應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問題的生物地理學(xué)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址優(yōu)化計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，具體地設(shè)及一種應(yīng)急服務(wù)設(shè)施 選址問題的生物地理學(xué)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會(huì)的快速發(fā)展，突發(fā)性事件時(shí)有發(fā)生。為了能夠使突發(fā)性事件的危害降到 最小，一般要求應(yīng)急服務(wù)設(shè)施能及時(shí)和有效的提供服務(wù)。因此，應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問題是人 們必須面對(duì)和解決的問題。應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問題屬于最優(yōu)選址問題，是深受眾多研究者 關(guān)注的一個(gè)研究方向。例如，在現(xiàn)實(shí)中一般將一個(gè)地理位置規(guī)劃不同的功能區(qū)域，在每個(gè)功 能區(qū)域，決策者往往要決定一些公共應(yīng)急服務(wù)設(shè)施點(diǎn)的選址問題，例如，急救中屯、、110出警 中屯、、消防大隊(duì)等等。通常要求應(yīng)急服務(wù)設(shè)施能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)相應(yīng)的應(yīng)急地點(diǎn)。
[0003] 應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址具有十分重要的作用，直接決定處置突發(fā)事件的時(shí)效性。同時(shí) 應(yīng)急服務(wù)設(shè)施一旦建立就會(huì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅和運(yùn)行費(fèi)用直接相關(guān)，而且會(huì)對(duì)工作效率產(chǎn) 生巨大的影響。因此，為降低運(yùn)行成本和提高工作效率，要在應(yīng)急服務(wù)設(shè)施建立之前，充分 考慮其布局的合理性，正確選擇應(yīng)急服務(wù)設(shè)施的空間位置。因此，研究應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問 題的算法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0004] 應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址模型如下：
[0005] 假設(shè)Fi表示應(yīng)急地點(diǎn)Q = I，2,…，m)，應(yīng)急地點(diǎn)集合為F=化爪，…，F(xiàn)m} ;Sj表示可 能的應(yīng)急服務(wù)設(shè)施點(diǎn)（j = 1，2，…，n)，應(yīng)急服務(wù)設(shè)施點(diǎn)集合S= {Si，S2，…，Sn}。從某應(yīng)急服 務(wù)設(shè)施地點(diǎn)&出發(fā)到達(dá)某應(yīng)急地點(diǎn)Fi的最短時(shí)間用tu表示?；诿總€(gè)應(yīng)急地點(diǎn)Fi地理位置 特征的考慮，限定Fi的應(yīng)急期限為ti。對(duì)于任意給定的FiEF,令Ni= {j I tij < ti, (j = l， 2,…，n}表示可為應(yīng)急地點(diǎn)Fi提供服務(wù)的設(shè)施集合。因?yàn)椴煌瑧?yīng)急地點(diǎn)發(fā)生的事故或?yàn)?zāi)難 的破壞程度各不相同，因此需要應(yīng)急服務(wù)設(shè)施點(diǎn)的數(shù)量也不相同。我們規(guī)定對(duì)于應(yīng)急點(diǎn)Fi， 如果發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，需要能夠在限定的應(yīng)急期限ti內(nèi)到達(dá)的應(yīng)急服務(wù)設(shè)施數(shù)的下限為bi。 根據(jù)上述條件，可建立如下形式的應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址模型：
[000引 xje{0，l}(j = l，2，...，n)
[0009] bi為正整數(shù)
[0010] 其中，Cj表示在&設(shè)置應(yīng)急服務(wù)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)成本;定義二元值決策變量Xj,若Xj = I 則表示可能的應(yīng)急服務(wù)設(shè)施點(diǎn)&被選中；若Xj = O則表示可能的應(yīng)急服務(wù)設(shè)施點(diǎn)&沒有被選 中。
[00川為求解上述模型，構(gòu)造矩陣A=(aij)mXn，當(dāng)tij < ti,時(shí)，aij = l;當(dāng)時(shí)；aij = 0。 可將上述模型轉(zhuǎn)換為下面的模型：
[0014] xjE{〇,l}(j = l,2,...,n)
[001引 b功正整數(shù)
