4.3.1. Общая схема метода «ветвей и границ». Другим широко применяемым для решения задач дискретного программирования методом является метод ветвей и границ . Впервые данный метод для решения ЦЗЛП предложили в 1960 г. Лэнг и Дойг, а его «второе рождение» произошло в 1963 г. в связи с выходом работы Литтла, Мурти, Суини и Кэрел, посвященной решению задачи о коммивояжере .
Вообще говоря, термин «метод ветвей и границ» является собирательным и включает в себе целое семейство методов, применяемых для решения как линейных, так и нелинейных дискретных задач, объединяемое общими принципами. Кратко изложим их.
Пусть стоит задача:
где D - конечное множество.
Алгоритм является итеративным, и на каждой итерации происходит работа с некоторым подмножеством множества D . Назовем это подмножество текущим и будем обозначать его как D ( q ) , где q - индекс итерации. Перед началом первой итерации в качестве текущего множества выбирается все множество D (D (1) =D ), и для него некоторым способом вычисляется значение верхней оценки для целевой функции max f(x) ≤ ξ( D (1)). Стандартная итерация алгоритма состоит из следующих этапов:
1°. Если можно указать план x (q ) ∊D (q ) , для которого f(x (q ) ) ≤ξ( D (q )), то x (q ) =х* - решение задачи (4.29).
2°. Если такой план не найден, то область определения D (q ) некоторым образом разбивается на подмножества D 1 (q ) , D 2 (q ) , ..., D lq (q ) , удовлетворяющие условиям:
Для каждого подмножества находятся оценки сверху (верхние границы) для целевой функции ξD 1 ( q ) , ξD 2 ( q ) , ..., ξD l 1 ( q ) , уточняющие ранее полученную оценку ξD ( q ) , то есть ξD i ( q ) ≤ ξD ( q ) , i ∊1:l q . Возможно одно из двух:
2.1. Если существует такой план х ( q ) , что
то этот план оптимальный.
2.2. Если такой план не найден, то выбирается одно из множеств D i ( q ) , i ∊1:l q (как правило, имеющее наибольшую оценку
Все имеющиеся к текущему моменту концевые подмножества, т. е. те подмножества, которые еще не подверглись процессу дробления, переобозначаются как D 1 ( q +1) , D 2 ( q +1) ,..., D l ( q +1) ( q +1) , после чего процесс повторяется.
Схема дробления множества D представлена на рис. 4.3 в виде графа. Существуют и более сложные системы индексации подмножеств, при которых не требуется их переобозначение на каждом шаге.
Конкретные реализации метода ветвей и границ связаны с правилами разбиения на подмножества (правилами ветвления) и построения оценок значений целевых функций на данных подмножествах (границ).
4.3.2. Решение ЦЗЛП методом ветвей и границ. Рассмотрим применение алгоритма метода ветвей и границ для решения ЦЗЛП (4.2)-(4.3). Как уже упоминалось, через D ( q ) обозначается подмножество множества допустимых планов задачи. Перед началом первой итерации (q = 1) в качестве текущего множества берется все множество D (D (1) = D ), после чего решается стандартная задача линейного программирования (D (1) , f ). Нетрудно заметить, что она является непрерывным аналогом
исходной задачи (4.2)-(4.3). Если найденный оптимальный план (1) содержит только целочисленные компоненты, то он является и оптимальным планом для (4.2)-(4.3): (1) = x* . В противном случае значение f ( (1)) становится оценкой (верхней границей) значения целевой функции на множестве D (1) , и мы переходим к выполнению стандартной итерации алгоритма. Опишем входящие в нее этапы.
1) Выбирается некоторая нецелочисленная компонента плана k ( q ) . Поскольку в оптимальном плане она должна быть целой, то можно наложить ограничения x k ≤ [ k ( q ) ] и x k ≥ [ k ( q ) ]+1. Таким образом, D ( q ) разбивается на подмножества
Графическая интерпретация такого разбиения множества D ( q ) приведена на рис. 4.4.
