Nghiên cứu bài toán định tuyến xe, ứng dụng trong tối ưu hóa thu gom rác thải đô thị

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG HỨA MẠNH TUYỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN Hứa Mạnh Tuyển NGHIÊN CỨU BÀI TỐN ĐỊNH TUYẾN XE, ỨNG DỤNG TRONG TỐI ƯU HĨA THU GOM RÁC THẢI ĐÔ THỊ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) 2015 – 2017 Hà Nội - 2016 HÀ NỘI HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Hứa Mạnh Tuyển NGHIÊN CỨU BÀI TỐN ĐỊNH TUYẾN XE, ỨNG DỤNG TRONG TỐI ƯU HĨA THU GOM RÁC THẢI ĐÔ THỊ Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN TRỌNG KHÁNH Hà Nội - 2016 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu toán định tuyến xe ứng dụng tối ưu hóa thu gom rác thải thị” lời xin gửi cám ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Trọng Khánh hướng dẫn bảo tơi tận tình suốt thời gian làm khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, thầy cô giáo Trường Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, giảng viên truyền đạt cho kiến thức, kỹ năng, tạo điều kiện giúp đỡ, động viên, chia sẻ để tơi hồn thành luận văn Ngồi tơi xin cảm ơn chương trình hỗ trợ đề tài nghiên cứu khoa học Dự án hợp tác Đại học thể chế Học viện Nông nghiệp Việt Nam Hội đồng liên đại học Pháp ngữ vương quốc Bỉ hỗ trợ thực luận văn Bản luận văn chắn cịn nhiều thiết sót, mong thầy cô giáo hội đồng chấm luận văn xem xét, góp ý kiến để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, tháng 2016 HỌC VIÊN Hứa Mạnh Tuyển năm LỜI CAM ĐOAN Với mục đích học tập, nghiên cứu để nâng cao trình độ chun mơn nên tơi làm luận văn cách nghiêm túc hoàn tồn trung thực Trong luận văn, tơi có sử dụng tài liệu tham khảo số tác giả, nêu phần tài liệu tham khảo cuối luận văn Tôi xin cam đoan chịu trách nhiệm nội dung, trung thực luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Hà nội, tháng 2016 HỌC VIÊN Hứa Mạnh Tuyển năm MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN XE 1.1 Tổng quan lĩnh vực tối ưu hóa tổng hợp 1.2 Bài toán định tuyến xe số biến thể 1.3 Một số giải thuật áp dụng cho toán VRP 12 1.3.1 Giải thuật láng giềng gần 13 1.3.2 Giải thuật tìm kiếm cục 16 1.3.3 Giải thuật tối ưu hóa đàn kiến ACO 18 1.4 Kết luận 29 CHƯƠNG ĐỊNH TUYẾN XE TRONG TỐI ƯU HÓA THU GOM RÁC THẢI ĐÔ THỊ 30 2.1 Phát biểu toán 30 2.2 Hàm mục tiêu 33 2.3 Đề xuất giải pháp 34 2.3.1 Giải thuật 35 2.3.2 Thực nghiệm mơ hình đa tác tử 42 2.4 Kết luận 44 CHƯƠNG TỐI ƯU HÓA THU GOM RÁC THẢI THÀNH PHỐ HÀ GIANG 45 3.1 Hệ thống thu gom rác thải Thành phố Hà Giang 46 3.2 Tối ưu hóa thu gom rác thải thành phố Hà Giang .50 3.2.1 Lộ trình tối ưu 52 3.2.2 Thí nghiệm với mơ hình đa tác tử 52 3.2.3 Kết đánh giá 53 3.3 Mơ hình hệ thống tối ưu thu gom rác thải mở rộng 57 3.4 Kết luận 61 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC LUẬN VĂN 68 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng A ABM Agent B ACO Ant Col AS Ant Sys CSDL CSP Coverin CVRP Capacit DVRP GCSP GEO GIS GTSP MST Time- o VRPs General Salesma Geograp Geograp System General Salesma Minimu Problem OVRP Open V S-ACO Simple SVRP Split V TSP Travelin VRP Vehicle DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Giải thuật định tuyến Bảng 2.2 Giải thuật tối ưu hóa đàn kiến ACO Bảng 2.3 Giải thuật tính tổng xác suất Bảng 2.4 Giải thuật tính tốn