Hiện nay, một biến thể của VRP, VRP với hạn chế thời gian VRPTW, đợc nghiên cứu và ứng dụng khá nhiều trong thực tế, nh các ứng dụng dọn dẹp đờng phố, định hớng lộ trình xe bus, chuy
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ QUỲNH VINH THUẬT TOÁN DI TRUYỀN SONG SONG GIẢI BÀI TOÁN LỘ TRÌNH VẬN CHUYỂN VỚI HẠN CHẾ VỀ THỜI GIAN (VRPTW) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hà Nội - 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205192201000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *********♦********* NGUYỄN THỊ QUỲNH VINH THUẬT TOÁN DI TRUYỀN SONG SONG GIẢI BÀI TỐN LỘ TRÌNH VẬN CHUYỂN VỚI HẠN CHẾ VỀ THỜI GIAN (VRPTW) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN ĐỨC NGHĨA Hà Nội - 2009 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn: "Thuật toán di truyền song song giải toán lộ trình vận chuyển với hạn chế thời gian (VRPTW)" công trình nghiên cứu riêng dới hớng dẫn PGS.TS Nguyễn Đức Nghĩa Các kết nghiên cứu đợc trình bày luận văn trung thực, chép toàn văn công trình khác Mọi trích dẫn tài liệu tham khảo luận văn đợc rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Quỳnh Vinh Xác nhận giáo viên hớng dẫn mức độ hoàn thành luận văn tốt nghiệp cho phép bảo vệ Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Giáo viên hớng dẫn PGS.TS Nguyễn Đức Nghĩa Tóm tắt Bài toán lộ trình vận chuyển với hạn chế thời gian toán mở rộng toán lộ trình vận chuyển tiếng Sử dụng thuật toán di truyền để giải toán VRPTW đà nhận đợc nhiều quan tâm năm gần Trong VRPTW, đội xe đợc khởi hành từ kho chứa tới phục vụ số khách hàng vị trí khác khung thời gian xác định quay trở kho chứa Luận văn đà đa phơng pháp giải toán VRPTW sư dơng tht to¸n di trun song song Tht to¸n sử dụng chuỗi số nguyên để biểu diễn vị trí khách hàng lộ trình quần thể ban đầu đợc khởi tạo thuật toán chèn heuristic (Push Forard Insertion Heuristic) Bên cạnh đó, luận văn đà trình bày ba mô hình song song cho thuật giải di truyền: Master-Slave, Island Cellular, sử dụng mô hình Master-Slave để giải toán VRPTW Cuối cùng, thuật toán đà đợc thực nghiệm 56 toán chuẩn Solomon đợc so sánh với lời giải tốt theo phơng pháp heuristic Từ khoá: lộ trình vận chuyển, thuật toán di truyền, thuật to¸n di trun song song Abstract The Vehicle Routing Problem with Time Windows is an extensive of the well-known Vehicle Routing Problem (VRP) Using genetic algorithm to solve Vehicle Routing Problem with Time Windows (VRPTW) has received considerable attention in recent years In the VRPTW, a fleet of verhicles set-off from a depot to serve a number of customers at defferent geographic locations with various demands within specific time windows before returning to the depot eventually This thesis proposes an approach for the solving VRPTW using a parallel genetic algorithm The algorithm uses an integer representation in which a string of customer identifiers represents the sequence of deliveries covered by each of the vehicles