2) Решаются задачи линейного программирования
Соответствующие максимальные значения целевой функции принимаются как ее оценки на этих множествах:
Если оптимальный план для одной из решенных задач удовлетворяет условию
и содержит только целые компоненты, то, значит, найдено решение основной задачи (4.2)-(4.3). В противном случае среди всех концевых подмножеств , полученных как на предыдущих (D i ( q )), так и на текущем (D 1 ( q ) , D 2 ( q )) этапе, выбирается область с наибольшей оценкой ξ(D i ( q )). Она становится текущим рассматриваемым подмножеством (D ( q +1)). Далее производится перенумерация концевых множеств и вычислительный процесс итеративно повторяется.
При решении задач (D 1 ( q ) , f ) и (D 2 ( q ) , f ) можно воспользоваться результатами решения предыдущей задачи (D ( q ) , f ). Рассмотрим вариант организации вычислительного процесса на примере задачи ( 1 ( q ) , f ) (для ( 2 ( q ) , f ) он выглядит аналогично с точностью до знаков неравенств).
Предположим, что на последнем шаге решения задачи (D ( q ) , f ) был получен оптимальный базис β. Без ограничения общности можно считать, что он состоит из первых m столбцов матрицы задачи. Данное предположение делается исключительно для обеспечения наглядности дальнейшего изложения и очевидно, что его выполнения можно всегда добиться за счет простой перенумерации векторов а j . По аналогии с предыдущим параграфом введем обозначения для элементов матрицы задачи (D ( q ) , f ) и ее вектора ограничений относительно базиса :
Тогда система ограничений задачи (D ( q ) , f ) может быть представлена как
а получаемая на ее основе система ограничений задачи ( 1 ( q ) , f ) как
где х n +1 ≥ 0 - фиктивная переменная, которой соответствует нулевой коэффициент в целевой функции, добавляемая для преобразования неравенства в строгое равенство.
Очевидно, что 1≤k≤m , т. к. небазисные компоненты оптимального плана (m +1≤j≤n ) равны нулю, т. е. являются заведомо целочисленными. Тогда с учетом сделанных предположений о виде базиса можно записать:
Как видно из (4.39), в k -м столбце имеется всего два отличных от нуля элемента: в k -й и (m +1)-й строках. Если вычесть из (m +1)-го уравнения k -e, то, учитывая, что [ά k ] – ά k =-{ά k }, получим эквивалентную систему:
Проведенные преобразования системы ограничений D 1 ( q ) позволили явно выделить сопряженный базис, образуемый столбцами с номерами 1,..., m , n +1, и соответствующий ему псевдоплан (ά 1 , ..., ά m , 0,...., 0, -{ά k }), т.е. для решения задачи (D 1 ( q ) , f ) может быть применен алгоритм двойственного симплекс-метода. Практически вычислительный процесс для данного этапа сводится к преобразованию к симплекс-таблицы, показанному на рис. 4.5.
Для случая задачи (D 2 ( q ) , f ) преобразование симплекс-таблицы, получаемое на базе аналогичных рассуждений, приведено на рис. 4.6.
Очевидным недостатком алгоритма метода ветвей и границ при решении задач большой размерности является необходимость перебрать слишком большое количество вариантов перед тем, как будет найден оптимальный план. Однако он отчасти может быть преодолен, если ограничиться поиском не оптимального, а просто «хорошего» (близкого к оптимальному) плана. О степени такой близости и скорости приближения к экстремуму нетрудно судить по изменению значений оценок.
Подчеркнем, что приведенная реализация метода ветвей и границ является одной из многих . Помимо нее, например, очень популярна версия метода решения задачи коммивояжера, в которой для ветвления и построения оценок используют специфические свойства данной модели. При желании о ней можно прочесть в .
КЛЮЧЕВЫЕ ПОНЯТИЯ
Ø Ø Задачи с неделимостями.
Ø Ø Экстремальные комбинаторные задачи.
Ø Ø Задачи с разрывными целевыми функциями.
