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文档简介
禁忌搜索(TS)+0-1整数规划(IP)组合模型案例题目题目:农村5G基站选址与覆盖优化问题问题背景:某通信公司计划在某县的30个行政村部署5G基站,每个基站覆盖半径1.5km,建设成本50万元/个。部分村庄人口少(≤500人)但位于交通要道,需优先覆盖;部分村庄因地形(如山区)需多基站重叠覆盖。问题描述:需选择基站建设地点(从50个候选点中选取),目标包括:①覆盖所有行政村(覆盖率100%);②最小化建设总成本;③最大化人口覆盖率(≥95%)。变量为0-1型(1表示建设,0表示不建设),需满足山区村庄至少2个基站覆盖的约束。数据情况:提供各村的位置坐标、人口数量、地形类型(平原/山区),候选基站的位置坐标、建设成本、预计覆盖范围(受地形影响的修正系数),以及村庄之间的道路连接情况(影响信号传播)。10.禁忌搜索(TS)+0-1整数规划(IP)求解农村5G基站选址与覆盖优化代码importnumpyasnpimportpandasaspdimportmatplotlib.pyplotaspltimportseabornassnsimportrandomimportpulpfrommatplotlib.patchesimportCircle,Polygonfrommatplotlib.colorsimportLinearSegmentedColormapimportcopy#设置随机种子,保证结果可复现np.random.seed(42)random.seed(42)#问题数据初始化definitialize_rural_5g_data(n_villages=30,n_candidates=15,coverage_radius=3.0):"""初始化农村5G基站选址问题数据n_villages:村庄数量n_candidates:候选基站位置数量coverage_radius:基站覆盖半径(公里)"""#生成村庄坐标(模拟农村区域分布)#假设区域范围为10x10平方公里villages=np.random.rand(n_villages,2)*10#村庄人口(影响优先级)population=np.random.randint(100,1501,size=n_villages)#100-1500人#村庄经济水平(1-5,影响权重)economic_level=np.random.randint(1,6,size=n_villages)#地形复杂度(影响建设成本和信号衰减)#0-平坦,1-丘陵,2-山区terrain=np.random.choice([0,1,2],size=n_villages,p=[0.5,0.3,0.2])#候选基站位置(尽量选择地势较高处)candidates=np.random.rand(n_candidates,2)*10#基站建设成本(受地形影响)base_cost=150#基础建设成本(万元)build_cost=[]foriinrange(n_candidates):#计算候选点周围地形影响nearby_terrain=[]forjinrange(n_villages):dist=np.sqrt(np.sum((candidates[i]-villages[j])**2))ifdist<coverage_radius:nearby_terrain.append(terrain[j])ifnotnearby_terrain:terrain_factor=1.0else:#地形越复杂,建设成本越高terrain_factor=1.0+0.3*np.mean(nearby_terrain)#最终建设成本cost=base_cost*terrain_factor+np.random.normal(0,10)build_cost.append(max(100,cost))#最低100万元#计算每个候选基站对村庄的覆盖情况(考虑地形衰减)coverage=np.zeros((n_candidates,n_villages))#1表示可覆盖,0表示不可signal_strength=np.zeros((n_candidates,n_villages))#信号强度(0-1)foriinrange(n_candidates):forjinrange(n_villages):#计算距离dist=np.sqrt(np.sum((candidates[i]-villages[j])**2))#距离衰减ifdist<=coverage_radius:#距离越近信号越强dist_factor=1-(dist/coverage_radius)#地形衰减terrain_loss={0:0.1,1:0.3,2:0.5}[terrain[j]]#最终信号强度strength=dist_factor*(1-terrain_loss)signal_strength[i,j]=strength#信号强度大于0.3视为有效覆盖ifstrength>0.3:coverage[i,j]=1#基站间干扰系数(距离越近干扰越大)interference=np.zeros((n_candidates,n_candidates))foriinrange(n_candidates):forjinrange(n_candidates):ifi!=j:dist=np.sqrt(np.sum((candidates[i]-candidates[j])**2))#距离越近,干扰系数越大(0-1)interference[i,j]=max(0,1-dist/(2*coverage_radius))return{'villages':villages,'population':population,'economic_level':economic_level,'terrain':terrain,'candidates':candidates,'build_cost':np.array(build_cost),'coverage':coverage,'signal_strength':signal_strength,'interference':interference,'coverage_radius':coverage_radius,'n_villages':n_villages,'n_candidates':n_candidates,'annual_operation_cost':15#年运维成本(万元/基站)}#0-1整数规划模型(固定基站集合下的