三维SDMTSP:遗传算法GA求解三维单仓库多旅行商问题,可以更改数据集和起点(MATLAB代码)
最近在研究三维单仓库多旅行商问题(3D-SDMTSP),这个问题在物流、无人机路径规划等领域都有广泛应用。简单来说,就是有多个旅行商从同一个仓库出发,去访问一系列的三维空间中的点,最终回到仓库。目标是最小化所有旅行商的总路径长度。听起来是不是有点像快递员送货的场景?
为了求解这个问题,我选择了遗传算法(GA),因为它在大规模搜索空间中的表现一直很稳定。当然,MATLAB作为我的主力工具,自然是首选。下面我就来分享一下我的思路和代码。
首先,我们需要定义问题的数据结构。假设我们有N个城市(或者说点),每个城市都有一个三维坐标。我们可以用一个N×3的矩阵来表示这些点的坐标。比如:
matlab
cities = [
0, 0, 0;
1, 2, 3;
4, 5, 6;
7, 8, 9;
% 更多城市...
];
接下来,我们需要定义遗传算法的参数,比如种群大小、迭代次数、交叉概率、变异概率等。这些参数可以根据具体问题调整,没有固定答案。
matlab
popSize = 50; % 种群大小
maxGen = 100; % 最大迭代次数
crossProb = 0.8; % 交叉概率
mutProb = 0.1; % 变异概率
遗传算法的核心是种群进化。我们首先初始化一个随机的种群,每个个体代表一种旅行商的路径分配方案。然后通过选择、交叉、变异等操作,逐步优化种群。
matlab
% 初始化种群
population = initPopulation(popSize, numCities, numSalesmen);
for gen = 1:maxGen
% 计算适应度
fitness = calculateFitness(population, cities);
% 选择
selectedPopulation = selection(population, fitness);
% 交叉
crossedPopulation = crossover(selectedPopulation, crossProb);
% 变异
mutatedPopulation = mutation(crossedPopulation, mutProb);
% 更新种群
population = mutatedPopulation;
end
这里的关键是适应度函数的计算。我们需要计算每个个体的总路径长度,路径越短,适应度越高。为了计算路径长度,我们可以使用欧几里得距离公式:
matlab
function dist = calculateDistance(city1, city2)
dist = sqrt(sum((city1 - city2).^2));
end
在交叉和变异操作中,我们需要确保每个旅行商的路径是有效的,不能有重复的城市。交叉可以采用部分映射交叉(PMX),变异可以采用交换变异。
matlab
function newPopulation = crossover(population, crossProb)
newPopulation = population;
for i = 1:2:popSize
if rand < crossProb
% 选择交叉点
crossPoint = randi([1, numCities]);
% 执行交叉
newPopulation(i, crossPoint:end) = population(i+1, crossPoint:end);
newPopulation(i+1, crossPoint:end) = population(i, crossPoint:end);
end
end
end
function newPopulation = mutation(population, mutProb)
newPopulation = population;
for i = 1:popSize
if rand < mutProb
% 选择两个随机位置进行交换
swapPositions = randperm(numCities, 2);
newPopulation(i, swapPositions) = population(i, fliplr(swapPositions));
end
end
end
经过多次迭代后,种群中的最优个体就是我们想要的最优路径分配方案。我们可以通过可视化工具来展示最终的路径。
matlab
% 获取最优个体
[~, bestIdx] = min(fitness);
bestSolution = population(bestIdx, :);
% 绘制路径
plot3(cities(:,1), cities(:,2), cities(:,3), 'o');
hold on;
for i = 1:numSalesmen
path = bestSolution(i, :);
plot3(cities(path, 1), cities(path, 2), cities(path, 3), '-');
end
hold off;
整个过程虽然看起来复杂,但通过遗传算法,我们能够有效地找到接近最优的解决方案。当然,遗传算法也有它的局限性,比如容易陷入局部最优,但通过调整参数和引入其他优化策略,我们可以进一步提升算法的性能。
如果你对这个问题的具体实现感兴趣,可以尝试修改数据集和起点,看看结果会有什么变化。毕竟,实践是检验真理的唯一标准嘛!
