使用遗传算法进行问题建模求解

时间: 2024-12-23 14:17:09 浏览: 3
### 使用遗传算法解决多车场车辆路径问题 #### 背景 一家物流公司位于济南,有一个配送中心负责向13个客户提供服务。每辆车的最大载重量为2吨(即2000公斤),具体客户需求及配送点间距离见下表: | | 配送中心1 | 客户1 | 客户2 | ... | 客户13 | |--|-------|-------|-----|--------| | **配送中心1** | 0 | 15 | 11 | ... | 11 | | **客户1** | 15 | 0 | 19 | ... | 20 | | **客户2** | 11 | 19 | 0 | ... | 9 | | ... | ... | ... | ... | ... | ... | | **客户13** | 11 | 20 | 9 | ... | 0 | 客户物品重量分别为:564, 509, 503, 350, 297, 355, 595, 446, 292, 343, 443, 233, 227 公斤。 #### 目标 通过遗传算法设计合理的配送路线,使总配送距离最短。 #### 步骤 1. **定义染色体** - 每条染色体表示一个可能的配送方案。 - 染色体由多个基因组成,每个基因代表一个客户的编号。 - 例如,一条染色体可以是 `[1, 3, 5, 2, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]`,表示按此顺序访问客户。 2. **适应度函数** - 计算每条染色体对应的总配送距离。 - 总配送距离包括从配送中心到第一个客户、各个客户之间的距离以及最后一个客户返回配送中心的距离。 - 适应度值越小,表示该方案越好。 3. **选择操作** - 采用轮盘赌选择法或锦标赛选择法,选择适应度较高的染色体进入下一代。 4. **交叉操作** - 选择两条父代染色体,生成子代染色体。 - 可以使用部分映射交叉(PMX)、顺序交叉(OX)等方法。 5. **变异操作** - 对选中的染色体进行随机交换、插入或逆序等操作,增加种群多样性。 6. **终止条件** - 达到预定的迭代次数。 - 连续若干代适应度没有显著提高。 #### 示例代码 以下是一个简单的Python示例,展示了如何实现上述步骤: ```python import random import numpy as np # 定义参数 num_vehicles = 3 max_weight = 2000 distances = [ [0, 15, 11, 13, 20, 7, 8, 5, 12, 15, 7, 19, 6, 11], [15, 0, 19, 7, 15, 19, 17, 13, 7, 14, 6, 7, 9, 20], [11, 19, 0, 18, 20, 8, 14, 17, 6, 8, 6, 13, 18, 9], [13, 7, 18, 0, 6, 11, 13, 14, 15, 13, 15, 11, 16, 6], [20, 15, 20, 6, 0, 17, 14, 6, 7, 19, 15, 14, 17, 16], [7, 19, 8, 11, 17, 0, 14, 6, 7, 19, 13, 9, 10, 12], [8, 17, 14, 13, 14, 14, 0, 8, 8, 15, 7, 15, 12, 5], [5, 13, 17, 14, 6, 6, 8, 0, 11, 16, 16, 13, 10, 20], [12, 7, 6, 15, 7, 7, 8, 11, 0, 16, 10, 19, 17, 17], [15, 14, 18, 13, 19, 19, 15, 16, 16, 0, 7, 16, 7, 19], [7, 6, 6, 15, 15, 13, 7, 16, 10, 7, 0, 10, 17, 7], [19, 7, 13, 11, 14, 9, 15, 13, 19, 16, 10, 0, 9, 14], [6, 9, 18, 16, 17, 10, 12, 10, 17, 7, 17, 9, 0, 13], [11, 20, 9, 6, 16, 12, 5, 20, 17, 19, 7, 14, 13, 0] ] weights = [564, 509, 503, 350, 297, 355, 595, 446, 292, 343, 443, 233, 227] def calculate_total_distance(route): total_distance = distances[0][route[0]] # 从配送中心到第一个客户 for i in range(len(route) - 1): total_distance += distances[route[i]][route[i + 1]] total_distance += distances[route[-1]][0] # 最后一个客户返回配送中心 return total_distance def generate_initial_population(pop_size): population = [] for _ in range(pop_size): route = list(range(1, len(weights) + 1)) random.shuffle(route) population.append(route) return population def select_parents(population, fitnesses, num_parents): parents = [] for _ in range(num_parents): tournament = random.sample(list(zip(population, fitnesses)), 5) best_parent = min(tournament, key=lambda x: x[1])[0] parents.append(best_parent) return parents def crossover(parents, offspring_size): offspring = [] while len(offspring) < offspring_size: parent1, parent2 = random.sample(parents, 2) start, end = sorted(random.sample(range(len(parent1)), 2)) child = [-1] * len(parent1) child[start:end+1] = parent1[start:end+1] idx = 0 for gene in parent2: if gene not in child: while child[idx] != -1: idx += 1 child[idx] = gene offspring.append(child) return offspring def mutate(individual, mutation_rate=0.01): for i in range(len(individual)): if random.random() < mutation_rate: j = random.randint(0, len(individual) - 1) individual[i], individual[j] = individual[j], individual[i] return individual def genetic_algorithm(pop_size=100, num_generations=1000, mutation_rate=0.01): population = generate_initial_population(pop_size) for generation in range(num_generations): fitnesses = [calculate_total_distance(route) for route in population] parents = select_parents(population, fitnesses, pop_size // 2) offspring = crossover(parents, pop_size) for i in range(len(offspring)): offspring[i] = mutate(offspring[i], mutation_rate) population = offspring best_route = min(population, key=lambda x: calculate_total_distance(x)) return best_route, calculate_total_distance(best_route) best_route, best_distance = genetic_algorithm() print("最佳配送路线:", best_route) print("总配送距离:", best_distance) ``` #### 结论 通过上述遗传算法,可以有效地找到一个较优的配送方案,使得总配送距离最小。
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