פתרון בעיות שקשורות ל-CP

הקטע הקודם הראה כיצד למצוא את כל הפתרונות לבעיית CP. בשלב הבא נראה איך למצוא פתרון אופטימלי. לדוגמה, נפתור את בעיית האופטימיזציה הבאה.

להגדיל למקסימום את 2x + 2y + 3z בכפוף למגבלות הבאות:

x + ^7⁄2 y + ^3⁄2 z	≤	25
3x - 5y + 7z	≤	45
5x + 2y - 6z	≤	37
x, y, z	≥	0
x, y, z מספרים שלמים

כדי להאיץ את החישובים, הפותר של CP-SAT פועל על גבי השלמים. כלומר, לכל האילוצים ולמטרה צריכים להיות מקדמים של מספרים שלמים. בדוגמה שלמעלה, האילוץ הראשון לא עומד בתנאי הזה. כדי לפתור את הבעיה, קודם צריך לשנות את האילוץ על ידי הכפלה שלו במספר שלם גדול מספיק כדי להמיר את כל המקדמים למספרים שלמים. הנושא הזה מוצג בקטע מגבלות שבהמשך.

פתרון באמצעות הפותר של CP-SAT

בקטעים הבאים מוצגת תוכנת Python שפותרת את הבעיה באמצעות הפותר של CP-SAT.

ייבוא הספריות

הקוד הבא מייבא את הספרייה הנדרשת.

Python

from ortools.sat.python import cp_model

C++

#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>

#include <algorithm>

#include "ortools/base/logging.h"
#include "ortools/sat/cp_model.h"
#include "ortools/sat/cp_model.pb.h"
#include "ortools/sat/cp_model_solver.h"
#include "ortools/util/sorted_interval_list.h"

Java

import static java.util.Arrays.stream;

import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.sat.CpModel;
import com.google.ortools.sat.CpSolver;
import com.google.ortools.sat.CpSolverStatus;
import com.google.ortools.sat.IntVar;
import com.google.ortools.sat.LinearExpr;

C#

using System;
using System.Linq;
using Google.OrTools.Sat;

מצהירים על המודל

הקוד הבא מצהיר על המודל לבעיה.

Python

model = cp_model.CpModel()

C++

CpModelBuilder cp_model;

Java

CpModel model = new CpModel();

C#

CpModel model = new CpModel();

יצירת המשתנים

הקוד הבא יוצר את המשתנים עבור הבעיה.

Python

var_upper_bound = max(50, 45, 37)
x = model.new_int_var(0, var_upper_bound, "x")
y = model.new_int_var(0, var_upper_bound, "y")
z = model.new_int_var(0, var_upper_bound, "z")

C++

int64_t var_upper_bound = std::max({50, 45, 37});
const Domain domain(0, var_upper_bound);
const IntVar x = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("x");
const IntVar y = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("y");
const IntVar z = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("z");

Java

int varUpperBound = stream(new int[] {50, 45, 37}).max().getAsInt();

IntVar x = model.newIntVar(0, varUpperBound, "x");
IntVar y = model.newIntVar(0, varUpperBound, "y");
IntVar z = model.newIntVar(0, varUpperBound, "z");

C#

int varUpperBound = new int[] { 50, 45, 37 }.Max();

IntVar x = model.NewIntVar(0, varUpperBound, "x");
IntVar y = model.NewIntVar(0, varUpperBound, "y");
IntVar z = model.NewIntVar(0, varUpperBound, "z");

מגדירים את האילוצים

מאז האילוץ הראשון,

x + ^7⁄2 y + ^3⁄2 z

≤

25

יש מקדמים לא שלמים. קודם צריך להכפיל את כל האילוץ במספר שלם גדול מספיק כדי להמיר את המקדמים למספרים שלמים. במקרה הזה, אפשר להכפיל ב-2, וכך נוצרת האילוץ החדש

2x + 7y + 3z

≤

50

הפעולה הזו לא משנה את הבעיה, כי לאילוץ המקורי יש בדיוק את אותם פתרונות כמו האילוץ שהשתנה.

הקוד הבא מגדיר את שלושת האילוצים הלינאריים של הבעיה:

Python

model.add(2 * x + 7 * y + 3 * z <= 50)
model.add(3 * x - 5 * y + 7 * z <= 45)
model.add(5 * x + 2 * y - 6 * z <= 37)

C++

cp_model.AddLessOrEqual(2 * x + 7 * y + 3 * z, 50);
cp_model.AddLessOrEqual(3 * x - 5 * y + 7 * z, 45);
cp_model.AddLessOrEqual(5 * x + 2 * y - 6 * z, 37);

Java

model.addLessOrEqual(LinearExpr.weightedSum(new IntVar[] {x, y, z}, new long[] {2, 7, 3}), 50);
model.addLessOrEqual(LinearExpr.weightedSum(new IntVar[] {x, y, z}, new long[] {3, -5, 7}), 45);
model.addLessOrEqual(LinearExpr.weightedSum(new IntVar[] {x, y, z}, new long[] {5, 2, -6}), 37);

C#

model.Add(2 * x + 7 * y + 3 * z <= 50);
model.Add(3 * x - 5 * y + 7 * z <= 45);
model.Add(5 * x + 2 * y - 6 * z <= 37);

הגדרה של פונקציית היעד

הקוד הבא מגדיר את פונקציית היעד של הבעיה, ומצהיר עליה כבעיית מקסימום:

Python

model.maximize(2 * x + 2 * y + 3 * z)

C++

cp_model.Maximize(2 * x + 2 * y + 3 * z);

Java

model.maximize(LinearExpr.weightedSum(new IntVar[] {x, y, z}, new long[] {2, 2, 3}));

C#

model.Maximize(2 * x + 2 * y + 3 * z);

קריאה לפותר

הקוד הבא מפעיל את הפותר.

