Liên quan chặt chẽ đến vấn đề về luồng tối đa là vấn đề về luồng chi phí tối thiểu (chi phí tối thiểu), trong đó mỗi cung trong biểu đồ có chi phí đơn vị để vận chuyển vật liệu qua nó. Vấn đề là tìm một luồng có tổng chi phí thấp nhất.
Bài toán về luồng chi phí tối thiểu cũng có các nút đặc biệt, được gọi là nút cung hoặc nút nhu cầu, tương tự như nguồn và bồn lưu trữ trong bài toán về luồng tối đa. Material được vận chuyển từ nút cung đến nút nhu cầu.
- Tại nút cung, một giá trị dương (nguồn cung cấp) sẽ được thêm vào luồng. Ví dụ: một nguồn cung cấp có thể đại diện cho quá trình sản xuất tại nút đó.
- Tại nút nhu cầu, một lượng âm (nhu cầu) sẽ được lấy ra khỏi luồng. Ví dụ: một nhu cầu có thể biểu thị mức tiêu thụ tại nút đó.
Để thuận tiện, chúng tôi sẽ giả định rằng tất cả các nút, ngoài nút cung hoặc nút cầu, đều có cung (và nhu cầu) bằng 0.
Đối với bài toán về luồng chi phí tối thiểu, chúng ta có quy tắc bảo toàn luồng sau đây. Quy tắc này có tính đến việc cung cấp và nhu cầu:
Biểu đồ bên dưới cho thấy vấn đề về luồng chi phí tối thiểu. Các vòng cung được gắn nhãn bằng các cặp số: số đầu tiên là dung lượng và số thứ hai là chi phí. Các số trong dấu ngoặc đơn bên cạnh các nút đại diện cho nguồn cung cấp hoặc nhu cầu. Nút 0 là nút cung có cung 20, trong khi nút 3 và 4 là nút cầu, với nhu cầu tương ứng là -5 và -15.
Nhập thư viện
Mã sau đây nhập thư viện bắt buộc.
Python
import numpy as np from ortools.graph.python import min_cost_flow
C++
#include <cstdint> #include <vector> #include "ortools/graph/min_cost_flow.h"
Java
import com.google.ortools.Loader; import com.google.ortools.graph.MinCostFlow; import com.google.ortools.graph.MinCostFlowBase;
C#
using System; using Google.OrTools.Graph;
Khai báo trình giải
Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi dùng trình giải SimpleMinCostFlow.
Python
# Instantiate a SimpleMinCostFlow solver. smcf = min_cost_flow.SimpleMinCostFlow()
C++
// Instantiate a SimpleMinCostFlow solver. SimpleMinCostFlow min_cost_flow;
Java
// Instantiate a SimpleMinCostFlow solver. MinCostFlow minCostFlow = new MinCostFlow();
C#
// Instantiate a SimpleMinCostFlow solver. MinCostFlow minCostFlow = new MinCostFlow();
Xác định dữ liệu
Đoạn mã sau đây xác định dữ liệu của sự cố. Trong trường hợp này, có 4 mảng cho nút bắt đầu, nút cuối, dung lượng và chi phí đơn vị. Xin nhắc lại, độ dài của các mảng là số cung trong biểu đồ.
Python
# Define four parallel arrays: sources, destinations, capacities, # and unit costs between each pair. For instance, the arc from node 0 # to node 1 has a capacity of 15. start_nodes = np.array([0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4]) end_nodes = np.array([1, 2, 2, 3, 4, 3, 4, 4, 2]) capacities = np.array([15, 8, 20, 4, 10, 15, 4, 20, 5]) unit_costs = np.array([4, 4, 2, 2, 6, 1, 3, 2, 3]) # Define an array of supplies at each node. supplies = [20, 0, 0, -5, -15]
C++
// Define four parallel arrays: sources, destinations, capacities,
// and unit costs between each pair. For instance, the arc from node 0
// to node 1 has a capacity of 15.
std::vector<int64_t> start_nodes = {0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4};
std::vector<int64_t> end_nodes = {1, 2, 2, 3, 4, 3, 4, 4, 2};
std::vector<int64_t> capacities = {15, 8, 20, 4, 10, 15, 4, 20, 5};
std::vector<int64_t> unit_costs = {4, 4, 2, 2, 6, 1, 3, 2, 3};
// Define an array of supplies at each node.
std::vector<int64_t> supplies = {20, 0, 0, -5, -15};
Java
// Define four parallel arrays: sources, destinations, capacities, and unit costs
// between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
// capacity of 15.
