TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 4, April 2013, pp. 1883 ~18 8 8   ISSN: 2302-4 046           1883      Re cei v ed  Jan uary 7, 2013;  Re vised Feb r uary  12, 201 3 ;  Accepte d  Febru a ry 24, 2 013   A Novel Discrete Differential Evolution Algorithm      Lingjuan HO U* 1 , Zhijiang HOU 2   1 School of M anag ement, Tianjin Norm al University, Tianjin 30 038 7, China   2 Libra r y, Tian jin University of Tech nolog y, Tianjin 300 387, Chi na    *Co rre sp ondi ng autho r, e-mail: lingjuan 258 @16 3 .co m       A b st r a ct   Aiming  at the   stochastic ve hi cle ro utin g pro b le ms w i th si mu ltan eous  pi ckups a nd  de li veries,   a   nove l  discr ete  differenti a ev oluti on  alg o rith m is  pr o pos e d  for rout es o p timi z a ti on. T h e al gorith m  c an  directly b e  us e d  for the d i scr ete do main  by  spec i a l d e sig n . Co mp utatio nal si mul a tions  and c o mpar is ons   base d  o n  tw o k i nds  of pr obl e m of differ ent  si z e s of  S V RP SPD ar e pr ovid ed. R e sults  de mo nstrate th at  the   prop osed  al gor ithm obta i ns  b e tter results th an th e b a sic d i fferentia ev ol ution  al gorith m  and  the  existi n g   gen etic al gorith m .      Ke y w ords : SVRPSPD, bitw ise oper ator, dis c rete differenti a l evo l utio n al g o rith m      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  The SVRPSP D is a va riant  of the cla ssi cal VRP  whi c h is often e n countered in p r acti ce.  After VRPSPD is  int r oduced into the literature  by Min [1], s o me sc holars  contribute  on  the  mathemati c al  formulatio and the  sol u tion metho d s.  In pro b lem s , su ch a s   cap a city co nst r ai nt  and time  windows being taken into  account.  On the other hand,  bec ause V R PSPD has been  proved  to b e   NP-h ard, th solutio n  meth ods mo st ly focu s o n  the  he uristi cs an meta-h euri s ti cs.  With the dev elopme n t of compute r  tech nology,  a few heuri s tics an d meta-h eu ri stics have b e en  us ed to s o lve VRPSPD [2,  3, 4].    To date, most s t udies  on  VR PSPD focus  on the level of det erminis t ic  model.  However,   in many real-worl d  ap plica t ions,   one  or more  pa ram e ters of VRP SPD tend to  be sto c h a sti c Thus, it is necessary to st udy the mode l and the algorithm of stochastic V R PSPD.  The diffe renti a l evolutio (DE) alg o rith m is  one  of  the late st i n telligent  opt imization  algorith m s p r opo sed by St orn a nd Pri c e  [5]. As a  pop ulation-ba sed  evoluti ona ry algorith m , DE  is  origin ally de sign ed for continuo us op timiza tion problem s whi c h use si mpl e  mutation and   cro s sove r o p e rato rs to g e nerate  ne candid a te  solu tions, a nd  ap plies on e-to -one  com petition   strategy to  select th e ne w individ ual s. Du e to  its si mplicity, effectivene ss an d ro bu stne ss,  DE   has be en  su ccessfully a p p lied in   solving  continu o u s  p r obl em s i n  a va riety of  fields.  Ho we ver,  Owin g to  con t inuou s n a ture of  DE, the   resea r ch o n   DE for  combi natorial  o p timization  i s  v e ry  limited. So, it is urgent to prop ose a  discrete  differential evol ution algo rith m for spe c ifi c   probl em s.   Re cently, so me sch o lars have d one  som e  rese arche s  o n   DE for  co m b inatori a optimizatio n probl em s [6, 7, 8]. Few stu d ies h a ve be en don e on VRP with DE.   