xác suất lựa chọn Bảng 2.5 Giải thuật tính tốn tỉ lệ phụ thuộc mùi khoảng cách Bảng 2.6 Giải thuật cập nhật lại mùi kiến cung đường Bảng 3.1 Lộ trình thực tế thể tích rác ca sáng Bảng 3.2 Lộ trình thực tế thể tích rác ca chiều DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ví dụ tốn người bán hàng bao trùm CSP Hình 1.2 Ví dụ thực thi giải thuật láng giềng gần cho tốn người bán hàng Hình 1.3 (a) Ví dụ trạng thái tốn người bán hàng (b) Một số láng giềng sinh sau thay đổi cung Hình 1.4 Thí nghiệm cầu đơi (a) Hai nhánh có kích thước nhau, (b) Một nhánh có kích thước gấp đơi nhánh Hình 1.5 Thí nghiệm cầu đơi mở rộng Hình 1.6 Đồ thị tương ứng với mơ hình thí nghiệm cầu đơi Hình 1.7 Các kiến xây dựng giải pháp để tìm đường từ tổ (nút nguồn) đến nguồn thức ăn (nút đích) đồ thị Hình 2.1 Quá trình thu gom vận chuyển rác thải thị Hình 2.2 Mơ hình tính tốn đề xuất Hình 3.1 Q trình thu gom rác thải thành phố Hà Giang Hình 3.2 Bản đồ số điểm tập kết rác bãi rác thành phố Hà Giang Hình 3.3 Áp dụng mơ hình thành phố Hà Giang Hình 3.4 Mơ hình mơ dựa tác tử Hình 3.5 Thử nghiệm lộ trình tối ưu tính tốn Hình 3.6 Mơ hệ thống hỗ trợ quản lý thu gom vận chuyển rác thải mở rộng 59 62 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong phạm vi luận văn thực nghiên cứu toán định tuyến xe VRP số biến thể OVRP, DVRP Thực tìm hiểu số giải thuật áp dụng cho toán định tuyến xe VRP giải thuật tối ưu hóa đàn kiến, giải thuật tìm kiếm cục bộ, giải thuật hàng xóm gần Luận văn thực nghiên cứu toán định tuyến xe áp dụng lĩnh vực tối ưu hóa thu gom vận chuyển rác thải rắn đô thị với số phương pháp tối ưu giới thiệu chiến lược tối ưu hóa đàn kiến, sử dụng giải thuật di truyền, lập trình nhị phân,… Từ nghiên cứu đó, nêu lên hàm mục tiêu toán đề xuất giải thuật cho toán tối ưu hóa thu gom rác thải thị Luận văn khảo sát mơ hình thu gom rác thải truyền thống, đề xuất giải pháp định tuyến xe ép rác phù hợp với số liệu thực tế TP Hà Giang Phương pháp đề xuất phân tích đánh giá cách so sánh, thực tập liệu thực tế TP Hà Giang, so sánh số liệu phương pháp thu gom rác truyền thống số liệu thu từ mô hình mơ thử nghiệm lộ trình tối ưu Ngồi ra, kết luận văn công bố hội nghị SoICT năm 2016 TP Hồ Chí Minh phát hành thư viện số ACM (http://dl.acm.org/) 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Barbucha, D., P Jedrzejowicz, An Agent-Based Approach to Vehicle Routing Problem, International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, vol nr pp 538 543, 2007 [2] Sindhya K.Nambiar and Dr Sumam Mary Idicula, A Multi-Agent Vehicle Routing System for Garbage Collection, International Conference on Advanced Computing (ICoAC), 2013 Fifth [3] Asvin Goel and Volker Gruhn Solving a Dynamic Real-Life Vehicle Routing Problem, Operations Research Proceedings 2005 [4] R Montemanni et aI., Ant colony system for a dynamic vehicle routing problem, Journal of Combinatorial Optimization,vol 10,pp:327{343, 2005 [5] Manh Hung Nguyen, Manh Son Nguyen, Tuong Vinh Ho, Thi Ha Phan, Van Anh Trinh, Dynamic Path Optimization in Traffic Routing, [6] B.E Gillett, L.R Miller, A heuristic algorithm for the vehicle dispatch problem, Operations Research 22, pp 240-349, 1974 [7] G B Dantzig and R.H Ramser, The truck dispatching problem, Management Science, vol 6, pp 809 1, October 1959 [8] Golden, B., Naji-Azimi, Z., Raghavan, S., Salari, M., Toth, P., 2012 The generalized covering salesman problem INFORMS J Comput 24, 534–553 doi:10.1287/ijoc.1110.0480 [9] Toro, E., Escobar, A., Granada, M., 2016 Literature Review on the Vehicle Routing Problem in the Green Transportation Context Luna Azul 42, 362– 387 doi:10.17151/luaz.2016.42.21 [10] Salari, M., 2010 Formulations and Algorithms for Routing Problems DEGLI STUDI DI BOLOGNA Dottorato [11] Archetti, C., Speranza, M.G., 2004 Vehicle routing in the 1-skip collection problem J Oper Res Soc 55, 717–727 doi:10.1057/palgrave.jors.2601743 [12] Buenrostro-Delgado, O., Ortega-Rodriguez, J.M., Clemitshaw, González-Razo, C., Hernández-Paniagua, I.Y., 2015 Use of genetic K.C., 64 algorithms to improve the solid waste collection service in an urban area Waste Manag 41, 20–7 doi:10.1016/j.wasman.2015.03.026 [13] Chatzouridis, C., Komilis, D., 2012 A methodology to optimally site and design municipal solid waste transfer stations using binary programming Resour Conserv Recycl 60, 89–98 doi:10.1016/j.resconrec.2011.12.004 [14] Das, S., Bhattacharyya, B.K., 2015 Optimization of municipal solid waste collection and transportation routes Waste Manag 43, 9–18 doi:10.1016/j.wasman.2015.06.033 [15] Karadimas, N V., Kouzas, G., Anagnostopoulos, I., Loumos, V., 2005 Urban solid waste collection and routing: The ant colony strategic approach Int J Simul Syst Sci Technol 6, 45–53 [16] Marco Dorigo and Thomas Stützle, Ant Conoly Optimization, A Bradford Book, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, 2004 [17] Marco Dorigo and ThomasStützle, The Ant Colony Optimization Metaheuristic: Algorithms, applications and Advances, Technical Report IRIDIA/2000-32, IRRIDIA, Université Libre de Bruxelles, Belgium, 2000 [18] Marco Dorigo, Mauro Birattari, and Thomas Stützle, Ant Conoly Optimization, IEEE COMPUTATIONAL INTELLIGENCE MAGAZINE, 11/2006 [19] Dinh Quang Huy; Do Duc Dong; and Hoang Xuan Huan, Multi-level ant system - a new approach through the new pheromone update for ant colony optimization The IEEE international conference on Research, Innovation and Vision for the Future (RIVF), 2006 [20] Thomas Stützle and Holger H Hoos, Max - Min Ant System, Technical Report IRIDIA/ Furure Generation Computer System 16, 2000, 889 - 914 [21] A Malakahmad, P M Bakri, M R M Mokhtar, and N Khalil, “Solid waste collection routes optimization via fGISg techniques in ipoh city, malaysia,” Procedia Engineering, vol 77, pp 20 – 27, 2014, fourth International Symposium on Infrastructure Engineering in Developing Countries, fIEDCg 2013 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705814010005 65 [22] T Ebistu and A Minale, “Solid waste dumping site suitability analysis using geographic information system (GIS) and remote sensing for Bahir Dar Town, North Western Ethiopia,” African Journal of Environmental Science and , vol 7, no November, pp 976–989, 2013 [Online] Available: http://www.ajol.info/index.php/ajest/article/view/95935 [23] K B Hareesh, N T Manjunath, and D P Nagarajappa, “Route optimization model for municipal solid waste management by decentralized system in davangere city hareesh,” International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2015 [24] S Das and B K Bhattacharyya, “Optimization