2026年SEVC,增强自适应大邻域搜索算法求解带有禁飞区及异构无人机的电动汽车路径规划问题,深度解析+性能实测

目录


1.摘要

针对无人机载重规格固定及受政策禁飞限制问题,本文构建了协同异构无人机与电动车路径规划模型,该模型引入了续航、载重及速度各异多型无人机,并针对禁飞区约束设计了绕路避让策略,使配送方案更贴近实际场景。为提升求解效率,算法采用了一种三层编码结构增强自适应大邻域搜索算法,通过最长绕路移除算子与禁飞区禁忌策略,有效解决了算法易陷入局部最优的问题,增强了全局搜索能力。

2.EVRP-HD-NFZ模型

问题陈述

在EVRP-HD-NFZ问题中,配送网络由配送中心、客户点、充电站及异构无人机机队组成,在多重约束下优化电动汽车与无人机的协同路径最小化总配送耗时。电动汽车从中心出发后,可直接访问客户或作为无人机的移动发射与回收平台,且须实时监测电量并适时前往充电站。针对禁飞区限制,模型引入了时空动态特性:若无人机航线在特定时段内穿过受限区域,必须执行绕路策略;若不在受限时段,则允许直线穿行。

数学模型

EVRP-HD-NFZ模型通过几何计算判定无人机航线与禁飞区在时空维度上的冲突,计算绕路成本以最小化总配送完成时间为目标。

模型判定航线与禁飞区的空间交集,结合时间窗约束,识别是否存在时空重叠。若判定必须绕路,则采用切线避让策略,计算增加飞行弧长:
θ i j h = 2 arccos ⁡ d i j h r h \theta_{ij}^{h} = 2 \arccos \frac{d_{ij}^{h}}{r_{h}} θijh=2arccosrhdijh
a d i j h = r h min ⁡ ( θ i j h , 2 π − θ i j h ) − 2 r h sin ⁡ θ i j h 2 ad_{ij}^{h} = r_{h} \min(\theta_{ij}^{h}, 2\pi - \theta_{ij}^{h}) - 2r_{h} \sin \frac{\theta_{ij}^{h}}{2} adijh=rhmin(θijh,2π−θijh)−2rhsin2θijh

目标最小化所有车辆中最后返回配送中心的时间,即最大完工时间:
min ⁡ f = max ⁡ v ∈ V { T i v } ; ∀ i ∈ N 0 ∖ { 0 } \min f = \max_{v \in V} \{T_i^v\}; \forall i \in N_0 \setminus \{0\} minf=v∈Vmax{Tiv};∀i∈N0∖{0}

3.EALNS算法

增强自适应大邻域搜索算法(EALNS)构建了三层编码方案,将电动汽车路径、无人机分配及绕路决策结合。针对禁飞区带来的路径冗余,算法提出最长绕路移除算子,通过识别并重构高成本飞行区段,显著加速了算法收敛并增强了跳出局部最优的能力。此外,算法引入了基于禁忌搜索逻辑的禁飞区禁忌策略,通过动态限制对特定绕路对象的重复探索,平衡了搜索的广度与深度。

三层编码方案第一层定义电动汽车的配送路径及充电决策;第二层定义异构无人机的起降序列,并依据最短耗时原则匹配机型;第三层记录受禁飞区影响的航段信息。算法通过启发式策略生成初始解,即先利用贪婪插入法构建纯电动车路径,再根据时间节省最大化原则,将符合载荷与续航约束的客户点迁移至无人机配送。

在邻域搜索阶段,算法设计了最长绕路移除算子,专门移除受禁飞区限制导致高额时间成本的无人机航段,其时间复杂度为 O ( ∣ C d e t o u r ∣ log ⁡ ∣ C d e t o u r ∣ ) O(|C_{detour}|\log|C_{detour}|) O(∣Cdetour∣log∣Cdetour∣)。在插入环节,通过贪婪或后悔算子将移除的客户重新分配至成本增加最小的位置。为防止陷入局部最优,算法集成了禁忌搜索(TS)机制,除传统的解禁忌外,算法引入禁飞区禁区,在迭代期内暂缓接受特定绕路方案。

算法采用轮盘赌自适应机制动态调整算子权重,每一周期根据算子贡献度更新其权重:

w i ′ = ( 1 − λ ) w i + λ s i c i w_i^{\prime}=(1-\lambda)w_i+\lambda\frac{s_i}{c_i} wi′=(1−λ)wi+λcisi

4.结果展示

5.参考文献

Chen W, Zhang S, Jiang K. Solving electric vehicle routing problem with heterogeneous drones and no-fly zones using enhanced adaptive large neighborhood search algorithmJ. Swarm and Evolutionary Computation, 2026, 104: 102382.

6.代码获取

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7.算法辅导·应用定制·读者交流

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