Ø Ø Правильное отсечение.
Ø Ø Метод Гомори.
Ø Ø Методы ветвей и границ.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
4.1. Какие основные проблемы возникают при решении дискретных задач?
4.2. Сформулируйте задачу о ранце.
4.3. Какие экономико-математические модели могут быть сведены к задаче о коммивояжере?
4.4. Приведите пример моделей с разрывными целевыми функциями.
4.5. Какой принцип используется для построения правильного отсечения в методе Гомори?
4.6. Перечислите основные этапы, входящие в «большую» итерацию метода Гомори.
4.7. Какую роль играет алгоритм двойственного симплекс-метода при решении целочисленной
линейной задачи методом Гомори?
4.8. Перечислите принципиальные идеи, лежащие в основе методов ветвей и границ.
4.9. Как производится построение отсечения при решении целочисленной линейной задачи методом
ветвей и границ?
4.10. Опишите схему решения целочисленной задачи линейного программирования методом ветвей и
4.11. За счет каких преобразований удается построить сопряженный базис при добавлении
отсекающего ограничения?
Коммивояжер (бродячий торговец) желает посетить ряд городов и вернуться в исходный город, минимизируя суммарную длину (стоимость) переездов. Эта задача в математической форме формулируется как задача нахождения во взвешенном графе гамильтонова цикла минимальной длины и называется задачей коммивояжера.
В качестве её практического приложения можно указать следующее. Пусть имеется станок, способный выполнять несколько операций. Его перенастройка с одной операции на другую требует определенных затрат. Требуется использовать станок в циклическом режиме, минимизируя суммарные затраты на перенастройку.
В данной задаче перенастройка с одной операции на другую и обратная перенастройка могут требовать, вообще говоря, различных затрат. Поэтому и в общем случае в задаче коммивояжера рассматривается взвешенный ориентированный граф, дуги которого в прямом и обратном направлении могут иметь различные веса.
Для решения задачи коммивояжера можно попытаться использовать «жадный алгоритм», успешно примененный в задаче о минимальном остовном дереве. Упорядочим предварительно дуги по весам и будем включать дуги минимального веса, следя за тем, чтобы не возникли вершины, полустепень исхода или захода которых превышает единицу, и не появились негамильтоновы циклы. Однако, как легко убедиться, данный подход не гарантирует получение оптимального решения. В качестве простейшего контрпримера можно рассмотреть следующий граф.
Здесь каждому ребру соответствует две дуги такого же веса.
«Жадный
алгоритм» прежде всего включит в цикл
ребро
,
как имеющее минимальный вес. Включение
этого ребра, как непосредственно легко
проверить, необходимо ведет к гамильтонову
циклу
веса 29. Оптимальный
же
гамильтонов цикл
имеет вес 12. Поэтому «жадный алгоритм»
не гарантирует получения оптимального
решения, хотя он может быть использован
на практике в качестве полезной эвристики,
во многих случаях приводящей к решениям,
близким к оптимальным.
Для задачи коммивояжера не известно какого – либо эффективного алгоритма. Весьма вероятно, что такого алгоритма не существует, хотя это и не удалось до сих пор доказать. Подобные задачи не редки в дискретной математике. В случае небольшой размерности их точные решения удается получать на компьютере с помощью метода «ветвей и границ».
Под методом «ветвей и границ» понимается широкий класс методов сокращенного перебора, суть которых сводится к следующему. Множество допустимых решений А разбивается на два подмножества А 0 и А 1 , затем каждое из подмножеств также разбивается на два подмножества и т.д. Схематически это можно представить в виде дерева, начинающегося с множества всех решений и заканчивающегося его одноэлементными подмножествами, т.е. допустимыми решениями, которыми в нашем случае являются гамильтоновы циклы.
