【VRPTW问题】基于碳黑四角蜂算法TGCOA求解带时间窗的骑手外卖配送路径规划问题(目标函数:最优路径成本 含服务客户数量 服务时间 载量 路径长度)附Matlab代码

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🔥 内容介绍

在即时外卖配送场景中,带时间窗的骑手路径规划(Vehicle Routing Problem with Time Windows, VRPTW)是提升配送效率、降低运营成本的核心环节。该问题需在 “骑手载量有限”“客户服务时间窗约束”“多目标成本优化”(服务客户数量、服务时间、载量利用率、路径长度)下,为多骑手规划最优配送路径,传统算法(如遗传算法、蚁群算法)存在 “收敛速度慢”“多目标平衡难”“复杂约束适配性差” 等问题。碳黑四角蜂算法(Tarantula Hawk-Cuckoo Optimization Algorithm, TGCOA)融合了沙漠蛛蜂的 “猎物搜索 - 精准攻击” 行为与布谷鸟的 “巢寄生” 策略,具备全局搜索能力强、多目标优化效率高、约束处理灵活的优势,为 VRPTW 问题提供了高效解决方案。本文将从 VRPTW 问题建模、TGCOA 算法原理、算法适配设计、实验验证四方面,解析该算法如何实现外卖配送路径的多目标优化。

二、碳黑四角蜂算法(TGCOA)的核心原理

TGCOA 算法源于两种昆虫的生物行为:沙漠蛛蜂(Tarantula Hawk)的 “远距离搜索 - 精准定位 - 高效攻击” 策略,与布谷鸟(Cuckoo)的 “巢寄生 - 优质巢保留” 机制,通过融合两种行为的优势,实现全局搜索与局部优化的平衡,适配 VRPTW 问题的多目标优化需求。

2.1 算法的生物行为抽象

TGCOA 将外卖配送路径规划类比为 “蜂群寻找最优食物源(客户)并规划采集路径”,核心生物行为抽象为算法操作:

  • 沙漠蛛蜂的搜索与攻击行为:
  • 远距离搜索:沙漠蛛蜂通过视觉与嗅觉远距离探测猎物(客户),对应算法中 “全局随机搜索”,生成多样化初始路径方案;
  • 精准定位:发现猎物后,蛛蜂通过地形分析调整飞行轨迹(避开障碍),对应算法中 “局部路径优化”,根据客户时间窗、载量约束调整路径节点顺序;
  • 高效攻击:蛛蜂对猎物实施精准攻击(最小化能量消耗),对应算法中 “目标函数导向优化”,优先提升服务客户数量与载量利用率。
  • 布谷鸟的巢寄生与优质巢保留:
  • 巢寄生:布谷鸟将卵产入其他鸟巢(利用优质巢资源),对应算法中 “路径信息共享”,将优质骑手的路径片段迁移到其他骑手路径中;
  • 优质巢保留:布谷鸟优先选择孵化率高的优质巢,对应算法中 “非支配排序”,保留多目标优化中的优质路径方案,淘汰劣质方案。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

%% credits and where the function came from

% The colors are largely taken from:

% http://colorbrewer2.org and Cynthia Brewer, Mark Harrower and The Pennsylvania State University

% She studied this from a phsychometric perspective and crafted the colors

% beautifully.

% I made choices from the many there to decide the nicest once for plotting

% lines in Matlab. I also made a small change to one of the colors I

% thought was a bit too bright. In addition some interpolation is going on

% for the sequential line styles.

%%

function lineStyles=linspecer(N,varargin)

if nargin==0 % return a colormap

    lineStyles = linspecer(128);

    return;

end

if ischar(N)

    lineStyles = linspecer(128,N);

    return;

end

if N<=0 % its empty, nothing else to do here

    lineStyles=[];

    return;

end

% interperet varagin

qualFlag = 0;

colorblindFlag = 0;

if ~isempty(varargin)>0 % you set a parameter?

    switch lower(varargin{1})

        case {'qualitative','qua'}

            if N>12 % go home, you just can't get this.

                warning('qualitiative is not possible for greater than 12 items, please reconsider');

            else

                if N>9

                    warning(['Default may be nicer for ' num2str(N) ' for clearer colors use: whitebg(''black''); ']);

                end

            end

            qualFlag = 1;

        case {'sequential','seq'}

            lineStyles = colorm(N);

            return;

        case {'white','whitefade'}

            lineStyles = whiteFade(N);return;

        case 'red'

            lineStyles = whiteFade(N,'red');return;

        case 'blue'

            lineStyles = whiteFade(N,'blue');return;

        case 'green'

            lineStyles = whiteFade(N,'green');return;

        case {'gray','grey'}

            lineStyles = whiteFade(N,'gray');return;

        case {'colorblind'}

            colorblindFlag = 1;

        otherwise

            warning(['parameter ''' varargin{1} ''' not recognized']);

    end

end      

% *.95

% predefine some colormaps

  set3 = colorBrew2mat({[141, 211, 199];[ 255, 237, 111];[ 190, 186, 218];[ 251, 128, 114];[ 128, 177, 211];[ 253, 180, 98];[ 179, 222, 105];[ 188, 128, 189];[ 217, 217, 217];[ 204, 235, 197];[ 252, 205, 229];[ 255, 255, 179]}');

set1JL = brighten(colorBrew2mat({[228, 26, 28];[ 55, 126, 184]; [ 77, 175, 74];[ 255, 127, 0];[ 255, 237, 111]*.85;[ 166, 86, 40];[ 247, 129, 191];[ 153, 153, 153];[ 152, 78, 163]}'));

set1 = brighten(colorBrew2mat({[ 55, 126, 184]*.85;[228, 26, 28];[ 77, 175, 74];[ 255, 127, 0];[ 152, 78, 163]}),.8);

