【优化调度】基于遗传算法求解港口集装箱的最短时间调度优化问题附Matlab代码

文章介绍了使用遗传算法解决港口集装箱调度问题，通过模拟生物进化过程寻找最优装卸顺序，以最小化总调度时间和优先级违反惩罚。实验结果显示了该方法的有效性和性能提升趋势。

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🔥 内容介绍

港口集装箱调度优化问题是一个复杂的组合优化问题，其目标是确定最佳的集装箱装卸顺序，以最小化总调度时间。本文提出了一种基于遗传算法（GA）的优化调度方法，以解决该问题。GA 是一种启发式算法，它模拟生物进化过程来搜索最优解。

问题描述

港口集装箱调度优化问题可以描述为：给定一组集装箱，每个集装箱都有一个装卸时间和一个优先级，确定一个装卸顺序，使得总调度时间最小化，同时满足集装箱的优先级要求。

遗传算法方法

GA是一种基于自然选择和遗传学的启发式算法。它通过以下步骤迭代地搜索最优解：

**初始化：**随机生成一组候选解（染色体）。
**评估：**计算每个染色体的适应度，适应度越高表示解越好。
**选择：**根据适应度选择最优秀的染色体进行交叉和变异。
**交叉：**将两个父染色体的基因片段交换，产生新的子染色体。
**变异：**随机改变子染色体的基因，引入多样性。
**重复：**重复步骤2-5，直到达到终止条件（例如，达到最大迭代次数或找到满足要求的解）。

编码方案

在GA中，集装箱装卸顺序被编码为一个染色体。染色体由一组整数组成，每个整数代表一个集装箱的ID。染色体的长度等于集装箱的数量。

适应度函数

适应度函数用于评估染色体的质量。本研究中使用的适应度函数为：

适应度 = 1 / (总调度时间 + 优先级违反惩罚)

其中，总调度时间是装卸所有集装箱所需的时间，优先级违反惩罚是违反集装箱优先级的惩罚项。

实验结果

该GA方法在不同规模的集装箱调度问题上进行了测试。实验结果表明，该方法能够有效地找到高质量的解，并且随着种群规模和迭代次数的增加，解的质量不断提高。

结论

本文提出了一种基于GA的港口集装箱最短时间调度优化方法。该方法通过模拟生物进化过程，有效地搜索最优解。实验结果表明，该方法能够在合理的时间内找到高质量的解，为港口集装箱调度优化提供了有效的解决方案。

📣 部分代码

function out = randint(varargin)%%%WARNING: This is an obsolete function and may be removed in the future.%         Please use RANDI instead.%%%RANDINT Generate matrix of uniformly distributed random integers.%   OUT = RANDINT generates a "0" or "1" with equal probability.%%   OUT = RANDINT(M) generates an M-by-M matrix of random binary numbers.%   "0" and "1" occur with equal probability.%%   OUT = RANDINT(M,N) generates an M-by-N matrix of random binary numbers.%   "0" and "1" occur with equal probability.%%   OUT = RANDINT(M,N,IRANGE) generates an M-by-N matrix of random integers.%%   IRANGE can be either a scalar or a two-element vector:%   Scalar : If IRANGE is a positive integer, then the output integer%            range is [0, IRANGE-1].  If IRANGE is a negative integer,%            then the output integer range is [IRANGE+1, 0].%   Vector : If IRANGE is a two-element vector, then the output%            integer range is [IRANGE(1), IRANGE(2)].%%   OUT = RANDINT(M,N,IRANGE,STATE) causes RAND to use the generator%   determined by the 'state' method, and initializes the state of that%   generator using the value of STATE.%%   Examples:%       r1 = randint(2,3)                 %       r2 = randint(2,3,4)%       r3 = randint(2,3,-4)              %       r4 = randint(2,3,[-2 2])%%   See also RAND, RANDSRC, RANDERR.%   Copyright 1996-2012 The MathWorks, Inc.warning(message('comm:system:warnobsolete:obsoleteReplace', 'RANDI'));% Basic function setup.error(nargchk(0,4,nargin,'struct'));% --- Placeholder for the signature string.sigStr = '';m = [];n = [];range = [];state = [];% --- Identify string and numeric argumentsfor i=1:nargin   if(i>1)      sigStr(size(sigStr,2)+1) = '/';   end;   % --- Assign the string and numeric flags   if(isnumeric(varargin{i}))      sigStr(size(sigStr,2)+1) = 'n';   else      error(message('comm:randint:InvalidArg'));   end;end;% --- Identify parameter signatures and assign values to variablesswitch sigStr   % --- randint   case ''   % --- randint(m)   case 'n'      m    = varargin{1};  % --- randint(m, n)  case 'n/n'      m    = varargin{1};      n    = varargin{2};  % --- randint(m, n, range)  case 'n/n/n'      m    = varargin{1};      n    = varargin{2};      range = varargin{3};  % --- randint(m, n, range, state)  case 'n/n/n/n'      m    = varargin{1};      n    = varargin{2};      range = varargin{3};      state = varargin{4};   % --- If the parameter list does not match one of these signatures.   otherwise      error(message('comm:randint:InvalidSyntax'));end;if isempty(m)   m = 1;endif isempty(n)   n = m;endif isempty(range)   range = [0, 1];endlen_range = size(range,1) * size(range,2);% Typical error-checking.if all(length(m) > 1) || all(length(n) > 1)   error(message('comm:randint:InvalidMatrixDims'));elseif (floor(m) ~= m) || (floor(n) ~= n) || (~isreal(m)) || (~isreal(n))   error(message('comm:randint:NonIntegerMatrixDims'));elseif (m < 0) || (n < 0)   error(message('comm:randint:NonPositiveMatrixDims'));elseif (~isfinite(m)) || (~isfinite(n))   error(message('comm:randint:NonFiniteMatrixDims'));elseif len_range > 2   error(message('comm:randint:InvalidIrange'));elseif max(max(floor(range) ~= range)) || (~isreal(range)) || all(~isfinite(range))   error(message('comm:randint:NonIntIrange'));end% If the IRANGE is specified as a scalar.if len_range < 2    if range < 0        range = [range+1, 0];    elseif range > 0        range = [0, range-1];    else        range = [0, 0];    % Special case of zero range.    endend% Make sure IRANGE is ordered properly.range = sort(range);% Calculate the range the distance for the random number generator.distance = range(2) - range(1);% Set the initial state if specified.if ~isempty(state)   rand('state', state);end% Generate the random numbers.r = floor(rand(m, n) * (distance+1));% Offset the numbers to the specified value.out = ones(m,n)*range(1);out = out + r;% [EOF] randint.m