בעיית הניתוב של כלי רכב קיבוליים (CVRP) היא תכונת VRP שבה כלי רכב עם יש צורך בקיבולת נשיאה מוגבלת כדי לאסוף פריטים במיקומים שונים או לשלוח אותם מהם. לפריטים יש כמות, כמו משקל או נפח, ולרכבים יש הקיבולת המקסימלית שהם יכולים לשאת. הבעיה היא באיסוף או במשלוח את הפריטים בעלות הנמוכה ביותר, מבלי לחרוג מהקיבולת של כלי הרכב.
בדוגמה הבאה אנחנו מניחים שכל הפריטים נאספים. התוכנית שפותרת את הבעיה הזו עובדת גם אם כל הפריטים מועברים: במקרה הזה, אפשר לחשוב על מגבלת הקיבולת שחלה כאשר כלי הרכב משאירים את תחנת הטעינה טעונה במלואה. אבל מגבלות הקיבולת מיושמות באותו אופן בשני המקרים.
דוגמה ל-CVRP
בשלב הבא נתאר דוגמה של VRP עם מגבלות קיבולת. הדוגמה מרחיב את הדוגמה הקודמת של VRP ומוסיפה את הדרישות הבאות. בכל מיקום יש ביקוש שתואם ל- כמות היחידות של הפריט לאיסוף. כמו כן, לכל רכב יש קיבולת של 15. (אנחנו לא מציינים יחידות של הדרישות או הקיבולת).
בטבלה שלמטה מוצגים המיקומים שצריך לבקר בהם בכחול ואת מיקום החברה שבה שחור. הדרישות מוצגות בפינה השמאלית התחתונה של כל מיקום. צפייה קואורדינטות מיקום ב-VRP כדי לקבל מידע נוסף על אופן הגדרת המיקומים.
הבעיה היא למצוא הקצאה של מסלולים לרכבים עם המסלול הקצר ביותר המרחק הכולל, באופן שבו הרכב נושא הרכב חורג מהקיבולת שלו.
פתרון הדוגמה ל-CVRP באמצעות OR-Tools
בקטעים הבאים מוסבר איך לפתור את הדוגמה לדיווח על המרות מסוג CVRP באמצעות כלי OR.
יצירת הנתונים
הנתונים בדוגמה הזאת כוללים את הנתונים מהדוגמה הקודמת דוגמה ל-VRP, ומוסיף הביקושים והקיבולת של כלי רכב:
Python
data["demands"] = [0, 1, 1, 2, 4, 2, 4, 8, 8, 1, 2, 1, 2, 4, 4, 8, 8] data["vehicle_capacities"] = [15, 15, 15, 15]
C++
const std::vector<int64_t> demands{
0, 1, 1, 2, 4, 2, 4, 8, 8, 1, 2, 1, 2, 4, 4, 8, 8,
};
const std::vector<int64_t> vehicle_capacities{15, 15, 15, 15};
Java
public final long[] demands = {0, 1, 1, 2, 4, 2, 4, 8, 8, 1, 2, 1, 2, 4, 4, 8, 8};
public final long[] vehicleCapacities = {15, 15, 15, 15};
C#
public long[] Demands = { 0, 1, 1, 2, 4, 2, 4, 8, 8, 1, 2, 1, 2, 4, 4, 8, 8 };
public long[] VehicleCapacities = { 15, 15, 15, 15 };
הפריטים החדשים בנתונים הם:
- ביקוש: לכל מיקום יש ביקוש שתואם לכמות – לדוגמה, משקל או נפח – של הפריט שרוצים לאסוף.
- קיבולת: לכל רכב יש קיבולת: הכמות המקסימלית יכולים להחזיק את הרכב. כשכלי רכב נע לאורך המסלול, הכמות הכוללת של הפריטים שהוא נושא לא יכולים לחרוג מהקיבולת שלו.
הוספת הקריאה החוזרת (callback) של המרחק
הקריאה החוזרת של המרחק - הפונקציה שמחזירה את המרחק בין שני מיקומים - מוגדרים באותו אופן כמו המיקום הקודם דוגמה ל-VRP.
הוספת הקריאה החוזרת (callback) ומגבלות הקיבולת של הביקוש
בנוסף לקריאה החוזרת (callback) של המרחק, הפותר דורש גם קריאה חוזרת (callback) של ביקוש , שמחזיר את הביקוש בכל מיקום, ומאפיין של הקיבולת מגבלות בפועל. הקוד הבא יוצר את הפקודות האלה.
Python
def demand_callback(from_index):
"""Returns the demand of the node."""
