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基于多目标蚁群算法的共享单车调度优化方法

薛晴婉 瞿麦青 彭怀军 姚运梅 郭伟伟 谭墍元 王云

薛晴婉, 瞿麦青, 彭怀军, 姚运梅, 郭伟伟, 谭墍元, 王云. 基于多目标蚁群算法的共享单车调度优化方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 124-135. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.013
引用本文: 薛晴婉, 瞿麦青, 彭怀军, 姚运梅, 郭伟伟, 谭墍元, 王云. 基于多目标蚁群算法的共享单车调度优化方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(2): 124-135. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.013
XUE Qingwan, QU Maiqing, PENG Huaijun, YAO Yunmei, GUO Weiwei, TAN Jiyuan, WANG Yun. A Scheduling Optimization Method of Shared Bicycles Based on a Multi-objective Ant Colony Algorithm[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 124-135. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.013
Citation: XUE Qingwan, QU Maiqing, PENG Huaijun, YAO Yunmei, GUO Weiwei, TAN Jiyuan, WANG Yun. A Scheduling Optimization Method of Shared Bicycles Based on a Multi-objective Ant Colony Algorithm[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(2): 124-135. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.013

基于多目标蚁群算法的共享单车调度优化方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.02.013
基金项目: 

国家自然科学基金项目 72371020

北京市教委科技一般项目 KM202310009009

北京京投卓越科技发展有限公司科研课题 BIITT-2022-09

详细信息
    作者简介:

    薛晴婉(1991—),博士,讲师. 研究方向:交通规划、交通安全. E-mail:qwxue@ncut.edu.cn

    通讯作者:

    王云(1991—),博士,副教授. 研究方向:公共交通规划、运筹优化. E-mail:wang.yun@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: U121

A Scheduling Optimization Method of Shared Bicycles Based on a Multi-objective Ant Colony Algorithm

  • 摘要: 共享单车作为公共交通接驳、“最后一公里”出行的重要交通工具,存在供需时空不匹配的问题,需要利用调度车实现共享单车的再平衡。针对部分现有共享单车调度方法存在的优化目标单一、调度点只能被访问1次、未考虑连续调度衔接等问题,建立了以总需求不满足度最小和调度成本最小为目标的多目标优化模型。该模型考虑高峰小时调度点需求远大于调度车容量的情况,允许多辆调度车多时段连续调度,且允许调度车重复访问调度点。设计了多目标蚁群算法进行求解,引入非支配排序方法,将解集划分为不同的非支配层级,取最高层级的解,形成1组同时考虑2个目标的Pareto最优解。该算法引入了最大-最小蚂蚁系统,改进了状态转移概率规则和信息素更新规则,使其能够适用于求解多目标优化问题。算例结果表明,该模型能够在保证较低调度成本的同时,减少需求损失,算例调度后的总需求不满足度由不进行调度时的26.48%降低到17.86%。将不同算例规模下多目标蚁群算法与贪心算法求解结果进行比较,多目标蚁群算法在多时段连续调度问题上具有优势,能够统筹安排每辆调度车在每个调度周期的行驶路径和在各调度点的到达时间和共享单车装卸数量。多目标蚁群算法所求得的解的质量优于贪心算法,较大规模算例求解得到的调度成本和总需求不满足度比贪心算法分别降低了62%和23%。

     

  • 图  1  共享单车调度示意图

    Figure  1.  Shared bicycles scheduling schematic diagram

    图  2  多目标蚁群算法流程图

    Figure  2.  Diagram chart of multi-objective ant colony algorithm

    图  3  调度点位置分布

    Figure  3.  Scheduling center location distribution

    图  4  不同α的Pareto最优前沿

    Figure  4.  Pareto optimal front of different α

    图  5  不同β的Pareto最优前沿

    Figure  5.  Pareto optimal front of different β

    图  6  不同ρ的Pareto最优前沿

    Figure  6.  Pareto optimal front of different ρ

    图  7  不同种群数量p的Pareto最优前沿

    Figure  7.  Pareto optimal front of different p

    图  8  不同种群数量p的迭代收敛曲线

    Figure  8.  Iterative convergence curve of different p

    图  9  调度车容量敏感性分析

    Figure  9.  Sensitivity analysis of scheduling vehicle capacity

    图  10  单位距离成本敏感性分析

    Figure  10.  Sensitivity analysis of unit distance cost

    图  11  调度车数量敏感性分析

    Figure  11.  Sensitivity analysis of scheduling vehicle quantity

    图  12  Pareto最优前沿

    Figure  12.  Pareto optimal front

    图  13  迭代收敛曲线

    Figure  13.  Iterative convergence curve

    图  14  Iterative convergence curve

    Figure  14.  The scheduling route of the scheduling vehicles in each cycle

    表  1  相关文献对比

    Table  1.   Comparison of relevant literature

    研究者 静态/动态调度 目标函数 求解算法 是否是多目标优化 是否允许多次访问调度点 多时段调度
    Raviv等[3] 静态 总调度成本最小、总惩罚成本最小 启发式算法
    Erdoğan[4] 静态 路线总成本最小 分离算法
    蒋塬锐等[5] 静态 调度总成本最小 遗传算法
    关宏志等[6] 静态 调度时间成本最小 求解器
    于德新[14] 静态 成本最小、投放率最高 改进遗传算法
    曾琼燕等[9] 动态 总利润最大 模拟退火算法
    Zhang[10] 动态 车辆出行成本最小、用户不满足度最小 启发式算法
    Hu等[11] 动态 整体满意度利润最小、再平衡成本最小 MOEA/D
    汪慎文等[19] 动态 调度量最大 改进蚁群算法
    本文 动态 调度成本最小、总需求不满足度最小 多目标蚁群算法
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    表  2  模型符号含义

