物流配送中几种路径优化算法

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2024年5月11日发(作者：)

捕食搜索算法

　　模拟动物的这种捕食策略，Alexandre于1998提出了一种新的仿生计算方

法，即捕食搜索算法(predatory search algorithm, PSA)。基本思想如下：捕食

搜索寻优时，先在整个搜索空间进行全局搜索，直到找到一个较优解;然后在较

优解附近的区域(邻域)进行集中搜索，直到搜索很多次也没有找到史优解，从

而放弃局域搜索;然后再在整个搜索空间进行全局搜索.如此循环，直到找到最优

解(或近似最优解)为止，捕食搜索这种策略很好地协调了局部搜索和全局搜索

之间的转换.目前该算法己成功应用于组合优化领域的旅行商问题(traveling

salesm an problem )和超大规模集成电路设计问题(very large scale integrated

layout)。

　　捕食搜索算法设计

　　(1)解的表达

　　采用顺序编码，将无向图中的，n一1个配送中心和n个顾客一起进行编

码.例如，3个配送中心，10个顾客，则编码可为:1一2一3一4一0一5一

6一7一0一8一9一10其中0表示配送中心，上述编码表示配送中心1负

贡顾客1,2,3,4的配送，配送中心2负贡顾客5,6,7的配送，配送中心3负贡顾

客8,9,10的配送.然后对于每个配送中心根据顾客编码中的顺序进行车辆的分配，

这里主要考虑车辆的容量约束。依此编码方案，随机产生初始解。

　　(2)邻域定义

　　4 仿真结果与比较分析(Simulation results and comparison analysis)