In view of above analysi s ,  this pape r fo cu se s on de signing a n o ve l discrete differential  evolution alg o rithm (DDE). In DDE, ind i viduals a r e repre s e n ted a s  discrete cli ent ordi nal, a nd  new m u tatio n  ope rator i s  define d  b a se d on the  definition o f  new alg e b r aic  structu r es.  Con s e quently , DDE  ca n b e  directly a p p lied to   the  combi nato r ial  optimization  pro b lem  wh ere  chromo som e s are n a tural numbe rs.  The remaini n g pap er i s  o r gani zed  as fo llows. In se cti on 2 the  sto c hasti c prog ra mming   model of SV RPSPD is  presented. Th e structure of  DE is given i n   section  3. In section  4 DDE is  introdu ce d co mpre hen sivel y . And in section 5, the  computational result s over di fferent sizes  of  SVRPSPD are disc us sed. Finally, c o nc lus i ons   an some s ugges tions  for future work  are  summ ari z ed.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1883 – 1 888   1884 2. Problem Formulation a nd Preliminaries  SVRPSPD discussed in this  paper can be descri bed as follows: Given a singl e depot, a  set of cli ents whe r e e a ch  client  simult aneo usly ha s both a deliv ery dem and  and a pi ck-u p   deman d and  must be  serv ed on ce by o n ly one vehi cle, a homoge neou s fleet of vehicle s  wh e r each vehi cle,  whi c h  d e livers the  goo ds  from  the  dep ot to clients as well a s  picks up load s ba ck  to the dep ot, has th e same  cap a city an d  maximum tr a v el time, and  must return t o  the de pot if it  can n o t satisf y the demand s of client s or  if the maximum travel time excee d s.    In detail, we  sup p o s e th at:  n  denote s  the n u mb er of the  cli ents;  m  den otes the  maximum available nu mb er of vehi cle  can be u s e d  of the depot(0);  C  d e n o tes the vehi cle   cap a city; the  delivery d e m and  subj ects to  the n o rmal dist ributi on, that is  i d ) , ( 2 i i N ; the  pick-u p dem a nd is d e termi nate, assumi ng i i r p . We also  assume th e travel time su bject s  to   the norm a l di stributio n, tha t  is  t ijk  ) , ( 2 ij ij ij v d N , sup pose that the  servi c e time  for every cli e n t   is pro p o r tiona l to delivery demand of it, that is  i i d T B  denotes the maxi mum travel time. The  con s trai nts of  capa city and  maximum tra v el time  coul d be un sub s t antiated, but the probability  of  con s trai nts  satisfactio n  is more than   the given  co nfiden ce lev e l. Mean whil e, denote s  th e   percenta g e s  allowed for o v erload;  ) 1 ( and ) 1 ( denote the con f idence level.  The problem  formulatio n is as follows:     Let: otherwise j i arc uses k vehicle if x ijk ) , (           0 1  and  otherwise i client visits k vehicle if z ik           0 1       m k n i n j ijk ij x d z Minimize 10 0                                                  (1)     n i z to Subject m k ik , , 2 , 1         1       1                    (2)     m k x n j jk , , 2 , 1 1 1 0    (3)     m k x n i k i , , 2 , 1 1 1 0      (4)     m k n l x x n j ljk n i ilk , , 2 , 1    ;   , , 2 , 1       0 0 0    (5)     m k n C z d z p P ik n i i ik i i , , 2 , 1   ; , , 1 , 0       0 )) 1 ( ( 1 0    (6)     m k n C z d z p C P ik n i i ik i i , , 2 , 1   ; , , 1 , 0      )) 1 ( ( 1 0    (7)     m k B z T x t P n i n j n i ik i ijk ijk , , 2 , 1      1 ) ( 00 1      (8)     m k V V V for V x k V iV j k k ijk kk , , 2 , 1   , 2 , } 0 {     1                                             (9)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       A Novel  Discrete Differenti a l Evolution A l gorithm  (Ling j uan HOU)  1885 The  obje c tive functio n   (1)  minimizes the  total di stan ce. Co nst r aint (2) en su re  that eve r client is  se rve d  by exactly o ne  vehicl e. Constraints  (3 -4) en su re tha t  maximum a v ailable nu m ber   of vehicle i s   not exce ede d. Con s trai nts (5 ) g uarant ee that a ve hicl exits th e clie nt it enters.  