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https://github.com/tomasrm01/orders

Código complementario al TFG: "Optimización de Rutas para Drones En Redes de Sensores" (ORDERS)
https://github.com/tomasrm01/orders

cplex genetic-algorithm optimization python

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JSON representation

Código complementario al TFG: "Optimización de Rutas para Drones En Redes de Sensores" (ORDERS)

Awesome Lists containing this project

README 

          
# Optimización de Rutas para Drones En Redes de Sensores (ORDERS)

## Instrucciones para clonar el repositorio



Para clonar el repositorio, ejecute el siguiente comando en su terminal:



```bash

git clone https://github.com/TomasRM01/ORDERS.git

```



## Instalación de dependencias



Se requiere el uso de la versión 3.10 de Python. Puedes descargarla en el siguiente enlace: [Python 3.10.11](https://www.python.org/downloads/release/python-31011/). 



> [!NOTE]  

> Para el desarrollo y testeo de este proyecto, se utilizó la versión 3.10.11 de Python.



Navegue al directorio del proyecto y ejecute el siguiente comando para instalar las dependencias necesarias:



```bash

pip install matplotlib PyQt6

```



Para usar el resolutor de CPLEX, es necesario tener instalado IBM ILOG CPLEX Optimization Studio. Puede descargar una versión completa académica en el siguiente enlace: [IBM ILOG CPLEX Optimization Studio](https://academic.ibm.com/a2mt/downloads/data_science#/).



> [!NOTE]  

> Debes registrarte con tu correo institucional para poder descargar la versión completa.



Una vez instalado, para configurar CPLEX con Python, navegue a la carpeta de instalación de CPLEX y ejecute el siguiente comando como administrador:



```bash

cd IBM\ILOG\CPLEX_Studio2211\python

python3 setup.py install

```



Para terminar, instalamos docplex. Este no soporta numpy 2.0.1, por lo que se debe instalar una version anterior:



```bash

pip install docplex "numpy<2.0"

```



### Opción sin licencia de CPLEX

Si no tiene acceso a la versión completa de CPLEX, puede utilizar la versión gratuita de docplex, que tiene limitaciones en la cantidad de variables y restricciones que se pueden utilizar. Para ello, ejecute el siguiente comando:



```bash

pip install cplex

```



## Estructura de archivos

La estructura del proyecto es la siguiente:



```

ORDERS/

├── CPLEX/

│   ├── cplex_escenario_grande.bat

│   ├── cplex_escenario_mediano.bat

│   ├── cplex_escenario_mini.bat

│   ├── gestor_ficheros.py

│   └── main_cplex.py

├── Escenarios/

│   ├── Grande/

│   │   ├── Parametros_Generador/

│   │   │   ├── params_escenario_grande_drones.txt

│   │   │   ├── params_escenario_grande_seed.txt

│   │   │   └── params_escenario_grande_sensores.txt

│   │   ├── Parametros_Solucionador/

│   │   │   ├── escenario_grande_drones.txt

│   │   │   ├── escenario_grande_sensores.txt

│   │   │   └── params_genetico_escenario_grande.txt

│   │   └── escenario_grande_sensores.png

│   ├── Mediano/

│   │   ├── Parametros_Generador/

│   │   │   ├── params_escenario_mediano_drones.txt

│   │   │   ├── params_escenario_mediano_seed.txt

│   │   │   └── params_escenario_mediano_sensores.txt

│   │   ├── Parametros_Solucionador/

│   │   │   ├── escenario_mediano_drones.txt

│   │   │   ├── escenario_mediano_sensores.txt

│   │   │   └── params_genetico_escenario_mediano.txt

│   │   └── escenario_mediano_sensores.png

│   └── Mini/

│       ├── Parametros_Generador/

│       │   ├── params_escenario_mini_drones.txt

│       │   ├── params_escenario_mini_seed.txt

│       │   └── params_escenario_mini_sensores.txt

│       ├── Parametros_Solucionador/

│       │   ├── escenario_mini_drones.txt

│       │   ├── escenario_mini_sensores.txt

│       │   └── params_genetico_escenario_mini.txt

│       └── escenario_mini_sensores.png

├── Generador/

│   ├── generador_drones.py

│   ├── generador_escenario_grande.bat

│   ├── generador_escenario_mediano.bat

│   ├── generador_escenario_mini.bat

│   ├── generador_escenario.py

│   ├── generador_sensores.py

│   ├── gestor_ficheros.py

│   ├── imprime_sensores_grande.bat

│   ├── imprime_sensores_mediano.bat

│   ├── imprime_sensores_mini.bat

│   ├── imprime_sensores.py

│   └── log_generador_escenario.txt

├── Genetico/

│   ├── aux_genetico.py

│   ├── genetico_escenario_grande.bat

│   ├── genetico_escenario_mediano.bat

│   ├── genetico_escenario_mini.bat

│   ├── genetico.py

│   ├── gestor_ficheros.py

│   └── main_genetico.py

├── Resultados/

│   ├── Grande/

│   │   ├── caminos_genetico_escenario_grande.png

│   │   ├── diagrama_genetico_escenario_grande.png

│   │   ├── log_cplex_escenario_grande.txt

│   │   └── log_genetico_escenario_grande.txt

│   ├── Mediano/

│   │   ├── caminos_cplex_escenario_mediano.png

│   │   ├── caminos_genetico_escenario_mediano.png

│   │   ├── diagrama_genetico_escenario_mediano.png

│   │   ├── log_cplex_escenario_mediano.txt

│   │   └── log_genetico_escenario_mediano.txt

│   └── Mini/

│       ├── caminos_cplex_escenario_mini.png

│       ├── caminos_genetico_escenario_mini.png

│       ├── diagrama_genetico_escenario_mini.png

│       ├── log_cplex_escenario_mini.txt

│       └── log_genetico_escenario_mini.txt

├── .gitignore

└── README.md