# Convert from routing variable Index to demands NodeIndex.
from_node = manager.IndexToNode(from_index)
return data["demands"][from_node]
demand_callback_index = routing.RegisterUnaryTransitCallback(demand_callback)
routing.AddDimensionWithVehicleCapacity(
demand_callback_index,
0, # null capacity slack
data["vehicle_capacities"], # vehicle maximum capacities
True, # start cumul to zero
"Capacity",
)
C++
const int demand_callback_index = routing.RegisterUnaryTransitCallback(
[&data, &manager](const int64_t from_index) -> int64_t {
// Convert from routing variable Index to demand NodeIndex.
const int from_node = manager.IndexToNode(from_index).value();
return data.demands[from_node];
});
routing.AddDimensionWithVehicleCapacity(
demand_callback_index, // transit callback index
int64_t{0}, // null capacity slack
data.vehicle_capacities, // vehicle maximum capacities
true, // start cumul to zero
"Capacity");
Java
final int demandCallbackIndex = routing.registerUnaryTransitCallback((long fromIndex) -> {
// Convert from routing variable Index to user NodeIndex.
int fromNode = manager.indexToNode(fromIndex);
return data.demands[fromNode];
});
routing.addDimensionWithVehicleCapacity(demandCallbackIndex, 0, // null capacity slack
data.vehicleCapacities, // vehicle maximum capacities
true, // start cumul to zero
"Capacity");
C#
int demandCallbackIndex = routing.RegisterUnaryTransitCallback((long fromIndex) =>
{
// Convert from routing variable Index to
// demand NodeIndex.
var fromNode =
manager.IndexToNode(fromIndex);
return data.Demands[fromNode];
});
routing.AddDimensionWithVehicleCapacity(demandCallbackIndex, 0, // null capacity slack
data.VehicleCapacities, // vehicle maximum capacities
true, // start cumul to zero
"Capacity");
בניגוד לקריאה חוזרת (callback) של מרחק, שמקבלת שני מיקומים בתור הקלט,
הקריאה החוזרת (callback) של הביקוש תלויה רק במיקום (from_node) של המסירה.
מאחר שמגבלות הקיבולת כוללות את משקל העומס האירובי לקחת - כמות שמצטברת לאורך המסלול - עלינו יוצרים מאפיין לקיבולת, דומה למאפיין המרחק דוגמה ל-VRP.
במקרה הזה, נשתמש במודל
AddDimensionWithVehicleCapacity
שלוקחת וקטור של קיבולת.
מכיוון שכל קיבולות הרכב בדוגמה הזו זהות, אפשר להשתמש
AddDimension
בשיטה הזו, שלוקחת גבול עליון אחד לכל הכמויות של כלי הרכב. אבל
AddDimensionWithVehicleCapacity מטפל במקרה כללי יותר שבו
לכלי רכב שונים יש קיבולת שונה.
בעיות עם קיבולת וסוגי מטענים מרובים
בערכי CVRP מורכבים יותר, כל רכב עשוי לשאת כמה סוגים שונים של מטען , עם קיבולת מקסימלית לכל סוג. לדוגמה, משאית שינוע של דלק עשויה לשאת כמה סוגי דלק, מכלים מרובים עם קיבולת שונה. כדי לטפל בבעיות כאלה, יוצרים קיבולת קריאה חוזרת (callback) ומימד קריאה חוזרת (callback) שונים לכל סוג מטען (וכך חשוב להקצות להם שמות ייחודיים).
הוספה של מדפסת הפתרונות
מדפסת הפתרונות מציגה את המסלול של כל רכב, יחד עם עומס מצטבר: הסכום הכולל שהרכב נושא בעצירה למסלולים.
Python
def print_solution(data, manager, routing, solution):
"""Prints solution on console."""
print(f"Objective: {solution.ObjectiveValue()}")
total_distance = 0
total_load = 0
for vehicle_id in range(data["num_vehicles"]):
index = routing.Start(vehicle_id)
plan_output = f"Route for vehicle {vehicle_id}:\n"
route_distance = 0
route_load = 0
while not routing.IsEnd(index):
node_index = manager.IndexToNode(index)
route_load += data["demands"][node_index]
plan_output += f" {node_index} Load({route_load}) -> "
previous_index = index
index = solution.Value(routing.NextVar(index))
route_distance += routing.GetArcCostForVehicle(
previous_index, index, vehicle_id
)
plan_output += f" {manager.IndexToNode(index)} Load({route_load})\n"
plan_output += f"Distance of the route: {route_distance}m\n"
plan_output += f"Load of the route: {route_load}\n"
print(plan_output)
total_distance += route_distance
total_load += route_load
print(f"Total distance of all routes: {total_distance}m")
print(f"Total load of all routes: {total_load}")
C++
//! @brief Print the solution.
//! @param[in] data Data of the problem.
//! @param[in] manager Index manager used.
//! @param[in] routing Routing solver used.
//! @param[in] solution Solution found by the solver.
void PrintSolution(const DataModel& data, const RoutingIndexManager& manager,
const RoutingModel& routing, const Assignment& solution) {
int64_t total_distance = 0;
int64_t total_load = 0;
for (int vehicle_id = 0; vehicle_id < data.num_vehicles; ++vehicle_id) {
int64_t index = routing.Start(vehicle_id);
LOG(INFO) << "Route for Vehicle " << vehicle_id << ":";
int64_t route_distance = 0;
int64_t route_load = 0;
std::stringstream route;
while (!routing.IsEnd(index)) {
const int node_index = manager.IndexToNode(index).value();
route_load += data.demands[node_index];
route << node_index << " Load(" << route_load << ") -> ";
const int64_t previous_index = index;
index = solution.Value(routing.NextVar(index));
route_distance += routing.GetArcCostForVehicle(previous_index, index,
int64_t{vehicle_id});
}
LOG(INFO) << route.str() << manager.IndexToNode(index).value();
LOG(INFO) << "Distance of the route: " << route_distance << "m";
LOG(INFO) << "Load of the route: " << route_load;
total_distance += route_distance;
total_load += route_load;
}
LOG(INFO) << "Total distance of all routes: " << total_distance << "m";
LOG(INFO) << "Total load of all routes: " << total_load;
LOG(INFO) << "";
LOG(INFO) << "Advanced usage:";
LOG(INFO) << "Problem solved in " << routing.solver()->wall_time() << "ms";
}
Java
/// @brief Print the solution.