[0016] 通過上述模型的轉(zhuǎn)換，應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問題已被轉(zhuǎn)化為運(yùn)籌學(xué)中集合覆蓋問題 (Set Cover Problem)的一種推廣形式，現(xiàn)有文獻(xiàn)表明在運(yùn)籌學(xué)中運(yùn)類問題的有效求解是 非常困難的。
[0017] 上述模型的求解，現(xiàn)有的方法主要是利用遺傳算法進(jìn)行求解。遺傳算法是一種基 于生物進(jìn)化論中"自然選擇，適者生存"原則的捜索算法。遺傳算法主要包括=個(gè)常用的基 本算子:繁殖、交叉和變異。其中，繁殖算子用于從舊種群中復(fù)制生成新的種群，交叉算子主 要用于從父母代生成子代，變異算子則用于對(duì)子代進(jìn)行某種變異。但是該方法的優(yōu)化性能 不穩(wěn)定，影響應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址，對(duì)工作效率產(chǎn)生巨大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明目的是:提供一種應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問題的生物地理 學(xué)優(yōu)化方法，給出了算法的捜索空間和問題的優(yōu)化空間的映射方法，描述了求解應(yīng)急選址 問題的生物地理學(xué)優(yōu)化算法的執(zhí)行流程，具有較強(qiáng)的優(yōu)化性能。
[0019] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0020] -種應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問題的生物地理學(xué)優(yōu)化方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0021] SOI:設(shè)置遷入率函數(shù)最大值I和遷出率函數(shù)最大值E、最大變異概率mmax、最大種群 數(shù)量概率Pmax,遷移率Pmod和精英個(gè)體保留數(shù)keep;設(shè)置棲息地?cái)?shù)量d、優(yōu)化問題的維數(shù)n;隨 機(jī)初始化每個(gè)棲息地的適宜度向量Xi= (Xil，Xi2，'。，XinKi = I，2,…，d);
[0022] S02:分別計(jì)算棲息地i適宜度f成）=SjU 9x4，對(duì)應(yīng)的物種數(shù)量Si，遷入率為切
和遷出率，
，更新keep個(gè)精英個(gè)體，其中，Cj表示在第j個(gè)位置設(shè)置應(yīng)急 服務(wù)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)成本，XU表示對(duì)應(yīng)第i個(gè)解的第j個(gè)分量；
[0023] S03:利用遷移率PmDd判斷棲息地i是否要進(jìn)行遷入操作，如果棲息地i需要進(jìn)行遷 入操作，利用遷入率A(Si)選擇棲息地i要被遷入的特征分量XU，并根據(jù)其它棲息地的遷出 率W(Si)選出棲息地k作為遷入對(duì)象，用選出的棲息地k的對(duì)應(yīng)位替換棲息地i的對(duì)應(yīng)位；
[0024] S 0 4 :根據(jù)棲息地i的容納的種群數(shù)量概率P ( S 1 )計(jì)算突變率
用m(Xi)判斷棲息地i的每個(gè)分量是否進(jìn)行突變操作；
[0025] S05:檢驗(yàn)是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，若不滿足，貝峭巧專至步驟S02，否則輸出當(dāng)前的 最優(yōu)解。
[0026] 優(yōu)選的，所述步驟S03通過任意生成0到1之間的隨機(jī)數(shù)與PmDd比較，若該隨機(jī)數(shù)小 于PmDd，則進(jìn)行遷入操作;否則不進(jìn)行遷入操作;將其它所有棲息地的遷出率進(jìn)行累加，并計(jì) 算其中每個(gè)棲息地的累積概率，然后取隨機(jī)數(shù)落在相應(yīng)區(qū)間，選取相應(yīng)的棲息地。
[0027] 優(yōu)選的，所述步驟S04中若m(Xi)大于在0到I之間生成的隨機(jī)數(shù)，則進(jìn)行突變操作； 否則不進(jìn)行突變操作。
[0028] 優(yōu)選的，將捜索空間和問題的優(yōu)化空間一一對(duì)應(yīng)起來，將連續(xù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為離 散優(yōu)化問題進(jìn)行求解，將變量XU的捜索區(qū)間限定在[0，1]之間，隨機(jī)生成一個(gè)[0，1]上的隨 機(jī)數(shù)r，如果那么相應(yīng)的二進(jìn)制位取1，否則取0。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0030] 本發(fā)明給出了算法的捜索空間和問題的優(yōu)化空間的映射方法，描述了求解應(yīng)急選 址問題的生物地理學(xué)優(yōu)化算法的執(zhí)行流程，通過對(duì)典型算例的計(jì)算和與遺傳算法的比較， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明生物地理學(xué)優(yōu)化算法具有較強(qiáng)的優(yōu)化性能，必然有很好的發(fā)展前景。
【附圖說明】