```



- `CPLEX/`: Contiene los scripts necesarios para utilizar el método de resolución exacto.

    - `cplex_escenario_grande.bat`: Script para ejecutar el método exacto en el escenario grande.

    - `cplex_escenario_mediano.bat`: Script para ejecutar el método exacto en el escenario mediano.

    - `cplex_escenario_mini.bat`: Script para ejecutar el método exacto en el escenario mini.

    - `gestor_ficheros.py`: Contiene funciones para leer y escribir archivos.

    - `main_cplex.py`: Script principal para ejecutar el método de resolución exacto.

- `Escenarios/`: Contiene los parámetros de los drones, sensores y semilla.

    - `Grande/`: Carpeta con los parámetros del escenario grande.

        - `Parametros_Generador/`: Parámetros para la generación del escenario grande.

            - `params_escenario_grande_drones.txt`: Parámetros de los drones utilizados para generar el escenario grande.

            - `params_escenario_grande_seed.txt`: Seed utilizada para generar el escenario grande.

            - `params_escenario_grande_sensores.txt`: Parámetros de los sensores utilizados para generar el escenario grande.

        - `Parametros_Solucionador/`: Parámetros del escenario grande para los solucionadores.

            - `escenario_grande_drones.txt`: Parámetros de los drones utilizados para resolver el escenario grande.

            - `escenario_grande_sensores.txt`: Parámetros de los sensores utilizados para resolver el escenario grande.

            - `params_genetico_escenario_grande.txt`: Parámetros del algoritmo genético para el escenario grande.

        - `escenario_grande_sensores.png`: Imagen de los sensores en el escenario grande.

    - `Mediano/`: Carpeta con los parámetros del escenario mediano.

        - `Parametros_Generador/`: Parámetros para la generación del escenario mediano.

            - `params_escenario_mediano_drones.txt`: Parámetros de los drones utilizados para generar el escenario mediano.

            - `params_escenario_mediano_seed.txt`: Seed utilizada para generar el escenario mediano.

            - `params_escenario_mediano_sensores.txt`: Parámetros de los sensores utilizados para generar el escenario mediano.

        - `Parametros_Solucionador/`: Parámetros del escenario mediano para los solucionadores.

            - `escenario_mediano_drones.txt`: Parámetros de los drones utilizados para resolver el escenario mediano.

            - `escenario_mediano_sensores.txt`: Parámetros de los sensores utilizados para resolver el escenario mediano.