and the initial population is initialized using Push Forard Insertion Heuristic (PFIH) In addition, the thesis has presented three main parallelization models for genetic algorithms: master-slave, island and cellular, and uses a master-slave model to solve the VRPTW problem At the end, the algorithm has been tested on the VRPTW benchmarks proposed by Solomon, which includes 56 problem instances, and compared with the best known solutions identified by heuristics Keywords: Vehicle routing, Genetic algorithms, Parallel Genetic Algorithms Lời cảm ơn Tôi xin chân thành cám ơn tổ chức, cá nhân đà giúp đỡ mặt nội dung luận văn Sự giúp đỡ đà giúp vợt qua nhiều khó khăn để hoàn thành luận văn nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn: - Viện đào tạo Sau đại học - Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội - Các thầy, cô giáo Viện Công nghệ thông tin Truyền thông, môn Khoa học máy tính toàn thể bạn đồng nghiệp Và đặc biệt, xin chân thành cám ơn thầy giáo, PGS TS Nguyễn Đức Nghĩa ngời đà trực tiếp hớng dẫn cho ý kiến quý báu để có đợc thành hôm Trong khoảng thời gian ngắn, nội dung đợc trình bày luận văn cha đầy đủ thiếu sót Nội dung luận văn đợc tiếp tục nghiên cứu, hy vọng tiếp tục nhận đợc ý kiến đóng góp ngời để luận văn đợc hoàn thiện thời gian tới Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Tác giả luận văn Nguyễn ThÞ Qnh Vinh Mơc lơc Mơc lơc GIíI THIƯU DANH MụC CáC THUậT NGữ DANH MụC HìNH Vẽ bảng 11 Ch¬ng TổNG QUAN Về BàI TOáN VRP 13 1.1 Giíi thiƯu 13 1.2 C¸c biÕn thĨ cđa VRP 16 1.2.1 VRP víi hạn chế trọng tải (CVRP) 16 1.2.2 VRP víi h¹n chÕ vỊ thêi gian (VRPTW) 19 1.2.3 VRP nhập xuất hàng kết hợp (VRPB) 20 1.2.4 VRP nhập xuất hàng đồng thêi (VRPPD) 21 1.3 Bài toán VRP với hạn chế thời gian (VRPTW) 22 1.3.1 Mô hình toán học toán VRPTW 22 1.3.2 C¸c VRPTW më réng 24 Chơng CáC PHƯƠNG PHáP GIảI BàI TOáN VRP 27 2.1 Các thuật toán giải 27 2.1.1 Thuật toán nhánh cËn 27 2.2.2 Thuật toán nhánh cắt 28 2.2 C¸c thuËt to¸n xÊp xØ 29 2.3 C¸c thuËt to¸n heuristic cỉ ®iĨn 29 2.3.1 Heuristic kiÕn thiÕt 30 2.3.2 Heuristic hai giai ®o¹n 33 2.3.3 Heuristic c¶i tiÕn 34 2.4 ThuËt to¸n metaheristic 38 2.4.1 Thuật toán mô luyện kim (Simulated Annealing) 38 2.4.2 Thuật toán tìm kiếm Tabu 41 2.4.3 Tht to¸n di trun (GA) 46 2.4.3.1 Thuật toán di truyền đơn gi¶n 47 2.4.3.2 ứng dụng thuật toán di truyền cho toán xếp chuỗi 48 2.4.3.3 ứng dụng thuật toán di truyền cho toán VRP 49 2.4.4 Thuật toán bầy kiến (AS) 51 2.4.5 Mạng nơron 53 Chơng THUậT TOáN DI TRUYềN 56 3.1 Tỉng quan vỊ tht to¸n di trun 56 3.1.1 C¸c tham sè cđa tht to¸n di truyÒn 56 3.1.2 C¸c to¸n tư di trun 57 3.1.3 Mô hình thuật toán di truyÒn 59 3.2 Các mô hình song song hoá giải thuËt di truyÒn 60 3.2.1 Mô hình Master-slave 61 3.2.2 Mô hình Island 62 3.2.3 Mô hình Cellular 64 Ch¬ng 67 Thuật toán di truyền song song CHO BàI TOáN VRPTW 67 4.1 Giíi thiƯu 67 4.1 M· hãa lêi gi¶i 67 4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu 68 4.3 