static void printSolution(
DataModel data, RoutingModel routing, RoutingIndexManager manager, Assignment solution) {
// Solution cost.
logger.info("Objective: " + solution.objectiveValue());
// Inspect solution.
long totalDistance = 0;
long totalLoad = 0;
for (int i = 0; i < data.vehicleNumber; ++i) {
long index = routing.start(i);
logger.info("Route for Vehicle " + i + ":");
long routeDistance = 0;
long routeLoad = 0;
String route = "";
while (!routing.isEnd(index)) {
long nodeIndex = manager.indexToNode(index);
routeLoad += data.demands[(int) nodeIndex];
route += nodeIndex + " Load(" + routeLoad + ") -> ";
long previousIndex = index;
index = solution.value(routing.nextVar(index));
routeDistance += routing.getArcCostForVehicle(previousIndex, index, i);
}
route += manager.indexToNode(routing.end(i));
logger.info(route);
logger.info("Distance of the route: " + routeDistance + "m");
totalDistance += routeDistance;
totalLoad += routeLoad;
}
logger.info("Total distance of all routes: " + totalDistance + "m");
logger.info("Total load of all routes: " + totalLoad);
}
C#
/// <summary>
/// Print the solution.
/// </summary>
static void PrintSolution(in DataModel data, in RoutingModel routing, in RoutingIndexManager manager,
in Assignment solution)
{
Console.WriteLine($"Objective {solution.ObjectiveValue()}:");
// Inspect solution.
long totalDistance = 0;
long totalLoad = 0;
for (int i = 0; i < data.VehicleNumber; ++i)
{
Console.WriteLine("Route for Vehicle {0}:", i);
long routeDistance = 0;
long routeLoad = 0;
var index = routing.Start(i);
while (routing.IsEnd(index) == false)
{
long nodeIndex = manager.IndexToNode(index);
routeLoad += data.Demands[nodeIndex];
Console.Write("{0} Load({1}) -> ", nodeIndex, routeLoad);
var previousIndex = index;
index = solution.Value(routing.NextVar(index));
routeDistance += routing.GetArcCostForVehicle(previousIndex, index, 0);
}
Console.WriteLine("{0}", manager.IndexToNode((int)index));
Console.WriteLine("Distance of the route: {0}m", routeDistance);
totalDistance += routeDistance;
totalLoad += routeLoad;
}
Console.WriteLine("Total distance of all routes: {0}m", totalDistance);
Console.WriteLine("Total load of all routes: {0}m", totalLoad);
}
פונקציה ראשית
הפונקציה הראשית בדוגמה הזו דומה מאוד לפונקציה של דוגמה ל-TSP, אבל גם מוסיפה מאפייני הביקוש והקיבולת שתוארו למעלה.
הפעלה של התוכנית
התוכנית המלאה מוצגת בקטע הבא. כשמריצים את התוכנית, הפלט הבא מוצג:
Objective: 6208 Route for vehicle 0: 0 Load(0) -> 4 Load(0) -> 3 Load(4) -> 1 Load(6) -> 7 Load(7) -> 0 Load(15) Distance of the route: 1552m Load of the route: 15 Route for vehicle 1: 0 Load(0) -> 14 Load(0) -> 16 Load(4) -> 10 Load(12) -> 9 Load(14) -> 0 Load(15) Distance of the route: 1552m Load of the route: 15 Route for vehicle 2: 0 Load(0) -> 12 Load(0) -> 11 Load(2) -> 15 Load(3) -> 13 Load(11) -> 0 Load(15) Distance of the route: 1552m Load of the route: 15 Route for vehicle 3: 0 Load(0) -> 8 Load(0) -> 2 Load(8) -> 6 Load(9) -> 5 Load(13) -> 0 Load(15) Distance of the route: 1552m Load of the route: 15 Total Distance of all routes: 6208m Total Load of all routes: 60
בפלט שכולל את הפרטים הבאים לגבי כל מיקום במסלול:
- האינדקס של המיקום.
העומס הכולל על הרכב כשהוא יוצא מהמיקום.
המסלולים מוצגים למטה.
השלמת תוכניות
בהמשך מפורטות התוכניות המלאות של הבעיה 'ניתוב רכבים קיבוליים'.
Python
"""Capacited Vehicles Routing Problem (CVRP)."""
from ortools.constraint_solver import routing_enums_pb2
from ortools.constraint_solver import pywrapcp
def create_data_model():
"""Stores the data for the problem."""