            - `params_genetico_escenario_mediano.txt`: Parámetros del algoritmo genético para el escenario mediano.

        - `escenario_mediano_sensores.png`: Imagen de los sensores en el escenario mediano.

    - `Mini/`: Carpeta con los parámetros del escenario mini.

        - `Parametros_Generador/`: Parámetros para la generación del escenario mini.

            - `params_escenario_mini_drones.txt`: Parámetros de los drones utilizados para generar el escenario mini.

            - `params_escenario_mini_seed.txt`: Seed utilizada para generar el escenario mini.

            - `params_escenario_mini_sensores.txt`: Parámetros de los sensores utilizados para generar el escenario mini.

        - `Parametros_Solucionador/`: Parámetros del escenario mini para los solucionadores.

            - `escenario_mini_drones.txt`: Parámetros de los drones utilizados para resolver el escenario mini.

            - `escenario_mini_sensores.txt`: Parámetros de los sensores utilizados para resolver el escenario mini.

            - `params_genetico_escenario_mini.txt`: Parámetros del algoritmo genético para el escenario mini.

        - `escenario_mini_sensores.png`: Imagen de los sensores en el escenario mini.

- `Generador/`: Contiene los scripts necesarios para generar escenarios.

    - `generador_drones.py`: Script que contiene el código necesario para generar drones.

    - `generador_escenario_grande.bat`: Script para generar el escenario grande.

    - `generador_escenario_mediano.bat`: Script para generar el escenario mediano.

    - `generador_escenario_mini.bat`: Script para generar el escenario mini.

    - `generador_escenario.py`: Este script genera un escenario con drones y sensores utilizando generador_drones.py y generador_sensores.py.

    - `generador_sensores.py`: Script que contiene el código necesario para generar sensores.

    - `gestor_ficheros.py`: Contiene funciones para leer y escribir archivos.

    - `imprime_sensores_grande.bat`: Script para imprimir los sensores del escenario grande.

    - `imprime_sensores_mediano.bat`: Script para imprimir los sensores del escenario mediano.

    - `imprime_sensores_mini.bat`: Script para imprimir los sensores del escenario mini.

    - `imprime_sensores.py`: Script que imprime los sensores del escenario y los representa gráficamente.

    - `log_generador_escenario.txt`: Log de la generación de los escenarios.

- `Genetico/`: Carpeta donde se almacenan los resultados y logs de las ejecuciones.

    - `aux_genetico.py`: Contiene funciones auxiliares para el algoritmo genético.

    - `genetico_escenario_grande.bat`: Script para ejecutar el algoritmo genético en el escenario grande.

    - `genetico_escenario_mediano.bat`: Script para ejecutar el algoritmo genético en el escenario mediano.

    - `genetico_escenario_mini.bat`: Script para ejecutar el algoritmo genético en el escenario mini.

    - `genetico.py`: Contiene la implementación del algoritmo genético.

    - `gestor_ficheros.py`: Contiene funciones para leer y escribir archivos.

    - `main_genetico.py`: Script principal para ejecutar el algoritmo genético.

- `Resultados/`: Contiene los resultados de los experimentos

    - `Grande/`: Carpeta con los resultados del escenario grande.

        - `caminos_genetico_escenario_grande.png`: Gráfica de los caminos obtenidos por el algoritmo genético en el escenario grande.

        - `diagrama_genetico_escenario_grande.png`: Diagrama de caja y bigotes de las ejecuciones del algoritmo genético para el escenario grande.

        - `log_cplex_escenario_grande.txt`: Log de la ejecución del método exacto en el escenario grande.

        - `log_genetico_escenario_grande.txt`: Log de la ejecución del algoritmo genético en el escenario grande.

    - `Mediano/`: Carpeta con los resultados del escenario mediano.

        - `caminos_genetico_escenario_mediano.png`: Gráfica de los caminos obtenidos por el algoritmo genético en el escenario mediano.

        - `caminos_cplex_escenario_mediano.png`: Gráfica de los caminos obtenidos por el método exacto en el escenario mediano.

        - `diagrama_genetico_escenario_mediano.png`: Diagrama de caja y bigotes de las ejecuciones del algoritmo genético para el escenario mediano.

