CW-057 LOGISTIKA 24. PŘEDNÁŠKA TSP + čínský listonoš Leden 2017

Prezentace na téma: "CW-057 LOGISTIKA 24. PŘEDNÁŠKA TSP + čínský listonoš Leden 2017"— Transkript prezentace:

1 CW-057 LOGISTIKA 24. PŘEDNÁŠKA TSP + čínský listonoš Leden 2017
AKREDITAČNÍ ZMĚNA OZNAČENÍ PŘEDMĚTU – z CW13 na CW057 CW-057 LOGISTIKA 24. PŘEDNÁŠKA TSP + čínský listonoš Leden 2017 © Ing. Václav Rada, CSc.

2 ….. pokračování „Teorie rozhodování“ A JINÉ ASPEKTY ☺
CW057 CW13 CW05 ČL + TSP ….. pokračování „Teorie rozhodování“ A JINÉ ASPEKTY ☺ WW Březen 2016

3 CW057 CW13 CW05 POKRAČOVÁNÍ ….. doporučení pro pochopení těchto dvou úloh je vhodné seznámit se s teorií grafů ………… ☺ Březen 2017

4 GRAFICKY PREZENTOVATELNÉ PROBLÉMY ŘEŠITELNÉ OPTIMALIZACÍ
CW057 CW13 CW05 GRAFICKY PREZENTOVATELNÉ PROBLÉMY ŘEŠITELNÉ OPTIMALIZACÍ ANALÝZA PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Leden 2017

5 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 GRAFICKY PREZENTOVATELNÉ PROBLÉMY ŘEŠITELNÉ OPTIMALIZACÍ díl „podrobnosti“ PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO duben 2017

6 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Leden 2017

7 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Proč se tato úloha takto jmenuje? Výraz „problém čínského listonoše“ vznikl ne zcela přesným překladem z angličtiny, ale vžil se natolik, že se stále používá. Ve skutečnosti však jde o „čínský problém listonoše“, protože jeho autorem popisu a prvního řešení je čínský matematik Kwan. Leden 2010

8 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE TROCHA Z HISTORIE Výsadní postavení na cestách měli i čínští listonošové zvaní tschien-fu neboli silní muži. Jejich zvláštní pojmenování nut-ně svádí k závěru, že svými atletickými postavami formova-nými nepřetržitým tréninkem se museli nápadně odlišovat od svých spoluobčanů. Čínský listonoš zvonil. Nikoliv ovšem za dveřmi bytu adresá-ta, ale na zvonek zavěšený na krku či rozeznívaný pohybem ruky. Jeho daleko slyšitelný hlas uvolňoval spěchajícímu doručovateli cestu stejně účinně jako v moderní době vý-stražné houkání sirény na vozech záchranné zdravotní služby či hasičů. duben 2011

9 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE TROCHA Z HISTORIE Podobným zvoncem, který z chvátajícího posla dělal privi-legovanou osobu silničního provozu, byli vybaveni i japonští poštovní doručovatelé. Nezbytnou součástí jejich vybavení byla dřevěná skříňka na zádech nahrazující brašnu. Japonští poslové běhali zásad-ně ve dvojicích. To zaručovalo, že doručení zprávy nebylo ohroženo ani mimořádnou událostí, která mohla jednoho z nich na cestě potkat. duben 2011

10 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Listonoš musí denně projít všechny ulice svého obvodu a vrátit se na místo, odkud vyšel. Jde o to, aby cesta byla co nejkratší a aby zbytečně neprocházel některými ulicemi dva- či více-krát = ale každou musí projít alespoň jednou (!). Leden 2014

11 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Obcházený obvod je souvislý ohodnocený graf: hrany jsou ulice ohodnocené délkou uzly jsou rozcestí. Úloha je o hranově ohodnoceném grafu. Hledá se nejkratší uzavřený sled průchodu všemi hranami. Sled obsahuje alespoň (minimálně) jednou každou hranu grafu. Leden 2010

12 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Pokud je v grafu možné provést eulerovský tah, je řešení triviální a listonoš projde všemi hranami právě jednou. Pokud jsou všechny uzly sudého stupně, pak každou ulicí projde právě jednou (Eulerův cyklus). duben 2012

13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Součet ohodnocení hran udává délku cesty, kterou ušel. V opačném případě je nutné do grafu přidat hrany (resp. vybrané hrany zdvojit), tak aby bylo možné nalézt v novém grafu Eulerův cyklus. Kvůli optimalizaci vybíráme hrany s nejnižším ohodnocením. duben 2011

14 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Jestliže v grafu rajónu existuje eulerovský tah, pak tento tah je optimálním řešením úlohy. Jestliže v grafu rajónu eulerovský tah neexistuje, pak pošťák musí projít některými ulicemi vícekrát, tj. mu-síme minimalizovat součet délek opakovaně prochá-zených ulic. duben 2014

15 KRÁTCE O „eulerovském tahu“
CW05 CW13 KRÁTCE O „eulerovském tahu“ KRÁTCE O „eulerovském tahu“ G = (V, E) je neorientovaný graf a posloupnost je eulerovským tahem pokud platí, že a je uzavřeným tahem, když Pro orientované grafy je nutné pojem tah nahradit pojmem cyklus. duben 2014

16 KRÁTCE O „eulerovském tahu“
CW05 CW13 KRÁTCE O „eulerovském tahu“ Uzavřený tah v grafu G, který obsahuje všechny hrany a všechny vrcholy grafu G, se nazývá uzavře-ný eulerovský tah nebo jen eulerovský tah. Tah v grafu G, který obsahuje všechny hrany grafu G a výchozí vrchol se liší od koncového vrcholu, se nazývá otevřený eulerovský tah. Graf, ve kterém existuje uzavřený eulerovský tah, se nazývá eulerovský graf. duben 2014