data = {}
data["distance_matrix"] = [
# fmt: off
[0, 548, 776, 696, 582, 274, 502, 194, 308, 194, 536, 502, 388, 354, 468, 776, 662],
[548, 0, 684, 308, 194, 502, 730, 354, 696, 742, 1084, 594, 480, 674, 1016, 868, 1210],
[776, 684, 0, 992, 878, 502, 274, 810, 468, 742, 400, 1278, 1164, 1130, 788, 1552, 754],
[696, 308, 992, 0, 114, 650, 878, 502, 844, 890, 1232, 514, 628, 822, 1164, 560, 1358],
[582, 194, 878, 114, 0, 536, 764, 388, 730, 776, 1118, 400, 514, 708, 1050, 674, 1244],
[274, 502, 502, 650, 536, 0, 228, 308, 194, 240, 582, 776, 662, 628, 514, 1050, 708],
[502, 730, 274, 878, 764, 228, 0, 536, 194, 468, 354, 1004, 890, 856, 514, 1278, 480],
[194, 354, 810, 502, 388, 308, 536, 0, 342, 388, 730, 468, 354, 320, 662, 742, 856],
[308, 696, 468, 844, 730, 194, 194, 342, 0, 274, 388, 810, 696, 662, 320, 1084, 514],
[194, 742, 742, 890, 776, 240, 468, 388, 274, 0, 342, 536, 422, 388, 274, 810, 468],
[536, 1084, 400, 1232, 1118, 582, 354, 730, 388, 342, 0, 878, 764, 730, 388, 1152, 354],
[502, 594, 1278, 514, 400, 776, 1004, 468, 810, 536, 878, 0, 114, 308, 650, 274, 844],
[388, 480, 1164, 628, 514, 662, 890, 354, 696, 422, 764, 114, 0, 194, 536, 388, 730],
[354, 674, 1130, 822, 708, 628, 856, 320, 662, 388, 730, 308, 194, 0, 342, 422, 536],
[468, 1016, 788, 1164, 1050, 514, 514, 662, 320, 274, 388, 650, 536, 342, 0, 764, 194],
[776, 868, 1552, 560, 674, 1050, 1278, 742, 1084, 810, 1152, 274, 388, 422, 764, 0, 798],
[662, 1210, 754, 1358, 1244, 708, 480, 856, 514, 468, 354, 844, 730, 536, 194, 798, 0],
# fmt: on
]
data["demands"] = [0, 1, 1, 2, 4, 2, 4, 8, 8, 1, 2, 1, 2, 4, 4, 8, 8]
data["vehicle_capacities"] = [15, 15, 15, 15]
data["num_vehicles"] = 4
data["depot"] = 0
return data
def print_solution(data, manager, routing, solution):
"""Prints solution on console."""
print(f"Objective: {solution.ObjectiveValue()}")
total_distance = 0
total_load = 0
for vehicle_id in range(data["num_vehicles"]):
index = routing.Start(vehicle_id)
plan_output = f"Route for vehicle {vehicle_id}:\n"
route_distance = 0
route_load = 0
while not routing.IsEnd(index):
node_index = manager.IndexToNode(index)
route_load += data["demands"][node_index]
plan_output += f" {node_index} Load({route_load}) -> "
previous_index = index
index = solution.Value(routing.NextVar(index))
route_distance += routing.GetArcCostForVehicle(
previous_index, index, vehicle_id
)
plan_output += f" {manager.IndexToNode(index)} Load({route_load})\n"
plan_output += f"Distance of the route: {route_distance}m\n"
plan_output += f"Load of the route: {route_load}\n"
print(plan_output)
total_distance += route_distance
total_load += route_load
print(f"Total distance of all routes: {total_distance}m")
print(f"Total load of all routes: {total_load}")
def main():
"""Solve the CVRP problem."""
# Instantiate the data problem.
data = create_data_model()
# Create the routing index manager.
manager = pywrapcp.RoutingIndexManager(
len(data["distance_matrix"]), data["num_vehicles"], data["depot"]
)
# Create Routing Model.
routing = pywrapcp.RoutingModel(manager)
# Create and register a transit callback.
def distance_callback(from_index, to_index):
"""Returns the distance between the two nodes."""
# Convert from routing variable Index to distance matrix NodeIndex.
from_node = manager.IndexToNode(from_index)
to_node = manager.IndexToNode(to_index)
return data["distance_matrix"][from_node][to_node]
transit_callback_index = routing.RegisterTransitCallback(distance_callback)
# Define cost of each arc.
routing.SetArcCostEvaluatorOfAllVehicles(transit_callback_index)
# Add Capacity constraint.
def demand_callback(from_index):
"""Returns the demand of the node."""
# Convert from routing variable Index to demands NodeIndex.
from_node = manager.IndexToNode(from_index)
return data["demands"][from_node]
demand_callback_index = routing.RegisterUnaryTransitCallback(demand_callback)
routing.AddDimensionWithVehicleCapacity(
demand_callback_index,
0, # null capacity slack
data["vehicle_capacities"], # vehicle maximum capacities
True, # start cumul to zero
"Capacity",
)
# Setting first solution heuristic.
search_parameters = pywrapcp.DefaultRoutingSearchParameters()
search_parameters.first_solution_strategy = (
routing_enums_pb2.FirstSolutionStrategy.PATH_CHEAPEST_ARC
)
search_parameters.local_search_metaheuristic = (
routing_enums_pb2.LocalSearchMetaheuristic.GUIDED_LOCAL_SEARCH
)
search_parameters.time_limit.FromSeconds(1)
# Solve the problem.
solution = routing.SolveWithParameters(search_parameters)