[0031] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0032] 圖1為本發(fā)明應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址問題的生物地理學(xué)優(yōu)化方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并參 照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解，運(yùn)些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā) 明的范圍。此外，在W下說明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，W避免不必要地混淆本 發(fā)明的概念。
[0034] 實(shí)施例：
[0035] 算法的構(gòu)建主要取決于W下幾個(gè)方面：
[0036] 1)每個(gè)棲息地的特征向量SIV和優(yōu)化問題的候選解相對(duì)應(yīng)，并且棲息地的氣候、地 質(zhì)條件情況和植被覆蓋情況等因素對(duì)應(yīng)于優(yōu)化問題解向量的各個(gè)分量。棲息地的適宜度指 數(shù)HIS的高低是對(duì)適宜度的向量SI V好壞的度量，適宜度指數(shù)HIS相當(dāng)于優(yōu)化問題中候選解 的評(píng)價(jià)函數(shù)。棲息地HIS值越高，則特征向量SI V對(duì)應(yīng)的解越好，反之也成立。
[0037] 2)棲息地生物群體的遷移機(jī)制相當(dāng)于尋優(yōu)算法中的信息共享機(jī)制。生物群體從高 適宜度指數(shù)HIS棲息地遷移到低適宜度指數(shù)HIS棲息地，低適宜度指數(shù)HIS棲息地的生態(tài)環(huán) 境會(huì)被改善，從而適宜度指數(shù)HIS會(huì)逐步提高。運(yùn)一過程相當(dāng)于較優(yōu)的捜索個(gè)體向較差的捜 索個(gè)體傳遞優(yōu)化信息，通過得到的優(yōu)化的信息，較差的捜索個(gè)體調(diào)整尋優(yōu)策略向較好的解 逼近。
[0038] 3)在自然界中，突變現(xiàn)象通常會(huì)造成大量個(gè)體的滅絕，只有少數(shù)適應(yīng)能力強(qiáng)的個(gè) 體才能得W生存，并且突變后幸存的個(gè)體的適應(yīng)能力通常會(huì)變得更強(qiáng)。當(dāng)生物進(jìn)化出現(xiàn)停 滯現(xiàn)象時(shí)，突變往往能打破僵局。受此啟發(fā)，BBO算法增加了突變操作，其中突變率根據(jù)每個(gè) 棲息地所容納的生物種群的數(shù)量確定。
[0039] 遷出率Ms)和遷入率ii(s)運(yùn)兩個(gè)函數(shù)在描述生物群體遷移規(guī)律方面有著重要的 作用。在生物地理學(xué)中，表示遷出率A(S)和遷入率ii(s)的函數(shù)形式有多種，其中一個(gè)簡(jiǎn)單有 效的形式是線性函數(shù)。在解決具體問題時(shí)，可根據(jù)需要調(diào)整運(yùn)兩個(gè)函數(shù)的表示形式。
[0040] 為方便起見，當(dāng)棲息地容納的生物種群數(shù)量為S時(shí)，遷入率函數(shù)A(S)和遷出率函數(shù) y(s)分別簡(jiǎn)寫為、和iis。定義Ps表示某一個(gè)棲息地容納生物群體數(shù)量為S時(shí)的概率，從時(shí)刻t 至Ijt+At內(nèi)Ps的變化情況可用式（1-1)表示：
[0041 ] ps(t+At) =ps(t) (1-入 sAt-]isAt)+ps-i(t)入 s-iAt+ps+iUs+iAt (1-1)
[0042]根據(jù)式（1-1)可知，棲息地在t+At時(shí)刻擁有S個(gè)生物群體，必須滿足下列條件之 -.
[00創(chuàng) 1)在時(shí)亥Ijt時(shí)，棲息地有S個(gè)生物種群，并且從t到t+At運(yùn)段時(shí)間內(nèi)沒有生物群體 的遷入和遷出；
[0044] 2)在時(shí)刻t時(shí)，棲息地有S-I個(gè)生物種群，并且在時(shí)刻t+At時(shí)只有1個(gè)生物種群遷 入該棲息地；
[0045] 3)在時(shí)刻t時(shí)，棲息地有S+1個(gè)生物種群，并且在時(shí)刻t+At時(shí)只有1個(gè)生物種群遷 出該棲息地。
[0046] 假設(shè)At非常小，W至于超過一個(gè)生物群體的遷入或遷出的概率都能夠忽略不計(jì)。 令A(yù)t一0,對(duì)式(1-1)兩邊取極限，可W得到式(1-2)。
[0047] 兵二 < -(1 + /〇 A + 年―1A-I + A+iA+i，1 含 Smax -1 (1-2) ,-(A + A ) A + A-IA-I， A' 二 Sn狙
[004引令d表示棲息地能容納的生物群體的最大數(shù)量Smax, P= [PO, P2,…，Pd]，則可定義 戶、(.y二化…，種的矩陣形式：
[0049] P = AP (1-3)
[0050] 其中A的定義如下：
[0052]根據(jù)棲息地生物群體的遷移模型，根據(jù)給定的種群數(shù)量k和所能容納的最大種群 數(shù)量d，可W計(jì)算出遷出率、和遷入率iis:
(1-5) "-6)
[0055] 考慮遷入率的最大值和遷出率的最大值相等運(yùn)一特殊情況，目化=1。則有W下結(jié) 論成立：
[0056] ]ik+Xk = E = I (1-7)
[0057] BBO算法利用棲息地的遷入率和遷出率實(shí)現(xiàn)解之間的信息交換機(jī)制。具體過程如