Python

solver = cp_model.CpSolver()
status = solver.solve(model)

C++

const CpSolverResponse response = Solve(cp_model.Build());

Java

CpSolver solver = new CpSolver();
CpSolverStatus status = solver.solve(model);

C#

CpSolver solver = new CpSolver();
CpSolverStatus status = solver.Solve(model);

הצגת הפתרון

הקוד הבא מציג את התוצאות.

Python

if status == cp_model.OPTIMAL or status == cp_model.FEASIBLE:
    print(f"Maximum of objective function: {solver.objective_value}\n")
    print(f"x = {solver.value(x)}")
    print(f"y = {solver.value(y)}")
    print(f"z = {solver.value(z)}")
else:
    print("No solution found.")

C++

if (response.status() == CpSolverStatus::OPTIMAL ||
    response.status() == CpSolverStatus::FEASIBLE) {
  // Get the value of x in the solution.
  LOG(INFO) << "Maximum of objective function: "
            << response.objective_value();
  LOG(INFO) << "x = " << SolutionIntegerValue(response, x);
  LOG(INFO) << "y = " << SolutionIntegerValue(response, y);
  LOG(INFO) << "z = " << SolutionIntegerValue(response, z);
} else {
  LOG(INFO) << "No solution found.";
}

Java

if (status == CpSolverStatus.OPTIMAL || status == CpSolverStatus.FEASIBLE) {
  System.out.printf("Maximum of objective function: %f%n", solver.objectiveValue());
  System.out.println("x = " + solver.value(x));
  System.out.println("y = " + solver.value(y));
  System.out.println("z = " + solver.value(z));
} else {
  System.out.println("No solution found.");
}

C#

if (status == CpSolverStatus.Optimal || status == CpSolverStatus.Feasible)
{
    Console.WriteLine($"Maximum of objective function: {solver.ObjectiveValue}");
    Console.WriteLine("x = " + solver.Value(x));
    Console.WriteLine("y = " + solver.Value(y));
    Console.WriteLine("z = " + solver.Value(z));
}
else
{
    Console.WriteLine("No solution found.");
}

הפלט מוצג בהמשך:

Maximum of objective function: 35

x value:  7
y value:  3
z value:  5

התוכנית כולה

התוכנית כולה מוצגת בהמשך.

Python

"""Simple solve."""
from ortools.sat.python import cp_model


def main() -> None:
    """Minimal CP-SAT example to showcase calling the solver."""
    # Creates the model.
    model = cp_model.CpModel()

    # Creates the variables.
    var_upper_bound = max(50, 45, 37)
    x = model.new_int_var(0, var_upper_bound, "x")
    y = model.new_int_var(0, var_upper_bound, "y")
    z = model.new_int_var(0, var_upper_bound, "z")

    # Creates the constraints.
    model.add(2 * x + 7 * y + 3 * z <= 50)
    model.add(3 * x - 5 * y + 7 * z <= 45)
    model.add(5 * x + 2 * y - 6 * z <= 37)

    model.maximize(2 * x + 2 * y + 3 * z)

    # Creates a solver and solves the model.
    solver = cp_model.CpSolver()
    status = solver.solve(model)

    if status == cp_model.OPTIMAL or status == cp_model.FEASIBLE:
        print(f"Maximum of objective function: {solver.objective_value}\n")
        print(f"x = {solver.value(x)}")
        print(f"y = {solver.value(y)}")
        print(f"z = {solver.value(z)}")
    else:
        print("No solution found.")

    # Statistics.
    print("\nStatistics")
    print(f"  status   : {solver.status_name(status)}")
    print(f"  conflicts: {solver.num_conflicts}")
    print(f"  branches : {solver.num_branches}")
    print(f"  wall time: {solver.wall_time} s")


if __name__ == "__main__":
    main()

C++

#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>

#include <algorithm>

#include "ortools/base/logging.h"
#include "ortools/sat/cp_model.h"
#include "ortools/sat/cp_model.pb.h"
#include "ortools/sat/cp_model_solver.h"
#include "ortools/util/sorted_interval_list.h"

namespace operations_research {
namespace sat {

void CpSatExample() {
  CpModelBuilder cp_model;

  int64_t var_upper_bound = std::max({50, 45, 37});
  const Domain domain(0, var_upper_bound);
  const IntVar x = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("x");
  const IntVar y = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("y");
  const IntVar z = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("z");

  cp_model.AddLessOrEqual(2 * x + 7 * y + 3 * z, 50);
  cp_model.AddLessOrEqual(3 * x - 5 * y + 7 * z, 45);
  cp_model.AddLessOrEqual(5 * x + 2 * y - 6 * z, 37);

  cp_model.Maximize(2 * x + 2 * y + 3 * z);