of municipal solid waste collection and transportation routes,” Waste Management, vol 43, pp – 18, 2015 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956053X15004432 [25] H Haghshenas, M Vaziri, and A Gholamialam, “Evaluation of sustainable policy in urban transportation using system dynamics and world cities data: A case study in isfahan,” Cities, vol 45, pp 104 – 115, 2015 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264275114001735 [26] O Buenrostro-Delgado, J M Ortega-Rodriguez, K C Clemitshaw, C Gonzlez-Razo, and I Y Hernndez-Paniagua, “Use of genetic algorithms to improve the solid waste collection service in an urban area,” Waste Management, vol 41, pp 20 – 27, 2015 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956053X15002202 [27] M Mes, M Schutten, and A P Rivera, “Inventory routing for dynamic waste collection,” Waste Management, vol 34, no 9, pp 1564 – 1576, 2014 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956053X14002116 [28] S K Nambiar and S M Idicula, “A multi-agent vehicle routing system for garbage collection,” in Advanced Computing (ICoAC), 2013 Fifth International Conference on, Dec 2013, pp 72–76 66 [29] N V Karadimas, G Rigopoulos, and N Bardis, “Coupling multiagent simulation and gis: An application in waste management,” in Proceedings of the 10th WSEAS International Conference on Systems, ser ICS’06 Stevens Point, Wisconsin, USA: World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS), 2006, pp 656–660 [Online] Available: http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1984211.1984335 [30] S.-H Huang and P.-C Lin, “Vehicle routingscheduling for municipal waste collection system under the keep trash off the ground policy,” Omega, vol 55, pp 24 – 37, 2015 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0305048315000353 [31] M H Nguyen, M S Nguyen, T.-V Ho, T H Phan, and V A T Thi, “Dynamic Path Optimization in Traffic Routing,” Asian Simulation and Modeling, Mahidol University, p 4351, 2013 [32] M H Nguyen, T V Ho, T K Nguyen, and M D Do, “Modeling and simulation of the effects of landslide on circulation of transports on the mountain roads,” International Journal of Advanced Computer Science and Applications(IJACSA), vol 6, no 8, 2015 [33] F Li, B Golden, and E Wasil, “The open vehicle routing problem: Algorithms, large-scale test problems, and computational results,” Computers & Operations Research, vol 34, no 10, pp 2918 – 2930, 2007 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0305054805003515 [34] G Laporte, “The vehicle routing problem: An overview of exact and approximate algorithms,” European Journal of Operational Research, vol 59, no 3, pp 345 – 358, 1992 [Online] Available: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/037722179290192C [35] M of Natural Resources and Environment, “Report of environmental situation in vietnam, chapter 6: Solid waste,” Ministry of Natural Resources and Environment, Tech Rep., 2010 67 [36] Y Thanh, N.P.and Matsui, “Municipal solid waste management in vietnam: Status and the strategic actions,” International Journal of Environmental Research, vol 5, no 2, pp 285–296, 2011 [37] Dữ liệu thực nghiệm chương trình hỗ trợ đề tài nghiên cứu khoa học Dự án hợp tác Đại học thể chế Học viện Nông nghiệp Việt Nam Hội đồng