# Print solution on console.
if solution:
print_solution(data, manager, routing, solution)
if __name__ == "__main__":
main()
C++
#include <cstdint>
#include <sstream>
#include <vector>
#include "google/protobuf/duration.pb.h"
#include "ortools/constraint_solver/routing.h"
#include "ortools/constraint_solver/routing_enums.pb.h"
#include "ortools/constraint_solver/routing_index_manager.h"
#include "ortools/constraint_solver/routing_parameters.h"
namespace operations_research {
struct DataModel {
const std::vector<std::vector<int64_t>> distance_matrix{
{0, 548, 776, 696, 582, 274, 502, 194, 308, 194, 536, 502, 388, 354, 468,
776, 662},
{548, 0, 684, 308, 194, 502, 730, 354, 696, 742, 1084, 594, 480, 674,
1016, 868, 1210},
{776, 684, 0, 992, 878, 502, 274, 810, 468, 742, 400, 1278, 1164, 1130,
788, 1552, 754},
{696, 308, 992, 0, 114, 650, 878, 502, 844, 890, 1232, 514, 628, 822,
1164, 560, 1358},
{582, 194, 878, 114, 0, 536, 764, 388, 730, 776, 1118, 400, 514, 708,
1050, 674, 1244},
{274, 502, 502, 650, 536, 0, 228, 308, 194, 240, 582, 776, 662, 628, 514,
1050, 708},
{502, 730, 274, 878, 764, 228, 0, 536, 194, 468, 354, 1004, 890, 856, 514,
1278, 480},
{194, 354, 810, 502, 388, 308, 536, 0, 342, 388, 730, 468, 354, 320, 662,
742, 856},
{308, 696, 468, 844, 730, 194, 194, 342, 0, 274, 388, 810, 696, 662, 320,
1084, 514},
{194, 742, 742, 890, 776, 240, 468, 388, 274, 0, 342, 536, 422, 388, 274,
810, 468},
{536, 1084, 400, 1232, 1118, 582, 354, 730, 388, 342, 0, 878, 764, 730,
388, 1152, 354},
{502, 594, 1278, 514, 400, 776, 1004, 468, 810, 536, 878, 0, 114, 308,
650, 274, 844},
{388, 480, 1164, 628, 514, 662, 890, 354, 696, 422, 764, 114, 0, 194, 536,
388, 730},
{354, 674, 1130, 822, 708, 628, 856, 320, 662, 388, 730, 308, 194, 0, 342,
422, 536},
{468, 1016, 788, 1164, 1050, 514, 514, 662, 320, 274, 388, 650, 536, 342,
0, 764, 194},
{776, 868, 1552, 560, 674, 1050, 1278, 742, 1084, 810, 1152, 274, 388,
422, 764, 0, 798},
{662, 1210, 754, 1358, 1244, 708, 480, 856, 514, 468, 354, 844, 730, 536,
194, 798, 0},
};
const std::vector<int64_t> demands{
0, 1, 1, 2, 4, 2, 4, 8, 8, 1, 2, 1, 2, 4, 4, 8, 8,
};
const std::vector<int64_t> vehicle_capacities{15, 15, 15, 15};
const int num_vehicles = 4;
const RoutingIndexManager::NodeIndex depot{0};
};
//! @brief Print the solution.
//! @param[in] data Data of the problem.
//! @param[in] manager Index manager used.
//! @param[in] routing Routing solver used.
//! @param[in] solution Solution found by the solver.
void PrintSolution(const DataModel& data, const RoutingIndexManager& manager,
const RoutingModel& routing, const Assignment& solution) {
int64_t total_distance = 0;
int64_t total_load = 0;
for (int vehicle_id = 0; vehicle_id < data.num_vehicles; ++vehicle_id) {
int64_t index = routing.Start(vehicle_id);
LOG(INFO) << "Route for Vehicle " << vehicle_id << ":";
int64_t route_distance = 0;
int64_t route_load = 0;
std::stringstream route;
while (!routing.IsEnd(index)) {
const int node_index = manager.IndexToNode(index).value();
route_load += data.demands[node_index];
route << node_index << " Load(" << route_load << ") -> ";
const int64_t previous_index = index;
index = solution.Value(routing.NextVar(index));
route_distance += routing.GetArcCostForVehicle(previous_index, index,
int64_t{vehicle_id});
}
LOG(INFO) << route.str() << manager.IndexToNode(index).value();
LOG(INFO) << "Distance of the route: " << route_distance << "m";
LOG(INFO) << "Load of the route: " << route_load;
total_distance += route_distance;
total_load += route_load;
}
LOG(INFO) << "Total distance of all routes: " << total_distance << "m";
LOG(INFO) << "Total load of all routes: " << total_load;
LOG(INFO) << "";
LOG(INFO) << "Advanced usage:";
LOG(INFO) << "Problem solved in " << routing.solver()->wall_time() << "ms";
}
void VrpCapacity() {
// Instantiate the data problem.
DataModel data;
// Create Routing Index Manager
RoutingIndexManager manager(data.distance_matrix.size(), data.num_vehicles,
data.depot);
// Create Routing Model.
