发式因子
        self.beta = 3 # 期望启发式因子
        self.Q = 100 # 信息素总量
        self.rho = 0.5 # 信息素挥发因子
        self.tau = {} # 弧信息素集合
        self.vehicle_cap=0  # 车辆最大容量

(2)距离矩阵

def calDistanceMatrix(model):
    for i in range(len(model.demand_id_list)):
        f_n = model.demand_id_list[i]
        for j in range(i + 1, len(model.demand_id_list)):
            t_n = model.demand_id_list[j]
            dist = math.sqrt((model.demand_dict[f_n].x_coord - model.demand_dict[t_n].x_coord) ** 2
                             + (model.demand_dict[f_n].y_coord - model.demand_dict[t_n].y_coord) ** 2)
            model.distance_matrix[f_n, t_n] = dist
            model.distance_matrix[t_n, f_n] = dist
            model.tau[f_n, t_n] = 100
            model.tau[t_n, f_n] = 100

        dist = math.sqrt((model.demand_dict[f_n].x_coord - model.depot.x_coord) ** 2
                         + (model.demand_dict[f_n].y_coord - model.depot.y_coord) ** 2)
        model.distance_matrix[f_n, model.depot.id] = dist
        model.distance_matrix[model.depot.id, f_n] = dist

(3)路径提取

def extractRoutes(node_no_seq,P,depot_id):
    route_list = []
    route = []
    p = P[node_no_seq[0]]
    for node_seq in node_no_seq:
        if P[node_seq] == p:
            route.append(node_seq)
        else:
            route.insert(0,depot_id)
            route.append(depot_id)
            route_list.append(route)
            route = [node_seq]
            p = P[node_seq]
    return route_list

(4)蚁群移动

# 蚂蚁移动
def movePosition(model):
    sol_list=[]
    local_sol=Sol()
    local_sol.obj=float('inf')
    for _ in range(model.popsize):
        #随机初始化蚂蚁为止
        node_no_seq=[random.randint(0,len(model.demand_id_list)-1)]
        all_node_no_seq=copy.deepcopy(model.demand_id_list)
        all_node_no_seq.remove(node_no_seq[-1])
        #确定下一个访问节点
        while len(all_node_no_seq)>0:
            next_node_no=searchNextNode(model,node_no_seq[-1],all_node_no_seq)
            node_no_seq.append(next_node_no)
            all_node_no_seq.remove(next_node_no)
        sol=Sol()
        sol.node_no_seq=node_no_seq
        sol.obj,sol.route_list,sol.route_distance=calObj(node_no_seq,model)
        sol_list.append(sol)
        if sol.obj < local_sol.obj:
            local_sol = copy.deepcopy(sol)
    model.sol_list=copy.deepcopy(sol_list)
    if local_sol.obj<model.best_sol.obj:
        model.best_sol=copy.deepcopy(local_sol)
# 搜索下一移动节点
def searchNextNode(model,current_node_no,SE_List):
    if len(SE_List) == 1:
        return SE_List[0]
    prob=np.zeros(len(SE_List))
    for i,node_no in enumerate(SE_List):
        eta=1/model.distance_matrix[current_node_no,node_no]
        tau=model.tau[current_node_no,node_no]
        prob[i]=((eta**model.alpha)*(tau**model.beta))
    #采用轮盘法选择下一个访问节点
    cumsumprob=(prob/sum(prob)).cumsum()
    cumsumprob -= np.random.rand()

    return SE_List[list(cumsumprob > 0).index(True)]

(5)收敛曲线

# 绘制目标函数收敛曲线
def plotObj(obj_list):
    plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  #show chinese
    plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # Show minus sign
    plt.plot(np.arange(1,len(obj_list)+1),obj_list)
    plt.xlabel('Iterations')
    plt.ylabel('Obj Value')
    plt.grid()
    plt.xlim(1,len(obj_list)+1)
    plt.show()

(6)车辆路径

# 绘制优化车辆路径
def plotRoutes(model):
    for route in model.best_sol.route_list:
        x_coord=[]
        y_coord=[]
        for node_no in route:
            x_coord.append(model.demand_dict[node_no].x_coord)
            y_coord.append(model.demand_dict[node_no].y_coord)
        plt.plot(x_coord,y_coord,marker='s',color='b',linewidth=0.5)
    plt.show()

(7)输出结果

# 输出结果
def outPut(model):
    work=xlsxwriter.Workbook('result.xlsx')
    worksheet=work.add_worksheet()
    worksheet.write(0, 0, 'id')
    worksheet.write(0, 1, 'route')
    worksheet.write(0, 2, 'distance')
    worksheet.write(0, 3, 'total_distance')
    worksheet.write(1,3,model.best_sol.obj)
    for id,route in enumerate(model.best_sol.route_list):
        r=[str(i)for i in route]
        worksheet.write(id + 1, 0, f'v{str(id + 1)}')
        worksheet.write(id + 1, 1, '-'.join(r))
        worksheet.write(id + 1, 2, model.best_sol.route_distance[id])
    work.close()

6. 完整代码

如有错误,欢迎交流。
有偿获取

参考

  1. A simple and effective evolutionary algorithm for the vehicle routing problem

你可能感兴趣的:(车辆路径规划问题,智能优化算法,算法,python,CVRP,ACO,车辆路径规划)