优化)defip_coverage_optimization(data,selected_candidates):"""在选定的候选基站集合中,使用0-1整数规划优化最终选址目标:最小化总成本,最大化覆盖质量"""n_selected=len(selected_candidates)n_villages=data['n_villages']ifn_selected==0:return[],float('inf')#创建问题实例(最小化成本)prob=pulp.LpProblem("5G_Base_Station_Optimization",pulp.LpMinimize)#决策变量:是否建设基站(1-建设,0-不建设)x=pulp.LpVariable.dicts("Build",range(n_selected),lowBound=0,upBound=1,cat=pulp.LpInteger)#辅助变量:村庄是否被覆盖y=pulp.LpVariable.dicts("Covered",range(n_villages),lowBound=0,upBound=1,cat=pulp.LpInteger)#1.目标函数:最小化建设成本+未覆盖惩罚total_cost=0#建设成本foriinrange(n_selected):idx=selected_candidates[i]total_cost+=x[i]*data['build_cost'][idx]#未覆盖惩罚(基于村庄重要性)#重要性=人口*经济水平importance=data['population']*data['economic_level']max_importance=np.max(importance)forjinrange(n_villages):#惩罚系数:相当于覆盖100人的成本penalty=max_importance*0.1total_cost+=(1-y[j])*penaltyprob+=total_cost,"Total_Cost"#2.约束条件#2.1覆盖约束:至少一个基站覆盖村庄forjinrange(n_villages):coverage_expr=0foriinrange(n_selected):candidate_idx=selected_candidates[i]coverage_expr+=x[i]*data['coverage'][candidate_idx,j]#如果有基站覆盖,则y[j]必须为1prob+=coverage_expr>=y[j],f"Coverage_Constraint_{j}"#2.2干扰约束:避免过近的基站同时建设foriinrange(n_selected):forkinrange(i+1,n_selected):i_idx=selected_candidates[i]k_idx=selected_candidates[k]#干扰系数大于0.5的基站不能同时建设ifdata['interference'][i_idx,k_idx]>0.5:prob+=x[i]+x[k]<=1,f"Interference_Constraint_{i}_{k}"#2.3预算约束(假设总预算)total_budget=1200#总预算(万元)prob+=pulp.lpSum([x[i]*data['build_cost'][selected_candidates[i]]foriinrange(n_selected)])<=total_budget,"Budget_Constraint"#求解prob.solve(pulp.PULP_CBC_CMD(msg=0))#静音模式#提取结果selected=[selected_candidates[i]foriinrange(n_selected)ifx[i].varValue>0.9]total_cost=pulp.value(prob.objective)returnselected,total_cost#禁忌搜索算法classTabuSearch:def__init__(self,data,tabu_size=10,max_iter=50,neighbor_size=5):"""禁忌搜索算法初始化tabu_size:禁忌表大小max_iter:最大迭代次数neighbor_size:每次生成的邻域解数量"""self.data=dataself.tabu_size=tabu_sizeself.max_iter=max_iterself.neighbor_size=neighbor_sizeself.n_candidates=data['n_candidates']self.tabu_list=[]#禁忌表,存储被禁忌的操作self.best_solution=[]self.best_cost=float('inf')self.history=[]#记录优化历史definitialize_solution(self):"""生成初始解:随机选择部分候选基站"""#初始选择30%-50%的候选点n_selected=int(self.n_candidates*(0.3+0.2*random.random()))returnrandom.sample(range(self.n_candidates),n_selected)defevaluate_solution(self,solution):"""评估解的质量:调用整数规划模型"""ifnotsolution:returnfloat('inf')#调用IP模型进行优化optimized_sol,cost=ip_coverage_optimization(self.data,solution)returnoptimized_sol,costdefgenerate_neighbors(self,current_solution):"""生成邻域解"""neighbors=[]#当前选中的基站集合current_set=set(current_solution)#未选中的基站集合unselected=set(range(self.n_candidates))-current_set#生成多种邻域解for_inrange(self.neighbor_size):#随机选择操作类型:添加、删除或替换operation=random.choice(['add','remove','swap'])ifoperation=='add'andunselected:#添加一个基站to_add=random.choice(list(unselected))new_sol=current_solution+[to_add]elifoperation=='remove'andlen(current_solution)>1:#删除一个基站to_remove=random.choice(current_solution)new_sol=[sforsincurrent_solutionifs!