        - `log_genetico_escenario_mediano.txt`: Log de la ejecución del algoritmo genético en el escenario mediano.

        - `log_cplex_escenario_mediano.txt`: Log de la ejecución del método exacto en el escenario mediano.

    - `Mini/`: Carpeta con los resultados del escenario mini.

        - `caminos_genetico_escenario_mini.png`: Gráfica de los caminos obtenidos por el algoritmo genético en el escenario mini.

        - `caminos_cplex_escenario_mini.png`: Gráfica de los caminos obtenidos por el método exacto en el escenario mini.

        - `diagrama_genetico_escenario_mini.png`: Diagrama de caja y bigotes de las ejecuciones del algoritmo genético para el escenario mini.

        - `log_genetico_escenario_mini.txt`: Log de la ejecución del algoritmo genético en el escenario mini.

        - `log_cplex_escenario_mini.txt`: Log de la ejecución del método exacto en el escenario mini.

- `.gitignore`: Archivo que contiene los archivos y carpetas que se ignoran en el control de versiones.

- `README.md`: Contiene la documentación necesaria para el correcto uso de este proyecto.



> [!CAUTION]

> Para asegurar el correcto funcionamiento de los scripts, es importante no separarlos de los que se encuentran en la misma carpeta.



## Generación de escenarios



Para generar un escenario, sitúese en la misma carpeta que generador_escenario.py y utilice el siguiente comando:



```bash

python3 generador_escenario.py [ruta_drones] [ruta_sensores] [ruta_seed_escenario] [ruta_parametros_drones] [ruta_parametros_sensores] [ruta_log] [-s, --seed] valor

```



#### Parámetros Obligatorios

- `ruta_drones`: Ruta del archivo donde se guardarán los parámetros de los drones.

- `ruta_sensores`: Ruta del archivo donde se guardarán los parámetros de los sensores.

- `ruta_seed_escenario`: Ruta del archivo donde se guardará la seed del escenario.

- `ruta_parametros_drones`: Ruta del archivo desde donde se leerán los parámetros para la generación de los drones.

- `ruta_parametros_sensores`: Ruta del archivo desde donde se leerán los parámetros para la generación de los sensores.

- `ruta_log`: Ruta del archivo donde se escribirá el log.



#### Parámetros Opcionales

- `-s`, `--seed`: Semilla personalizada para la generación del escenario.



#### Parametros de los drones

Se deben especificar los siguientes parámetros en el archivo de los drones, en el siguiente orden, cada uno en una línea diferente y con un separador de igual (`=`) entre el nombre del parámetro y su valor:



- `Numero de drones`: Número de drones que se generarán.

- `Distancia minima`: Distancia mínima que puede recorrer un dron.

- `Distancia maxima`: Distancia máxima que puede recorrer un dron.

- `Bateria minima`: Batería mínima que puede tener un dron para recargar sensores.

- `Bateria maxima`: Batería máxima que puede tener un dron para recargar sensores.



> [!IMPORTANT]  

> El nombre del parámetro no es necesario, pero se debe mantener el orden y el separador.



#### Parametros de los sensores

Se deben especificar los siguientes parámetros en el archivo de los sensores, en el siguiente orden, cada uno en una línea diferente y con un separador de igual (`=`) entre el nombre del parámetro y su valor:



- `Numero de sensores`: Número de sensores que se generarán.

- `Coordenada maxima X`: Coordenada máxima en el eje X en la cual se puede generar un sensor.

- `Coordenada maxima Y`: Coordenada máxima en el eje Y en la cual se puede generar un sensor.

- `Prioridad maxima`: Prioridad máxima que puede tener un sensor.

- `Bateria faltante maxima`: Batería faltante máxima que puede tener un sensor.



> [!IMPORTANT]  

> El nombre del parámetro no es necesario, pero se debe mantener el orden y el separador.



## Ejecución de algoritmos



### Método exacto: CPLEX



Para ejecutar el método de resolución exacto, sitúese en la misma carpeta que `main_cplex.py` y utilice el siguiente comando:



```bash

python3 main_cplex.py [ruta_drones] [ruta_sensores] [ruta_seed_escenario] [ruta_log] [peso_distancia] [-v, --verbalize] [-g, --mipgap] valor

```



#### Parámetros Obligatorios

- `ruta_drones`: Ruta del archivo desde donde se leerán los parámetros de los drones.