// Problem taken From Taha's 'Introduction to Operations Research',
// example 6.4-2.
int[] startNodes = new int[] {0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4};
int[] endNodes = new int[] {1, 2, 2, 3, 4, 3, 4, 4, 2};
int[] capacities = new int[] {15, 8, 20, 4, 10, 15, 4, 20, 5};
int[] unitCosts = new int[] {4, 4, 2, 2, 6, 1, 3, 2, 3};
// Define an array of supplies at each node.
int[] supplies = new int[] {20, 0, 0, -5, -15};
C#
// Define four parallel arrays: sources, destinations, capacities, and unit costs
// between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
// capacity of 15.
// Problem taken From Taha's 'Introduction to Operations Research',
// example 6.4-2.
int[] startNodes = { 0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4 };
int[] endNodes = { 1, 2, 2, 3, 4, 3, 4, 4, 2 };
int[] capacities = { 15, 8, 20, 4, 10, 15, 4, 20, 5 };
int[] unitCosts = { 4, 4, 2, 2, 6, 1, 3, 2, 3 };
// Define an array of supplies at each node.
int[] supplies = { 20, 0, 0, -5, -15 };
Thêm các cung tròn
Đối với mỗi nút bắt đầu và nút kết thúc, chúng ta tạo một vòng cung từ nút bắt đầu đến nút kết thúc với dung lượng và chi phí đơn vị cho trước, bằng cách sử dụng phương thức AddArcWithCapacityAndUnitCost.
Phương thức SetNodeSupply của trình giải quyết sẽ tạo một vectơ cung cấp cho các nút.
Python
# Add arcs, capacities and costs in bulk using numpy.
all_arcs = smcf.add_arcs_with_capacity_and_unit_cost(
start_nodes, end_nodes, capacities, unit_costs
)
# Add supply for each nodes.
smcf.set_nodes_supplies(np.arange(0, len(supplies)), supplies)
C++
// Add each arc.
for (int i = 0; i < start_nodes.size(); ++i) {
int arc = min_cost_flow.AddArcWithCapacityAndUnitCost(
start_nodes[i], end_nodes[i], capacities[i], unit_costs[i]);
if (arc != i) LOG(FATAL) << "Internal error";
}
// Add node supplies.
for (int i = 0; i < supplies.size(); ++i) {
min_cost_flow.SetNodeSupply(i, supplies[i]);
}
Java
// Add each arc.
for (int i = 0; i < startNodes.length; ++i) {
int arc = minCostFlow.addArcWithCapacityAndUnitCost(
startNodes[i], endNodes[i], capacities[i], unitCosts[i]);
if (arc != i) {
throw new Exception("Internal error");
}
}
// Add node supplies.
for (int i = 0; i < supplies.length; ++i) {
minCostFlow.setNodeSupply(i, supplies[i]);
}
C#
// Add each arc.
for (int i = 0; i < startNodes.Length; ++i)
{
int arc =
minCostFlow.AddArcWithCapacityAndUnitCost(startNodes[i], endNodes[i], capacities[i], unitCosts[i]);
if (arc != i)
throw new Exception("Internal error");
}
// Add node supplies.
for (int i = 0; i < supplies.Length; ++i)
{
minCostFlow.SetNodeSupply(i, supplies[i]);
}
Gọi trình giải
Giờ đây, tất cả các cung đã được xác định, tất cả những gì còn lại là gọi trình giải và hiển thị kết quả. Chúng ta gọi phương thức Solve().
Python
# Find the min cost flow. status = smcf.solve()
C++
// Find the min cost flow. int status = min_cost_flow.Solve();
Java
// Find the min cost flow. MinCostFlowBase.Status status = minCostFlow.solve();
C#
// Find the min cost flow. MinCostFlow.Status status = minCostFlow.Solve();
Hiện kết quả
Bây giờ, chúng ta có thể trình bày luồng và chi phí trên mỗi cung.
