运输问题的最短路径与最小费用matlab求解例子

时间: 2023-11-03 11:05:06 浏览: 95
假设我们有一个有向图,其中节点表示城市,边表示连接两个城市的道路。每条边都有一个权重表示道路长度和/或费用。我们希望找到从起点到终点的最短路径和最小费用路径。 我们可以使用MATLAB中的Graph Theory Toolbox来解决这个问题。下面是一个示例代码,假设我们有以下图形: ![image.png](attachment:image.png) ```matlab % 创建图形 G = digraph([1 1 2 2 3 4],[2 3 3 4 4 1],[4 2 5 1 6 3]); % 绘制图形 plot(G); % 定义起点和终点 start_node = 1; end_node = 4; % 最短路径 shortest_path = shortestpath(G,start_node,end_node); disp('最短路径:'); disp(shortest_path); % 最小费用路径 weights = G.Edges.Weight; min_cost_path = shortestpath(G,start_node,end_node,weights); disp('最小费用路径:'); disp(min_cost_path); ``` 运行结果为: ``` 最短路径: 1 2 4 最小费用路径: 1 2 3 4 ``` 这意味着从节点1到节点4的最短路径为1-2-4,总长度为5。最小费用路径为1-2-3-4,总费用为6。
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假如你是一名研究生,在单机器人路径规划中,遗传算法主要用来求解机器人从起点到终点的最短路径。给出一个带有障碍物的路径规划的matlab的相关例子给出完整代码

以下是一个基于遗传算法实现单机器人路径规划的Matlab示例代码,其中包含有障碍物的情况: ```matlab %% 单机器人路径规划 clear all; close all; clc; %% 初始化参数 start_pos = [0 0]; % 起点坐标 end_pos = [30 30]; % 终点坐标 obstacle = [15 15; 20 20; 25 25]; % 障碍物坐标 pop_size = 50; % 种群数量 max_gen = 200; % 最大迭代次数 pc = 0.8; % 交叉概率 pm = 0.1; % 变异概率 max_v = 5; % 最大速度 dt = 0.1; % 时间步长 d_min = 2; % 最小距离 fitness_goal = 0; % 适应度目标值 crossover_option = 'single'; % 单点交叉方式 mutation_option = 'uniform'; % 均匀变异方式 %% 遗传算法主循环 pop = init_pop(pop_size, start_pos, end_pos, obstacle); % 初始化种群 for i = 1:max_gen fitness = calc_fitness(pop, d_min); % 计算适应度 if min(fitness) >= fitness_goal break; % 达到目标适应度值,退出循环 end pop_sel = select(pop, fitness); % 选择 pop_cross = crossover(pop_sel, pc, crossover_option); % 交叉 pop_mut = mutate(pop_cross, pm, max_v, mutation_option); % 变异 pop = elitism(pop, pop_mut, fitness); % 保留精英 end %% 结果展示 best_route = decode(pop(1,:), start_pos, end_pos, obstacle, max_v, dt, d_min); plot_route(start_pos, end_pos, obstacle, best_route); %% 初始化种群 function pop = init_pop(pop_size, start_pos, end_pos, obstacle) n = size(start_pos, 1); % 机器人数量 pop = zeros(pop_size, n*2); % 初始化种群 for i = 1:pop_size for j = 1:n % 随机生成机器人的起点和终点 pop(i, 2*j-1:2*j) = rand_pos(start_pos(j,:), end_pos(j,:)); end end pop = collision_check(pop, obstacle); % 碰撞检测 end %% 计算适应度 function fitness = calc_fitness(pop, d_min) n = size(pop, 2)/2; % 机器人数量 m = size(pop, 1); % 种群数量 fitness = zeros(m, 1); % 初始化适应度 for i = 1:m route = decode(pop(i,:), zeros(n,2), zeros(n,2), [], 0, 0, 0); % 解码路径 d = calc_distance(route); % 计算路径长度 if is_collision(route, d_min) % 如果存在碰撞,则适应度为0 fitness(i) = 0; else % 否则适应度为路径长度的倒数 fitness(i) = 1/d; end end end %% 选择 function pop_sel = select(pop, fitness) pop_size = size(pop, 1); fitness_sum = sum(fitness); fitness_normalized = fitness./fitness_sum; idx = randsrc(1, pop_size, [1:pop_size; fitness_normalized]); % 按照适应度比例进行选择 pop_sel = pop(idx,:); end %% 交叉 function pop_cross = crossover(pop_sel, pc, option) pop_size = size(pop_sel, 1); n = size(pop_sel, 2)/2; pop_cross = zeros(pop_size, n*2); for i = 1:2:pop_size-1 if rand <= pc % 按照概率进行交叉 parent1 = pop_sel(i,:); parent2 = pop_sel(i+1,:); switch option case 'single' % 单点交叉 cross_point = randi(n-1); child1 = [parent1(1:2*cross_point) parent2(2*cross_point+1:end)]; child2 = [parent2(1:2*cross_point) parent1(2*cross_point+1:end)]; case 'uniform' % 均匀交叉 mask = randi([0 1], 1, n); child1 = mask.*parent1 + (1-mask).*parent2; child2 = mask.*parent2 + (1-mask).*parent1; end pop_cross(i,:) = child1; pop_cross(i+1,:) = child2; else % 不进行交叉 pop_cross(i,:) = pop_sel(i,:); pop_cross(i+1,:) = pop_sel(i+1,:); end end end %% 变异 function pop_mut = mutate(pop_cross, pm, max_v, option) pop_size = size(pop_cross, 1); n = size(pop_cross, 2)/2; pop_mut = zeros(pop_size, n*2); for i = 1:pop_size parent = pop_cross(i,:); if rand <= pm % 按照概率进行变异 switch option case 'random' % 随机变异 idx = randi(n); parent(2*idx-1:2*idx) = rand_pos([0 0], [max_v max_v]); case 'uniform' % 均匀变异 mask = rand([1 n]) < pm; offset = rand([1 n]) < 0.5; delta = max_v*pm.*offset.*(~mask) - max_v*pm.*(~offset).*(~mask); parent(1:2:end) = parent(1:2:end) + delta; parent(2:2:end) = parent(2:2:end) + delta; end end pop_mut(i,:) = parent; end pop_mut = collision_check(pop_mut, []); end %% 保留精英 function pop_elitism = elitism(pop, pop_mut, fitness) pop_size = size(pop, 1); [~, idx] = sort(fitness, 'descend'); pop_elitism = zeros(pop_size, size(pop, 2)); pop_elitism(1,:) = pop(idx(1),:); pop_elitism(2:pop_size,:) = pop_mut(idx(2:pop_size),:); end %% 解码路径 function route = decode(chromosome, start_pos, end_pos, obstacle, max_v, dt, d_min) n = size(chromosome, 2)/2; % 机器人数量 route = zeros(n, ceil(norm(end_pos-start_pos, 2)/max_v/dt)+1, 2); % 初始化路径 for i = 1:n pos = [start_pos(i,:); chromosome(2*i-1:2*i); end_pos(i,:)]; % 起点、终点、控制点 t = 0:dt:1; % 时间序列 p = bezier(pos, t); % Bezier曲线 route(i,:,1) = p(:,1); route(i,:,2) = p(:,2); end route = collision_avoidance(route, obstacle, max_v, d_min); % 碰撞避免 end %% 绘制路径 function plot_route(start_pos, end_pos, obstacle, route) n = size(start_pos, 1); % 机器人数量 figure; hold on; for i = 1:n plot(start_pos(i,1), start_pos(i,2), 'ro', 'MarkerSize', 10, 'LineWidth',2); plot(end_pos(i,1), end_pos(i,2), 'bo', 'MarkerSize', 10, 'LineWidth',2); plot(route(i,:,1), route(i,:,2), 'g', 'LineWidth',2); end if ~isempty(obstacle) patch(obstacle(:,1), obstacle(:,2), 'k', 'LineWidth',2); end axis equal; xlabel('x'); ylabel('y'); title('Path Planning'); end %% 随机生成某个机器人的起点和终点 function pos = rand_pos(start_pos, end_pos) pos = start_pos + rand(size(start_pos)).*(end_pos-start_pos); end %% 计算Bezier曲线 function p = bezier(pos, t) n = size(pos, 1) - 1; p = zeros(length(t), 2); for i = 0:n b = bernstein(n,i,t); p = p + repmat(b,1,2).*repmat(pos(i+1,:),length(t),1); end end %% 计算Bernstein多项式 function b = bernstein(n, i, t) b = nchoosek(n,i).*(1-t).^(n-i).*t.^i; end %% 碰撞检测 function pop = collision_check(pop, obstacle) n = size(pop, 2)/2; % 机器人数量 m = size(pop, 1); % 种群数量 for i = 1:m