17 KRÁTCE O „eulerovském tahu“
CW05 CW13 KRÁTCE O „eulerovském tahu“ Graf nazveme sudý, jestliže má všechny vrcholy sudého stupně. Souvislý graf G je eulerovský právě tehdy, když je sudý. duben 2014

18 KRÁTCE O „eulerovském tahu“
CW05 CW13 KRÁTCE O „eulerovském tahu“ Eulerovský tah je tah, který obsahuje všechny hrany grafu (tj. každou hranu právě jednou). Hamiltonovská cesta je cesta, která obsahuje každý vrchol grafu (tj. každý vrchol právě jednou). duben 2014

19 KRÁTCE O „eulerovském tahu“
CW05 CW13 KRÁTCE O „eulerovském tahu“ JEŠTĚ KRÁTCE O „eulerovském tahu“ Vyjádření faktu, že každou hranu započítává-me dvakrát - jednou ve vrcholu, kde začíná, podruhé ve vrcholu, kde končí. Počet vrcholů s lichým stupněm je sudé číslo. Neboli „počet lidí, kteří si na večírku potřásli ruce s lichým počtem účastníků, je sudé číslo“. duben 2014

20 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Součet ohodnocení hran udává délku cesty, kterou ušel. V opačném případě je nutné do grafu přidat hrany (resp. vybrané hrany zdvojit), tak aby bylo možné nalézt v novém grafu Eulerův cyklus. Kvůli optimalizaci vybíráme hrany s nejnižším ohodnocením. duben 2011

21 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Listonoš to má nejsnazší, pokud je graf eulerovský (všechny uzly mají sudý stupeň). Pak může procházet obvodem tak, jako by kreslil graf jedním tahem. Viz známá úloha o kreslení lucerny jedním tahem. Leden 2014

22 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE V grafech na následujícím obrázku lze najít eulerov-ský tah pouze v posledním z nich, a to otevřený eule-rovský tah. Domeček lze tedy nakres-lit jedním tahem, musí se však začít v jednom ze spodních vrcholů a skončit v druhém spodním vrcholu. Leden 2014

23 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE V teorii grafů se termínem eulerovský tah označuje takový tah, který obsahuje každou hranu grafu právě jednou. Zavedl jej Leonhard Euler, když se roku 1736 pokoušel vyřešit slavný problém sedmi mostů města Královce. Existuje-li v grafu uzavřený eulerovský tah, nazýváme tento graf rovněž eulerovský. Eulerovské grafy lze nakreslit „jedním tahem“. Leden 2014

24 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Sedm mostů města Královce. Leden 2012

25 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Sedm mostů města Královce. To, že úloha o 7 mostech nemá řešení, dokázal švýcarský matematik Leonard Euler ( ) roku 1736 na „společenskou“ objednávku během svého pobytu v Petrohradu – má liché stupně. Jeho důkazy existence či neexistence eulerovského tahu v obecném grafu jsou považovány za počátek teorie grafů. Leden 2014

26 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Neexistuje-li v grafu uzavřený eulerovský tah (tj. v grafu jsou i uzly lichého stupně), pak uzavřený sled pokrývající všechny hrany (tj. průchody ulicemi) musí procházet některými hranami vícekrát. Je vhodná i nezbytná minimalizace vícekrát procházených hran např. vhodná je metoda nejlevnějšího párování. Leden 2010

27 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Matematický model – výchozí stav Výchozí místo – uzel č. 1. Hrany ~ ulice, silnice atd. cij – vzdálenost mezi uzly i a j. duben 2012

28 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Matematický model duben 2011

29 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE První model pro neorientovaný graf: T množina uzlů lichého stupně U-T uzlů sudého stupně 1 přidáme do grafu hranu (i, j), 0 jinak, minimalizovat za podmínek duben 2011

30 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Druhý model pro neorientovaný graf: kolikrát bude hrana (i,j) zahrnuta v Eulerově cyklu minimalizovat za podmínek duben 2011

31 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Model pro orientovaný graf: počet orientovaných hran/cest mezi uzly i a j, které přidáme do grafu minimalizovat náklady na hranu/cestu mezi uzly i a j, kterou přidáme do grafu za podmínek duben 2011

32 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Další možnost postupu …. …. úlohy čínského listonoše duben 2014

33 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE ….. znamená, že každou ulici projde právě jednou a nakonec se vrátí na to místo, odkud vyšel. Taková cesta je zřejmě ze všech možných cest (možných průchodů) nejlepší. Žádnou ulicí neprochází vícekrát. Leden 2012

34 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Například pro graf na obrázku: Leden 2010

35 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW05 CW13 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE bude řešením cesta: a − b − f − d − f − b − g − d − c − g − a − e − c − e − a = 34 Leden 2012

36 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE a b f d c 1. 4 8. 11. 2 13. 1 5 3 e g 2. 4. 7. 9. 10. 6. 3. 5. 12. 14. 1. a a 4 4 Leden 2014

37 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE Postup konec 1. a b a 14. 5. 4 3 11. 2 6. 2. 10. 2 g 1 e f 9. 7. 4 13. 2 5 1 4. 12. 8. 3. c d 4 Leden 2014

38 PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 GRAFICKY PREZENTOVATELNÉ PROBLÉMY ŘEŠITELNÉ OPTIMALIZACÍ díl „podrobnosti“ PROBLÉM ČÍNSKÉHO LISTONOŠE PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO duben 2012

39 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Leden 2017

40 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO neboli: Travelling Salesman Problem (TSP) Tento problém je řešen ve velmi bohaté literatuře …… březen 2017

41 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO HISTORIE Původ problému obchodního cestujícího je nejasný. Jako první se uvádí matematická formulace uvede-ná v roce 1800 – autor irský matematik William Rowan Hamilton a britský matematik Thomas Kirkman. Moderní počátky položil roku 1920, matematik a ekonom Karl Menger ve Vídni. březen 2014

