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NO.A.0016——寶塔Linux7.4.5正式版/控制面板部署教程/使用教程

此文轉載自:https://blog.csdn.net/qq_35008055/article/details/110201571

手把手教你用Gurobi求解一個數學模型

手把手教你用Gurobi求解一個數學模型

在接觸Gurobi之前,一直使用Java語言呼叫cplex求解數學模型,這段時間在師兄的指點下,學習了使用python呼叫Gurobi的一些基礎操作,感嘆實在是太簡易了。
在此分享一個求解Vrptw問題的小例子。

帶時間窗的車輛路徑規劃問題(Vrptw)

對於Vrptw問題來說,數學模型主要由以下部分組成。首先我們定義一些相關引數,一個圖可以表示為 G ( V , A ) G(V,A)

G(V,A),其中 V = { 0 , 1 , . . . , n , n + 1 } V= \{ 0,1,...,n,n+1 \}
V={0,1,...,n,n+1}為圖中所有點的集合, A A A為圖中所有弧的集合,有 ( i , j ) ∈ (i,j)\in (i,j)A, ∀ i , j ∈ V , i ≠ j \forall i,j\in V, i\ne j i,jV,i=j。弧 ( i , j ) (i,j) (i,j)的單位運輸費用為 c i j c_{ij} cij,運輸時間為 t i j t_{ij} tij,每個客戶點的需求為 q i j q_{ij} qij,可服務的時間窗為 [ e i , l i ] [e_i,l_i] [ei,li],服務時長為 s e r v i serv_i servi。令車輛的集合為 K K K,每輛車的最大載重為 Q k , ∀ k ∈ K Q_k,\forall k\in K Qk,kK。決策變數為 x i j k x_{ij}^k xijk,代表第 k k k輛車是否服務了弧 ( i , j ) (i,j) (i,j) s i s_i si為客戶點 i i i開始被服務的時間。

接下來構建數學模型。
目標函式為最小化運輸成本:
m i n ∑ k ∈ K ∑ ( i , j ) ∈ A c i j x i j (1) min \sum_{k\in K} \sum_{(i,j)\in A}c_{ij}x_{ij} \tag{1} minkK(i,j)Acijxij(1)
約束一讓車輛駛出倉庫(depot):
∑ ( 0 , j ) ∈ A x 0 j k = 1 , ∀ k ∈ K (2) \sum_{(0,j)\in A}x_{0j}^k =1,\ \forall k\in K \tag{2} (0,j)Ax0jk=1,kK(2)
約束二為流平衡(除去depot之外的點):
∑ ( i , j ) ∈ A x i j k − ∑ ( j , i ) ∈ A x j i k = 0 , ∀ k ∈ K , i ∈ V ∖ { s , t } (3) \sum_{(i,j)\in A}x_{ij}^k - \sum_{(j,i)\in A}x_{ji}^k = 0,\ \forall k\in K ,i \in V\setminus \{s,t\} \tag{3} (i,j)Axijk(j,i)Axjik=0,kK,iV{s,t}(3)
約束三讓車輛駛回depot:
∑ ( i , n + 1 ) ∈ A x i , n + 1 k = 1 , ∀ k ∈ K (4) \sum_{(i,n+1)\in A}x_{i,n+1}^k =1,\ \forall k\in K \tag{4} (i,n+1)Axi,n+1k=1,kK(4)
約束四保證每個客戶點都被服務:
∑ k ∈ K ∑ ( i , j ) ∈ A x i , j k = 1 , ∀ i ∈ V ∖ { s , t } (5) \sum_{k \in K}\sum_{(i,j)\in A}x_{i,j}^k =1,\ \forall i \in V\setminus \{s,t\} \tag{5} kK(i,j)Axi,jk=1,iV{s,t}(5)
約束五保證被服務的相鄰節點開始服務時間的大小關係(去迴路):
s i + t i j + s e r v i − M ( 1 − x i j ) ≤ s j , ∀ ( i , j ) ∈ A (6) s_i+t_{ij}+serv_i-M(1-x_{ij})\le s_j,\ \forall (i,j) \in A \tag{6} si+tij+serviM(1xij)sj,(i,j)A(6)
約束六保證不違反客戶的時間窗:
e i ≤ s i ≤ l i , ∀ i ∈ V ∖ { s , t } (7) e_i \le s_i \le l_i ,\ \forall i \in V\setminus \{s,t\} \tag{7} eisili,iV{s,t}(7)
約束七保證不違反車輛的載重約束:
∑ ( i , j ) ∈ A x i j k q i ≤ Q k , ∀ k ∈ K (8) \sum_{(i,j)\in A}x_{ij}^kq_i \le Q_k ,\ \forall k \in K \tag{8} (i,j)AxijkqiQk,kK(8)
最後是決策變數的取值約束:
x i j k ∈ { 0 , 1 } ∀ ( i , j ) ∈ A , k ∈ K s i ≥ 0 , ∀ i ∈ V ∖ { s , t } (9) x_{ij}^k\in \{0,1\} \ \forall (i,j) \in A,k \in K \\ s_i \ge 0,\ \forall i \in V\setminus \{s,t\} \tag{9} xijk{0,1}(i,j)A,kKsi0,iV{s,t}(9)
那麼(1)~(9)式就組成了Vrptw問題的數學模型。

