الحد الأقصى للتدفقات

في الأقسام التالية، ستحصل على مثال لمشكلة الحد الأقصى للتدفق (الحد الأقصى للتدفق).

مثال على الحد الأقصى للتدفق

يتم تحديد المشكلة من خلال الرسم البياني التالي، الذي يمثل شبكة نقل:

لنفترض أنك تريد نقل المواد من العقدة 0 (المصدر) إلى العقدة 4 (المغسلة). تمثّل الأرقام المجاورة للأقواس سعاتها، أي أنّ سعة القوس هي الحدّ الأقصى للمقدار الذي يمكن نقله عبره خلال فترة زمنية ثابتة. الإمكانيات هي القيود المفروضة على المشكلة.

التدفق هو تعيين رقم غير سالب لكل قوس (مقدار التدفق) يستوفي قاعدة حفظ التدفق التالية:

ملاحظة: في كل عقدة، ما عدا المصدر أو الحوض، يساوي إجمالي تدفق جميع الأقواس المؤدية إلى العقدة إجمالي التدفق لجميع الأقواس المؤدية إليها.

مشكلة الحد الأقصى للتدفق هي إيجاد تدفق يكون فيه مجموع مبالغ التدفق للشبكة بأكملها أكبر قدر ممكن.

تقدم الأقسام التالية برامج للعثور على الحد الأقصى للتدفق من المصدر (0) إلى الحوض (4).

استيراد المكتبات

يستورد الرمز التالي المكتبة المطلوبة.

Python

import numpy as np

from ortools.graph.python import max_flow

C++

#include <cstdint>
#include <vector>

#include "ortools/graph/max_flow.h"

Java

import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.graph.MaxFlow;

C#

using System;
using Google.OrTools.Graph;

تعريف أداة الحلّ

لحلّ هذه المشكلة، يمكنك استخدام أداة الحلّ SimpleMaxFlow.

Python

# Instantiate a SimpleMaxFlow solver.
smf = max_flow.SimpleMaxFlow()

C++

// Instantiate a SimpleMaxFlow solver.
SimpleMaxFlow max_flow;

Java

// Instantiate a SimpleMaxFlow solver.
MaxFlow maxFlow = new MaxFlow();

C#

// Instantiate a SimpleMaxFlow solver.
MaxFlow maxFlow = new MaxFlow();

تحديد البيانات

يمكنك تحديد الرسم البياني للمشكلة في ثلاث مصفوفات، أي لعقد البداية وعُقد النهاية وسعات الأقواس. طول كل صفيف يساوي عدد الأقواس في الرسم البياني.

لكل i، ينتقل القوس i من start_nodes[i] إلى end_nodes[i]، ويتم تحديد سعته بواسطة capacities[i]. يوضح القسم التالي كيفية إنشاء الأقواس باستخدام هذه البيانات.

Python

# Define three parallel arrays: start_nodes, end_nodes, and the capacities
# between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
# capacity of 20.
start_nodes = np.array([0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3])
end_nodes = np.array([1, 2, 3, 2, 4, 3, 4, 2, 4])
capacities = np.array([20, 30, 10, 40, 30, 10, 20, 5, 20])

C++

// Define three parallel arrays: start_nodes, end_nodes, and the capacities
// between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
// capacity of 20.
std::vector<int64_t> start_nodes = {0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3};
std::vector<int64_t> end_nodes = {1, 2, 3, 2, 4, 3, 4, 2, 4};
std::vector<int64_t> capacities = {20, 30, 10, 40, 30, 10, 20, 5, 20};

Java

// Define three parallel arrays: start_nodes, end_nodes, and the capacities
// between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
// capacity of 20.
// From Taha's 'Introduction to Operations Research',
// example 6.4-2.
int[] startNodes = new int[] {0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3};
int[] endNodes = new int[] {1, 2, 3, 2, 4, 3, 4, 2, 4};
int[] capacities = new int[] {20, 30, 10, 40, 30, 10, 20, 5, 20};

C#

// Define three parallel arrays: start_nodes, end_nodes, and the capacities
// between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
// capacity of 20.
// From Taha's 'Introduction to Operations Research',
// example 6.4-2.
int[] startNodes = { 0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3 };
int[] endNodes = { 1, 2, 3, 2, 4, 3, 4, 2, 4 };
int[] capacities = { 20, 30, 10, 40, 30, 10, 20, 5, 20 };

إضافة الأقواس

في كل عقدة بداية وعقدة نهاية، يمكنك إنشاء قوس من عقدة البداية إلى عقدة النهاية بالسعة المحددة، وذلك باستخدام الطريقة AddArcWithCapacity. الإمكانيات هي القيود للمشكلة.