42 CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO V roce 1930, problém se objevil v matematic-kých kruzích univerzity v Princetonu. Postupně byla úloha řešena řadou více i méně známých matematiků se snahou zvládnout op-timalizaci cesty pro co největší počet navštíve-ných míst. V roce 1950 a 1960, tento problém stal se zvýšeně populární ve vědeckých kruzích v Evropě a USA. únor 2012

43 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Pozoruhodné příspěvky k řešení problému TSP byly uveřejněny od autorů: George Dantzig, Delberta Ray Fulkerson. Selmer M. Johnson z RAND Corporation v Santa Monice vyjádřila problém jako celé číslo lineárního programu a vyvinula metodu pro řešení dělicího plánu (řezný plán). S novými metodami byly dále řešeny instance TSP se 49 městy na optimalitu vytvořeného turné a do-kázání, že žádná jiná prohlídka nemůže být kratší. březen 2014

44 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Velký pokrok byl učiněn v letech 1970 a 1980, kdy Grötschel, Padberg, Rinaldi a dalším se podařilo přesně řešit případy až 2392 měst. TSP byly modelovány jako neorientovaný vážený graf sestavený tak, že města jsou vrcholy grafu a cesty jsou hrany grafu, přičemž vzdálenost (délka cesty) je délka hrany. březen 2014

45 CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Synoptickým znakem tohoto problému a jeho řešení je fakt, že výsledky (konkrétní hodnoty a řešení) nelze automaticky pře-nášet na jiný soubor míst a propojujících cest (seznam – libovolně vybraných na konkrétním a uceleném území). únor 2012

46 CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Nejúspěšnější řešitelskou metodou je li-neární programování v kombinaci s meto-dou řezu.… Computational study … Princenton University Press 2006, únor 2012

47 Problém obchodního cestujícího, nebo TSP v krátkosti, je snadné uvést:
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Problém obchodního cestujícího, nebo TSP v krátkosti, je snadné uvést: Vzhledem k tomu, konečný počet "města" spolu s náklady na cestování mezi každou dvojicí z nich najít nejlevnější způsob, jak navštívit všechny města a vrátit se do výchozího bodu.. Březen 2013

48 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Problém obchodního cestujícího je obtížný diskrétní optimalizační problém, matematicky vyjadřující a zobecňující úlohu nalezení nej-kratší možné cesty procházející všemi zadanými body na mapě. Duben 2012

49 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Máme k měst se známou vzdáleností mezi nimi. Cestující se vydá na cestu z jednoho z nich tak, že navštíví všechna ostatní města, každé právě jednou, a vrátí se do výchozího města. Jde o to, aby cesta byla co nejkratší. Leden 2010

50 Úloha je o uzlově ohodnoceném grafu.
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Hledá se nejkratší hamiltonovská kružnice v úplném grafu: uzly jsou města hrany jsou přímo ohodnocené vzdálenosti. Úloha je o uzlově ohodnoceném grafu. Hledá se nejkratší uzavřený sled průchodu všemi uzly. Sled obsahuje alespoň (minimálně) jeden každý uzel grafu. Leden 2010

51 Pak může procházet obvodem tak, jako by kreslil graf jedním tahem.
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Obchodní cestující to má nejsnazší, pokud je graf obklopen hamiltonovskou kružnicí. Pak může procházet obvodem tak, jako by kreslil graf jedním tahem. Leden 2010

52 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Laická formulace úlohy: existuje k míst propojených cestami (podle jisté mapy vyjadřující zobrazovanou realitu) se známou délkou, tj. vzdáleností mezi nimi. Cestující se vydá na cestu z jednoho z nich (cen-trum, startovní bod, výchozí bod) a navštíví vše-chna ostatní města, každé právě jednou, a vrátí se do výchozího města. Jde o to, aby délka cesty byla minimální. Duben 2012

53 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Přesnější a reálnější matematická formulace úlohy: vzhledem ke grafickým možnostem jisté třídy řešení využívající principu grafického zobrazení dané formulace je potřebné použít pojmosloví teorie grafů: "V daném ohodnoceném úplném grafu najděte nejkratší hamiltonovskou kružnici.„ Nutno podotknout, že se nijak neliší obě zadání úlohy. Duben 2012

54 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Hamiltonovské grafy se zdají být obdobou eulerovských grafů … Rrozhodnout, zda je graf hamiltonovský, není vždy snadné. Dosud není známa žádná jednoduchá nutná a postačující podmínka k tomu, aby graf byl hamiltonovský. Není znám ani algoritmus pro nalezení hamiltonovské kružnice v daném grafu. Je však známo několik postačujících podmínek k hamil-tonovskosti grafu ……. Leden 2012

55 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Označme u počet uzlů grafu a předpokládejme, že u ≥ 3. Má-li každý uzel stupeň alespoň ½ u, je graf hamiltonovský. Je-li pro každou dvojici uzlů, které nejsou spojeny hranou, součet jejich stupňů alespoň u, pak je graf hamiltonovský. Jestliže pro každé přirozené číslo k < ½ u je počet uzlů, jejichž stupeň nepřevyšuje k, menší než k, pak je graf hamiltonovský. Leden 2012

56 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO K tomu, aby byl graf s u ≥ 3 uzly hamiltonovský, tedy stačí splnění některé z následujících podmínek. Každý uzel má stupeň alespoň ½ u. (Diracova podmínka) Každá dvojice uzlů nespojených hranou má součet stupňů alespoň u. (Oreho podmínka) Pro každé přirozené číslo k < ½ u je počet uzlů, jejichž stupeň nepřevyšuje k, menší než k. (Pósova podmínka) Leden 2013

57 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Jak je zadáno: úkolem je – celková vzdále-nost musí být nejkratší, takže přesněji …. úkolem je nalézt Hamiltonův cyklus s mi-nimálním součtem ohodnocení hran. Úloha je optimalizační úlohou spadající do diskrétní a kombinatorické matematiky. Duben 2012