python呼叫Gurobi求解Vrptw

首先我們定義一下需要用到的引數:

class Data:
    customerNum = 0
    nodeNum     = 0
    vehicleNum  = 0
    capacity    = 0
    cor_X       = []
    cor_Y       = []
    demand      = []
    serviceTime = []
    readyTime   = []
    dueTime     = []
    disMatrix   = [[]]   

定義一個讀取資料的函式,並對節點之間的距離進行計算:

# function to read data from .txt files
def readData(data, path, customerNum):
    data.customerNum = customerNum
    data.nodeNum = customerNum + 2
    f = open(path, 'r')
    lines = f.readlines()
    count = 0
    # read the info
    for line in lines:
        count = count + 1
        if (count == 5):
            line = line[:-1].strip()
            str = re.split(r" +", line)
            data.vehicleNum = int(str[0])
            data.capacity = float(str[1])
        elif (count >= 10 and count <= 10 + customerNum):
            line = line[:-1]
            str = re.split(r" +", line)
            data.cor_X.append(float(str[2]))
            data.cor_Y.append(float(str[3]))
            data.demand.append(float(str[4]))
            data.readyTime.append(float(str[5]))
            data.dueTime.append(float(str[6]))
            data.serviceTime.append(float(str[7]))

    data.cor_X.append(data.cor_X[0])
    data.cor_Y.append(data.cor_Y[0])
    data.demand.append(data.demand[0])
    data.readyTime.append(data.readyTime[0])
    data.dueTime.append(data.dueTime[0])
    data.serviceTime.append(data.serviceTime[0])

    # compute the distance matrix
    data.disMatrix = [([0] * data.nodeNum) for p in range(data.nodeNum)]  # 初始化距離矩陣的維度,防止淺拷貝
    # data.disMatrix = [[0] * nodeNum] * nodeNum]; 這個是淺拷貝,容易重複
    for i in range(0, data.nodeNum):
        for j in range(0, data.nodeNum):
            temp = (data.cor_X[i] - data.cor_X[j]) ** 2 + (data.cor_Y[i] - data.cor_Y[j]) ** 2
            data.disMatrix[i][j] = math.sqrt(temp)
            temp = 0
            
    return data

讀取資料,並定義一些引數:

data = Data()
path = 'c101.txt' //讀取Solomon資料集
customerNum = 20  //設定客戶數量
readData(data, path, customerNum)
data.vehicleNum = 10  //設定車輛數
printData(data, customerNum)
BigM = 100000 //定義一個極大值

呼叫gurobi進行模型的建立與求解:

x = {}
s = {}  //定義字典用來存放決策變數

根據式(9)定義決策變數,並加入模型當中:

for i in range(data.nodeNum):
    for k in range(data.vehicleNum):
        name = 's_' + str(i) + '_' + str(k)
        s[i,k] = model.addVar(0
                              , 1500
                              , vtype= GRB.CONTINUOUS
                              , name= name)  //定義訪問時間為連續變數
        for j in range(data.nodeNum):
            if(i != j):
                name = 'x_' + str(i) + '_' + str(j) + '_' + str(k)
                x[i,j,k] = model.addVar(0
                                        , 1
                                        , vtype= GRB.BINARY
                                        , name= name)  //定義是否服務為0-1變數

