1.问题陈述
有容量限制的设施地址问题:假设有 n 个设施和 m 客户,我们可以做以下操作:
① 开启设施 ② 将客户分配到设施上
以上两种操作都有自己的成本,我们希望总成本最低,分配给设施的总需求不能超过其容量。
2.建立模型
为了便于解决问题,我们首先建立了一个模型,更具体地说,我们为设施和客户创建了一个具有相应属性的类别。
以一个例子来更好地理解如何构建一个类:
从上图可以看出,设施有四个属性:容量、开放成本、是否开放和服务客户;客户有两个属性:需求和服务哪个设施。为了区分每个设施和客户,我们使用它 ID 区分他们,由此建立 Facility,Customer 两个类:
3.阅读文件和显示
为了便于测试,我们需要在解决问题之前获取数据。一个样本的数据格式与第二部分的第一张图相同,输出结果的格式如下:
我们为样例也构造一个类,格式如下:
我们用 List 保存每个客户,每个设施,每个例子,并记录他们的数量:
建立数据结构后,我们编写读取文件和初始化每个对象的代码:
编写显示代码:
编写生成实例的代码:
4.问题思维和算法
4.1 贪心算法
相对简单的解决方案是贪婪算法。虽然它不能得到最好的解决方案,但它的想法是最直接、最简单的,很容易实现,时间复杂性也不高。以下是贪婪算法在这个问题下的应用。
N 用户,编号为 1-N,首先编号 1 选择服务成本最低、容量充足的设施,编号 2 只是在那里 1 选择后,以此类推,这并没有考虑到设施的开放成本,这是因为客户数量一般比设施多,所以如果设施开放成本相对较低,设施开放成本是次要矛盾,因为服务费用会占很大比例,当然,如果这个前提不成立,贪婪算法的效果会差很多。
根据上述说法,我们编写代码:
最后一起展示具体效果。
4.2 模拟退火
模拟退火算法来自固体退火原理,是一种基于概率的算法,固体加热到足够高,然后让其慢慢冷却,加热,固体颗粒随温升到无序,内部可以增加,缓慢冷却颗粒逐渐有序,在每个温度平衡,最后在室温下,内部可以减少到最小。
根据热力学规律和计算机对离散数据的处理, 我们定义: 若当前温度为 T, 当前状态和新状态之间的能量差是 ΔE , 状态转移的概率为:
伪代码如下图所示(来自一个博客),另一个博客也有更好的例子。以下代码的实现方式类似于本博客中的应用:
若得到新的状态 Y(i 1)在这个问题下还不是很清楚。换句话说,我们需要考虑如何得到相邻的解决方案。我采取两种策略:一种是改变两个客户的位置,即选择两个客户,让一个客户去另一个客户的设施,另一个客户去客户的设施。第二,让客户去另一个设施。客户是随机选择的,两种策略只会在某个时刻执行一种。另外,如果在执行策略时发现一些违法行为,就不会直接执行,比如设施容量不足。由于策略和客户都是随机选择的,而且执行策略的次数会很多,所以放弃执行策略并不会影响整体效果。
综上所述,模拟退火的步骤如下:
① 为方便起见,状态初始化为贪婪算法的结果,设定初始温度,终止温度,降温率。
② 开始循环,在一定温度下(内部循环),根据上述两种策略进行临近解,然后将临近解与当前解进行比较,采取状态转移步骤,通过公式获得概率,决定是否转移到较差的情况。内部循环结束后,将当前解决方案与最佳解决方案进行比较,并更新最佳解决方案。开始冷却。
③ 当温度降至终止温度时,循环就结束了。在算法下得到最好的解决方案。
代码如下:
5.运算结果
可以查看设施的开启状态和客户去哪个设施的结果。
以下是每个例子的计算时间和结果(时间精度为毫秒):
result(SA) | Time(s) | result(Greedy) | Time(s) | |
---|---|---|---|---|
p1 | 8958 | 2.738 | 9440 | 0.001 |
p2 | 8010 | 2.187 | 8126 | 0 |
p3 | 9389 | 1.974 | 10126 | 0.001 |
p4 | 10714 | 1.978 | 12126 | 0 |
p5 | 9142 | 1.966 | 9375 | 0 |
p6 | 7809 | 1.985 | 8061 | 0.007 |
p7 | 9577 | 1.971 | 10061 | 0.001 |
p8 | 11173 | 1.931 | 12061 | 0 |
p9 | 8742 | 2.074 | 9040 | 0.001 |
p10 | 7617 | 2.045 | 7726 | 0.002 |
p11 | 9077 | 2.508 | 9726 | 0.002 |
p12 | 10132 | 2.066 | 11726 | 0 |
p13 | 8492 | 2.418 | 12032 | 0 |
p14 | 7526 | 2.391 | 9180 | 0.002 |
p15 | 8937 | 2.512 | 13180 | 0 |
p16 | 10764 | 2.458 | 17180 | 0.001 |