    Table  2.   Model symbolic meaning

    符号 含义
    集合 V 调度点集合
    K 调度车集合
    索引 i 调度点索引,iV
    j 调度点索引,jV
    k 调度车索引,kK
    t 调度周期索引,将调度计划期划分为m个调度周期,t = 1,2,…,m
    参数 T 调度周期的时间长度
    C 调度车容量
    lij 从调度点i到调度点j的距离
    Ii(t) 调度点i在周期t的骑入量
    Oi(t) 调度点i在周期t的需求满足量
    v 车辆速度
    g 共享单车的单位装卸时间
    w 单位距离成本
    决策变量 xijk(t) 二元变量,如果xijk(t) = 1,则车辆k在周期t从调度点i行驶到调度点j,否则为0
    yijk(t) 当车辆k在周期t从调度点i行驶到调度点j时,车辆k上携带的共享单车数量。如果车辆k不从i行驶到j,则yijk(t) 为零
    zik(t) 车辆k在周期t在调度点i的共享单车装卸数量,zik(t) < 0表示卸车,zik(t) > 0表示装车
    辅助变量 Si(t) 调度点i在周期t的初始供给量
    di(t) 调度点i在周期t的需求量
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    表  3  调度中心位置

    Table  3.   Scheduling center location

    调度中心 经度/(°) 纬度/(°)
    0 116.534 107 39.974 810
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    表  4  调度点位置和需求

    Table  4.   Scheduling site location and requirements

    调度点 经度/(°) 纬度/(°) 初始存量/辆 周期1 周期2 周期3 周期4
    骑入量/辆 需求量/辆 骑入量/辆 需求量/辆 骑入量/辆 需求量/辆 骑入量/辆 需求量/辆
    1 116.534 107 39.974 810 200 531 668 657 833 417 367 758 611
    2 116.534 568 39.974 349 100 27 91 30 101 50 13 100 39
    3 116.539 664 39.973 239 80 18 50 20 56 36 15 73 25
    4 116.539 364 39.977 137 10 20 15 43 16 8 25 15 60
    5 116.543 248 39.974 374 65 20 66 22 74 20 40 96 29
    6 116.544 986 39.976 873 5 30 11 33 12 7 20 13 52
    7 116.544 342 39.971 858 5 25 9 27 10 7 30 13 40
    8 116.548 559 39.976 018 5 49 18 55 20 20 20 30 71
    9 116.548 119 39.973 626 5 40 16 45 18 12 50 23 58
    10 116.547 883 39.971 455 80 33 96 36 107 8 20 139 47
    11 116.548 955 39.980 639 45 29 65 32 72 20 40 94 42
    12 116.550 758 39.978 156 5 71 40 79 44 23 62 45 103
    13 116.552 174 39.973 034 76 26 88 29 98 64 10 127 38
    14 116.552 314 39.974 859 5 56 55 71 61 10 70 70 92
    15 116.554 674 39.977 934 5 80 76 100 80 49 78 100 130
    16 116.554 551 39.973 490 25 8 19 8 21 14 35 27 11
    17 116.558 569 39.971 348 50 899 722 1 108 896 433 656 865 1 048
    18 116.556 938 39.975 352 50 9 28 9 32 30 9 50 12
    19 116.558 815 39.977 613 16 18 28 20 28 10 28 20 30
    20 116.558 976 39.980 351 57 11 34 12 37 30 8 50 16
    21 116.561 648 39.978 748 5 85 27 95 30 18 86 30 123
    22 116.560 865 39.982 875 70 16 46 18 51 36 5 60 23
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    表  5  各周期调度车的调度路径、装卸量和到达时间

    Table  5.   The scheduling route, loading and unloading volume and arrival time of the scheduling vehicles in each cycle

    车辆编号 周期1 周期2 周期3
    路径 装卸车数量/辆 到达时间/s 路径 装卸车数量/辆 到达时间/s 路径 装卸车数量/辆 到达时间/s
    车辆1 0 0 0 8 4 0 6 -37 0
    3 12 76 9 -11 155 2 37 1 173
    4 15 530 8 11 520 4 -40 2 340
    5 -27 1 026 11 -20 941
    7 21 1 889 5 -20 1 620
    11 -21 2 576 4 10 2 266
    8 36 3 297 6 30 2 623
    车辆2 0 0 0 13 0 0 19 -10 0
    9 29 182 17 30 58 18 28 344
    13 -29 1 144 14 -40 1 025 17 -37 1 238
    12 36 2 045 17 40 2 292 13 37 2 406
    13 -26 3 156 19 -18 3 590 12 -40 3 547
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    表  6  不同算例规模下2种算法求解结果比较

    Table  6.   Comparison of results between two algorithms under different example sizes

    指标 算例22 算例36
    多目标蚁群算法 贪心算法 多目标蚁群算法 贪心算法
    目标函数 14.82 22.58 16.19 31.09
    调度成本/元 11.67 25.40 14.92 39.51
    总需求不满足度/% 17.96 19.76 17.46 22.67
    运行时间/s 81.00 0.13 213.67 0.42
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  • 收稿日期:  2023-09-08
  • 网络出版日期:  2024-09-14

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