58 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO V literatuře je jako „klasický graf“ pro znázornění Hamiltonovy kružnice uváděn tento: Výchozí stav Duben 2012

59 Cílový stav - řešení PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO CW13 CW05 CW057
Duben 2012

60 Jiný cílový stav - řešení
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Jiný cílový stav - řešení Duben 2012

61 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Systémy řízení zásob TSP tour pro x měst v USA, Kanadě, Německu a dosti dlouhé řadě dalších zemí..…. je vždy dán seznam měst (přesněji míst na dané mapě) a úkolem je najít nejkratší cestu – hra spočívá v rozšiřování počtu míst…….. a vzhledem k určitým změnám v reálných mapách cest ……. Březen 2017

62 CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Systémy řízení zásob TSP tour pro 49 měst v USA v červenci 1954 – nejkratší cesta měřila mílí. Březen 2013

63 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Březen 2013

64 TSP tour pro 532 měst v USA v roce 1987
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Systémy řízení zásob TSP tour pro 532 měst v USA v roce 1987 Březen 2013

65 TSP tour pro 15 112 obcí v Německu – rok 2001
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Systémy řízení zásob TSP tour pro obcí v Německu – rok 2001 Březen 2013

66 TSP tour pro 15 112 obcí v Německu – rok 2001
CW057 CW13 CW05 Logistika a ……. Systémy řízení zásob TSP tour pro obcí v Německu – rok 2001 Jihovýchodní výsek bavor-sko-českého příhraničí Březen 2013

67 TSP tour pro 15 112 obcí v Německu – rok 2001
CW057 CW13 CW05 Logistika a ……. Systémy řízení zásob TSP tour pro obcí v Německu – rok 2001 Severní výsek Březen 2013

68 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO TSP Příklad řešení - 7 cities using brute force search. Note: Number of permutations: (7-1)!/2 = 360 Březen 2013

69 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO TSP Příklad řešení - 7 cities using brute force search. Note: Number of permutations: (7-1)!/2 = 360 … jeden z výsledků výpočtu Březen 2013

70 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO TSP Příklad řešení - 7 cities using brute force search. Note: Number of permutations: (7-1)!/2 = 360 … jeden z výsledků výpočtu Březen 2013

71 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO TSP Příklad řešení - 7 cities using brute force search. Note: Number of permutations: (7-1)!/2 = 360 … jeden z výsledků výpočtu Březen 2013

72 CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO TSP Současný konečný soubor dat TSP probíhá od obce Lincoln v Talladega County, Alabama – podle US Geological Survey byl sestaven seznam ze 48 států obsahující velko-měst, měst a vesnic, seskupených podle států. Je vypsána odměna pro řešitele $ 1,000,000 od Clay Mathematics Institute Březen 2013

73 TSP CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO CW13
Přestože dopravní aplikace jsou nejvíce běžné (v životě obvyklé) nastavení pro úlohy typu TSP, jednoduchost modelu vedla k mnoha zajímavým aplikacím i v jiných oblastech. Klasickým příkladem je plánování nasazení strojů k vrtání děr v desce s obvody - v tomto případě otvory, které musí být vyvrtány jsou ekvivalentem obcí, a náklady na cestování jsou ekvivalentem času přesunutí vrtací hlavy z jedné díry do druhé. Technologie vrtání se liší od jednoho odvětví k druhému, ale pokud doba přesunu vrtací hlavy je významnou částí celkového výrobního procesu - pak úloha TSP může hrát velkou roli při snižování nákladů. Březen 2013

74 TSP CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO CW13
Další příklady z literatury TSP lze nalézt na webových stránkách při zadání hesla "problém obchodního cestujícího„ do vyhle-dávače. Chceme-li dát vzorek některých současných aplikací TSP, lze nabídnout seznam na stránkách některých z publikovaných aplikací – a to prací obsahujících například moduly z knihovny Concorde TSP. Jedna z aplikací úlohy TSP byla přijata skupinou ve Francii – pro řešení rozvojové mapy myšího genomu. Výsledky práce jsou popsány v „Přepis radiačního hybridního genomu myši", Nature Genetics 29 (2001), str Březen 2013

75 TSP CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO CW13
Vědci z Národního institutu zdraví použili Concorde TSP solver postavit záření hybridní mapy jako součást své pokračující práci sekvenování genomů. TSP poskytuje způsob, jak propojit místní mapy do jedné celkové mapy akčního hybridního genomu - obce jsou místní mapy a náklady na cestování jsou míra pravděpodobnosti, že jedna místní mapa bezprostředně následuje další. Zprávy o činnosti jsou uvedeny v knize "Rychle a škálovatelně v mapě radiační hybridní konstrukce a strategie integrace", autorů R. Agarwala, DL Applegate, D. Maglott, G.D. Schuler, a A.A. Schaffler. Březen 2013

76 TSP CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO CW13
Tým inženýrů v Hernandezově inženýrském institutu v Houstonu a na Brigham Young University experimentoval s použitím na připoutané Lin-Kerninghan optimalizovné pořadí nebeských objektů – výsledky byly využity v navrhovaném interferometru NASA vesmírného Starlight programu. Cílem studie je minimalizovat používání pohonné hmoty v cílení manévrů pro dvojici družic zapojených do mise (města v TSP jsou nebeské objekty a náklady na cestování jsou množství mpaliva potřebného k přemístění dvou satelitů) - zpráva o činnosti je uvedena v dokumentu "Strategie pro šetření paliva na Spacecraft interferometrii". Březen 2013

