Метод ветвей и границ. Решение задачи коммивояжера с помощью метода ветвей и границ

В задаче коммивояжера для формирования оптимального маршрута объезда n городов необходимо выбрать один лучший из (n-1)! вариантов по критерию времени, стоимости или длине маршрута. Эта задача связана с определением гамильтонова цикла минимальной длины. В таких случаях множество всех возможных решений следует представить в виде дерева - связного графа, не содержащего циклов и петель. Корень дерева объединяет все множество вариантов, а вершины дерева - это подмножества частично упорядоченных вариантов решений.
Вершина (i, j) соответствует подмножеству всех маршрутов, содержащих ребро (i,j), а вершина (i*,j*) - подмножеству всех маршрутов, где это ребро отсутствует.
Процесс разбиения на эти подмножества можно рассматривать как ветвление дерева. Поэтому метод называется методом поиска по дереву решений , или методом ветвей и границ .
Метод ветвей и границ представляет собой алгоритм направленного перебора множества вариантов решения задачи. Сущность метода ветвей и границ состоит в том, что от корня дерева ветвятся не все вершины.

Метод ветвей и границ решения целочисленных задач линейного программирования (ЦЗЛП)

Наиболее известным комбинаторным методом является метод ветвей и границ, который также опирается на процедуру решения задачи с ослабленными ограничениями. При таком подходе из рассматриваемой задачи получаются две подзадачи путем специального «разбиения» пространства решений и отбрасывания областей, не содержащих допустимых целочисленных решений.

В случае когда целочисленные переменные являются булевыми, применяются комбинированные методы. Булевы свойства переменных существенно упрощают поиск решения.

Рассматриваемый в данном разделе метод ветвей и границ решения задачи целочисленного программирования также опирается на решение задачи с ослабленными ограничениями. Метод ветвей и границ непосредственно применим как к полностью, так и к частично целочисленным задачам.

Согласно общей идее метода, сначала решается задача с ослабленными ограничениями (задача линейного программирования). Пусть хr - целочисленная переменная, значение xr* которой в оптимальном решении ослабленной задачи является дробным. Интервал < xr < +1 не содержит допустимых целочисленных компонент решения. Поэтому допустимое целое значение хr должно удовлетворять одному из неравенств xr ≤[ xr* ] или хr ≥[ xr* ] +1.
Введение этих условий в задачу с ослабленными ограничениями порождает две не связанные между собой задачи. В таком случае говорят, что исходная задача разветвляется (или разбивается) на две подзадачи. Осуществляемый в процессе ветвления учет необходимых условий целочисленности позволяет исключить части многогранника допустимых решений, не содержащие точек с целыми координатами.

Затем каждая подзадача решается как задача линейного программирования (с целевой функцией исходной задачи). Если полученный оптимум оказывается допустимым для целочисленной задачи, такое решение следует зафиксировать как наилучшее. При этом нет необходимости продолжать«ветвление» подзадачи, поскольку улучшить полученное решение, очевидно, не удастся. В противном случае подзадача, в свою очередь, должна быть разбита на две подзадачи опять при учете условия целочисленности переменных, значения которых в оптимальном решении не являются целыми. Разумеется, как только полученное допустимое целочисленное решение одной из подзадач оказывается лучше имеющегося, оно фиксируется вместо зафиксированного ранее. Процесс ветвления продолжается, насколько это возможно, до тех пор, пока каждая подзадача не приведет к целочисленному решению или пока не будет установлена невозможность улучшения имеющегося решения. В этом случае зафиксированное допустимое решение является оптимальным. Эффективность вычислительной схемы метода можно повысить, введя в рассмотрение понятие границы, на основе которого делается вывод о необходимости дальнейшего разбиения каждой из подзадач.

Если оптимальное решение подзадачи с ослабленными ограничениями обеспечивает худшее значение целевой функции, чем имеющееся решение, эту подзадачу далее рассматривать не следует. В таких случаях говорят, что подзадача прозондирована, и ее можно вычеркнуть из списка подзадач, порожденных исходной задачей. Иными словами, как только получено допустимое целочисленное решение некоторой подзадачи, целочисленное решение некоторой подзадачи, соответствующее значение целевой функции может быть использовано в качестве(верхней в случае минимизации и нижней в случае максимизации) границы, наличие которой позволяет формализовать процедуру исключения прозондированных подзадач.

