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从组合爆炸到智能搜索:用 Python 求解容量约束 VRP

  • 2026-10-11 08:10:33
从组合爆炸到智能搜索:用 Python 求解容量约束 VRP

你要给 15 个客户送货,用 1 辆车。请问有多少种可能的路线?

答案是:15! ≈ 1.3 × 10¹²,也就是 1.3 万亿种。如果再用 2 辆车,你不仅要决定每辆车访问哪些客户,还要决定各自的顺序——这个数量级会把任何蛮力穷举踢出局。

这就是车辆路径问题面临的“组合爆炸”。而现实中的物流公司,面对的是上百辆车、上千个配送点、加上时间窗、车型限制、道路拥堵——复杂度可以说是天文数字。

01 问题的数学本质:一个带约束的组合优化

我们用精确但不枯燥的方式,定义这个问题。

容量约束车辆路径问题可以形式化为:

目标:找到一组总代价最小的回路(每辆车从仓库出发并返回),使得:

  • 每个客户被恰好访问一次;

  • 每辆车访问的客户总需求不超过容量 Q。

这个问题的决策变量是二元的:Xij(k)=1 当且仅当车辆 k直接从 i 行驶到 j。约束条件包含流量守恒、容量约束和子回路消除(subtour elimination)。完整写出整数规划模型需要相当篇幅,但核心思想就是:在满足所有结构约束的前提下,最小化总行驶代价。

这是一个 NP-hard 问题。精确算法(分支定界、分支切割)在小规模(约 50 个客户以内)可以拿到全局最优;大规模则依赖于启发式和元启发式——而 Google OR-Tools 把这些都封装好了。

02 为什么不用遗传算法从头写?

  1. 收敛性不稳定:参数调不好,解的质量波动极大。

  2. 约束处理很麻烦:容量约束和子回路消除需要专门设计编码和修复算子。

  3. 没有最优性 gap:你不知道当前找到的解离全局最优还有多远。

OR-Tools 的 VRP 求解器底层混合使用了局部搜索(Local Search)和元启发式(Guided Local Search、Tabu Search、Simulated Annealing)。它的核心思路是:先通过一个贪心启发式(PATH_CHEAPEST_ARC)构建初始可行解,然后通过一系列邻域操作(2-opt、Or-opt、Relocate、Exchange、Cross)不断改进,同时用 Guided Local Search 惩罚重复出现的“好边”来逃离局部最优。

03 从代码到求解:模型的三个关键组件

在 OR-Tools 中建模一个 CVRP,本质上就是定义三个东西:

① 距离回调函数(Distance Callback)

这个函数返回任意两个节点之间的代价。我们用欧几里得距离并转换成整数:

def distance_callback(from_index, to_index):    from_node = manager.IndexToNode(from_index)    to_node = manager.IndexToNode(to_index)    return distance_matrix[from_node][to_node]

需要整数是因为 OR-Tools 内部用整数运算避免浮点误差。我们乘以 1000 保留三位小数精度。

② 需求回调函数(Demand Callback)+ 容量约束维度

维度(Dimension)是 OR-Tools 中传递约束的核心机制。一个维度沿路线累积一个量(这里是从仓库出发的累计载货量),并施加上下界约束:

routing.AddDimensionWithVehicleCapacity(    demand_callback_index,    0,                            # 松弛变量,允许超载时为正值    [vehicle_capacity] * num_vehicles,  # 每辆车的容量上界    True,                         # 从起点开始累加    'Capacity')

这里 松弛变量设为 0 意味着硬约束:绝对不允许超载。如果你需要软约束(允许超载但有惩罚),可以给松弛变量一个正的上界,并在目标函数中加入惩罚项。

③ 搜索策略

PATH_CHEAPEST_ARC 是构建初始解的启发式:从仓库出发,每次选择未访问且代价最小的弧连接,直到所有点被访问。当一辆车装满,就启动下一辆。后续的局部搜索会在此基础上迭代改进。GUIDED_LOCAL_SEARCH 是一种元启发式,它会给当前解中经常出现的高代价边加上“惩罚”,迫使搜索跳出局部最优。