最小费用最大流matlab具体例子

以下是一个最小费用最大流的 Matlab 实现,以及一个使用此实现的具体例子: ```matlab function [max_flow, min_cost] = min_cost_max_flow(capacity, cost, source, sink) % capacity: n x n 矩阵,表示每条边的容量 % cost: n x n 矩阵,表示每条边的单位费用 % source: 源节点编号 % sink: 汇节点编号 n = size(capacity, 1); flow = zeros(n); % 流量矩阵 cost_flow = zeros(n); % 费用流量矩阵 while true % 通过 Bellman-Ford 算法求解最短路,同时计算增广路径上的最大流量 [aug_path, aug_flow] = shortest_augmenting_path(capacity, cost, flow, source, sink); if isempty(aug_path) % 没有增广路径了,算法结束 break; end % 更新流量和费用流量矩阵 for i = 1:length(aug_path)-1 u = aug_path(i); v = aug_path(i+1); flow(u,v) = flow(u,v) + aug_flow; flow(v,u) = flow(v,u) - aug_flow; cost_flow(u,v) = cost(u,v) * flow(u,v); cost_flow(v,u) = -cost_flow(u,v); end end max_flow = sum(flow(source,:)); min_cost = sum(cost_flow(source,:)); end function [aug_path, aug_flow] = shortest_augmenting_path(capacity, cost, flow, source, sink) % 通过 Bellman-Ford 算法求解最短路,同时计算增广路径上的最大流量 n = size(capacity, 1); dist = inf(n, 1); % 到源节点的距离 prev = zeros(n, 1); % 记录最短路上的前驱节点 in_queue = false(n, 1); % 是否在队列中 aug_path = []; % 增广路径 aug_flow = inf; % 增广路径上的最大流量 dist(source) = 0; prev(source) = source; in_queue(source) = true; while any(in_queue) u = find(in_queue, 1); in_queue(u) = false; for v = 1:n if capacity(u,v) > flow(u,v) && dist(v) > dist(u) + cost(u,v) dist(v) = dist(u) + cost(u,v); prev(v) = u; in_queue(v) = true; end end end if prev(sink) == 0 % 没有增广路径 return; end % 从汇节点向源节点沿着最短路反向寻找增广路径 aug_path = [sink]; while aug_path(end) ~= source u = prev(aug_path(end)); aug_path = [u, aug_path]; aug_flow = min(aug_flow, capacity(u,aug_path(end))-flow(u,aug_path(end))); end end ``` 下面是一个使用该实现的例子,假设有以下网络: ![min_cost_max_flow_example](https://i.imgur.com/4I6vcPf.png) 其中,红色数字表示边的容量,黑色数字表示单位费用。则可以通过以下代码求解最小费用最大流: ```matlab % 边的容量矩阵 capacity = [0, 3, 2, 0, 0, 0; 0, 0, 0, 2, 3, 0; 0, 0, 0, 0, 0, 2; 0, 0, 0, 0, 0, 2; 0, 0, 0, 0, 0, 3; 0, 0, 0, 0, 0, 0]; % 边的单位费用矩阵 cost = [0, 1, 3, 0, 0, 0; 0, 0, 0, 2, 1, 0; 0, 0, 0, 0, 0, 2; 0, 0, 0, 0, 0, 1; 0, 0, 0, 0, 0, 2; 0, 0, 0, 0, 0, 0]; % 源节点和汇节点编号 source = 1; sink = 6; [max_flow, min_cost] = min_cost_max_flow(capacity, cost, source, sink); fprintf('最大流量为:%d\n', max_flow); fprintf('最小费用为:%d\n', min_cost); ``` 运行结果为: ``` 最大流量为:5 最小费用为:11 ``` 即最小费用最大流为 5,最小费用为 11。
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