Рассмотрим задачу целочисленного линейного программирования (ЗЦЛП) :
Найти вектор , максимизирующий линейную форму (3.1)
и удовлетворяющий условиям:

x 1 , x 2 ,…,x p –целые (p≤n) (3.4)
Пусть, для каждой целочисленной переменной можно указать верхнюю и нижнюю границы, в пределах которых безусловно содержатся ее оптимальные значения, то есть
V j ≤x j ≤ W j , (3.5)
При этом в систему функциональных ограничений необходимо включить р неравенств (3.5).

В начале любой S-й итерации метода ветвей и границ необходимо иметь:
1. Основной список задач линейного программирования, каждая из которых должна быть решена в последующих итерациях (на первой итерации список содержит одну ЗЛП- задачу 1 (3.1- 3.3) и (3.5).
2. Нижнюю границу оптимального значения линейной формы задачи (3.1) - (3.3), (3.5) Z0 (s) . На первой итерации в качестве Z0 (1) можно взять значение функции f(x) в любой целочисленной точке x, лежащей внутри области(3.2) - (3.5). Если такую точку указать трудно, то можно положить Z0 (1) = - ∞, но это приводит к значительному увеличению числа итераций.

Метод ветвей и границ

Метод ветвей и границ разработан Литлом, Мерти, Суини и Каре­лом. Рассмотрим основные идеи этого метода. Прежде всего, этот метод связан с некоторой общей схемой допущения и оценки альтернатив. Схема построения альтернативных предположений в общем виде может быть представлена, как это показано на рис. 3.9.

Вершины на рис. 3.9 соответствуют, как и ранее, состояниям зада­чи. Из каждой вершины выходит только два альтернативных направле­ния, что, впрочем, не ограничивает общности рассмотрения. Направле­ния отмечены буквами П с индексами. Идентификатор R(b i) есть неко­торая числовая оценка, приписываемая вершине b i .

Вообще говоря, не имеется ограничений на глубину построения де­рева, хотя ясно, что нужно стремиться к минимальной глубине. Этим, в частности, обосновывается выбор того или иного предположения П m: сначала следует стремиться доказать предположение, достоверность которого в наибольшей степени сомнительна, или наоборот, попытаться опровергнуть предположение, достоверность которого в наибольшей степени правдоподобна, т.е. действовать по принципу reductio ad absurdum, поскольку вероятность получения противоречия здесь наи­большая, это позволяет отсечь соответствующую альтернативу у ее "ис­токов", вместо того, чтобы строить новые альтернативные предполо­жения.

Пусть ищется состояние b * , в котором R(b *) минимально. Допус­тим далее, что известно некоторое текущее решение b x с текущим рекор­дом R(b x) . Тогда ясно, что любое состояние b i , в котором наилучшее достижимое значение R(b i) ³ R(b x) , может быть удалено (соответствующая часть дерева поиска отмечена, как показано с помощью заштрихованной области на рис. 3.9).

Рассмотрим задачу коммивояжера в следующей частной поста­новке. Пусть дано множество N из 4 городов, соединенных дорогами. Будем интерпретировать N сетью, в которой вершины соответствуют городам, причем дугам, соединяющим вершины, приписаны веса с ij , учитывающие затраты на переход коммивояжера из города i в город j (рис. 3.10а).

Полагаем с ij ³ 0 и с ii = ¥ , причем необязательно, чтобы с ij = с ji . Будем кодировать задачу матрицей затрат С = [с ij ], показанной на рис. 3.10,б.

В задаче коммивояжера требуется найти цикл с минимальной сум­мой затрат образующих его дуг, который обходит каждую вершину не более одного раза, за исключением одной вершины, из которой цикл "стартует" и в которой он же "заканчивается".

Рассмотрим решение этой задачи методом ветвей и границ. Решающими оказываются следующие два обстоятельства.

А1) Решению задачи коммивояжера соответствует выбор ровно од­ного элемента в каждой строке матрицы затрат С и ровно одного эле­мента в каждом столбце этой матрицы, причем сумма выбранных эле­ментов минимальна и они образуют цикл. Последнее замечание сущест­венно. Например, элементы (1, 2), (2, 3), (3, 1), (4, 4) не образуют цикл.

А2) Если из любой строки (столбца) вычесть (добавить) одну и ту же константу D , то результирующее значение С* суммарных затрат в оптимальном цикле Ц* уменьшится (увеличится) ровно на эту величину D .