Python

# Add arcs in bulk.
#   note: we could have used add_arc_with_capacity(start, end, capacity)
all_arcs = smf.add_arcs_with_capacity(start_nodes, end_nodes, capacities)

C++

// Add each arc.
for (int i = 0; i < start_nodes.size(); ++i) {
  max_flow.AddArcWithCapacity(start_nodes[i], end_nodes[i], capacities[i]);
}

Java

// Add each arc.
for (int i = 0; i < startNodes.length; ++i) {
  int arc = maxFlow.addArcWithCapacity(startNodes[i], endNodes[i], capacities[i]);
  if (arc != i) {
    throw new Exception("Internal error");
  }
}

C#

// Add each arc.
for (int i = 0; i < startNodes.Length; ++i)
{
    int arc = maxFlow.AddArcWithCapacity(startNodes[i], endNodes[i], capacities[i]);
    if (arc != i)
        throw new Exception("Internal error");
}

استدعاء أداة الحلّ

الآن بعد أن تم تحديد جميع الأقواس، كل ما تبقى هو استدعاء الحل وعرض النتائج. استدعِت الطريقة Solve()، مع تقديم المصدر (0) والمصدر (4).

Python

# Find the maximum flow between node 0 and node 4.
status = smf.solve(0, 4)

C++

// Find the maximum flow between node 0 and node 4.
int status = max_flow.Solve(0, 4);

Java

// Find the maximum flow between node 0 and node 4.
MaxFlow.Status status = maxFlow.solve(0, 4);

C#

// Find the maximum flow between node 0 and node 4.
MaxFlow.Status status = maxFlow.Solve(0, 4);

عرض النتائج

الآن، يمكنك عرض التدفق عبر كل قوس.

Python

if status != smf.OPTIMAL:
    print("There was an issue with the max flow input.")
    print(f"Status: {status}")
    exit(1)
print("Max flow:", smf.optimal_flow())
print("")
print(" Arc    Flow / Capacity")
solution_flows = smf.flows(all_arcs)
for arc, flow, capacity in zip(all_arcs, solution_flows, capacities):
    print(f"{smf.tail(arc)} / {smf.head(arc)}   {flow:3}  / {capacity:3}")
print("Source side min-cut:", smf.get_source_side_min_cut())
print("Sink side min-cut:", smf.get_sink_side_min_cut())

C++

if (status == MaxFlow::OPTIMAL) {
  LOG(INFO) << "Max flow: " << max_flow.OptimalFlow();
  LOG(INFO) << "";
  LOG(INFO) << "  Arc    Flow / Capacity";
  for (std::size_t i = 0; i < max_flow.NumArcs(); ++i) {
    LOG(INFO) << max_flow.Tail(i) << " -> " << max_flow.Head(i) << "  "
              << max_flow.Flow(i) << "  / " << max_flow.Capacity(i);
  }
} else {
  LOG(INFO) << "Solving the max flow problem failed. Solver status: "
            << status;
}

Java

if (status == MaxFlow.Status.OPTIMAL) {
  System.out.println("Max. flow: " + maxFlow.getOptimalFlow());
  System.out.println();
  System.out.println("  Arc     Flow / Capacity");
  for (int i = 0; i < maxFlow.getNumArcs(); ++i) {
    System.out.println(maxFlow.getTail(i) + " -> " + maxFlow.getHead(i) + "    "
        + maxFlow.getFlow(i) + "  /  " + maxFlow.getCapacity(i));
  }
} else {
  System.out.println("Solving the max flow problem failed. Solver status: " + status);
}