p17 | 8378 | 2.335 | 12032 | 0.002 |
p18 | 7152 | 2.351 | 9180 | 0.002 |
p19 | 9042 | 2.406 | 13180 | 0 |
p20 | 11071 | 2.417 | 0 | |
p21 | 8667 | 2.427 | 12032 | 0 |
p22 | 7194 | 2.402 | 9180 | 0.001 |
p23 | 8746 | 2.434 | 13180 | 0 |
p24 | 11483 | 2.394 | 17180 | 0 |
p25 | 13191 | 5.039 | 19197 | 0.002 |
p26 | 11022 | 4.95 | 16131 | 0.002 |
p27 | 13037 | 4.919 | 21531 | 0.002 |
p28 | 16410 | 4.925 | 26931 | 0.002 |
p29 | 13289 | 4.96 | 19305 | 0.001 |
p30 | 12171 | 4.893 | 16239 | 0.001 |
p31 | 14228 | 4.937 | 21639 | 0.001 |
p32 | 15903 | 5.005 | 27039 | 0.001 |
p33 | 12220 | 4.973 | 19055 | 0.002 |
p34 | 11004 | 5.006 | 15989 | 0.001 |
p35 | 13637 | 4.926 | 21389 | 0 |
p36 | 15004 | 4.929 | 26789 | 0 |
p37 | 11935 | 4.946 | 19055 | 0 |
p38 | 10984 | 4.933 | 15989 | 0.001 |
p39 | 12984 | 4.944 | 21389 | 0.001 |
p40 | 14984 | 4.951 | 26789 | 0 |
p41 | 7103 | 2.932 | 7226 | 0 |
p42 | 6678 | 3.201 | 9957 | 0 |
p43 | 6758 | 3.038 | 12448 | 0 |
p44 | 7128 | 2.848 | 7585 | 0 |
p45 | 7478 | 3.102 | 9848 | 0 |
p46 | 6160 | 3.044 | 12639 | 0 |
p47 | 6257 | 2.865 | 6634 | 0 |
p48 | 6642 | 3.069 | 9044 | 0 |
p49 | 5658 | 3.048 | 12420 | 0 |
p50 | 9239 | 3.12 | 10062 | 0 |
p51 | 7920 | 3.451 | 11351 | 0.001 |
p52 | 9247 | 3.042 | 10364 | 0 |
p53 | 9319 | 3.43 | 12470 | 0 |
p54 | 9034 | 3.028 | 10351 | 0 |
p55 | 7938 | 3.451 | 11970 | 0 |
p56 | 22710 | 6.109 | 23882 | 0.001 |
p57 | 29464 | 6.079 | 32882 | 0.001 |
p58 | 43765 | 6.105 | 53882 | 0 |
p59 | 32854 | 6.113 | 39121 | 0.001 |
p60 | 23086 | 6.144 | 23882 | 0.001 |
p61 | 30093 | 6.193 | 32882 | 0.002 |
p62 | 41891 | 6.261 | 53882 | 0.001 |
p63 | 31788 | 6.32 | 39121 | 0.001 |
p64 | 22443 | 6.136 | 23882 | 0.003 |
p65 | 29279 | 6.15 | 32882 | 0.001 |
p66 | 44219 | 6.124 | 53882 | 0.001 |
p67 | 32471 | 7.23 | 39671 | 0 |
p68 | 23024 | 6.149 | 23882 | 0.001 |
p69 | 30318 | 6.145 | 32882 | 0.017 |
p70 | 43835 | 6.152 | 53882 | 0 |
p71 | 32071 | 6.128 | 39121 | 0 |
由上面的运算结果可以看出,贪心算法运算的很快,但相对来说结果没有那么好,模拟退火算法运算时间上升了很多,但结果优化了很多。 071 | 6.128 | 39121 | 0 | | | | | | |
由上面的运算结果可以看出,贪心算法运算的很快,但相对来说结果没有那么好,模拟退火算法运算时间上升了很多,但结果优化了很多。