% colorblindSet = {[215,25,28];[253,174,97];[171,217,233];[44,123,182]};

colorblindSet = {[215,25,28];[253,174,97];[171,217,233]*.8;[44,123,182]*.8};

set3 = dim(set3,.93);

if colorblindFlag

    switch N

        %     sorry about this line folks. kind of legacy here because I used to

        %     use individual 1x3 cells instead of nx3 arrays

        case 4

            lineStyles = colorBrew2mat(colorblindSet);

        otherwise

            colorblindFlag = false;

            warning('sorry unsupported colorblind set for this number, using regular types');

    end

end

if ~colorblindFlag

    switch N

        case 1

            lineStyles = { [  55, 126, 184]/255};

        case {2, 3, 4, 5 }

            lineStyles = set1(1:N);

        case {6 , 7, 8, 9}

            lineStyles = set1JL(1:N)';

        case {10, 11, 12}

            if qualFlag % force qualitative graphs

                lineStyles = set3(1:N)';

            else % 10 is a good number to start with the sequential ones.

                lineStyles = cmap2linspecer(colorm(N));

            end

        otherwise % any old case where I need a quick job done.

            lineStyles = cmap2linspecer(colorm(N));

    end

end

lineStyles = cell2mat(lineStyles);

end

% extra functions

function varIn = colorBrew2mat(varIn)

for ii=1:length(varIn) % just divide by 255

    varIn{ii}=varIn{ii}/255;

end        

end

function varIn = brighten(varIn,varargin) % increase the brightness

if isempty(varargin),

    frac = .9; 

else

    frac = varargin{1}; 

end

for ii=1:length(varIn)

    varIn{ii}=varIn{ii}*frac+(1-frac);

end        

end

function varIn = dim(varIn,f)

    for ii=1:length(varIn)

        varIn{ii} = f*varIn{ii};

    end

end

function vOut = cmap2linspecer(vIn) % changes the format from a double array to a cell array with the right format

vOut = cell(size(vIn,1),1);

for ii=1:size(vIn,1)

    vOut{ii} = vIn(ii,:);

end

end

%%

% colorm returns a colormap which is really good for creating informative

% heatmap style figures.

% No particular color stands out and it doesn't do too badly for colorblind people either.

% It works by interpolating the data from the

% 'spectral' setting on http://colorbrewer2.org/ set to 11 colors

% It is modified a little to make the brightest yellow a little less bright.

function cmap = colorm(varargin)

n = 100;

if ~isempty(varargin)

    n = varargin{1};

end

if n==1

    cmap =  [0.2005    0.5593    0.7380];

    return;

end

if n==2

     cmap =  [0.2005    0.5593    0.7380;

              0.9684    0.4799    0.2723];

          return;

end

frac=.95; % Slight modification from colorbrewer here to make the yellows in the center just a bit darker

cmapp = [158, 1, 66; 213, 62, 79; 244, 109, 67; 253, 174, 97; 254, 224, 139; 255*frac, 255*frac, 191*frac; 230, 245, 152; 171, 221, 164; 102, 194, 165; 50, 136, 189; 94, 79, 162];

x = linspace(1,n,size(cmapp,1));

xi = 1:n;

cmap = zeros(n,3);

for ii=1:3

    cmap(:,ii) = pchip(x,cmapp(:,ii),xi);

end

cmap = flipud(cmap/255);

end

function cmap = whiteFade(varargin)

n = 100;

if nargin>0

    n = varargin{1};

end

thisColor = 'blue';

if nargin>1

    thisColor = varargin{2};

end

switch thisColor

    case {'gray','grey'}

        cmapp = [255,255,255;240,240,240;217,217,217;189,189,189;150,150,150;115,115,115;82,82,82;37,37,37;0,0,0];

    case 'green'

        cmapp = [247,252,245;229,245,224;199,233,192;161,217,155;116,196,118;65,171,93;35,139,69;0,109,44;0,68,27];

    case 'blue'

        cmapp = [247,251,255;222,235,247;198,219,239;158,202,225;107,174,214;66,146,198;33,113,181;8,81,156;8,48,107];

    case 'red'

        cmapp = [255,245,240;254,224,210;252,187,161;252,146,114;251,106,74;239,59,44;203,24,29;165,15,21;103,0,13];

    otherwise

        warning(['sorry your color argument ' thisColor ' was not recognized']);

end

cmap = interpomap(n,cmapp);

end

% Eat a approximate colormap, then interpolate the rest of it up.

function cmap = interpomap(n,cmapp)

    x = linspace(1,n,size(cmapp,1));

    xi = 1:n;

    cmap = zeros(n,3);

    for ii=1:3

        cmap(:,ii) = pchip(x,cmapp(:,ii),xi);

    end

    cmap = (cmap/255); % flipud??

end

🔗 参考文献

[1]高升.基于电动汽车的带时间窗的路径优化问题研究[D].大连海事大学,2015.DOI:CNKI:CDMD:2.1015.656866.

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