C#

if (status == MaxFlow.Status.OPTIMAL)
{
    Console.WriteLine("Max. flow: " + maxFlow.OptimalFlow());
    Console.WriteLine("");
    Console.WriteLine("  Arc     Flow / Capacity");
    for (int i = 0; i < maxFlow.NumArcs(); ++i)
    {
        Console.WriteLine(maxFlow.Tail(i) + " -> " + maxFlow.Head(i) + "    " +
                          string.Format("{0,3}", maxFlow.Flow(i)) + "  /  " +
                          string.Format("{0,3}", maxFlow.Capacity(i)));
    }
}
else
{
    Console.WriteLine("Solving the max flow problem failed. Solver status: " + status);
}

وإليك مُخرجات البرنامج:

Max flow: 60

  Arc    Flow / Capacity
0 -> 1    20  /  20
0 -> 2    30  /  30
0 -> 3    10  /  10
1 -> 2     0  /  40
1 -> 4    20  /  30
2 -> 3    10  /  10
2 -> 4    20  /  20
3 -> 2     0  /   5
3 -> 4    20  /  20
Source side min-cut: [0]
Sink side min-cut: [4, 1]

ويتم عرض مبالغ التدفق عبر كل قوس ضمن Flow.

البرامج المكتملة

باختصار، إليك البرامج الكاملة.

Python

"""From Taha 'Introduction to Operations Research', example 6.4-2."""
import numpy as np

from ortools.graph.python import max_flow


def main():
    """MaxFlow simple interface example."""
    # Instantiate a SimpleMaxFlow solver.
    smf = max_flow.SimpleMaxFlow()

    # Define three parallel arrays: start_nodes, end_nodes, and the capacities
    # between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
    # capacity of 20.
    start_nodes = np.array([0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3])
    end_nodes = np.array([1, 2, 3, 2, 4, 3, 4, 2, 4])
    capacities = np.array([20, 30, 10, 40, 30, 10, 20, 5, 20])

    # Add arcs in bulk.
    #   note: we could have used add_arc_with_capacity(start, end, capacity)
    all_arcs = smf.add_arcs_with_capacity(start_nodes, end_nodes, capacities)

    # Find the maximum flow between node 0 and node 4.
    status = smf.solve(0, 4)

    if status != smf.OPTIMAL:
        print("There was an issue with the max flow input.")
        print(f"Status: {status}")
        exit(1)
    print("Max flow:", smf.optimal_flow())
    print("")
    print(" Arc    Flow / Capacity")
    solution_flows = smf.flows(all_arcs)
    for arc, flow, capacity in zip(all_arcs, solution_flows, capacities):
        print(f"{smf.tail(arc)} / {smf.head(arc)}   {flow:3}  / {capacity:3}")
    print("Source side min-cut:", smf.get_source_side_min_cut())
    print("Sink side min-cut:", smf.get_sink_side_min_cut())


if __name__ == "__main__":
    main()

C++

// From Taha 'Introduction to Operations Research', example 6.4-2."""
#include <cstdint>
#include <vector>

#include "ortools/graph/max_flow.h"

namespace operations_research {
// MaxFlow simple interface example.
void SimpleMaxFlowProgram() {
  // Instantiate a SimpleMaxFlow solver.
  SimpleMaxFlow max_flow;

  // Define three parallel arrays: start_nodes, end_nodes, and the capacities
  // between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
  // capacity of 20.
  std::vector<int64_t> start_nodes = {0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3};
  std::vector<int64_t> end_nodes = {1, 2, 3, 2, 4, 3, 4, 2, 4};
  std::vector<int64_t> capacities = {20, 30, 10, 40, 30, 10, 20, 5, 20};

  // Add each arc.
  for (int i = 0; i < start_nodes.size(); ++i) {
    max_flow.AddArcWithCapacity(start_nodes[i], end_nodes[i], capacities[i]);
  }

  // Find the maximum flow between node 0 and node 4.
  int status = max_flow.Solve(0, 4);

  if (status == MaxFlow::OPTIMAL) {
    LOG(INFO) << "Max flow: " << max_flow.OptimalFlow();
    LOG(INFO) << "";
    LOG(INFO) << "  Arc    Flow / Capacity";
    for (std::size_t i = 0; i < max_flow.NumArcs(); ++i) {
      LOG(INFO) << max_flow.Tail(i) << " -> " << max_flow.Head(i) << "  "
                << max_flow.Flow(i) << "  / " << max_flow.Capacity(i);
    }
  } else {
    LOG(INFO) << "Solving the max flow problem failed. Solver status: "
              << status;
  }
}