Constrai nts (6-7)  represent that a  small  num ber of   overload is all o wable,  but the probability of   overloa d  i s  le ss than . Con s traint (8) h andle  maxim u m allo wa ble  travel time,  whi c h all o a   certai n amou nt of overtime, but the  probability of overtime is less than . Const r aints (9) a r sub - tou r  elimi nation con s traints.   Note that  wh en 0 fixed in co nstrai nts  (6 -7 ), this mo del i s  tra n sfo r me d into the m o del  of  SVRP sub j ect  to   the same co nstrai nts. When n fixed in   con s tra i nts  (6-7), thi s  m odel  i s   transfo rme d  i n to the mod e l  of SVRP wi th only picku p s. When 0 fixed and 1 m , that is the  depot have o n ly one vehicl e, the model is  tran sformed  into the model of TSP.      3. Diffe ren t ia l Ev o l ution Algorithm  DE is an im proved ve rsi on of GA which  b e lon g s to the evolutionary opti m ization   method, wh e r e ch rom o so mes a r e floa ting-poi nt nu mbers. The  prin ciple for  DE is de scri be d   briefly as  follows .     (1) Population Initialization   DE is co nsi d ered  NP   d -di m ensi onal ve ctors a s  the initial populati on to sea r ch the best   solutio n We   can   denot the  group   as  follows:           } , , 1 , 0 , , , 2 , 1 ), , , , ( | { max , , 2 , 1 , , G G NP i x x x X X G di G i G i G i G i , where  G ma x   denote s  t he maximu evolution ge n e ration.    Clea rly , NP i X i , , 2 , 1 , 0 , denot e the initial  popul ation. G ener ally, the  initial pop ulat ion   can b e  ch ose n  rand omly from the ran g e  of variables.     (2) Mut a tion Operator    The purpo se  of mutation is to generate t he mutant vector i n  orde r to enha nce   pertu rbatio n t o  the ta rg et vector to  avoid  prem atu r converg e n c e t o  a  non -glo b a l lo cal  optim um.  For  ea ch t a rget  vecto r   NP i X G i , , 2 , 1 , , , the m u tant vecto r  ca n b e   cre a ted  a s ) ( , 3 , 2 , 1 1 , G r G r G r G i X X F X V , whe r e th e i ndexe s   r 1 , r 2 , r 3  represent  the rand om  and m u tually  different integers  generated within [1, NP ] and also di fferent from  i F  is a scalin g factor, whi c h is  a real cons tant within [0,2].    (3) Cro s sove Operat or   The pu rpo s of cro s sover  is to increa se  t he potential diversity of the evolution  grou p.  Based o n  the  mutant vecto r , the trial vector  ) , , , ( 1 , 1 , 2 1 , 1 1 , G di G i G i G i u u u U  can b e  co nstru c ted  as  follows :     otherwise x j i rand or CR rand v u G ji G ji G ji , 1 , 1 , ) (     ) 1 , 0 (    (10 )     In formula  (1 0),  ra nd (0,1)  is a rand om  value within [ 0 ,1];  rand ( i ) i s  a rand omly cho s e n   index from   } , , 2 , 1 { d G  is th e n u mbe r  of  cu rre nt gen eration, and   CR  is  the  cr oss o ver  probability within [0,1].    (4)  Sele ction Operator   Based  on  the  estimatio n  of  the g r ou p, th e se le ction o perato r   executes  acco rdin g to the   fitness val ue  of the target  vector a nd it s corr e s po ndi ng trial ve cto r . The p opul a t ion of the ne xt  gene ration i s  obtaine d by adopting the fo llowing  gre e d y  selectio n cri t erion:     otherwise X X f U f U X G i G i G i G i G i , , 1 , 1 , 1 , ) ( ) (    (11 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1883 – 1 888   1886 It is obvious from the abov e descri p tion that  the traditional DE algo rithm is desig ned for  the contin uou s optimi z atio n pro b lem s , not suitabl for ap plication  to comb inatorial optimization  probl em s.      4. Discre t e Differe ntial Ev olution Algo rithm  This pa per p r opo se s a  n o vel DDE fo r SVRP. T h e e s sential  differen c e  is mutation   operator with  DE.    4.1. Repre s e n ta tion and  Fitnes s Fun ction   In this pap er,  we ad opt the client -ordin al-ba s e d  re prese n tation which h a bee n widely   use d  in  the li terature fo r V R P. The  fea s ible routing  can b e  d e cod ed to th ch romosome  ( i 11 ,   i 12 ,.. .,  i 1s ; 0,  i 21 ,  i 22 , ... ,  i 2 t ;.. .; 0,  i m 1 ,  i m 2 , ...,  i mw ) with the le ngth  n+m - 1.   In DE, the fi tness functio n  is used to  evaluate the adapta b ility to environment of  chromosom e .First of all, we will deal  with the  constraint s (6-8), let them transform into thei equivalent  re pre s entatio ns. We  can  hav e the  re sult that co nst r ain t s (6-8 are  e quivalent to  the   following formula, res p ec t i vely [9]:   m k n C z z p z ik n i i ik i i n i ik i , , 2 , 1   ; , , 1 , 0   ) 1 ( 1 0 1 2 1   (12 )       m k n C z z p z ik n i i ik i i n i ik i , , 2 , 1   ; , , 1 , 0   ) 1 ( ) 1 ( 1 0 1 2 1   (13 )       B    1 00 1 n 1 2 2 2 00 1     ij ij n i n j ijk n i ik i i i ik ij n i n j ijk v d x z z x       (14 )     In this pap er,  we u s e fo rm ula  l l z bz f ' as the fitness fun c tion , where  f l   is t he fitness  value of th chrom o some  l b  is  a g i ve c o ns ta n t,  z'  i s  the b e st  dist ribution  co sts  corre s p ondin g   to the chromo some in initial  populatio n,  z l  is the distrib u tion co sts of  the chromo some  l   4.2. Mutation  Opera t or   In DDE, a  si mple m u tatio n  op erato r  i s  de sign ed i n   orde r to  ge n e rate  discret e value s Before d e si g n ing the  ne w mutation o p e rato r, first of  all, we i n tro duce two  bit w ise op erato r s of  the comp uter langua ge to  define the new al geb ra i c  structu r e o n  the set of vectors who s e   element s are  natural n u m bers. We u s e   N d  for the  d -dimen sion ve ctor  set and  define a bin a r operator fro m d d N N to d N .   Definition 1:  Assumi ng   d d N a a a A ) , , , ( 2 1 d d N b b b B ) , , , ( 2 1 , and giving  nume r ical co nstant  ) 1 , 0 ( F , we define operators  as  follows      ) & , , & , & (         ) , &( : & 2 2 1 1 d d b a b a b a B A ,    ) | , , | , | (         ) , ( |   |: 2 2 1 1 d d b a b a b a B A   otherwise a a a a a a a F rand a a a a a a a A F j d j d j d d j j j ) , , , , , , , , ( ) 1 , 0 ( ) , , , , , , , (         1 1 1 2 1 1 1 1 1 2   whe r rand (0,1) is  a random number wit h in [0,1],  j  is  a rand om nat ural nu mbe r  within (1, d ).   Based o n  the  above definit ion, the mutation ope rato r can be present ed as follo ws:  1 , , 1 , 0 , , , 2 , 1 , & | max , 3 , 2 , 1 1 , G G NP i X X F X V G r G r G r G i  (15 )   In formula(15 ),  G i X , is the targ et vector, G r X , 1 G r X , 2  and  G r X , 3 are ve ctors distin ct an d   different of the target vector cho s en  rand omly fro m  the group.   