　　设某B2C电子商务企业在某时段由3个配送中心为17个顾客配送3类商

品，配送网络如图2所示。

　　动物学家在研究动物的捕食行为时发现，尽管由于动物物种的不同而造成

的身体结构的千差万别，但它们的捕食行为却惊人地相似.动物捕食时，在没有

发现猎物和猎物的迹象时在整个捕食空间沿着一定的方向以很快的速度寻找猎

物.一旦发现猎物或者发现有猎物的迹象，它们就放慢步伐，在发现猎物或者有

猎物迹象的附近区域进行集中的区域搜索，以找到史多的猎物.在搜寻一段时间

没有找到猎物后，捕食动物将放弃这种集中的区域，而继续在整个捕食空间寻

找猎物。

　　捕食搜索算法采用Java语言在Windows平台上(主频Y4N1/2. 2G,内存

512N)实现。求得最优解值和车辆配送路径如表2所示，可以看出此结果能直

接得到基于配送网络的车辆实际配送路径。该类顾客仅在第一次被访问的时候

配送服务了表2。

　　为计算简洁，设各配送中心可用车辆数人Ap=3辆，最大载重量Q=10吨，

车辆启动费用Bk=400元，单位距离费用Cij=5元，3类商品的重量系数分别为

W1=0.2吨/件，W2=0.4吨/件，W3=0.3吨/件，其他相关参数见表1。

由表3中可以看出，YSA求得的目标值全而优于GA, 10次计算中9次得

到了最优值(或近似最优值)20850元，而GA的最优值仅为21050元，计算平

均值，从计算的时间来看，YSA的计算效率高于C从但是YSA的计算时间没

有C、稳定，可以从它们计算时间的标准差上看出这一点，这是因为以在算法

参数设定后计算时间波动很小(以最大迭代次数为停止准则)，而YSA因为模仿

　　配送路径中黑体节点表示车辆配送的顾客和其次序少，这和实际配送情况

亦是相符的。为了验证捕食搜索算法的有效性，利用捕食搜索算法与基于类顺

序交叉和换位变异算子的遗传算法子编码相同，交叉率为变异率为迭代次数为

soot对上述算例各随机计算10次，得到相应的目标值和计算时间如表3所示。

动物捕食的内在特点，除了算法参数外，其初始解亦会影响算法的计算时间。

上述两种算法在多个算例上进行了实验，得到了相似的结论。因而，文中设计

的YSA作为一类新的优化算法对模型的求解是可行和高效的。

禁忌（Tabu Search）算法

是禁忌（Tabu Search）算法一种亚启发式(meta-heuristic)随机搜索算法1，

它从一个初始可行解出发，选择一系列的特定搜索方向（移动）作为试探，选

择实现让特定的目标函数值变化最多的移动。为了避免陷入局部最优解，TS搜

索中采用了一种灵活的“记忆”技术，对已经进行的优化过程进行记录和选择，

指导下一步的搜索方向，这就是Tabu表的建立。

为了找到“全局最优解”，就不应该执着于某一个特定的区域。局部搜索的缺

点就是太贪婪地对某一个局部区域以及其邻域搜索，导致一叶障目，不见泰山。

禁忌搜索就是对于找到的一部分局部最优解，有意识地避开它（但不是完全隔

绝），从而获得更多的搜索区间。兔子们找到了泰山，它们之中的一只就会留

守在这里，其他的再去别的地方寻找。就这样，一大圈后，把找到的几个山峰

一比较，珠穆朗玛峰脱颖而出。

当兔子们再寻找的时候，一般地会有意识地避开泰山，因为他们知道，这里已

经找过，并且有一只兔子在那里看着了。这就是禁忌搜索中“禁忌表（tabu

list）”的含义。那只留在泰山的兔子一般不会就安家在那里了，它会在一定

时间后重新回到找最高峰的大军，因为这个时候已经有了许多新的消息，泰山

毕竟也有一个不错的高度，需要重新考虑，这个归队时间，在禁忌搜索里面叫

做“禁忌长度（tabu length）”；如果在搜索的过程中，留守泰山的兔子还没

有归队，但是找到的地方全是华北平原等比较低的地方，兔子们就不得不再次

考虑选中泰山，也就是说，当一个有兔子留守的地方优越性太突出，超过了

“best so far”的状态，就可以不顾及有没有兔子留守，都把这个地方考虑进

来，这就叫“特赦准则（aspiration criterion）”。这三个概念是禁忌搜索

和一般搜索准则最不同的地方，算法的优化也关键在这里

遗传算法

遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学

机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的

方法，它最初由美国Michigan大学d教授于1975年首先提出来的，

并出版了颇有影响的专著《Adaptation in Natural and Artificial

Systems》，GA这个名称才逐渐为人所知，d教授所提出的GA通常为

简单遗传算法（SGA）。遗传算法（Genetic Algorithm）是一类借鉴生物界的进

化规律（适者生存，优胜劣汰遗传机制）演化而来的随机化搜索方法。它是由

美国的d教授1975年首先提出，其主要特点是直接对结构对象进行操

作，不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻优

能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地

移动规则

遗传算法

e)变异运算：将变异算子作用于群体。即是对群体中的个体串的某些基因座上

的基因值作变动。

群体P(t)经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代群体P(t 1)。

f)终止条件判断:若t=T,则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优

解输出，终止计算

蚁群算法

在每只蚂蚁能感知的范围内寻找是否有食物，如果有就直接过去。否则看是否

有信息素，并且比较在能感知的范围内哪一点的信息素最多，这样，它就朝信

息素多的地方走，并且每只蚂蚁多会以小概率犯错误，从而并不是往信息素最

多的点移动。蚂蚁找窝的规则和上面一样，只不过它对窝的信息素做出反应，

而对食物信息素没反应。

蚁群算法(ant colony optimization, ACO)，又称蚂蚁算法，是一种用来在图

中寻找优化路径的机率型技术。它由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文

中引入，其灵感来源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为。觅食规则