liên đại học Pháp ngữ vương quốc Bỉ 68 PHỤ LỤC LUẬN VĂN Phụ lục Bảng phân tích vai trị, ý nghĩa, mức độ ảnh hưởng tham số Phụ lục Danh sách điểm tập kết rác tọa độ Phụ lục Ma trận khoảng cách điểm tập kết rác: Phụ lục Bài báo công bố hội nghị SoICT năm 2016 TP Hồ Chí Minh phát hành thư viện số ACM (http://dl.acm.org/) 69 Phụ lục Bảng phân tích vai trị, ý nghĩa, mức độ ảnh hưởng tham số STT Tên tham số locations: vị trí điểm tập kết rác thành phố locationsVolume: thể tích rác tải điểm tập kết rác thải numberOfVehicle: số lượng phương tiện tham gia thu gom rác thải D: ma trận khoảng cụm 70 M: ma trận chất dịch pheremone numAnt:số lượng kiến N: Số lượng vòng lặp chạy giải thuật R: Danh sách thành phố chưa qua Phụ lục Bảng phân tích vai trị, ý nghĩa, mức độ ảnh hưởng tham số Phụ lục Danh sách điểm tập kết rác tọa độ Mã điểm tập kết Tên điểm tập Sau sở điện Kiểm Lâm Cổng tỉnh ủ Cầu Gạc di Ngõ 39 tổ Ao Lâm nghiệ Hà Yên Cầu km3 Cây xăng Hà Y 10 Chợ Cầu Trắn 11 Sư phạm 12 Cầu Mè 13 Đường 19/5 14 15 Trường Hồn Quân Bãi Quất 16 Nhà Văn Hóa t 17 Quyết Thắn 18 Cầu Độc Lập 19 Thái hà 20 Cầu 3/2 21 HIV 22 Cửa Phật 23 Vường Ươm 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Phụ lục Danh sách điểm tập kết rác tọa độ 73 Phụ lục Ma trận khoảng cách điểm tập kết rác 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 3415 3460 3551 4354 2870 4091 3415 304 412 1215 545 1480 3460 304 716 1519 590 1649 3551 412 929 802 892 1560 4354 1215 8127 802 1695 2363 2870 545 590 892 1695 1221 4091 1480 844 1560 2363 1221 5108 2579 1670 2991 3189 2652 826 5340 3143 2507 3223 4026 2884 1663 4040 1922 1286 2003 2806 1664 442 2705 1284 1328 1920 2723 1052 1960 3362 2441 2486 2577 3380 1896 2491 4295 3375 3419 3511 4314 3143 3425 2882 1961 2005 2097 2900 2468 1651 4156 4097 4141 4233 5036 3551 4773 5655 5327 5640 5731 5477 5095 6271 6009 5950 5994 5985 4881 5404 6626 7309 7084 7294 6671 5895 6704 7925 6799 6574 6784 6489 5385 6540 7415 7661 7436 7646 7023 6221 16763 8278 6902 5558 6075 6257 4369 5916 7511 7476 4603 4907 4519 3388 5083 6557 927 2536 2581 2672 3475 2304 3212 1771 2033 1688 1780 2582 1098 2708 74 25 26 27 29 29 30 31 32 33 34 3824 3765 3809 3901 4704 3219 4441 3284 3018 3062 3154 3956 2786 3693 3232 3338 3382 3474 4277 2792 4013 3526 3232 3277 3368 4171 3000 3908 606 2809 2854 2945 3748 2577 3485 1812 3421 3465 3557 4360 3189 4096 6522 5602 5646 5738 6540 5370 5651 3058 3079 3124 3215 4018 2534 3755 6834 5490 5794 5405 4301 5970 7444 2174 1738 1782 1874 2677 1192 2414 (đơn vị tính m – mét) Phụ lục Ma trận khoảng cách điểm tập kết rác 75 PHỤ LỤC LUẬN VĂN Phụ lục Bài báo công bố hội nghị SoICT năm 2016 TP Hồ Chí Minh phát hành thư viện số ACM (http://dl.acm.org/) ... tài ? ?Nghiên cứu tốn định tuyến xe, ứng dụng tối ưu hóa thu gom rác thải đô thị? ?? Luận văn tập trung nghiên cứu toán định tuyến xe, biến thể chúng Để từ áp dụng cho tốn thu gom rác thải rắn thị, ... mục tiêu toán định tuyến xe tối ưu hóa thu gom rác thải thị Thực đề xuất giải pháp, ứng dụng giải thu? ??t tối ưu hóa đàn kiến ACO vào toán định tuyến xe tối ưu hóa thu gom rác thải rắn thị Trên...HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Hứa Mạnh Tuyển NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN XE, ỨNG DỤNG TRONG TỐI ƯU HĨA THU GOM RÁC THẢI ĐƠ THỊ Chuyên ngành: Hệ thống