Среди допустимых решений выбирается оптимальное по функционалу качества, которым в нашем случае является длина гамильтонова цикла. Смысл метода «ветвей и границ» состоит, однако, в том, чтобы не просматривать все допустимые решения, а отсекать большинство ветвей на возможно более раннем этапе. Для этого с помощью эвристических соображений стараются сразу пойти по ветви, ведущей к решению, близкому по качеству к оптимальному. После этого большинство других ветвей отсекают с помощью границ для функционала качества, когда удается показать, что в подмножестве решений не содержится решения, лучшего по качеству, чем уже имеющееся.
Рассмотрим метод «ветвей и границ» на примере задачи коммивояжера. Пусть взвешенный орграф задан матрицей расстояний. Если некоторая дуга в графе отсутствует, то соответствующий элемент матрицы будем полагать равным ∞. Заметим, что если длины всех дуг, входящих в некоторую вершину, уменьшить на одно и то же число, то и длина оптимального гамильтонова цикла уменьшится на это же число. То же самое относится и к множеству выходящих дуг. Будем последовательно вычитать из строк и столбцов матрицы расстояний положительные числа так, чтобы элементы матрицы оставались неотрицательными. Так как длина оптимального гамильтонова цикла для графа с неотрицательной матрицей расстояний также неотрицательна, то сумма вычтенных количеств будет нижней границей для длины оптимального цикла исходного графа.
Рассмотрим пример. Пусть задан граф G с симметрической матрицей расстояний.
Значки « ∞ » на диагонали соответствуют отсутствию в графе петель – дуг, ведущих из вершины в эту же вершину. Получим, прежде всего, нижнюю границу для длины кратчайшего гамильтонового цикла. Из первой, второй, третьей и четвертой строк можно вычесть по единице, из пятой строки – два, а из пятого столбца можно вычесть ещё единицу. Это дает нижнюю границу 7, а матрица расстояний приобретает вид
Теперь выберем дугу для ветвления, т.е. разобьем множество гамильтоновых циклов на два подмножества: включающих и не включающих эту дугу. Мы рассчитываем, что данная дуга будет входить в оптимальный или близкий к оптимальному цикл. Для этого будем следовать следующему эвристическому правилу: из множества дуг нулевой длины выбирать ту, исключение которой ведет к максимальному росту нижней оценки. В нашем случае такой дугой является дуга (1,2). Запрещение этой дуги приводит к матрице
из первой строки и второго столбца которой можно вычесть по единице, что увеличивает нижнюю границу на 2 и делает её равной 9.
Включение же дуги (1,2) приводит к тому, что исключаются все остальные дуги, ведущие в вершину 2, и все остальные дуги, выходящие из вершины 1. Поэтому первую строку и второй столбец матрицы можно далее не рассматривать, и они вычеркиваются из матрицы. Кроме того, исключается дуга (2,1). Матрица принимает вид
Из её первой строки и первого столбца можно вычесть по единице, что приводит к матрице
Нижняя оценка здесь возрастает на 2 и также становится равной 9.
Нижняя оценка длины оптимального цикла остается неизменной.
Дуга (2,5) должна быть запрещена, как ведущая к появлению негамильтонова цикла, и матрица принимает вид
Нижняя оценка длины гамильтонова цикла остается, по – прежнему, равной 9.
Схематически представим проведенный анализ в виде дерева, где в кружочках стоят нижние оценки длины гамильтонова цикла.
Взглянув на это дерево, непосредственно убеждаемся, что полученный гамильтонов цикл является кратчайшим, т.к. движение по любой другой ветви дерева не может привести к более короткому циклу.
Существует ли эффективный алгоритм для решения задачи коммивояжера? а) да; б) нет; в) неизвестно.
Является ли описанный метод « ветвей и границ» эффективным алгоритмом для решения задачи коммивояжера? а) да; б) нет; в) неизвестно.
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 .
Для решения задачи коммивояжера методом ветвей и границ необходимо выполнить следующий алгоритм (последовательность действий):
Более подробно эти этапы решения задачи о бродячем торговце раскрыты ниже.
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 .
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.
Галяутдинов Р.Р.