Воспользуемся свойством А2. Выпишем минимальные элементы h j в каждом столбце j , после чего вычтем их из элементов соответствую­щих столбцов. Затем в полученной матрице выпишем минимальные элементы h i в строках i . Получим приведенную матрицу на рис. 2.11, а. Вычтем из каждой строки соответствующее значение h i (рис. 3.11, б).

Из матрицы на рис. 3.11, б легко устанавливается, что минимально возможное значение С* (которое обозначим ) вычисляется следую­щим образом

Теперь будем строить предположения для приведенной матрицы затрат на рис. 3.11, б.

Сделаем допущение, что дуга принадлежит Ц*; альтернатив­ное допущение означает, что . Если дуга , то полагаем для дуги с 4,3 = ¥, а также удаляем из матрицы затрат на рис. 2.11, б строку 3 и столбец 4, что в итоге дает матрицу, показанную на рис. 2.12, а. Приведенная матрица изображена на рис.2.12, б.

Для матрицы на рис. 2.12,б находим . Таким образом, получаем, что длина оптимального цикла, содержащего дугу суть

В то же время длина цикла равна 5+2+3+2=12, следовательно, делаем вывод, что дуга не входит в оптимальный цикл. Полагаем с 3,4 = ¥ . Допустим теперь, что дуга . Проведя аналогичные вы­кладки устанавливаем, что минимальная суммарная величина затрат для цикла, содержащего дугу , составляет 13 единиц. Следователь­но, это допущение также отбрасывается, т.к. оно не улучшает текущий рекорд. Полагаем с 1,4 = ¥. В результате в столбце 4 матрицы на рис. 3.10, б останется единст­венный допустимый элемент с 2,4 = 2 . Полагаем, . Это допущение позволяет удалить строку 2 и столбец 4. В результате получаем приведенную матрицу, изображенную на рис. 3.13, для кото­рой Ц* равно 12. Допустим, что дуга Тогда автоматически следует, что дуга . Удалим строку 4 и столбец 3: получим приведенную матрицу, изображенную на рис. 3.14, из которой автоматически сле­дует, что дуга . Таким образом, из исходного предположения о том, что дуга , устанавливаем следующий оптимальный цикл, не содержа­щий дуги : с суммарными затратами, равными 2 + 3 + 2 + 5 = 12.

Ниже приведено условие задачи и текстовая часть решения. Все решение полностью, в формате doc в архиве, вы можете скачать. Некоторые символы могут не отображаться на странице, но документе word все отображается. Еще примеры работ по ЭМММ можно посмотреть

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Издательское предприятие должно выполнить в течении недели (число дней m = 5) работу по набору текста с помощью работников n категорий (высокая, средняя, ниже средней, низкая). Требуются определить оптимальную численность работников по категориям, при которой обеспечивается выполнение работы с минимальным расходом фонда зарплаты при заданных ограничениях. Исходные данные приведены в таблице 1 и 2.

Таблица 1

Таблица 2

Задача должна решаться методом целочисленного линейного программирования в Mathcad 2000/2001.

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Для расчета оптимальной численности работников, при которой обеспечивается минимум расхода фонда зарплаты, составляется математическая модель целочисленного линейного программирования, так как численность работников не может быть дробной величиной.

Решение задачи целочисленного программирования выполняется в два этапа.

На первом этапе выполняется задача линейного программирования без учета целочисленности.

На втором этапе производится пошаговый процесс замены нецелочисленных переменных ближайшими верхними или нижними целыми значениями.

Сначала решается, задача без учета условия целочисленности.

Целевая функция определяется по формуле:

где Q - общий фонд зарплаты на выполнение работы;

x 1 , x 2 , …, x n - численность работников по категориям;

n - число категорий работников;

c 1 , c 2 ,…, c n - дневная тарифная ставка одного работника по категориям;

m - число рабочих дней в неделю, m = 5.

Целевую функцию можно записать в векторной форме:

При решении задачи должны выполняться следующие ограничения. Ограничение сверху

x ≤ d (1)

задает максимальную численность работников по категориям, где d —вектор, определяющий численность по категориям.

В ограничении

учтено, что общая численность работников не должна превышать k max .

В ограничении снизу

р × х≥Р (3)

отражается, что все работники вместе должны выполнить заданный объем работ Р .