Python
if status != smcf.OPTIMAL:
print("There was an issue with the min cost flow input.")
print(f"Status: {status}")
exit(1)
print(f"Minimum cost: {smcf.optimal_cost()}")
print("")
print(" Arc Flow / Capacity Cost")
solution_flows = smcf.flows(all_arcs)
costs = solution_flows * unit_costs
for arc, flow, cost in zip(all_arcs, solution_flows, costs):
print(
f"{smcf.tail(arc):1} -> {smcf.head(arc)} {flow:3} / {smcf.capacity(arc):3} {cost}"
)
C++
if (status == MinCostFlow::OPTIMAL) {
LOG(INFO) << "Minimum cost flow: " << min_cost_flow.OptimalCost();
LOG(INFO) << "";
LOG(INFO) << " Arc Flow / Capacity Cost";
for (std::size_t i = 0; i < min_cost_flow.NumArcs(); ++i) {
int64_t cost = min_cost_flow.Flow(i) * min_cost_flow.UnitCost(i);
LOG(INFO) << min_cost_flow.Tail(i) << " -> " << min_cost_flow.Head(i)
<< " " << min_cost_flow.Flow(i) << " / "
<< min_cost_flow.Capacity(i) << " " << cost;
}
} else {
LOG(INFO) << "Solving the min cost flow problem failed. Solver status: "
<< status;
}
Java
if (status == MinCostFlow.Status.OPTIMAL) {
System.out.println("Minimum cost: " + minCostFlow.getOptimalCost());
System.out.println();
System.out.println(" Edge Flow / Capacity Cost");
for (int i = 0; i < minCostFlow.getNumArcs(); ++i) {
long cost = minCostFlow.getFlow(i) * minCostFlow.getUnitCost(i);
System.out.println(minCostFlow.getTail(i) + " -> " + minCostFlow.getHead(i) + " "
+ minCostFlow.getFlow(i) + " / " + minCostFlow.getCapacity(i) + " " + cost);
}
} else {
System.out.println("Solving the min cost flow problem failed.");
System.out.println("Solver status: " + status);
}
C#
if (status == MinCostFlow.Status.OPTIMAL)
{
Console.WriteLine("Minimum cost: " + minCostFlow.OptimalCost());
Console.WriteLine("");
Console.WriteLine(" Edge Flow / Capacity Cost");
for (int i = 0; i < minCostFlow.NumArcs(); ++i)
{
long cost = minCostFlow.Flow(i) * minCostFlow.UnitCost(i);
Console.WriteLine(minCostFlow.Tail(i) + " -> " + minCostFlow.Head(i) + " " +
string.Format("{0,3}", minCostFlow.Flow(i)) + " / " +
string.Format("{0,3}", minCostFlow.Capacity(i)) + " " +
string.Format("{0,3}", cost));
}
}
else
{
Console.WriteLine("Solving the min cost flow problem failed. Solver status: " + status);
}
Dưới đây là kết quả của chương trình Python:
Minimum cost: 150 Arc Flow / Capacity Cost 0 -> 1 12 / 15 48 0 -> 2 8 / 8 32 1 -> 2 8 / 20 16 1 -> 3 4 / 4 8 1 -> 4 0 / 10 0 2 -> 3 12 / 15 12 2 -> 4 4 / 4 12 3 -> 4 11 / 20 22 4 -> 2 0 / 5 0
Hoàn thành chương trình
Sau đây là toàn bộ các chương trình nếu bạn kết hợp kiến thức đã học.
Python
"""From Bradley, Hax and Maganti, 'Applied Mathematical Programming', figure 8.1."""
import numpy as np
from ortools.graph.python import min_cost_flow
def main():
"""MinCostFlow simple interface example."""