77 tsp – vývoj počtu zahrnutých měst
CW057 CW13 CW05 tsp – vývoj počtu zahrnutých měst Významné publikované práce začínají rokem: 1954 Datzing, Fulkerson, Johnson měst 1975 Camerini, Fratta, Maffioli měst 1977 Groetschel měst 1980 Crowder, Padberg měst 1987 zač. roku Padberg, Rinaldini měst 1987 konec r. Padberg, Rinaldini měst 1998 Applegate, Bixby, Chvátal, Cook měst 2004 Applegate, Bixby, Chvátal, Cook, Helsgaun měst ?????? měst nebo již víc ? únor 2012

78 Zadání Výchozí místo (depot) – uzel č. 1, jedno vozidlo.
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Zadání Výchozí místo (depot) – uzel č. 1, jedno vozidlo. Zákazníci – 2,3,…,n, nulové požadavky. cij – vzdálenost mezi uzly i a j. 1 vozidlo pojede z uzlu i do uzlu j, 0 jinak, Duben 2012

79 Matematický popis Miler-Tucker- Zemlin PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Matematický popis minimalizovat za podmínek Miler-Tucker- Zemlin Duben 2011

80 Dantzig-Fulkerson-Johnson
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Matematický popis Dantzig-Fulkerson-Johnson Duben 2011

81 Symetrická úloha obchodního cestujícího
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Symetrická úloha obchodního cestujícího 1 hrana (i,j) leží na Hamiltonově cyklu 0 jinak, minimalizovat za podmínek i < j Duben 2011

82 Metrická úloha obchodního cestujícího
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Metrická úloha obchodního cestujícího Trojúhelníkové nerovnosti „Euklidovská“ úloha obchodního cestujícího. „Otevřená“ úloha obchodního cestujícího. Vozidlo se nevrací do výchozího místa. Duben 2011

83 Úloha obchodního cestujícího s časovými okny
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Úloha obchodního cestujícího s časovými okny (Travelling Salesman Problem with Time Windows). <ai ,bi> časové okno i-tého zákazníka. cij – vzdálenost mezi uzly i a j. dij – doba přejezdu mezi uzly i a j. – čas, v němž je navštíven uzel i. Duben 2011

84 tsp – jednoduchý příklad
CW057 CW13 CW05 tsp – jednoduchý příklad Na dále uvedené úloze snad lze ukázat princip platný pak i pro úlohy složitější a obsáhlejší……. Navštivte 3 místa – A, B a C – výchozí bod je Z. Tabulky vzdáleností [km]: Najděte postup s nejkratší cestou – nejmenším počtem ujetých kilometrů. únor 2011

85 tsp – jednoduchý příklad
CW05 CW13 tsp – jednoduchý příklad Navštivte 3 místa – O, M a N – výchozí bod je Z. Tabulky vzdáleností [km]: Z O M N 54 17 79 49 104 91 únor 2012

86 tsp – jednoduchý příklad
CW057 CW13 CW05 tsp – jednoduchý příklad Základním řešení je „slepý“ postup s využitím „selského“ rozumu – proto je nazýván „řešením pomocí hrubé síly“ ….. Řešením je vyhledání každé přípustné trati (spoj-nice míst) pro všechna existující uspořádání posloupnosti míst. Výsledek je dán výběrem nejmenšího ze součtů jednotlivých délek tras. Vzdálenosti a výsledek je na dalším slide. únor 2011

87 CW05 CW13 tsp – Výsledek Trasa Součty Celkem Z-O-M-N-Z 273 Z-O-N-M-Z 266 Z-M-N-O-Z Z-M-O-N-Z 249 Z-N-O-M-Z Z-N-M-O-Z Výsledek – trasa Z-M-O-N-Z nebo obráceně Z-N-O-M-Z s celkovou délkou 249 km. únor 2011

88 CW05 CW13 tsp - složitost Je asi zřejmé, že pro 3 navštívená místa nemá cenu takovou analýzu dělat – rozdíly celkových délek jednotlivých variant je minimální (dá se říci nepodstatný). únor 2011

89 CW05 CW13 tsp - složitost Pro ilustraci a lepší (graficky podpořený) názor (náhled na výsledek) jsou na dalším slidu grafické záznamy variant cest pro uve-dený příklad 3 míst, kdy celkový počet tras bude 3 * 2 * 1…. = 6 tras únor 2011

90 tsp – složitost – grafika variant cest
CW057 CW13 CW05 tsp – složitost – grafika variant cest únor 2011

91 tsp - složitost Již pro 10 míst toto číslo naroste na hodnotu
CW05 CW13 tsp - složitost Již pro 10 míst toto číslo naroste na hodnotu 9 * 8 * 7 * 6 * 5 * 4 * 3 * 2 * 1 ) / 2 = …. neboť na začátku je volba z 10 míst, pak z 9, pak z 8, atd. únor 2011

92 tsp - Globální definice – def. č. 1.
CW05 CW13 tsp - Globální definice – def. č. 1. Trochu nut(d)né matematiky a jejích definic … Graf nad množinou uzlů V (navštívených míst) a hran E (spojujících cest) G = ( V , E ) pro V = 1, 2, …, n je množina uzlů (míst ) E = {( i , j ) | i , j  V ; i ≠ j } je množina hran (cest) n = | V | je počet uzlů (míst) m = | M | je počet hran (spojovacích cest) di,j = ∞  (i,j) E jsou náklady na projetí hrany (i,j) únor 2011

93 tsp - Okružní cesta – def. č. 2.
CW05 CW13 tsp - Okružní cesta – def. č. 2. Okružní cesta (je totéž, co je Hamiltonovská kruž-nice) je posloupnost všech vrcholů grafů v0, v1, …, vn taková, že: (vi-1, vj) je hranou pro i = 1,2, …,n vi ≠ vj pro i ≠ j platí rovnost, kromě v0 = vn v0 = vn únor 2011