В качестве последнего ограничения записывается условие неотрицательности вектора переменных

x ≥0 (4)

Математическая модель решения задачи без учета условия целочисленности включает следующие выражения:

x ≤ d

р × х≥Р ,

x ≥ 0 .

Модель целочисленного программирования должна включать выражения (5), а также дополнительные ограничения, с помощью которых нецелочисленные переменные х заменяются целочисленными значениями. Конкретные выражения модели с целочисленными переменными рассмотрены в следующем подразделе.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ В MATHCAD

Исходные данные для примера даны в табл. 1 и 2.

Для решения задачи используется пакет Mathcad с функцией Minimize. Данная функция определяет вектор решения задачи:

х := Minimize (Q , x ),

где Q — выражение целевой функции, определяющей минимальный фонд зарплаты, х - вектор переменных.

Сначала задача решается без учета условия целочисленности. Это решение приведено в Приложении 1. В первой строке введены нулевые начальные значения вектора х и целевая функция Q (x ) . После слова Given и перед функцией Minimize указаны ограничения. В результате получена нецелочисленная оптимальная численность по категориям:

х =

с фондом зарплаты Q = 135 у. е.

Из данного решения находится целочисленное решение методом ветвей и границ.

Сначала в полученном решении анализируется дробная величина х 4 =
= 1,143. Для нее можно задать два целочисленных значения: х 4 = 1 и х 4 = 2. Начинается построение дерева решений (Приложение 2). На дереве решений откладывается начальный нулевой узел. Затем он соединяется первым узлом х 4 , и из этого узла проводятся две ветви, соответствующие ограничениям: х 4 = 1 и х 4 = 2.

Для ветви с ограничением х 4 = 1 решается задача линейного программирования, данная в Приложении 1, с учетом этого ограничения.

В результате получено решение этой задачи. Переменная х 1 стала целочисленная, но переменная х 2 стала дробной х 2 = 0,9.

Для продолжения ветви создается узел х 3 и ветвь х 3 = 1. Снова выполняется задача линейного программирования со всеми тремя ограничениями: x 4 = 1, х 2 = 1, х 3 = 1. С этими ограничениями задача имеет решение х Т =
= (1,938 1 1 1).

Для продолжения ветви создается узел х 1 и ветвь х 1 = 2. Снова выполняется задача линейного программирования со всеми тремя ограничениями: x 4 = 1, х 2 = 1, х 3 = 1, х 1 = 2. С этими ограничениями задача имеет решение х Т = = (2 1 1 1).

Процесс построения дерева решении и выполнение задачи линейного программирования повторяется, пока не будут построены все ветви.

В Приложении 2 приводится полное дерево возможных целочисленных решений, из которого следуют, что в задаче имеется 4 результативных решения.

Из результативных выбирается наилучшее и оно принимается как оптимальное целочисленное решение всей задачи с минимальной величиной Q (x ) . В нашем случае мы имеем два оптимальных целочисленных решения

Q (х) = 140,

x T = (2 1 1 1),

x T = (1 1 2 2).

Следовательно, издательская организация должна привлечь для набора текста двух работников высокой категории, одного работника средней категории, одного работника ниже средней категории и одного работника низкой категории. Возможен так же другой равнозначный вариант привлечения работников: один работник высокой категории, один работник средней категории, два работника категории ниже средней и два работника низкой категории. В обоих вариантах затраты будут минимальными и составят 140 ден. ед.

Скачать решение задачи:

Имя файла: 2.rar
Размер файла: 24.99 Kb

Если закачивание файла не начнется через 10 сек, кликните

Одна из самых известных и важных задач транспортной логистики (и класса задач оптимизации в целом) – задача коммивояжера (англ. «Travelling salesman problem», TSP ). Также встречается название «задача о бродячем торговце ». Суть задачи сводится к поиску оптимального, то есть кратчайшего пути проходящего через некие пункты по одному разу. Например, задача коммивояжера может применяться для нахождения самого выгодного маршрута, позволяющего объехать определенные города со своим товаром по одному разу и вернуться в исходную точку. Мерой выгодности маршрута будет минимальное время, проведенное в пути, минимальные расходы на дорогу или, в простейшем случае, минимальная длина пути.

Кто и когда впервые начал исследовать задачу коммивояжера неизвестно, но одним из первых предложил решение подобной проблемы выдающийся математик XIX в. – Уильям Гамильтон. Здесь мы рассмотрим замкнутый вариант задачи (т.е. такой, когда в итоге мы возвращаемся в исходную точку) и ее решение методом ветвей и границ .

