ArcGIS入门教程（14）——多条件路径规划分析

Posted 2023-04-21

参考技术A 通过本次实验，熟悉 ArcGIS 栅格数据距离制图、表面分析、成本权重距离、数据重分类、最短路径的空间分析功能，并理解其原理；熟练掌握使用 ArcGIS 空间分析工具，分析和解决类似最佳路径规划的实际应用问题。

Suit.tif：学校选址适宜性分析数据；Roads.shp：部分道路数据；Destination .shp：路径源点数据；Landuse.tif ：土地利用数据；Elevation.tif：高程数据。

打开实验数据“Data.mxd”地图文档，打开【环境设置】窗口，设置本次实验的“工作空间”“输出范围”“栅格分析”等环境变量进行设置。

添加【绘图】工具条。使用【书签】定位，使用绘图工具中绘制面工具绘制一个新学校的位置。

导出为shp文件，使用绘图工具中【将绘图转化为要素】工具

使用【坡度】工具，对数据“Elevation.tif”进行坡度提取，结果如下。

使用重分类工具对提取的坡度值进行重分类，相等间距分成10类。结果如下

使用重分类工具，对“Landuse.tif”图层进行重分类，结果如下图。

重分类结果如下图所示。

使用【栅格计算器】路径规划的总成本结果如下图所示。

使用【距离分析】中的【成本回溯链接】工具创建方向数据，结果如下图所示。

使用【成本路径】工具对数据“Destination”进行成本路径分析。

使用工具【表面分析】中的【山体阴影】工具对图层“Elevation.tif”图层创建山体阴影。

对数据图层进行相应的分类，进行合适结果显示。

在本实验中，通过实验操作，熟悉 ArcGIS 栅格数据距离制图、表面分析、成本权重距离、数据重分类、最短路径的空间分析功能，并理解其原理；熟练掌握使用 ArcGIS 空间分析工具，分析和解决类似最佳路径规划的实际应用问题。然而距离制图、表面分析等功能强大，工具繁多，本试验中只是涉及到了其中的部分工具的使用，因此，在课后的学习中需要参考资料练习其他分析工具的使用和理解工具的原理。

配送路径规划基于matlab遗传算法求解单配送中心多客户多车辆最短路径规划问题含Matlab源码 1602期

一、VRP简介

1 VRP基本原理
车辆路径规划问题(Vehicle Routing Problem，VRP)是运筹学里重要的研究问题之一。VRP关注有一个供货商与K个销售点的路径规划的情况，可以简述为：对一系列发货点和收货点，组织调用一定的车辆，安排适当的行车路线，使车辆有序地通过它们，在满足指定的约束条件下（例如：货物的需求量与发货量，交发货时间，车辆容量限制，行驶里程限制，行驶时间限制等），力争实现一定的目标（如车辆空驶总里程最短，运输总费用最低，车辆按一定时间到达，使用的车辆数最小等）。
VRP的图例如下所示：

2 问题属性与常见问题
车辆路径问题的特性比较复杂，总的来说包含四个方面的属性：
（1）地址特性包括：车场数目、需求类型、作业要求。
（2）车辆特性包括：车辆数量、载重量约束、可运载品种约束、运行路线约束、工作时间约束。
（3）问题的其他特性。
（4）目标函数可能是总成本极小化，或者极小化最大作业成本，或者最大化准时作业。

3 常见问题有以下几类：
（1）旅行商问题
（2）带容量约束的车辆路线问题(CVRP)



该模型很难拓展到VRP的其他场景,并且不知道具体车辆的执行路径，因此对其模型继续改进。



（3）带时间窗的车辆路线问题
由于VRP问题的持续发展，考虑需求点对于车辆到达的时间有所要求之下，在车辆途程问题之中加入时窗的限制，便成为带时间窗车辆路径问题（VRP with Time Windows, VRPTW）。带时间窗车辆路径问题（VRPTW）是在VRP上加上了客户的被访问的时间窗约束。在VRPTW问题中，除了行驶成本之外, 成本函数还要包括由于早到某个客户而引起的等待时间和客户需要的服务时间。在VRPTW中，车辆除了要满足VRP问题的限制之外，还必须要满足需求点的时窗限制，而需求点的时窗限制可以分为两种，一种是硬时窗（Hard Time Window），硬时窗要求车辆必须要在时窗内到达，早到必须等待，而迟到则拒收；另一种是软时窗（Soft Time Window），不一定要在时窗内到达，但是在时窗之外到达必须要处罚，以处罚替代等待与拒收是软时窗与硬时窗最大的不同。


模型2(参考2017 A generalized formulation for vehicle routing problems)：
该模型为2维决策变量



（4）收集和分发问题
（5）多车场车辆路线问题
参考(2005 lim，多车场车辆路径问题的遗传算法_邹彤, 1996 renaud)

由于车辆是同质的，这里的建模在变量中没有加入车辆的维度。


（6）优先约束车辆路线问题
（7）相容性约束车辆路线问题
（8）随机需求车辆路线问题

4 解决方案
（1）数学解析法
（2）人机交互法
（3）先分组再排路线法
（4）先排路线再分组法
（5）节省或插入法
（6）改善或交换法
（7）数学规划近似法
（8）启发式算法