04 完整实现:15 个客户,2 辆车,容量约束

import randomimport numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom ortools.constraint_solver import pywrapcp, routing_enums_pb2# ==================== 1. 数据生成 ====================random.seed(42)np.random.seed(42)num_customers = 15num_vehicles = 2depot = 0vehicle_capacity = 15# 坐标:仓库在原点,客户在[-10, 10]范围内均匀分布points = [(0, 0)] + [(random.uniform(-10, 10), random.uniform(-10, 10)) for _ in range(num_customers)]# 需求量:1~4 均匀分布,仓库为0demands = [0] + [random.randint(1, 4) for _ in range(num_customers)]# ==================== 2. 距离矩阵 ====================def compute_distance_matrix(points):    """欧几里得距离矩阵,乘以1000保留整数精度"""    size = len(points)    matrix = np.zeros((size, size), dtype=int)    for i in range(size):        for j in range(size):            if i != j:                dx = points[i][0] - points[j][0]                dy = points[i][1] - points[j][1]                matrix[i][j] = int(np.hypot(dx, dy) * 1000)    return matrixdistance_matrix = compute_distance_matrix(points)# ==================== 3. OR-Tools 建模 ====================# RoutingIndexManager:管理节点索引与求解器内部索引的映射manager = pywrapcp.RoutingIndexManager(len(points), num_vehicles, depot)routing = pywrapcp.RoutingModel(manager)# 距离回调 → 目标函数def distance_callback(from_index, to_index):    from_node = manager.IndexToNode(from_index)    to_node = manager.IndexToNode(to_index)    return distance_matrix[from_node][to_node]transit_callback_index = routing.RegisterTransitCallback(distance_callback)routing.SetArcCostEvaluatorOfAllVehicles(transit_callback_index)# 需求回调 → 容量约束维度def demand_callback(from_index):    from_node = manager.IndexToNode(from_index)    return demands[from_node]demand_callback_index = routing.RegisterUnaryTransitCallback(demand_callback)routing.AddDimensionWithVehicleCapacity(    demand_callback_index,    0,                                # 不允许超载的硬约束    [vehicle_capacity] * num_vehicles,    True,    'Capacity')# 搜索参数:贪心初始解 + 引导式局部搜索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.seconds = 5# ==================== 4. 求解并输出 ====================solution = routing.SolveWithParameters(search_parameters)if solution:    print(f'最优解目标值: {solution.ObjectiveValue()/1000:.2f} (总距离)')    routes = []    for vehicle_id in range(num_vehicles):        route = []        index = routing.Start(vehicle_id)        while not routing.IsEnd(index):            node = manager.IndexToNode(index)            route.append(node)            index = solution.Value(routing.NextVar(index))        route.append(depot)        routes.append(route)        load = sum(demands[node] for node in route if node != depot)        dist = sum(distance_matrix[route[i]][route[i+1]] for i in range(len(route)-1)) / 1000        print(f'车辆 {vehicle_id+1} | 路线: {route} | 载重: {load}/{vehicle_capacity} | 距离: {dist:.2f}')else:    print('未找到可行解。请检查约束或增大容量。')    exit()# ==================== 5. 可视化 ====================plt.style.use('dark_background')fig, ax = plt.subplots(figsize=(12, 10), facecolor='#1a1a2e')ax.set_facecolor('#1a1a2e')palette = ['#00f5ff', '#ff6ec7', '#f5ff00', '#00ff7f', '#ffa500', '#af7ac5']for vid, route in enumerate(routes):    color = palette[vid % len(palette)]    xs = [points[n][0] for n in route]    ys = [points[n][1] for n in route]    # 三次样条平滑    t = np.arange(len(xs))    t_dense = np.linspace(0, len(xs) - 1, 500)    xs_smooth = np.interp(t_dense, t, xs)    ys_smooth = np.interp(t_dense, t, ys)    ax.plot(xs_smooth, ys_smooth, color=color, linewidth=2.5, alpha=0.85, zorder=2)    mid = len(route) // 2    ax.annotate(f'车辆{vid+1}', (xs[mid], ys[mid]),                color=color, fontsize=12, fontweight='bold',                bbox=dict(boxstyle='round,pad=0.3', facecolor='#1a1a2e', edgecolor=color, alpha=0.9))# 客户点 (大小 ∝ 需求量)for i in range(1, len(points)):    d = demands[i]    ax.scatter(points[i][0], points[i][1], s=d*80, c='white',               edgecolors='#00f5ff', linewidths=1.5, zorder=5)    ax.annotate(f'{d}', (points[i][0], points[i][1]),                textcoords="offset points", xytext=(0, 8),                ha='center', color='white', fontsize=9, fontweight='bold')# 仓库ax.scatter(points[0][0], points[0][1], s=350, c='#ff073a', marker='s',           edgecolors='white', linewidths=2, zorder=10, label='仓库 (Depot)')# 装饰ax.legend(loc='upper left', frameon=True, facecolor='#2d2d44',          edgecolor='white', fontsize=10)ax.grid(True, linestyle='--', linewidth=0.3, alpha=0.4, color='white')for spine in ax.spines.values():    spine.set_edgecolor('#444466')ax.tick_params(colors='#cccccc')ax.set_xlabel('X', color='white', fontsize=12)ax.set_ylabel('Y', color='white', fontsize=12)ax.set_title('CVRP 优化结果 · 2 辆车 · 容量 Q=15', color='white',             fontsize=18, fontweight='bold', pad=20)plt.tight_layout()plt.savefig('cvrp_solution.png', dpi=200, bbox_inches='tight', facecolor='#1a1a2e')plt.show()

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