- `ruta_sensores`: Ruta del archivo desde donde se leerán los parámetros de los sensores.

- `ruta_seed_escenario`: Ruta del archivo desde donde se leerá la seed del escenario.

- `ruta_log`: Ruta del archivo donde se escribirá el log.

- `peso_distancia`: Peso de la distancia en el cálculo del fitness.



#### Parámetros Opcionales

- `-v`, `--verbalize`: Imprimir información adicional durante la ejecución.

- `-g`, `--mipgap`: Establecer el valor de la tolerancia de la brecha de la solución. Por defecto es *0.0001*.



> [!CAUTION]

> Cuanto más grande sea el `--mipgap`, menor será la precisión del resultado.



### Método aproximado: Algoritmo Genético



Para ejecutar el método de resolución aproximado, sitúese en la misma carpeta que `main_genetico.py` y utilice el siguiente comando:



```bash

python3 main_genetico.py [ruta_drones] [ruta_sensores] [ruta_seed_escenario] [ruta_log] [ruta_parametros] [peso_distancia] [n_ejecuciones] [-rs, --random_seed] [-s, --seed] valor

```



#### Parámetros Obligatorios

- `ruta_drones`: Ruta del archivo desde donde se leerán los parámetros de los drones.

- `ruta_sensores`: Ruta del archivo desde donde se leerán los parámetros de los sensores.

- `ruta_seed_escenario`: Ruta del archivo desde donde se leerá la seed del escenario.

- `ruta_log`: Ruta del archivo donde se escribirá el log.

- `ruta_parametros`: Ruta del archivo desde donde se leerán los parámetros del algoritmo genético.

- `peso_distancia`: Peso de la distancia en el cálculo del fitness.

- `n_ejecuciones`: Número de ejecuciones del algoritmo genético.



#### Parámetros Opcionales

- `-rs`, `--random_seed`: Establecer una seed aleatoria para el solucionador.

- `-s`, `--seed`: Semilla personalizada para el solucionador.



> [!CAUTION]

> Si se utiliza la semilla aleatoria, no se debe establecer la semilla personalizada.



#### Parametros del algoritmo genético



Se deben especificar los siguientes parámetros en el archivo de los parámetros, en el siguiente orden, cada uno en una línea diferente y con un separador de igual (`=`) entre el nombre del parámetro y su valor:



- `Tamaño de la población`: Número de individuos en la población.

- `Porcentaje mejor`: Porcentaje de la población que se considerará para la selección de los mejores individuos.

- `Probabilidad de cruce`: Probabilidad de que dos individuos se crucen.

- `Probabilidad de mutación`: Probabilidad de que un individuo mute.

- `Máximo de generaciones sin mejora`: Número de generaciones sin mejora antes de detener el algoritmo.



> [!IMPORTANT]  

> El nombre del parámetro no es necesario, pero se debe mantener el orden y el separador.



## Repetición de experimentos



Para repetir los experimentos incluidos en la memoria, ejecute los archivos `.bat` proporcionados en el proyecto correspondientes a cada escenario.



> [!WARNING]

> Se utilizan rutas relativas en estos archivos, por lo que es importante que no se modifique la estructura del proyecto si se quieren replicar los experimentos.



- Para volver a generar los escenarios de los experimentos, use `generador_escenario_grande.bat`, `generador_escenario_mediano.bat` o `generador_escenario_mini.bat`.



- Para visualizar de forma gráfica los sensores de los escenarios, use `imprime_sensores_grande.bat`, `imprime_sensores_mediano.bat` o `imprime_sensores_mini.bat`.



- Para resolver los escenarios de los experimentos mediante el método exacto, use `cplex_escenario_grande.bat`, `cplex_escenario_mediano.bat` o `cplex_escenario_mini.bat`.



- Para resolver los escenarios de los experimentos mediante el método aproximado, use `genetico_escenario_grande.bat`, `genetico_escenario_mediano.bat` o `genetico_escenario_mini.bat`.



Cada archivo `.bat` contiene los comandos necesarios para ejecutar los experimentos con los parámetros específicos descritos en la memoria.