# Instantiate a SimpleMinCostFlow solver.
smcf = min_cost_flow.SimpleMinCostFlow()
# Define four parallel arrays: sources, destinations, capacities,
# and unit costs between each pair. For instance, the arc from node 0
# to node 1 has a capacity of 15.
start_nodes = np.array([0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4])
end_nodes = np.array([1, 2, 2, 3, 4, 3, 4, 4, 2])
capacities = np.array([15, 8, 20, 4, 10, 15, 4, 20, 5])
unit_costs = np.array([4, 4, 2, 2, 6, 1, 3, 2, 3])
# Define an array of supplies at each node.
supplies = [20, 0, 0, -5, -15]
# Add arcs, capacities and costs in bulk using numpy.
all_arcs = smcf.add_arcs_with_capacity_and_unit_cost(
start_nodes, end_nodes, capacities, unit_costs
)
# Add supply for each nodes.
smcf.set_nodes_supplies(np.arange(0, len(supplies)), supplies)
# Find the min cost flow.
status = smcf.solve()
if status != smcf.OPTIMAL:
print("There was an issue with the min cost flow input.")
print(f"Status: {status}")
exit(1)
print(f"Minimum cost: {smcf.optimal_cost()}")
print("")
print(" Arc Flow / Capacity Cost")
solution_flows = smcf.flows(all_arcs)
costs = solution_flows * unit_costs
for arc, flow, cost in zip(all_arcs, solution_flows, costs):
print(
f"{smcf.tail(arc):1} -> {smcf.head(arc)} {flow:3} / {smcf.capacity(arc):3} {cost}"
)
if __name__ == "__main__":
main()
C++
// From Bradley, Hax and Maganti, 'Applied Mathematical Programming', figure 8.1
#include <cstdint>
#include <vector>
#include "ortools/graph/min_cost_flow.h"
namespace operations_research {
// MinCostFlow simple interface example.
void SimpleMinCostFlowProgram() {
// Instantiate a SimpleMinCostFlow solver.
SimpleMinCostFlow min_cost_flow;
// Define four parallel arrays: sources, destinations, capacities,
// and unit costs between each pair. For instance, the arc from node 0
// to node 1 has a capacity of 15.
std::vector<int64_t> start_nodes = {0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4};
std::vector<int64_t> end_nodes = {1, 2, 2, 3, 4, 3, 4, 4, 2};
std::vector<int64_t> capacities = {15, 8, 20, 4, 10, 15, 4, 20, 5};
std::vector<int64_t> unit_costs = {4, 4, 2, 2, 6, 1, 3, 2, 3};
// Define an array of supplies at each node.
std::vector<int64_t> supplies = {20, 0, 0, -5, -15};
// Add each arc.
for (int i = 0; i < start_nodes.size(); ++i) {
int arc = min_cost_flow.AddArcWithCapacityAndUnitCost(
start_nodes[i], end_nodes[i], capacities[i], unit_costs[i]);
if (arc != i) LOG(FATAL) << "Internal error";
}
// Add node supplies.
for (int i = 0; i < supplies.size(); ++i) {
min_cost_flow.SetNodeSupply(i, supplies[i]);
}
// Find the min cost flow.
int status = min_cost_flow.Solve();
if (status == MinCostFlow::OPTIMAL) {
LOG(INFO) << "Minimum cost flow: " << min_cost_flow.OptimalCost();
LOG(INFO) << "";
LOG(INFO) << " Arc Flow / Capacity Cost";
for (std::size_t i = 0; i < min_cost_flow.NumArcs(); ++i) {
int64_t cost = min_cost_flow.Flow(i) * min_cost_flow.UnitCost(i);
LOG(INFO) << min_cost_flow.Tail(i) << " -> " << min_cost_flow.Head(i)
<< " " << min_cost_flow.Flow(i) << " / "
<< min_cost_flow.Capacity(i) << " " << cost;
}
} else {
LOG(INFO) << "Solving the min cost flow problem failed. Solver status: "
<< status;
}
}
} // namespace operations_research
int main() {
operations_research::SimpleMinCostFlowProgram();
return EXIT_SUCCESS;
}
Java
// From Bradley, Hax, and Maganti, 'Applied Mathematical Programming', figure 8.1.
package com.google.ortools.graph.samples;
import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.graph.MinCostFlow;
import com.google.ortools.graph.MinCostFlowBase;
/** Minimal MinCostFlow program. */
public class SimpleMinCostFlowProgram {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Loader.loadNativeLibraries();
// Instantiate a SimpleMinCostFlow solver.
MinCostFlow minCostFlow = new MinCostFlow();
// Define four parallel arrays: sources, destinations, capacities, and unit costs
// between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
// capacity of 15.