=to_remove]elifoperation=='swap'andunselectedandcurrent_solution:#替换一个基站to_remove=random.choice(current_solution)to_add=random.choice(list(unselected))new_sol=[sforsincurrent_solutionifs!=to_remove]+[to_add]else:#无法执行所选操作,默认选择swapifunselectedandcurrent_solution:to_remove=random.choice(current_solution)to_add=random.choice(list(unselected))new_sol=[sforsincurrent_solutionifs!=to_remove]+[to_add]elifunselected:to_add=random.choice(list(unselected))new_sol=current_solution+[to_add]else:to_remove=random.choice(current_solution)new_sol=[sforsincurrent_solutionifs!=to_remove]#去重并排序(便于比较)new_sol=sorted(list(set(new_sol)))neighbors.append(new_sol)returnneighborsdefis_tabu(self,solution,current_solution):"""判断解是否为禁忌"""#计算与当前解的差异(操作)current_set=set(current_solution)new_set=set(solution)added=new_set-current_setremoved=current_set-new_set#操作表示为(添加的基站,删除的基站)operation=(tuple(sorted(added)),tuple(sorted(removed)))returnoperationinself.tabu_listdefupdate_tabu_list(self,solution,current_solution):"""更新禁忌表"""current_set=set(current_solution)new_set=set(solution)added=new_set-current_setremoved=current_set-new_setoperation=(tuple(sorted(added)),tuple(sorted(removed)))#添加新操作到禁忌表self.tabu_list.append(operation)#如果超出禁忌表大小,移除最早的iflen(self.tabu_list)>self.tabu_size:self.tabu_list.pop(0)defoptimize(self):"""执行禁忌搜索优化"""#初始解current_solution=self.initialize_solution()current_solution,current_cost=self.evaluate_solution(current_solution)#更新最优解self.best_solution=current_solutionself.best_cost=current_costself.history.append(self.best_cost)print(f"初始解:选择{len(current_solution)}个基站,成本{current_cost:.2f}万元")#迭代优化foriterinrange(self.max_iter):#生成邻域解neighbors=self.generate_neighbors(current_solution)#评估所有邻域解neighbor_results=[]forneighborinneighbors:#避免重复解ifneighbor==current_solution:continue#评估邻域解opt_neighbor,cost=self.evaluate_solution(neighbor)neighbor_results.append((neighbor,opt_neighbor,cost))#按成本排序neighbor_results.sort(key=lambdax:x[2])#选择下一个解next_solution=Nonenext_opt_solution=Nonenext_cost=float('inf')fornrinneighbor_results:neighbor,opt_neighbor,cost=nr#检查是否为禁忌解ifnotself.is_tabu(neighbor,current_solution):next_solution=neighbornext_opt_solution=opt_neighbornext_cost=costbreakelse:#特赦准则:如果禁忌解明显优于当前最优解,则接受ifcost<self.best_cost*0.9:next_solution=neighbornext_opt_solution=opt_neighbornext_cost=costprint(f"触发特赦准则:成本{cost:.2f}优于当前最优{self.best_cost:.2f}")break#如果没有找到合适的解,随机选择一个ifnext_solutionisNoneandneighbor_results:next_solution,next_opt_solution,next_cost=neighbor_results[0]#更新当前解current_solution=next_solutioncurrent_cost=next_cost#更新最优解ifcurrent_cost<self.best_cost:self.best_so
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