94 tsp - Kombinatorická – def. č. 3.
CW05 CW13 tsp - Kombinatorická – def. č. 3. TSP znamená nalezení ze všech uspořádaných množin K = {k1, k2, …, kn} - vytvořených z množiny míst V - množinu K*, pro níž platí: f(K*) ≤ f(K) K, kde f(K) je definována vztahem: f(K) =  dki,ki+1 + dkn,k1 což znamená nalezení ze všech možných okružních cest K právě tu K*, která má nejkratší délku f(K) únor 2011

95 CW05 CW13 tsp – Úplný TSP – def. č. 4. Graf G reprezentující TSP má hranu mezi každou dvojicí různých míst E = {(i,j)  (V x V) | i ≠ j } únor 2011

96 tsp – Symetrický TSP – def. č. 5.
CW05 CW13 tsp – Symetrický TSP – def. č. 5. Pro každou dvojici různých míst platí stále, že di,j = dj,i Takto definovaná úloha – úplný symetrický TSP je úlohou nejběžnější a zároveň i nejjednodušší. únor 2011

97 tsp – Asymetrický TSP – def. č. 6.
CW05 CW13 tsp – Asymetrický TSP – def. č. 6. Existuje alespoň jedna dvojice různých míst, pro kterou platí, že di,j ≠ dj,i Počet různých tras (cest) bude tento: pro úplný symetrický TSP je (n – 1)! / 2 pro úplný asymetrický TSP je (n – 1)! únor 2011

98 tsp – klasifikace úlohy
CW057 CW13 CW05 tsp – klasifikace úlohy Pokud by ohodnocení délky jedné jediné z možných cest trvalo pouhou 1 milisekundu – pak při použití „výpočtu hrubou silou“ (jak bylo definováno v předchozím textu) by výpočet pro pouhých 16 míst trval asi tak 20,7 let. únor 2011

99 tsp – klasifikace úlohy
CW057 CW13 CW05 tsp – klasifikace úlohy Pro objasnění předchozího tvrzení pár údajů: Počet míst Možných cest (n-1)!/2 Výpočet [ms] 3 1 4 7 380 27 147 8 2 520 = 3 min 10 = 5,5 h 14 36 dnů 16 20,7 roku únor 2014

100 tsp – klasifikace úlohy
CW05 CW13 tsp – klasifikace úlohy Pro přesný časový údaj, který by - při nasazení výpočetní techniky – byl relevantní = počet ope-rací potřebných k realizaci výpočtu. Tím by se významně postihla výpočetní potence použitého počítače a jeho schopnost vysoko-rychlostních matematických kalkulů. únor 2011

101 tsp – klasifikace úlohy
CW057 CW13 CW05 tsp – klasifikace úlohy Úloha TSP – obchodního cestujícího je nedeterministickým problémem (NP) probíhající v nedeterministickém polynomiálním čase únor 2011

102 tsp – klasifikace úlohy
CW05 CW13 tsp – klasifikace úlohy Nedeterministický znamená, že by bylo po-třeba orákula, aby se 100 % přesností a spo-lehlivostí řeklo, která cesta do kterého místa je v daném okamžiku optimální = nejkratší. únor 2011

103 tsp – klasifikace úlohy - vysvětlivka
CW05 CW13 tsp – klasifikace úlohy - vysvětlivka orákulum (latinsky) = věštba … konkrétní vyslovená předpověď - předpovídání budoucnosti na základě magických praktik se označuje jako věštění … věštec je osoba se schopností předpovídat budoucnost, … umějící vykládat sny, nebo vyjevovat lidem boží vůli únor 2012

104 CW057 CW13 CW05 tsp - grafika Ukázka grafiky řešení problému rozvozu zboží ze skladu zákazníkům …. Okružní cesta Zákazníci únor 2012

105 tsp – metody řešení Používané metody dělené podle způsobu řešení:
CW05 CW13 tsp – metody řešení Používané metody dělené podle způsobu řešení: heuristické exaktní metaheuristické. únor 2011

106 tsp – metody heuristické
CW05 CW13 tsp – metody heuristické Metody nezabývající se všemi okružními cestami, jen vybranými (kriterium ?) – jsou proto rychlé – nezaručují, že výsle-dek je reálně nejkratší metoda nejbližšího souseda (M. Nearest Neighbour) optimalizace metodou výměny hran (k-OPT) lineární Kernighamova metody (M. LinKer, LK) …… únor 2011

107 CW05 CW13 tsp – metody exaktní Metody zabývající se všemi okružními cestami – nejsou proto rychlé – zaručují, že výsledek je skutečně nejkratší metody lineárního programování (LP) metody dynamického programování (DP) metody větví a hranic (M. Branch&Bound) metody větví a řezů (M. Branch&Cut) …… únor 2011

108 tsp – metody metaheuristické
CW05 CW13 tsp – metody metaheuristické Metody kvalitnější než heurisitcké – opouští lokální optima, hledají globální – vedeny přes poznání horších řešení, které opouští a na-hrazují dalším řešením – rychlé – zaručují, že výsledek je reálně blízký nejkratší cestě metoda simulovaného žíhání (M. Simulated Annealing) metoda neuronových sítí (M: Neural Network) metoda genetických algoritmů …… únor 2011

109 tsp – lineární programování
CW05 CW13 tsp – lineární programování Metody LP využívají systémů hledání mini-ma a maxima jediné cílové funkce v prostoru přípustných řešení, který je vymezen množi-nou omezujících podmínek – cílová funkce i omezující podmínky musí být lineárním vztahem únor 2011

110 tsp – dynamické programování
CW05 CW13 tsp – dynamické programování Metody DP využívají rekurze při návrhu algo-ritmů řešení – tj. převádění problémů na pro-blémy shodného typu, ale podobné menší. Většinou se řeší pomocí maticového počtu. Výhodou je velká rychlost – předchozí případ by byl vyřešen pro 16 míst za pouhých 4,7 h. únor 2011