RoutingModel routing(manager);
// Create and register a transit callback.
const int transit_callback_index = routing.RegisterTransitCallback(
[&data, &manager](const int64_t from_index,
const int64_t to_index) -> int64_t {
// Convert from routing variable Index to distance matrix NodeIndex.
const int from_node = manager.IndexToNode(from_index).value();
const int to_node = manager.IndexToNode(to_index).value();
return data.distance_matrix[from_node][to_node];
});
// Define cost of each arc.
routing.SetArcCostEvaluatorOfAllVehicles(transit_callback_index);
// Add Capacity constraint.
const int demand_callback_index = routing.RegisterUnaryTransitCallback(
[&data, &manager](const int64_t from_index) -> int64_t {
// Convert from routing variable Index to demand NodeIndex.
const int from_node = manager.IndexToNode(from_index).value();
return data.demands[from_node];
});
routing.AddDimensionWithVehicleCapacity(
demand_callback_index, // transit callback index
int64_t{0}, // null capacity slack
data.vehicle_capacities, // vehicle maximum capacities
true, // start cumul to zero
"Capacity");
// Setting first solution heuristic.
RoutingSearchParameters search_parameters = DefaultRoutingSearchParameters();
search_parameters.set_first_solution_strategy(
FirstSolutionStrategy::PATH_CHEAPEST_ARC);
search_parameters.set_local_search_metaheuristic(
LocalSearchMetaheuristic::GUIDED_LOCAL_SEARCH);
search_parameters.mutable_time_limit()->set_seconds(1);
// Solve the problem.
const Assignment* solution = routing.SolveWithParameters(search_parameters);
// Print solution on console.
PrintSolution(data, manager, routing, *solution);
}
} // namespace operations_research
int main(int /*argc*/, char* /*argv*/[]) {
operations_research::VrpCapacity();
return EXIT_SUCCESS;
}
Java
package com.google.ortools.constraintsolver.samples;
import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.constraintsolver.Assignment;
import com.google.ortools.constraintsolver.FirstSolutionStrategy;
import com.google.ortools.constraintsolver.LocalSearchMetaheuristic;
import com.google.ortools.constraintsolver.RoutingIndexManager;
import com.google.ortools.constraintsolver.RoutingModel;
import com.google.ortools.constraintsolver.RoutingSearchParameters;
import com.google.ortools.constraintsolver.main;
import com.google.protobuf.Duration;
import java.util.logging.Logger;
/** Minimal VRP. */
public final class VrpCapacity {
private static final Logger logger = Logger.getLogger(VrpCapacity.class.getName());
static class DataModel {
public final long[][] distanceMatrix = {
{0, 548, 776, 696, 582, 274, 502, 194, 308, 194, 536, 502, 388, 354, 468, 776, 662},
{548, 0, 684, 308, 194, 502, 730, 354, 696, 742, 1084, 594, 480, 674, 1016, 868, 1210},
{776, 684, 0, 992, 878, 502, 274, 810, 468, 742, 400, 1278, 1164, 1130, 788, 1552, 754},
{696, 308, 992, 0, 114, 650, 878, 502, 844, 890, 1232, 514, 628, 822, 1164, 560, 1358},
{582, 194, 878, 114, 0, 536, 764, 388, 730, 776, 1118, 400, 514, 708, 1050, 674, 1244},
{274, 502, 502, 650, 536, 0, 228, 308, 194, 240, 582, 776, 662, 628, 514, 1050, 708},
{502, 730, 274, 878, 764, 228, 0, 536, 194, 468, 354, 1004, 890, 856, 514, 1278, 480},
{194, 354, 810, 502, 388, 308, 536, 0, 342, 388, 730, 468, 354, 320, 662, 742, 856},
{308, 696, 468, 844, 730, 194, 194, 342, 0, 274, 388, 810, 696, 662, 320, 1084, 514},
{194, 742, 742, 890, 776, 240, 468, 388, 274, 0, 342, 536, 422, 388, 274, 810, 468},
{536, 1084, 400, 1232, 1118, 582, 354, 730, 388, 342, 0, 878, 764, 730, 388, 1152, 354},
{502, 594, 1278, 514, 400, 776, 1004, 468, 810, 536, 878, 0, 114, 308, 650, 274, 844},
{388, 480, 1164, 628, 514, 662, 890, 354, 696, 422, 764, 114, 0, 194, 536, 388, 730},
{354, 674, 1130, 822, 708, 628, 856, 320, 662, 388, 730, 308, 194, 0, 342, 422, 536},
{468, 1016, 788, 1164, 1050, 514, 514, 662, 320, 274, 388, 650, 536, 342, 0, 764, 194},
{776, 868, 1552, 560, 674, 1050, 1278, 742, 1084, 810, 1152, 274, 388, 422, 764, 0, 798},
{662, 1210, 754, 1358, 1244, 708, 480, 856, 514, 468, 354, 844, 730, 536, 194, 798, 0},
};
public final long[] demands = {0, 1, 1, 2, 4, 2, 4, 8, 8, 1, 2, 1, 2, 4, 4, 8, 8};
public final long[] vehicleCapacities = {15, 15, 15, 15};
public final int vehicleNumber = 4;
public final int depot = 0;
}
/// @brief Print the solution.
static void printSolution(
DataModel data, RoutingModel routing, RoutingIndexManager manager, Assignment solution) {
// Solution cost.
logger.info("Objective: " + solution.objectiveValue());
// Inspect solution.