Chän läc 70 4.3.1 Hµm thÝch nghi (fitness) 70 4.3.2 Chän läc theo b¸nh xe roulette 71 4.4.3 Chän läc c¹nh tranh (tournament) 73 4.5 Lai ghÐp 73 4.5.1 Thao tác lai dựa chuỗi khách hàng (SBX) 74 3.2.4.2 Thao t¸c lai dựa lộ trình (RBX) 76 4.6 §ét biÕn 78 3.2.5.1 §ét biÕn mét møc (1M) 78 3.2.5.2 §ét biÕn hai møc (2M) 79 3.2.5.3 Đột biến dựa tối u hóa cục bé (LSM) 80 4.7 ThuËt to¸n GA song song cho toán VRPTW 80 Chơng CàI ĐặT Và CHạY THựC NGHIệM 83 5.1 Cài đặt hÖ thèng 83 5.1.1 Các kiến trúc lập trình song song 83 5.1.2 Môi trờng cài đặt 84 5.3 D÷ liƯu thùc nghiÖm 85 5.4 KÕt qu¶ thùc nghiƯm 88 KÕT LUËN 97 Tài liệu tham khảo 99 Phô lôc 101 GIíI THIƯU Trong thập niên gần đây, sử dụng gói phần mềm tối u để quản lý hiệu trình cung cấp hàng hóa dịch vụ hệ thống phân phối ngày tăng Phần lớn ứng dụng thực tế đà rằng, máy tính hóa thủ tục cho trình lập kế hoạch phân phối sản phẩm tiết kiệm đợc chi phí đáng kể (thông thêng tõ 5% tíi 20%) toµn bé chi phÝ vận chuyển Dễ dàng thấy tác động khoản tiết kiệm đến chi phí sản xuất sản xuất nói chung giá thành sản phẩm nói riêng không nhỏ Bài toán lộ trình vận chuyển (VRP) đợc đa Danzig Ranser (1959), với ứng dụng phân phối xăng dầu cho nhà ga, đà dành đợc quan tâm lớn nhiều nhà khoa học Đà có hàng trăm mô hình thuật toán khác cho phiên VRP Hiện nay, mét biÕn thĨ cđa VRP, VRP víi h¹n chÕ thời gian (VRPTW), đợc nghiên cứu ứng dụng nhiỊu thùc tÕ, nh c¸c øng dơng dän dĐp đờng phố, định hớng lộ trình xe bus, chuyên chở ngời khuyết tật, lập lịch trình phân phối hàng hoá cho ngời bán hàng Với ý nghĩa thực tiễn toán, chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là: "Thuật toán di truyền song song giải toán lộ trình vận chuyển với hạn chế thời gian (VRPTW)" Nội dung luận văn đợc trình bày nh sau: Chơng 1: "Tổng quan toán lộ trình vận chuyển (VRP)" trình bày khái niệm biến thể toán VRP nói chung toán VRP với hạn chế thời gian (VRPTW) nói riêng, biến thể toán VRP mà đợc nghiên cứu ứng dụng nhiều thực tế Trong đó, tìm hiểu chi tiết mô hình toán học toán mở rộng VRPTW Chơng 2: "Các phơng pháp giải toán VRP" trình bày sơ lợc phơng pháp giải toán VRP bao gồm: phơng pháp giải (thuật toán nhánh cận, thuật toán nhánh cắt) phơng pháp giải gần (thuật toán heuristic cổ điển thuật toán metaheuristic ) Chơng 3: "Thuật toán di truyền" trình bày khái niệm thuật toán di truyền tìm hiểu ba mô hình song song cho thuật toán di truyền: mô hình Masterslave, mô hình Island mô hình Cenllular Chơng 4: "Thuật toán di truyền song song cho toán VRPTW" trình bày thuật toán di truyền cho toán VRPTW áp dụng mô hình master-slave cho thuật toán di truyền giải toán VRPTW Chơng 5: "Cài đặt chạy thực nghiệm" Chơng trình bày kiến trúc hệ thống máy tính đợc sử dụng để cài đặt chơng trình trình bày hệ thống chơng trình đợc chạy thực nghiệm liệu Solomon Đây liệu phổ biến thờng đợc sử dụng cho toán VRP Sau đó, tổng hợp kết đà đạt đợc thực nghiệm thực so sánh kết đạt đợc chơng trình với lời giải đợc biết tốt hiÖn