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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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🌟 机器学习和深度学习时序、回归、分类、聚类和降维
2.1 bp时序、回归预测和分类
2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类
2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类
2.4 CNN|TCN|GCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类
2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类
2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类
2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类
2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类
2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类
2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类
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2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类
2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类
2.14 PNN脉冲神经网络分类
2.15 模糊小波神经网络预测和分类
2.16 时序、回归预测和分类
2.17 时序、回归预测预测和分类
2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类
2.19 Transform各类组合时序、回归预测预测和分类
方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断
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