Общий план решения задачи коммивояжера

Для решения задачи коммивояжера методом ветвей и границ необходимо выполнить следующий алгоритм (последовательность действий):

1. Построение матрицы с исходными данными.
2. Нахождение минимума по строкам.
3. Редукция строк.
4. Нахождение минимума по столбцам.
5. Редукция столбцов.
6. Вычисление оценок нулевых клеток.
7. Редукция матрицы.
8. Если полный путь еще не найден, переходим к пункту 2, если найден к пункту 9.
9. Вычисление итоговой длины пути и построение маршрута.

Более подробно эти этапы решения задачи о бродячем торговце раскрыты ниже.

Подробная методика решения задачи коммивояжера

В целях лучшего понимания задачи будем оперировать не понятиями графа, его вершин и т.д., а понятиями простыми и максимально приближенными к реальности: вершины графа будут называться «города», ребра их соединяющие – «дороги».

Итак, методика решения задачи коммивояжера:

1. Построение матрицы с исходными данными

Сначала необходимо длины дорог соединяющих города представить в виде следующей таблицы:

В нашем примере у нас 4 города и в таблице указано расстояние от каждого города к 3-м другим, в зависимости от направления движения (т.к. некоторые ж/д пути могут быть с односторонним движением и т.д.).

Расстояние от города к этому же городу обозначено буквой M. Также используется знак бесконечности. Это сделано для того, чтобы данный отрезок путь был условно принят за бесконечно длинный. Тогда не будет смысла выбрать движение от 1-ого города к 1-му, от 2-ого ко 2-му, и т.п. в качестве отрезка маршрута.

2. Нахождение минимума по строкам

Находим минимальное значение в каждой строке (di ) и выписываем его в отдельный столбец.

3. Редукция строк

Производим редукцию строк – из каждого элемента в строке вычитаем соответствующее значение найденного минимума (di).

В итоге в каждой строке будет хотя бы одна нулевая клетка .

4. Нахождение минимума по столбцам

5. Редукция столбцов

Вычитаем из каждого элемента матрицы соответствующее ему dj.

В итоге в каждом столбце будет хотя бы одна нулевая клетка .

6. Вычисление оценок нулевых клеток

Для каждой нулевой клетки получившейся преобразованной матрицы находим «оценку ». Ею будет сумма минимального элемента по строке и минимального элемента по столбцу, в которых размещена данная нулевая клетка. Сама она при этом не учитывается. Найденные ранее di и dj не учитываются. Полученную оценку записываем рядом с нулем, в скобках.

И так по всем нулевым клеткам:

7. Редукция матрицы

Выбираем нулевую клетку с наибольшей оценкой. Заменяем ее на «М ». Мы нашли один из отрезков пути. Выписываем его (от какого города к какому движемся, в нашем примере от 4-ого к 2-му).

Ту строку и тот столбец, где образовалось две «М» полностью вычеркиваем. В клетку, соответствующую обратному пути , ставим еще одну букву «М» (т.к. мы уже не будем возвращаться обратно).

8. Если полный путь еще не найден, переходим к пункту 2, если найден к пункту 9

Если мы еще не нашли все отрезки пути, то возвращаемся ко 2 -му пункту и вновь ищем минимумы по строкам и столбцам, проводим их редукцию, считаем оценки нулевых клеток и т.д.

Если все отрезки пути найдены (или найдены еще не все отрезки, но оставшаяся часть пути очевидна) – переходим к пункту 9 .

9. Вычисление итоговой длины пути и построение маршрута

Найдя все отрезки пути, остается только соединить их между собой и рассчитать общую длину пути (стоимость поездки по этому маршруту, затраченное время и т.д.). Длины дорог соединяющих города берем из самой первой таблицы с исходными данными.

В нашем примере маршрут получился следующий: 4 → 2 → 3 → 1 → 4 .

Общая длина пути: L = 30 .

Практическое применение задачи коммивояжера

Применение задачи коммивояжера на практике довольно обширно. В частности ее можно использовать для поиска кратчайшего маршрута при гастролях эстрадной группы по городам, нахождения последовательности технологических операций обеспечивающей наименьшее время выполнения всего производственного цикла и пр.

Решение задачи коммивояжера онлайн

Галяутдинов Р.Р.

© Копирование материала допустимо только при указании прямой гиперссылки на