调整搜索方向，不需要确定的规则。遗传算法的这些性质，已被人们广泛地应

用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。它是现

代有关智能计算中的关键技术。

对于一个求函数最大值的优化问题(求函数最小值也类同)，一般可以描述为下

列数学规划模型：

式中x为决策变量，式2-1为目标函数式，式2-2、2-3为约束条件，U是基本

空间，R是U的子集。满足约束条件的解X称为可行解，集合R表示所有满足

约束条件的解所组成的集合，称为可行解集合。

遗传算法的基本运算过程如下：

a)初始化：设置进化代数计数器t=0，设置最大进化代数T，随机生成M个个

体作为初始群体P(0)。

b)个体评价：计算群体P(t)中各个个体的适应度。

c)选择运算:将选择算子作用于群体。选择的目的是把优化的个体直接遗传到下

一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。选择操作是建立在群体中

个体的适应度评估基础上的。

d)交叉运算：将交叉算子作用于群体。所谓交叉是指把两个父代个体的部分结

构加以替换重组而生成新个体的操作。遗传算法中起核心作用的就是交叉算子。

每只蚂蚁都朝向信息素最多的方向移，并且，当周围没有信息素指引的时候，

蚂蚁会按照自己原来运动的方向惯性的运动下去，并且，在运动的方向有一个

随机的小的扰动。为了防止蚂蚁原地转圈，它会记住最近刚走过了哪些点，如

果发现要走的下一点已经在最近走过了，它就会尽量避开。

避障规则

如果蚂蚁要移动的方向有障碍物挡住，它会随机的选择另一个方向，并且有信

息素指引的话，它会按照觅食的规则行为。

播撒信息素规则

每只蚂蚁在刚找到食物或者窝的时候撒发的信息素最多，并随着它走远的距离，

播撒的信息素越来越少。

综述

根据这几条规则，蚂蚁之间并没有直接的关系，但是每只蚂蚁都和环境发生交

互，而通过信息素这个纽带，实际上把各个蚂蚁之间关联起来了。比如，当一

只蚂蚁找到了食物，它并没有直接告诉其它蚂蚁这儿有食物，而是向环境播撒

信息素，当其它的蚂蚁经过它附近的时候，就会感觉到信息素的存在，进而根

据信息素的指引找到了食物。

说了这么多，蚂蚁究竟是怎么找到食物的呢？

在没有蚂蚁找到食物的时候，环境没有有用的信息素，那么蚂蚁为什么会相对

有效的找到食物呢？这要归功于蚂蚁的移动规则，尤其是在没有信息素时候的

移动规则。首先，它要能尽量保持某种惯性，这样使得蚂蚁尽量向前方移动

（开始，这个前方是随机固定的一个方向），而不是原地无谓的打转或者震动；

其次，蚂蚁要有一定的随机性，虽然有了固定的方向，但它也不能像粒子一样

直线运动下去，而是有一个随机的干扰。这样就使得蚂蚁运动起来具有了一定

的目的性，尽量保持原来的方向，但又有新的试探，尤其当碰到障碍物的时候

它会立即改变方向，这可以看成一种选择的过程，也就是环境的障碍物让蚂蚁

的某个方向正确，而其他方向则不对。这就解释了为什么单个蚂蚁在复杂的诸

如迷宫的地图中仍然能找到隐蔽得很好的食物。

当然，在有一只蚂蚁找到了食物的时候，其他蚂蚁会沿着信息素很快找到食物

的。

蚂蚁如何找到最短路径的？这一是要归功于信息素，另外要归功于环境，具体

说是计算机时钟。信息素多的地方显然经过这里的蚂蚁会多，因而会有更多的

蚂蚁聚集过来。假设有两条路从窝通向食物，开始的时候，走这两条路的蚂蚁

数量同样多（或者较长的路上蚂蚁多，这也无关紧要）。当蚂蚁沿着一条路到

达终点以后会马上返回来，这样，短的路蚂蚁来回一次的时间就短，这也意味

着重复的频率就快，因而在单位时间里走过的蚂蚁数目就多，洒下的信息素自

然也会多，自然会有更多的蚂蚁被吸引过来，从而洒下更多的信息素……；而

长的路正相反，因此，越来越多地蚂蚁聚集到较短的路径上来，最短的路径就

近似找到了。也许有人会问局部最短路径和全局最短路的问题，实际上蚂蚁逐

渐接近全局最短路的，为什么呢？这源于蚂蚁会犯错误，也就是它会按照一定

的概率不往信息素高的地方走而另辟蹊径，这可以理解为一种创新，这种创新

如果能缩短路途，那么根据刚才叙述的原理，更多的蚂蚁会被吸引过来。

粒子群算法

粒子群算法，也称粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization），缩写为

PSO， 是近年来发展起来的一种新的进化算法(（Evolu2tionary Algorithm -

EA）。PSO 算法属于进化算法的一种，和遗传算法相似，它也是从随机解出发，

通过迭代寻找最优解，它也是通过适应度来评价解的品质，但它比遗传算法规

则更为简单，它没有遗传算法的“交叉”(Crossover) 和“变异”(Mutation)

操作，它通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。这种算法以其实现容

易、精度高、收敛快等优点引起了学术界的重视，并且在解决实际问题中展示

了其优越性。

优化问题

一是要求寻找全局最优点,

二是要求有较高的收敛速度.

约束优化问题

近年来，一些学者将PSO算法推广到约束优化问题，其关键在于如何处理好约

束，即解的可行性。如果约束处理的不好，其优化的结果往往会出现不能够收

敛和结果是空集的状况。基于PSO算法的约束优化工作主要分为两类：

（1）罚函数法。罚函数的目的是将约束优化问题转化成无约束优化问题。

（2）将粒子群的搜索范围都限制在条件约束簇内，即在可行解范围内寻优。

根据文献介绍，Parsopoulos等采用罚函数法，利用非固定多段映射函数对约

束优化问题进行转化，再利用PSO算法求解转化后问题，仿真结果显示PSO算

法相对遗传算法更具有优越性，但其罚函数的设计过于复杂，不利于求解；Hu

等采用可行解保留政策处理约束，即一方面更新存储中所有粒子时仅保留可行

解，另一方面在初始化阶段所有粒子均从可行解空间取值，然而初始可行解空

间对于许多问题是很难确定的；Ray等提出了具有多层信息共享策略的粒子群

原理来处理约束，根据约束矩阵采用多层Pareto排序机制来产生优良粒子，进

而用一些优良的粒子来决定其余个体的搜索方向。

但是，目前有关运用PSO算法方便实用地处理多约束目标优化问题的理论成果

还不多。处理多约束优化问题的方法有很多，但用PSO算法出路此类问题目前

技术并不成熟，这里就不介绍了

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