© Копирование материала допустимо только при указании прямой гиперссылки на
В основе метода ветвей и границ лежит идея последовательного разбиения множества допустимых решений на подмножества. На каждом шаге метода для элементов разбиения выполняется проверка для выяснения, содержит данное подмножество оптимальное решение или нет. Для этого вычисляется нижняя оценка целевой функции на данном подмножестве.
Если оценка снизу не меньше рекорда (наилучшего из найденных решений), то подмножество может больше не рассматриваться. Проверяемое подмножество может быть отброшено еще и в том случае, когда в нем удается найти наилучшее решение. Если значение целевой функции на найденном решении меньше рекорда, то происходит смена рекорда. По окончанию работы алгоритма рекорд является результатом его работы. Если удается отбросить все элементы разбиения, то рекорд - оптимальное решение задачи. В противном случае, из неотброшенных подмножеств выбирается наиболее перспективное (например, с наименьшим значением нижней оценки), и подвергается разбиению. Новые подмножества вновь подвергаются проверке и т.д. Вычисление нижней границы является важнейшим элементом данной схемы.
Для каждой конкретной задачи целочисленного программирования (другими словами, дискретной оптимизации) метод ветвей и границ реализуется по-своему. Есть много модификаций этого метода.
Рассмотрим реализацию метода ветвей и границ для задачи коммивояжёра и задачи о рюкзаке.
Рассмотрим алгоритм Литтла (методом ветвей и границ) для задачи коммивояжера. Идею можно сформулировать следующим образом. В каждой строке матрицы расстояний находится минимальный элемент и вычитается из всех элементов соответствующей строки. Получается матрица, приведенная по строкам. Аналогично приводится матрица по столбцам. Получается матрица, приведенная по строкам и столбцам. Суммируя при приведении минимальные элементы, получим константу приведения, которая будет нижней границей множества всех допустимых гамильтоновых контуров. После находятся степени нулей для приведенной матрицы (сумма минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю) и выбирается дуга , для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения. Множество всех гамильтоновых контуров разбивается на два подмножества, одно из которых содержит дугу , второе эту дугу не содержит. После этого приводятся полученные матрицы гамильтоновых контуров и сравниваются нижние границы подмножества гамильтоновых контуров с целью выбора для дальнейшего разбиения множества с меньшей нижней границей. Процесс разбиения множеств на подмножества сопровождается построением дерева ветвлений. Сравнивая длину гамильтонова контура с нижними границами оборванных ветвей, выбирается для дальнейшего ветвления подмножество с нижней границей, меньшей полученного контура, до тех пор, пока не получен маршрут с наименьшей длиной или не становится ясно, что такого маршрута не существует.
Пример.
Пусть в задаче коммивояжера задана следующая матрица стоимостей переездов
Находим в каждой строке матрицы минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов соответствующей строки. Получим матрицу, приведенную по строкам, с элементами
.
Если в матрице , приведенной по строкам, окажутся столбцы, не содержащие нуля, то приводим ее по столбцам. Для этого в каждом столбце матрицы выбираем минимальный элемент , и вычитаем его из всех элементов соответствующего столбца. Получим матрицу
,
каждая строка и столбец, которой содержит хотя бы один нуль. Такая матрица называется приведенной по строкам и столбцам.
Суммируя элементы и , получим константу приведения:
.
Находим степени нулей для приведенной по строкам и столбцам матрицы. Для этого мысленно нули в матице заменяем на знак и находим сумму минимальных элементов строки и столбца, соответствующих этому нулю. Записываем ее в правом верхнем углу клетки:
.
Выбираем дугу , для которой степень нулевого элемента достигает максимального значения
Разбиваем множество всех допустимых маршрутов на два подмножества:
– подмножество, содержащее дугу ;
– подмножество, не содержащее дугу
Для вычисления оценки затрат для маршрутов, включающих дугу , вычеркиваем в матрице строку и столбец и заменяем симметричный элемент на знак . Приводим полученную матрицу и вычисляем сумму констант приведения .
