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应急管理中道路抢修队调度问题的建模和求解

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摘要

第一章 绪论

1.1 课题背景、目的与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 论文研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 应急路径修复相关研究

1.2.2 强化学习方法用于决策规划问题的相关研究

1.3 本文研究内容与论文组织

第二章 相关理论介绍

2.1 受损路网修复的基本原则

2.2 路网修复工作的约束条件

2.3 环境中的Agent

2.4 有限马尔科夫决策过程

2.5 强化学习中的一般模型

2.5.1 目标与回报

2.5.2 策略和值函数

2.5.3 最优策略与最优值函数

2.6 Q-learning算法

2.7 本章小节

第三章 无连续受损路段下的抢修队调度问题的建模与求解

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 马尔科夫决策模型

3.3.1 Agent的动作

3.3.2 Agent的状态

3.3.3 Agent的回报模型

3.3.4 Agent的马尔科夫决策模型

3.4 基于Q-learning的调度策略求解

3.5 实验结果与分析

3.5.1 实验环境与参数设置

3.5.2 算法运行时间

3.5.3 路网修复效果

3.5.4 抢修队的规划方案

3.6 本章小节

第四章 连续受损路段下的抢修队调度问题的建模与求解

4.1 引言

4.2 问题描述

4.3 修复连续受损路段的决策模型

4.3.1 Agent的动作

4.3.2 Agent的状态

4.3.3 Agent的回报模型

4.3.4 修复连续受损路段的马尔科夫决策过程

4.4 基于Q-learning的连续受损路段中抢修队调度算法

4.4.2 α的设置

4.4.3 平衡Agent的探索和利用

4.5 实验结果与分析

4.5.1 路网环境的参数设置

4.5.2 路网修复效果

4.5.3 抢修队的规划方案

4.6 本章小节

第五章 总结与展望

5.1 本文的主要创新点

5.2 进一步的研究工作

5.2.1 受损路网的修复层面

5.2.2 求解算法层面

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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摘要

在灾害应急响应中,及时修复受损路网、打通生命通道,是开展灾后救援工作的一个重要环节,这对应急救援的实施和灾民的快速安全疏散具有重要的现实意义。已有研究大多着眼于路网本身,构建的路网模型过于理想化,且仅考虑修复路网中哪些路段可以实现目标的最优化,而没有考虑这些受损路段是否可达,以及道路抢修队的具体调度,也没有考虑受损路段的修复顺序对于应急救援的影响。基于此,本文利用智能决策理论和计算机辅助工具对应急管理中道路抢修队调度问题展开研究,主要的工作如下:
  (1)调研和分析了应急救援中受损路网修复问题的研究现状以及存在问题,确定了本文的研究内容;介绍了Agent系统、马尔科夫过程、强化学习模型和Q-learning算法,为求解道路抢修队调度问题提供求解方法。
  (2)提出了一种无连续受损路段下道路抢修队调度问题的建模与求解方法。首先构建了无连续受损路段下路网的数学模型,用受损节点代表受损路段,并剔除所有非需求节点;利用马尔科夫决策过程描述抢修队的修复活动,设计了Agent的动作空间、状态空间和回报函数;提出了一种基于Q-learning的无连续受损路段下道路抢修队调度算法。对比实验表明本文的算法具有较强的鲁棒性,能够在不同的路网条件下求解得出有效合理的调度策略,并且提高了运输效率和修复效率。
  (3)提出了一种连续受损路段下道路抢修队调度问题的建模与求解方法。针对路网中存在多个连续受损路段的情形,在保留部分非需求节点的基础上构建了抢修队调度问题的决策模型,并证明抢修队调度的决策是一个马尔科夫过程;提出了一种基于Q-learning的连续受损路段下道路抢修队调度算法。实验证明本文算法在道路网严重受损的复杂情况下,能有效地求解连续受损路段的调度规划问题。

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