111 CW05 CW13 tsp – rekurze Matematika pojem rekurze chápe jako defino-vání objektu pomocí sebe sama. Latinské sloveso recurso (vrátit se) nebo substantivum recursus (návrat, zpětný běh). Využívá se například pro definici přirozených čísel, stromových struktur a některých funkcí. únor 2011

112 CW05 CW13 tsp – rekurze Programování pojem rekurze, rekurzní (rekur-zivní) funkce chápe jako opakované vnořová-ní téže funkce – musí mít podmínku ukončují-cí vnořování – je nejčastějším zdrojem chyb, je třeba ji navrhnout dostatečně robustním způsobem a prověřit veškeré možné stavy. únor 2011

113 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Při řešení těchto úloh se používá tak zvaná metoda větvení a mezí (Branch and Bound Method). Je to iterační metoda pro hledání globálního extrému funkce f na množině přípustných řešení M. Leden 2012

114 tsp – větve a hranice (meze)
CW05 CW13 tsp – větve a hranice (meze) Vhodná pro řešení optimalizačních kombina-torických úloh. Pro TSP hledá nejkratší okružní cestu. Není zaručeno nalezení řešení v polynominál-ním čase – v praxi je dostupné řešení pro desítky míst. únor 2011

115 tsp – větve a hranice (meze)
CW05 CW13 tsp – větve a hranice (meze) Během prohledávání je vytvářen strom s vět-vením – je prováděno na základě zvolené vlastnosti. Jednotlivé větve představují skupinu okruž-ních cest, které všechny splňují vlastnosti dané větve. únor 2011

116 tsp – větve a hranice (meze)
CW05 CW13 tsp – větve a hranice (meze) Strom je postupně vytvářen tak, že v každém kroku je vybrána některá dosud nezpracova-ná větev – začíná se od kořene stromu – vybraná větev se zpracuje buď dalším větve-ním do alespoň dvou nových větví nebo vyře-šením nebo zjištěním, že větev lze „uříznout“ (vyloučit z dalšího procesu hledání řešení). únor 2011

117 tsp – větve a hranice (meze)
CW05 CW13 tsp – větve a hranice (meze) Pokud se z porovnání těchto dvou hodnot zjistí, že zpracovávaná větev nemůže obsaho-vat lepší výsledek (řešení), než které již bylo nalezeno = tato větev může být z dalšího procesu vyloučena (vyříznuta). Nenastane-li tento stav, musí se tato dále větvit – minimálně na dvě další nové. únor 2011

118 tsp – větve a hranice (meze)
CW05 CW13 tsp – větve a hranice (meze) Optimální řešení je pak takové, které je nej-lepší nebo, že úloha nemá řešení (? je to vůbec reálné, aby neexistovalo ? ). únor 2011

119 tsp – větve a hranice (meze)
CW05 CW13 tsp – větve a hranice (meze) POSTUP: schema prohledávání stromu = pořadí v pos-tupu zpracovávání větví (nelze vše najednou) nalezení horní hranice (hodnoty, meze) dané větce nebo přípustného řešení řešené větve ……….. únor 2011

120 tsp – větve a hranice (meze)
CW05 CW13 tsp – větve a hranice (meze) - …. nalezení dolní hranice větve způsob (metodika postupu) větvení nebo nalezení dělicích množin přípustných řešení na podmnožiny. Obě meze musí být co nejkvalitnější. únor 2011

121 tsp – větve a řezná rovina
CW05 CW13 tsp – větve a řezná rovina Je to nejúčinnější metoda dneška pro řešení problémů obchodního cestujícího. Pomocí vytváření řezných (nad)rovin se hledá řešení v dosud neřešené oblasti, nebo v části kde je dosavadní řešení nejednoznačné. Prů-běh řešení tyto postupně vylučuje. únor 2011

122 tsp – větve a řezná rovina
CW05 CW13 tsp – větve a řezná rovina Lze ji označit za doplňkovou metodu. Zajímavé webovské odkazy: únor 2011

123 tsp – metoda nejbližšího souseda
CW057 CW13 CW05 tsp – metoda nejbližšího souseda Patří mezi nejpřirozenější způsoby hledání výsledku. Pokud se má vydat na okružní ces-tu, začne (zřejmě, rozumově nejvýhodněji) místem, které je nejblíže – odtud do dalšího nejbližšího, dosud nenavštíveného, místa – atd. Metoda vede i ke zřejmě špatným výsledků – proto se používá jako výchozí (úvodní). únor 2011

124 tsp – metoda nejbližšího souseda
CW057 CW13 CW05 tsp – metoda nejbližšího souseda Ukázka → vede k pozdní návštěvě nejvzdále-nějšího místa a tedy ke zbytečnému prodlou-žení délky okruhu. Okružní cesta únor 2011

125 CW057 CW13 CW05 tsp – metoda k-OPT Právě tato metody se používá jako „pokraču-jící (navazující, střídající)“ k předchozímu úvodu (vstupu) do procesu řešení. Základem je postupná výměna k hran v okruž-ní cestě tak, aby výsledkem byla kratší cesta. Optimální je pouze ve smyslu postupu a vy-braných kriterií – změna počtu hran. únor 2011

126 CW05 CW13 tsp – metoda LinKer Autoři S. Lin a B.W.Kerninghan – 1973 první publikace (An Effective Heuristic Algorithm for the TSP – Operations Research, roč. 21 – 1073, pp. 483 – 516. K. Helsgaun – rok 2000 – rozvoj metody, jak LK metody naprogramovat efektivně. únor 2011

127 CW05 CW13 tsp – metoda LinKer Je to metoda “zlepšovací“ – musí jí být úvo-dem dodána okružní cesta, kterou vylepšuje. únor 2011