根據式(1)定義目標函式,並加入模型當中:

//首先定義一個線性表示式
obj = LinExpr(0) 
for i in range(data.nodeNum):
    for k in range(data.vehicleNum):
        for j in range(data.nodeNum):
            if(i != j):
           		 //將目標函式係數與決策變數相乘,並進行連加
                obj.addTerms(data.disMatrix[i][j], x[i,j,k]) 
//將表示目標函式的線性表示式加入模型,並定義為求解最小化問題
model.setObjective(obj, GRB.MINIMIZE)  

根據式(2)~(8)定義決策變數,並加入模型當中:

約束一(vehicle_depart):

for k in range(data.vehicleNum):
	//同樣先定義一個線性表示式
    lhs = LinExpr(0) 
    for j in range(data.nodeNum):
        if(j != 0):
       		//約束係數與決策變數相乘	
            lhs.addTerms(1, x[0,j,k])  
    //將約束加入模型
    model.addConstr(lhs == 1, name= 'vehicle_depart_' + str(k)) 

約束二(flow_conservation):

for k in range(data.vehicleNum):
    for h in range(1, data.nodeNum - 1):
        expr1 = LinExpr(0)
        expr2 = LinExpr(0)
        for i in range(data.nodeNum):
            if (h != i):
                expr1.addTerms(1, x[i,h,k])

        for j in range(data.nodeNum):
            if (h != j):
                expr2.addTerms(1, x[h,j,k])

        model.addConstr(expr1 == expr2, name= 'flow_conservation_' + str(i))
        expr1.clear()
        expr2.clear()

約束三(vehicle_enter):

for k in range(data.vehicleNum):
    lhs = LinExpr(0)
    for j in range(data.nodeNum - 1):
        if(j != 0):
            lhs.addTerms(1, x[j, data.nodeNum-1, k])
    model.addConstr(lhs == 1, name= 'vehicle_enter_' + str(k))

約束四(customer_visit):

for i in range(1, data.nodeNum - 1):
    lhs = LinExpr(0) 
    for k in range(data.vehicleNum):
        for j in range(1, data.nodeNum):
            if(i != j):
                lhs.addTerms(1, x[i,j,k])  
    model.addConstr(lhs == 1, name= 'customer_visit_' + str(i)) 

約束五(time_windows):

for k in range(data.vehicleNum):
    for i in range(data.nodeNum):
        for j in range(data.nodeNum):
            if(i != j):
                model.addConstr(s[i,k] + data.disMatrix[i][j] + data.serviceTime[i] - s[j,k]- BigM + BigM * x[i,j,k] <= 0 , name= 'time_windows_')

約束六(ready_time and due_time):

for i in range(1,data.nodeNum-1):
    for k in range(data.vehicleNum):
        model.addConstr(data.readyTime[i] <= s[i,k], name= 'ready_time')
        model.addConstr(s[i,k] <= data.dueTime[i], name= 'due_time')

約束七(capacity_vehicle):

for k in range(data.vehicleNum):
    lhs = LinExpr(0)
    for i in range(1, data.nodeNum - 1):
        for j in range(data.nodeNum):
            if(i != j):
                lhs.addTerms(data.demand[i], x[i,j,k])
    model.addConstr(lhs <= data.capacity, name= 'capacity_vehicle' + str(k))

求解模型(solve)並輸出解:

model.optimize()
print("\n\n-----optimal value-----")
print(model.ObjVal)

for key in x.keys():
    if(x[key].x > 0 ):
        print(x[key].VarName + ' = ', x[key].x)

匯出模型:

model.write('VRPTW.lp')

求解結果(部分):

這樣就完成了,感謝大家的閱讀。

作者:夏暘,清華大學,工業工程系/深圳國際研究生院 (碩士在讀)
劉興祿,清華大學,清華伯克利深圳學院(博士在讀)

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