}  // namespace operations_research

int main() {
  operations_research::SimpleMaxFlowProgram();
  return EXIT_SUCCESS;
}

Java

package com.google.ortools.graph.samples;
import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.graph.MaxFlow;

/** Minimal MaxFlow program. */
public final class SimpleMaxFlowProgram {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Loader.loadNativeLibraries();
    // Instantiate a SimpleMaxFlow solver.
    MaxFlow maxFlow = new MaxFlow();

    // Define three parallel arrays: start_nodes, end_nodes, and the capacities
    // between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
    // capacity of 20.
    // From Taha's 'Introduction to Operations Research',
    // example 6.4-2.
    int[] startNodes = new int[] {0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3};
    int[] endNodes = new int[] {1, 2, 3, 2, 4, 3, 4, 2, 4};
    int[] capacities = new int[] {20, 30, 10, 40, 30, 10, 20, 5, 20};

    // Add each arc.
    for (int i = 0; i < startNodes.length; ++i) {
      int arc = maxFlow.addArcWithCapacity(startNodes[i], endNodes[i], capacities[i]);
      if (arc != i) {
        throw new Exception("Internal error");
      }
    }

    // Find the maximum flow between node 0 and node 4.
    MaxFlow.Status status = maxFlow.solve(0, 4);

    if (status == MaxFlow.Status.OPTIMAL) {
      System.out.println("Max. flow: " + maxFlow.getOptimalFlow());
      System.out.println();
      System.out.println("  Arc     Flow / Capacity");
      for (int i = 0; i < maxFlow.getNumArcs(); ++i) {
        System.out.println(maxFlow.getTail(i) + " -> " + maxFlow.getHead(i) + "    "
            + maxFlow.getFlow(i) + "  /  " + maxFlow.getCapacity(i));
      }
    } else {
      System.out.println("Solving the max flow problem failed. Solver status: " + status);
    }
  }

  private SimpleMaxFlowProgram() {}
}

C#

// From Taha 'Introduction to Operations Research', example 6.4-2.
using System;
using Google.OrTools.Graph;

public class SimpleMaxFlowProgram
{
    static void Main()
    {
        // Instantiate a SimpleMaxFlow solver.
        MaxFlow maxFlow = new MaxFlow();

        // Define three parallel arrays: start_nodes, end_nodes, and the capacities
        // between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
        // capacity of 20.
        // From Taha's 'Introduction to Operations Research',
        // example 6.4-2.
        int[] startNodes = { 0, 0, 0, 1, 1, 2, 2, 3, 3 };
        int[] endNodes = { 1, 2, 3, 2, 4, 3, 4, 2, 4 };
        int[] capacities = { 20, 30, 10, 40, 30, 10, 20, 5, 20 };

        // Add each arc.
        for (int i = 0; i < startNodes.Length; ++i)
        {
            int arc = maxFlow.AddArcWithCapacity(startNodes[i], endNodes[i], capacities[i]);
            if (arc != i)
                throw new Exception("Internal error");
        }

        // Find the maximum flow between node 0 and node 4.
        MaxFlow.Status status = maxFlow.Solve(0, 4);

        if (status == MaxFlow.Status.OPTIMAL)
        {
            Console.WriteLine("Max. flow: " + maxFlow.OptimalFlow());
            Console.WriteLine("");
            Console.WriteLine("  Arc     Flow / Capacity");
            for (int i = 0; i < maxFlow.NumArcs(); ++i)
            {
                Console.WriteLine(maxFlow.Tail(i) + " -> " + maxFlow.Head(i) + "    " +
                                  string.Format("{0,3}", maxFlow.Flow(i)) + "  /  " +
                                  string.Format("{0,3}", maxFlow.Capacity(i)));
            }
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("Solving the max flow problem failed. Solver status: " + status);
        }
    }
}