long totalDistance = 0;
long totalLoad = 0;
for (int i = 0; i < data.vehicleNumber; ++i) {
long index = routing.start(i);
logger.info("Route for Vehicle " + i + ":");
long routeDistance = 0;
long routeLoad = 0;
String route = "";
while (!routing.isEnd(index)) {
long nodeIndex = manager.indexToNode(index);
routeLoad += data.demands[(int) nodeIndex];
route += nodeIndex + " Load(" + routeLoad + ") -> ";
long previousIndex = index;
index = solution.value(routing.nextVar(index));
routeDistance += routing.getArcCostForVehicle(previousIndex, index, i);
}
route += manager.indexToNode(routing.end(i));
logger.info(route);
logger.info("Distance of the route: " + routeDistance + "m");
totalDistance += routeDistance;
totalLoad += routeLoad;
}
logger.info("Total distance of all routes: " + totalDistance + "m");
logger.info("Total load of all routes: " + totalLoad);
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Loader.loadNativeLibraries();
// Instantiate the data problem.
final DataModel data = new DataModel();
// Create Routing Index Manager
RoutingIndexManager manager =
new RoutingIndexManager(data.distanceMatrix.length, data.vehicleNumber, data.depot);
// Create Routing Model.
RoutingModel routing = new RoutingModel(manager);
// Create and register a transit callback.
final int transitCallbackIndex =
routing.registerTransitCallback((long fromIndex, long toIndex) -> {
// Convert from routing variable Index to user NodeIndex.
int fromNode = manager.indexToNode(fromIndex);
int toNode = manager.indexToNode(toIndex);
return data.distanceMatrix[fromNode][toNode];
});
// Define cost of each arc.
routing.setArcCostEvaluatorOfAllVehicles(transitCallbackIndex);
// Add Capacity constraint.
final int demandCallbackIndex = routing.registerUnaryTransitCallback((long fromIndex) -> {
// Convert from routing variable Index to user NodeIndex.
int fromNode = manager.indexToNode(fromIndex);
return data.demands[fromNode];
});
routing.addDimensionWithVehicleCapacity(demandCallbackIndex, 0, // null capacity slack
data.vehicleCapacities, // vehicle maximum capacities
true, // start cumul to zero
"Capacity");
// Setting first solution heuristic.
RoutingSearchParameters searchParameters =
main.defaultRoutingSearchParameters()
.toBuilder()
.setFirstSolutionStrategy(FirstSolutionStrategy.Value.PATH_CHEAPEST_ARC)
.setLocalSearchMetaheuristic(LocalSearchMetaheuristic.Value.GUIDED_LOCAL_SEARCH)
.setTimeLimit(Duration.newBuilder().setSeconds(1).build())
.build();
// Solve the problem.
Assignment solution = routing.solveWithParameters(searchParameters);
// Print solution on console.
printSolution(data, routing, manager, solution);
}
private VrpCapacity() {}
}
C#
using System;
using System.Collections.Generic;
using Google.OrTools.ConstraintSolver;
using Google.Protobuf.WellKnownTypes; // Duration
/// <summary>
/// Minimal TSP using distance matrix.
/// </summary>
public class VrpCapacity
{
class DataModel
{
public long[,] DistanceMatrix = {
{ 0, 548, 776, 696, 582, 274, 502, 194, 308, 194, 536, 502, 388, 354, 468, 776, 662 },
{ 548, 0, 684, 308, 194, 502, 730, 354, 696, 742, 1084, 594, 480, 674, 1016, 868, 1210 },
{ 776, 684, 0, 992, 878, 502, 274, 810, 468, 742, 400, 1278, 1164, 1130, 788, 1552, 754 },
{ 696, 308, 992, 0, 114, 650, 878, 502, 844, 890, 1232, 514, 628, 822, 1164, 560, 1358 },
{ 582, 194, 878, 114, 0, 536, 764, 388, 730, 776, 1118, 400, 514, 708, 1050, 674, 1244 },
{ 274, 502, 502, 650, 536, 0, 228, 308, 194, 240, 582, 776, 662, 628, 514, 1050, 708 },
{ 502, 730, 274, 878, 764, 228, 0, 536, 194, 468, 354, 1004, 890, 856, 514, 1278, 480 },
{ 194, 354, 810, 502, 388, 308, 536, 0, 342, 388, 730, 468, 354, 320, 662, 742, 856 },
{ 308, 696, 468, 844, 730, 194, 194, 342, 0, 274, 388, 810, 696, 662, 320, 1084, 514 },
{ 194, 742, 742, 890, 776, 240, 468, 388, 274, 0, 342, 536, 422, 388, 274, 810, 468 },
{ 536, 1084, 400, 1232, 1118, 582, 354, 730, 388, 342, 0, 878, 764, 730, 388, 1152, 354 },
{ 502, 594, 1278, 514, 400, 776, 1004, 468, 810, 536, 878, 0, 114, 308, 650, 274, 844 },
{ 388, 480, 1164, 628, 514, 662, 890, 354, 696, 422, 764, 114, 0, 194, 536, 388, 730 },
{ 354, 674, 1130, 822, 708, 628, 856, 320, 662, 388, 730, 308, 194, 0, 342, 422, 536 },
{ 468, 1016, 788, 1164, 1050, 514, 514, 662, 320, 274, 388, 650, 536, 342, 0, 764, 194 },
{ 776, 868, 1552, 560, 674, 1050, 1278, 742, 1084, 810, 1152, 274, 388, 422, 764, 0, 798 },
{ 662, 1210, 754, 1358, 1244, 708, 480, 856, 514, 468, 354, 844, 730, 536, 194, 798, 0 }
};
public long[] Demands = { 0, 1, 1, 2, 4, 2, 4, 8, 8, 1, 2, 1, 2, 4, 4, 8, 8 };
public long[] VehicleCapacities = { 15, 15, 15, 15 };
public int VehicleNumber = 4;
public int Depot = 0;
};
/// <summary>
/// Print the solution.