5 VRP与VRPTW对比

二、遗传算法简介

1 引言


2 遗传算法理论
2.1 遗传算法的生物学基础


2.2 遗传算法的理论基础




2.3 遗传算法的基本概念






2.4 标准的遗传算法


2.5 遗传算法的特点


2.6 遗传算法的改进方向

3 遗传算法流程



4 关键参数说明

三、部分源代码

clc; clear;

precision = 8;                      % binary string length
ngenerations = 100;                 % number of iterations
npop = 40;                          % population size

emp.gene = [];emp.x1=[];emp.x2=[];emp.fit=[];
optimized_path = repmat(emp,10,1);
perfect_path = repmat(emp,1,1);
perfect_path.fit = Inf;

% run the algorithm 50 times
for i = 1:50
    [optimized_path(i)] = GA(precision, ngenerations, npop);
    % if NOT satisfy the meaning , unvalid generation
    weight1 = cal_weight(optimized_path(i).x1);
    weight2 = cal_weight(optimized_path(i).x2);
    if (weight1 ~= 0) && (weight2 ~= 0) && (weight1 <= 8) && (weight2 <= 8) ...
            && (optimized_path(i).fit < perfect_path.fit)
        perfect_path = optimized_path(i);
    end
end

% print the results
path1 = perfect_path.x1;
fprintf('小车1的行走路线为：');
for i = 1 : size(path1, 2)
    if i > 1 && i <= size(path1, 2)
        fprintf(' -> ');
    end
    fprintf('%d', path1(i));
end
fprintf('\\n');
path2 = perfect_path.x2;
fprintf('小车2的行走路线为：');
for i = 1 : size(path2, 2)
    if i > 1 && i <= size(path2, 2)
        fprintf(' -> ');
    end    
    fprintf('%d', path2(i));
end
fprintf('\\n两辆车行驶的总距离为： %.2f km \\n', perfect_path.fit);
function [child1, child2] = crossover(parent1, parent2, pc, stringlength, road)
    if (rand<pc)
        % determine site for single point crossover
        cpoint = randi([1 stringlength]);
        % perform crossover
        child1.gene = [parent1.gene(:,1:cpoint) parent2.gene(:,cpoint+1:stringlength)];
        child2.gene = [parent2.gene(:,1:cpoint) parent1.gene(:,cpoint+1:stringlength)];
        child1.gene = Unique(child1.gene,1:cpoint);
        child2.gene = Unique(child2.gene,1:cpoint);
        
        % update value of x after crossover in the variable child.xx
        path = (child1.gene==road.src | child1.gene==road.dest);  % variable child1
        index  = find(path, 8);
        % record path
        path1 = []; path2 = [];
        for subindex = 1:stringlength
            if subindex<=index(2) && subindex>=index(1)
                [path1] = [path1 child1.gene(subindex)];
            else
                [path2] = [path2 child1.gene(subindex)];
            end
        end
        child1.x1 = [0 path1 0]; % recording
        child1.x2 = [0 path2 0];
        path = (child2.gene==road.src | child2.gene==road.dest); % variable child2
        index  = find(path, 8);
        % record path
        path1 = []; path2 = [];
        for subindex = 1:stringlength
            if subindex<=index(2) && subindex>=index(1)
                [path1] = [path1 child2.gene(subindex)];
            else
                [path2] = [path2 child2.gene(subindex)];
            end
        end
        child2.x1 = [0 path1 0];
        child2.x2 = [0 path2 0];
        
        % update function value and store in the variable child.fit
        size1 = size(child1.x1,2);
        size2 = size(child1.x2,2);
        distance1 = 0; distance2 = 0;
        for s1_1 = 1:(size1-1)
            s1_2 = s1_1+1;
            distance1 = distance1 + cal_distance(child1.x1(s1_1), child1.x1(s1_2));
        end
        for s2_1 = 1:(size2-1)
            s2_2 = s2_1+1;
            distance2 = distance2 + cal_distance(child1.x2(s2_1), child1.x2(s2_2));
        end
        child1.fit = distance1+distance2;
        size1 = size(child2.x1,2);
        size2 = size(child2.x2,2);
        distance1 = 0; distance2 = 0;
        for s1_1 = 1:(size1-1)
            s1_2 = s1_1+1;
            distance1 = distance1 + cal_distance(child2.x1(s1_1), child2.x1(s1_2));
        end
        for s2_1 = 1:(size2-1)
            s2_2 = s2_1+1;
            distance2 = distance2 + cal_distance(child2.x2(s2_1), child2.x2(s2_2));
        end
        child2.fit = distance1+distance2;
    else
        child1 = parent1;
        child2 = parent1;
    end
end

四、运行结果

五、matlab版本及参考文献

1 matlab版本
2014a

2 参考文献
[1] 包子阳,余继周,杨杉.智能优化算法及其MATLAB实例（第2版）[M].电子工业出版社，2016.
[2]张岩,吴水根.MATLAB优化算法源代码[M].清华大学出版社，2017.