is a mutant scal e  factor,  belon ging to the interval [0, 1 ]. The abov e form ula  co nsi s ts of two  comp one nts  and an exa m ple   is given in Fig u re 1.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       A Novel  Discrete Differenti a l Evolution A l gorithm  (Ling j uan HOU)  1887     Figure 1. Mutation ope rato r: ( a ):  s e le ct  t he v e ct or X r1 , X r2  and X r3  randomly , the n   cal c ulate  X = 3 2 & r r X X ; ( b ): sele ct u n iform num be r ran d  (0,1 ) b e twee n (0,1 ) and ra ndo m numbe r   j  rando mly ,  calcul ate  d t X F X  for  F = 0 .5; ( c ): cal c ulate t r X X V | 1     4.3. Cross o v e r Opera t or  and Selectio n Opera t or     In this paper, acco rdin g to formula (1 0),  the trial individual s are ge nerate d  one  by one.  The  sele ction  is  executed  according  to f o rmul a (11 )  t hat the  pop ul ation of th e n e xt gene ratio n  is  prod uced indi vidually by using t he gre e d y  selectio n cri t erion.     4.4. Rev i se  Opera t or.   We see that the feasibl e  chrom o some  gene s of  VRP must be different with ea ch othe r.  As de scrib e d  in the p r evi ous, ille gal i ndividual s m a y be p r odu ced  duri ng t he evolutio n a ry  pro c e ss.  So,  an a u xiliary o perato r   ba se d on  inte g e o r de r crite r ion  (IOR)  i s  appli ed  to ame nd  t he  infeasi b le chromosome s [1 0].       5. Computati onal Res u lts  and Analy s is  To validate t he effectiven ess of the  propo s ed  DDE  algorith m , two kin d of problem s of  different  size s of SVRPSP D a r sele cte d , that is   sma ll-scale  probl em (3 client s), a nd m ediu m - sized proble m  (50 cli ents), which a r solved by  DDE, traditional DE and GA [ 3 ], resp ective ly in   the same  con d itions.  The  relative pa ram e ters of  mode ls a nd  algo rit h ms in th e p a per are li sted  in  Table 1.        Table 1.  The  Relative Parameters by M odel s And Algorithm N K  NP  Gm ax   CR   Pc  Pm  r B  30  600  100  200  0.3 0.5 0.855   0.055   0.1  1.8  0.4  30400   0.05  50  15  600  100  200  0.3 0.5 0.855   0.055   0.1  1.8  0.4  30400   0.05      All the algo rithms i n  this  pape r a r e im plemente d  wi th C p r og ra mming la ngu age. F o each in stan ce, 1 0  ind epen dent  re plicatio ns  are condu cted  to obtain  statisti cs.  Th e   comp utationa l results a r sho w n in T a ble 2, wh ere  SD den otes t he stan da rd  deviation of the  distan ce valu e, T denote s  the com putati onal time.      Table 2.  Average  Re sults  of  the DDE, DE and GA A l gorithm DDE DE  GA   Distance  SD T(s)   Distance  SD T(s)   Distance  SD T(s)   30  388.673   44.795  14  424.118   34.330  13.5  462.746   20.701  6.8  50  964.637   95.072  38.7  1107.13   61.566  38.3  1163.115   48.487  18.5      From Ta ble 2, it  follows  that DDE ca obtain the  better results than DE a nd GA.    Therefore,  we ca n con c lu de that DDE  outperfo rm DE and  GA o n  the con s ide r ed  pro b lem.  But  the DDE com putational tim e  is much lon ger. Th i s  hap pen s be cau s e in the pro c ess of DDE, the   illegal ch rom o som e s a r e revised d u rin g  each g ene ra t i on, and a s  the probl em si ze increa se s, the  numbe r of a m endm ents i n crea se s.