  // Solving part.
  const CpSolverResponse response = Solve(cp_model.Build());

  if (response.status() == CpSolverStatus::OPTIMAL ||
      response.status() == CpSolverStatus::FEASIBLE) {
    // Get the value of x in the solution.
    LOG(INFO) << "Maximum of objective function: "
              << response.objective_value();
    LOG(INFO) << "x = " << SolutionIntegerValue(response, x);
    LOG(INFO) << "y = " << SolutionIntegerValue(response, y);
    LOG(INFO) << "z = " << SolutionIntegerValue(response, z);
  } else {
    LOG(INFO) << "No solution found.";
  }

  // Statistics.
  LOG(INFO) << "Statistics";
  LOG(INFO) << CpSolverResponseStats(response);
}

}  // namespace sat
}  // namespace operations_research

int main() {
  operations_research::sat::CpSatExample();
  return EXIT_SUCCESS;
}

Java

package com.google.ortools.sat.samples;
import static java.util.Arrays.stream;

import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.sat.CpModel;
import com.google.ortools.sat.CpSolver;
import com.google.ortools.sat.CpSolverStatus;
import com.google.ortools.sat.IntVar;
import com.google.ortools.sat.LinearExpr;

/** Minimal CP-SAT example to showcase calling the solver. */
public final class CpSatExample {
  public static void main(String[] args) {
    Loader.loadNativeLibraries();
    // Create the model.
    CpModel model = new CpModel();

    // Create the variables.
    int varUpperBound = stream(new int[] {50, 45, 37}).max().getAsInt();

    IntVar x = model.newIntVar(0, varUpperBound, "x");
    IntVar y = model.newIntVar(0, varUpperBound, "y");
    IntVar z = model.newIntVar(0, varUpperBound, "z");

    // Create the constraints.
    model.addLessOrEqual(LinearExpr.weightedSum(new IntVar[] {x, y, z}, new long[] {2, 7, 3}), 50);
    model.addLessOrEqual(LinearExpr.weightedSum(new IntVar[] {x, y, z}, new long[] {3, -5, 7}), 45);
    model.addLessOrEqual(LinearExpr.weightedSum(new IntVar[] {x, y, z}, new long[] {5, 2, -6}), 37);

    model.maximize(LinearExpr.weightedSum(new IntVar[] {x, y, z}, new long[] {2, 2, 3}));

    // Create a solver and solve the model.
    CpSolver solver = new CpSolver();
    CpSolverStatus status = solver.solve(model);

    if (status == CpSolverStatus.OPTIMAL || status == CpSolverStatus.FEASIBLE) {
      System.out.printf("Maximum of objective function: %f%n", solver.objectiveValue());
      System.out.println("x = " + solver.value(x));
      System.out.println("y = " + solver.value(y));
      System.out.println("z = " + solver.value(z));
    } else {
      System.out.println("No solution found.");
    }

    // Statistics.
    System.out.println("Statistics");
    System.out.printf("  conflicts: %d%n", solver.numConflicts());
    System.out.printf("  branches : %d%n", solver.numBranches());
    System.out.printf("  wall time: %f s%n", solver.wallTime());
  }

  private CpSatExample() {}
}

C#

using System;
using System.Linq;
using Google.OrTools.Sat;

public class CpSatExample
{
    static void Main()
    {
        // Creates the model.
        CpModel model = new CpModel();

        // Creates the variables.
        int varUpperBound = new int[] { 50, 45, 37 }.Max();

        IntVar x = model.NewIntVar(0, varUpperBound, "x");
        IntVar y = model.NewIntVar(0, varUpperBound, "y");
        IntVar z = model.NewIntVar(0, varUpperBound, "z");

        // Creates the constraints.
        model.Add(2 * x + 7 * y + 3 * z <= 50);
        model.Add(3 * x - 5 * y + 7 * z <= 45);
        model.Add(5 * x + 2 * y - 6 * z <= 37);

        model.Maximize(2 * x + 2 * y + 3 * z);

        // Creates a solver and solves the model.
        CpSolver solver = new CpSolver();
        CpSolverStatus status = solver.Solve(model);

        if (status == CpSolverStatus.Optimal || status == CpSolverStatus.Feasible)
        {
            Console.WriteLine($"Maximum of objective function: {solver.ObjectiveValue}");
            Console.WriteLine("x = " + solver.Value(x));
            Console.WriteLine("y = " + solver.Value(y));
            Console.WriteLine("z = " + solver.Value(z));
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("No solution found.");
        }

        Console.WriteLine("Statistics");
        Console.WriteLine($"  conflicts: {solver.NumConflicts()}");
        Console.WriteLine($"  branches : {solver.NumBranches()}");
        Console.WriteLine($"  wall time: {solver.WallTime()}s");
    }
}