// Problem taken From Taha's 'Introduction to Operations Research',
// example 6.4-2.
int[] startNodes = new int[] {0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4};
int[] endNodes = new int[] {1, 2, 2, 3, 4, 3, 4, 4, 2};
int[] capacities = new int[] {15, 8, 20, 4, 10, 15, 4, 20, 5};
int[] unitCosts = new int[] {4, 4, 2, 2, 6, 1, 3, 2, 3};
// Define an array of supplies at each node.
int[] supplies = new int[] {20, 0, 0, -5, -15};
// Add each arc.
for (int i = 0; i < startNodes.length; ++i) {
int arc = minCostFlow.addArcWithCapacityAndUnitCost(
startNodes[i], endNodes[i], capacities[i], unitCosts[i]);
if (arc != i) {
throw new Exception("Internal error");
}
}
// Add node supplies.
for (int i = 0; i < supplies.length; ++i) {
minCostFlow.setNodeSupply(i, supplies[i]);
}
// Find the min cost flow.
MinCostFlowBase.Status status = minCostFlow.solve();
if (status == MinCostFlow.Status.OPTIMAL) {
System.out.println("Minimum cost: " + minCostFlow.getOptimalCost());
System.out.println();
System.out.println(" Edge Flow / Capacity Cost");
for (int i = 0; i < minCostFlow.getNumArcs(); ++i) {
long cost = minCostFlow.getFlow(i) * minCostFlow.getUnitCost(i);
System.out.println(minCostFlow.getTail(i) + " -> " + minCostFlow.getHead(i) + " "
+ minCostFlow.getFlow(i) + " / " + minCostFlow.getCapacity(i) + " " + cost);
}
} else {
System.out.println("Solving the min cost flow problem failed.");
System.out.println("Solver status: " + status);
}
}
private SimpleMinCostFlowProgram() {}
}
C#
// From Bradley, Hax, and Magnanti, 'Applied Mathematical Programming', figure 8.1.
using System;
using Google.OrTools.Graph;
public class SimpleMinCostFlowProgram
{
static void Main()
{
// Instantiate a SimpleMinCostFlow solver.
MinCostFlow minCostFlow = new MinCostFlow();
// Define four parallel arrays: sources, destinations, capacities, and unit costs
// between each pair. For instance, the arc from node 0 to node 1 has a
// capacity of 15.
// Problem taken From Taha's 'Introduction to Operations Research',
// example 6.4-2.
int[] startNodes = { 0, 0, 1, 1, 1, 2, 2, 3, 4 };
int[] endNodes = { 1, 2, 2, 3, 4, 3, 4, 4, 2 };
int[] capacities = { 15, 8, 20, 4, 10, 15, 4, 20, 5 };
int[] unitCosts = { 4, 4, 2, 2, 6, 1, 3, 2, 3 };
// Define an array of supplies at each node.
int[] supplies = { 20, 0, 0, -5, -15 };
// Add each arc.
for (int i = 0; i < startNodes.Length; ++i)
{
int arc =
minCostFlow.AddArcWithCapacityAndUnitCost(startNodes[i], endNodes[i], capacities[i], unitCosts[i]);
if (arc != i)
throw new Exception("Internal error");
}
// Add node supplies.
for (int i = 0; i < supplies.Length; ++i)
{
minCostFlow.SetNodeSupply(i, supplies[i]);
}
// Find the min cost flow.
MinCostFlow.Status status = minCostFlow.Solve();
if (status == MinCostFlow.Status.OPTIMAL)
{
Console.WriteLine("Minimum cost: " + minCostFlow.OptimalCost());
Console.WriteLine("");
Console.WriteLine(" Edge Flow / Capacity Cost");
for (int i = 0; i < minCostFlow.NumArcs(); ++i)
{
long cost = minCostFlow.Flow(i) * minCostFlow.UnitCost(i);
Console.WriteLine(minCostFlow.Tail(i) + " -> " + minCostFlow.Head(i) + " " +
string.Format("{0,3}", minCostFlow.Flow(i)) + " / " +
string.Format("{0,3}", minCostFlow.Capacity(i)) + " " +
string.Format("{0,3}", cost));
}
}
else
{
Console.WriteLine("Solving the min cost flow problem failed. Solver status: " + status);
}
}
}