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  1883 – 1 888   1888 6. Conclusio n   The aim  of this p ape r is t o  provid e a  more  reali s tic modelin g ap proa ch to V R P and a   more a ppli c a b le algo rithm  for solving  it. Thus , firstly, this p aper p r o p o s es a sto c h a s tic   program m ing model for SVRPSPD with uncertain  demand and travel time, and then presents a  novel DDE fo r ro uting opti m ization. In  DDE, a clie nt-o rdinal -b ase d  repre s e n tation  is appli ed, a n d   novel mutatio n  ope rato r is develope d for this  re pre s entation. Fu rtherm o re, the  perfo rman ce  of   DDE is di scu s sed by num erical  expe ri ments. Simul a tion re sults  and compa r i s ons d e mon s t r ate   the supe rio r ity of the p r op ose d   DDE  al gorithm  in  te rms of  soluti on q uality an d effectiven e ss.  Particul arly, the new mu tation operator de sign ed  for dire ct appli c ation to combi nato r ial   optimizatio n probl em s is satisfying.      Ackn o w l e dg ements   This work wa s finan cially suppo rted by the Ti anjin Phi l oso phy Soci al Scien c e Rese arch  Proje c t (No.T J GL 12-079 0)  and the Doct or Fou ndat io n of Tianjin Normal  University Grant  (No.5 2 WW1 1 02).       Referen ces   [1]    Min H. T he  multipl e  v ehic l e ro uting  pro b lem  w i th  s i multan eous   d e liver y a nd p i ckup po ints.   T r ansportati on Rese arch  A . 1989; 23A( 5 ): 3 77– 38 6.  [2]    F e rmín Alfred o T ang M ont ané. A  tab u   search   al gor ithm for th e v ehicl e r outi n g  pro b lem   w i t h   simulta neo us p i ck-up a nd d e li ver y  serv ice. C o m puters & Op eratio ns Rese a r ch. 2006; 3 3 : 595 –6 19.   [3]    CL P eng,  CH  L i an g. Improve d  ge netic  al gorit hm fo r v ehic l routin g pr ob le w i th s i mult a neo us p i cku ps   and d e liv eri e s.  Journ a l of System Si mul a tion .  2008; 2 0 : 226 6-22 70.   [4]    K Ganes h, T T   Nare ndra n . T A ST E: a t w o- ph ase h eur istic  to  solve  a ro utin g pro b lem   w i th  simulta neo u s   deliv er y an d pi ck-up.  Int J Adv Manuf T e chn o l . 200 8; 37: 1 221 –1 231.   [5]   Storn  R.  Diffe rentia l ev ol utio n d e sig n   of a n  IIR-filter.  Pr ocee din g s IEE E  Co nferenc e  Evol ution a r y   Comp utation, Nag o y a,  Jap a n ,  1996: 26 8-27 3.  [6]    On w u b o lu  G, Dave ndra  D.  Sched uli ng fl o w   sho p usin g  differe ntial  ev oluti on  alg o rith m. Europ e a n   Journ a l of Ope r ation a l Res ear ch . 2006; 1 71( 2): 674– 69 2.  [7]    Xi ao hui Yu an,  Anju n Su, Hao  Nie. Appl icatio n of  enha nce d  discrete d i ffere ntial ev oluti on  appr oach t o   unit commitme n t probl em.  Energy Co nversi o n  and Ma na ge me nt.  2009; 5 0 :  2449– 24 56.   [8]    Quan Ke Pan,  Mehmet F a tih T a sgetiren. A discrete d i ffere ntial ev ol uti on  alg o rithm for the permutati on   flo w  s h o p  sche duli ng pr ob lem .   Comp uters & Industria l Engi neer ing . 2 008;  55: 795 –8 16.   [9]    LJ H ou, H  Z h ou.  Stoc hastic  veh i cle  ro utin g pr obl e m  w i t h  u n certai de ma nd  an d tra v el ti me a n d   simulta neo us picku ps  a nd deliv eri e s . T he 3rd  Intern ation a l J o int  Co nferenc e o n   Comp utation a l   Scienc es an d Optimizatio n , IEEE Press, 2010: 32– 35.   [10]    Cao Erb ao La i Ming yo ng. T he open ve hi cl e routin g prob lem   w i th fuzz y   de mands.  Expert System s wit h   Appl icatio ns . 2 010; 37: 2 405 241 1.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.