128 tsp – Genetický algoritmus
CW05 CW13 tsp – Genetický algoritmus Genetický algoritmus je heuristický postup, který se snaží aplikací principů evoluční biologie nalézt řešení složitých problémů, pro které neexistuje použitelný exaktní algoritmus. Genetické algoritmy, resp. všechny postupy patřící mezi tzv. evoluční algoritmy, používají techniky napodobující evoluční procesy – dědičnost, mutace, přirozený výběr a křížení – pro „šlechtění“ řešení zadané úlohy. únor 2011

129 tsp – Genetický algoritmus
CW05 CW13 tsp – Genetický algoritmus Princip činnosti je v postupné tvorbě generací růz-ných řešení daného problému. Při řešení se uchová-vá tzv. populace, jejíž každý jedinec představuje jedno řešení daného problému. Jak populace probíhá evolucí, řešení se zlepšují. Tradičně je řešení reprezentováno binárními čísly, řetězci nul a jedniček, nicméně používají se i jiné reprezentace (strom, pole, matice, …). Typicky je na začátku simulace (v první generaci) populace složena z naprosto náhodných členů. únor 2011

130 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Princip praktického řešení Travelling Salesman Problem (TSP) Problému obchodního cestujícího …….. xxxxxxxxxxxxx duben 2012

131 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Máme k měst se známou vzdáleností mezi nimi. Cestující se vydá na cestu z jednoho z nich tak, že navštíví všechna ostatní města, každé právě jednou, a vrátí se do výchozího města. Jde o to, aby cesta byla co nejkratší. Leden 2010

132 Úloha je o uzlově ohodnoceném grafu.
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Hledá se nejkratší hamiltonovská kružnice v úplném grafu: uzly jsou města hrany jsou přímo ohodnocené vzdálenosti. Úloha je o uzlově ohodnoceném grafu. Hledá se nejkratší uzavřený sled průchodu všemi uzly. Sled obsahuje alespoň (minimálně) jeden každý uzel grafu. Leden 2010

133 Pak může procházet obvodem tak, jako by kreslil graf jedním tahem.
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Obchodní cestující to má nejsnazší, pokud je graf obklopen hamiltonovskou kružnicí. Pak může procházet obvodem tak, jako by kreslil graf jedním tahem. Leden 2012

134 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO To znamená, že každé město navštíví právě jednou a nakonec se vrátí na to místo, odkud vyšel. Taková cesta je zřejmě ze všech možných cest (možných průchodů) nejlepší. Žádným městem neprochází vícekrát. Leden 2012

135 Například pro graf na obrázku:
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Například pro graf na obrázku: Leden 2010

136 Je dána matice délek hran ohodnoceného grafu na předchozím obrázku.
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Příklad: Je dána matice délek hran ohodnoceného grafu na předchozím obrázku. 0 pro i = j A = (aij) = { xij délka nejkratší hrany z i do j  když hrana z i do j neexistuje. Leden 2010

137 Matice délek hran: CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO a b c d e
f A 4 10 18 5 B 12 8 2 6 C 16 D 14 E F Leden 2010

138 CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Pro daný úplný graf má řešení problému obchodního cestujícího: a − c − d − f − b − e − a = 33 Přitom např. cesta po obvodu dá v součtu 60. Leden 2014

139 6. 1. 3. 4. 5. 2. a b c d e f PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO CW13 CW05
Leden 2014

140 6. 1. 3. 4. 5. 2. Postup a f b e c d PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO CW13 Postup konec a 6. f b 1. 3. 4. 5. e c d 2. Leden 2014

141 CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Při řešení těchto úloh se používá tak zvaná metoda větvení a mezí (Branch and Bound Method). Je to iterační metoda pro hledání globálního extrému funkce f na množině přípustných řešení M. Leden 2012

142 Je založena na opakování následujících dvou operací:
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Je založena na opakování následujících dvou operací: – větvení, při němž se nejprve množina M, později její vybraná podmnožina, rozkládá na po dvou disjunktní podmnožiny – omezování, při němž se pro každou pod-množinu získanou předchozí operací určuje dolní (při minimalizaci), resp. horní (při maxi-malizaci) mez hodnot funkce f na této pod-množině. Leden 2010

143 Takové řešení je optimální.
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Postup rozkladu množiny M se dá znázornit stromem, jehož uzly odpovídají jednotlivým podmnožinám. Pro další rozklad se volí podmnožina s nej-nižší dolní, resp. nejvyšší horní mezí. Cílem je najít takové přípustné řešení, pro než hodnota funkce f není vetší než dolní meze, resp. není menší než horní meze dosud nerozložených podmnožin. Takové řešení je optimální. Leden 2012

144 - rozvoz zboží ze skladu na místa spotřeby
CW05 CW13 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO Užití úlohy: - rozvoz zboží ze skladu na místa spotřeby - minimalizace přesunu součástek mezi místy jejich zpracování – např. při vrtání děr obrá-běcími stroji. Leden 2012

145 TSP = Traveling Salesman Problem -problém obchodního cestujícího
CW057 CW13 CW05 PROBLÉM OBCHODNÍHO CESTUJÍCÍHO TSP = Traveling Salesman Problem -problém obchodního cestujícího NP = Non-deterministic Polynomial (Problem) = nedeterministicky polynomiální (nedeterministický problém) Leden 2012

146 CW13 CW05 ještě doplněk… dobrá literatura k teorii grafů je:
Miloš Šeda: Teorie grafů. VUT FSI v Brně, listopad 2003 – na webu = NEBO pod názvem kapitoly Domečkologie (Zadání) = NEBO NEBO ALGORITMY - Eulerovský tah NEBO otevřít Wordovský dokument Březen 2014

147 …..… Informace k „ Teoriím ………….. “ pokračují …… CW057 – p. 24
POKRAČOVÁNÍ PŘÍŠTĚ ……. Informace k „ Teoriím ………….. “ pokračují …… …..… CW057 – p. 24 březen 2017

148 CW057 CW13 CW05 ……… Březen 2017