/// </summary>
static void PrintSolution(in DataModel data, in RoutingModel routing, in RoutingIndexManager manager,
in Assignment solution)
{
Console.WriteLine($"Objective {solution.ObjectiveValue()}:");
// Inspect solution.
long totalDistance = 0;
long totalLoad = 0;
for (int i = 0; i < data.VehicleNumber; ++i)
{
Console.WriteLine("Route for Vehicle {0}:", i);
long routeDistance = 0;
long routeLoad = 0;
var index = routing.Start(i);
while (routing.IsEnd(index) == false)
{
long nodeIndex = manager.IndexToNode(index);
routeLoad += data.Demands[nodeIndex];
Console.Write("{0} Load({1}) -> ", nodeIndex, routeLoad);
var previousIndex = index;
index = solution.Value(routing.NextVar(index));
routeDistance += routing.GetArcCostForVehicle(previousIndex, index, 0);
}
Console.WriteLine("{0}", manager.IndexToNode((int)index));
Console.WriteLine("Distance of the route: {0}m", routeDistance);
totalDistance += routeDistance;
totalLoad += routeLoad;
}
Console.WriteLine("Total distance of all routes: {0}m", totalDistance);
Console.WriteLine("Total load of all routes: {0}m", totalLoad);
}
public static void Main(String[] args)
{
// Instantiate the data problem.
DataModel data = new DataModel();
// Create Routing Index Manager
RoutingIndexManager manager =
new RoutingIndexManager(data.DistanceMatrix.GetLength(0), data.VehicleNumber, data.Depot);
// Create Routing Model.
RoutingModel routing = new RoutingModel(manager);
// Create and register a transit callback.
int transitCallbackIndex = routing.RegisterTransitCallback((long fromIndex, long toIndex) =>
{
// Convert from routing variable Index to
// distance matrix NodeIndex.
var fromNode = manager.IndexToNode(fromIndex);
var toNode = manager.IndexToNode(toIndex);
return data.DistanceMatrix[fromNode, toNode];
});
// Define cost of each arc.
routing.SetArcCostEvaluatorOfAllVehicles(transitCallbackIndex);
// Add Capacity constraint.
int demandCallbackIndex = routing.RegisterUnaryTransitCallback((long fromIndex) =>
{
// Convert from routing variable Index to
// demand NodeIndex.
var fromNode =
manager.IndexToNode(fromIndex);
return data.Demands[fromNode];
});
routing.AddDimensionWithVehicleCapacity(demandCallbackIndex, 0, // null capacity slack
data.VehicleCapacities, // vehicle maximum capacities
true, // start cumul to zero
"Capacity");
// Setting first solution heuristic.
RoutingSearchParameters searchParameters =
operations_research_constraint_solver.DefaultRoutingSearchParameters();
searchParameters.FirstSolutionStrategy = FirstSolutionStrategy.Types.Value.PathCheapestArc;
searchParameters.LocalSearchMetaheuristic = LocalSearchMetaheuristic.Types.Value.GuidedLocalSearch;
searchParameters.TimeLimit = new Duration { Seconds = 1 };
// Solve the problem.
Assignment solution = routing.SolveWithParameters(searchParameters);
// Print solution on console.
PrintSolution(data, routing, manager, solution);
}
}
יש כמה דוגמאות לבעיות שקשורות למסלול של רכבים מסוגים אחרים אילוצים ב-GitHub (חפשו דוגמאות שהשמות שלהן כוללים את המילה 'vrp').
מה קורה אם לבעיה אין פתרון?
יכול להיות שלא ניתן יהיה לבצע בעיית ניתוב עם אילוצים, כמו שיעור המרה (CVRP) למשל, אם הכמות הכוללת של הפריטים התעבורה חורגת מהקיבולת הכוללת של כלי הרכב. אם תנסו לפתור של בעיה, הפתרון יכול להריץ חיפוש ממצה שלוקח כל כך הרבה זמן בסופו של דבר תצטרכו לוותר ולהפסיק את התוכנית.
בדרך כלל זו לא בעיה. אבל יש כמה דרכים למנוע להפעיל זמן רב כשאין פתרון לבעיה:
- להגדיר מגבלת זמן בקטע שמפסיק את החיפוש, גם אם לא נמצא פתרון. אבל, לפעמים חשוב לזכור שאם יש לבעיה פתרון שמחייב חיפוש ארוך, שהתוכנית עשויה להגיע למגבלת הזמן לפני שימצאו את הפתרון.
- אפשר להגדיר את העונשים על היעדר ביקורים במיקומים. הפעולה הזו מאפשרת לפותר: להחזיר "פתרון" שלא מבקרים בכל המיקומים, למקרה שהבעיה בלתי מעשי. ראו בעיטות עונשין וירידה בביקורים.
באופן כללי, קשה לדעת אם יש פתרון לבעיה מסוימת. אפילו למשך שיעור המרות (CVRP) שבו הביקוש הכולל לא חורג מהקיבולת הכוללת, שקובע אם כל הפריטים שיתאימו לרכבים הם גרסה של בעיה מרובים.