python3 分支界限法解決作業分配問題

學號:S201625005
姓名：樑勳
聯繫電話：[phone]
運行環境：MacOS serria 10.12.4 Beta (16E163f)
程序語言：Python3



分析設計：

有n份作業分配給n個人去完成，每人完成一份作業。
假定第i個人完成第j份作業需要花費cij時間，cij>0,1≦i,j≦n。試設計一個分支界限算法，將n份作業分配給n個人完成，使得總花費時間最少。

這是一個尋找最優解的問題，通常的解決辦法就是窮舉出所有結果，找出最優解。分支界限算法是爲了有效的避免窮舉結果，這是一個廣度優先的搜索操作


數據結構：

Node 類：
        self.deep = 0  # 標記該節點的深度
        self.cost = 0  # 標記到達該節點的總消費
        self.father = None  # 標記該節點的父節點
        self.value = 0  # 本節點的消費值
        self.worker = None  # 本節點的該任務由第幾位工人完成
Node類用來存放分支樹上的所有有效節點


Worker 類：
    max = 0  # 上界 通過貪心算法找出近似值
    min = 0  # 下界 由每組的最小值組成
    pt_nodes = []  # 存放可擴展的節點  FIFO
    pt_flag = 0  # 標記隊列是否被使用 用於結束算法
    input_file = ''  # 輸入文件名
    output_file = ''  # 輸出文件名
    matrix = []  # 存放數據矩陣  行爲單個任務 每個工人 完成所要的時間
    n = 0  # 數據矩陣的大小 n*n
    min_leaf_node = None  # 消耗最小的節點

    function:
        read_data_from_file  從文件中讀取數據
        get_low_limit 計算下界
        get_up_limit  計算上界
        branch_limit  執行分支界限算法
        output_result  結果輸出到文件

算法思路：
    1 將數據用n*n的矩陣來描述 M[i,j]表示第i個任務由第j位工人完成所耗時間
    2 使用貪心算法計算一個近似的最優解作爲上界
    3 最小值求和法得到最優解的下界
    4 針對第一個任務，檢查每人的耗時是否超過上界，是則捨棄，否則創建節點加入隊列
    5 開始處理隊列元素，先進先出，如果是子節點，判斷是否是最優節點，否則 檢查累積上下一個任務每人的耗時後是否超過上界，否則繼續創建節點加入隊列，是則捨棄
    6 當隊列處理完畢後，層層遍歷最優節點的father節點，輸出結果

代碼如下：

#  分支算法執行類
class Worker:
    max = 0  # 上界 通過貪心算法找出近似值
    min = 0  # 下界 由每組的最小值組成
    pt_nodes = []  # 存放可擴展的節點
    pt_flag = 0  # 標記隊列是否被使用 用於結束算法
    input_file = ''  # 輸入文件名
    output_file = ''  # 輸出文件名
    matrix = []  # 存放數據矩陣  行爲單個任務 每個工人 完成所要的時間
    n = 0  # 數據矩陣的大小 n*n
    min_leaf_node = None  # 消耗最小的節點

    #  初始化參數
    def __init__(self, input_file, output_file):
        self.input_file = input_file
        self.output_file = output_file
        self.read_data_from_file()
        self.n = len(self.matrix)
        self.get_low_limit()
        self.get_up_limit()

        # print(self.matrix)
        # print(self.n)
        # print(self.max)
        # print(self.min)

    #  從文件中讀取數據 初始化數據矩陣
    def read_data_from_file(self):
        with open(self.input_file) as source:
            for line in source:
                data_cluster = line.split(',')
                temp = []
                for value in data_cluster:
                    temp.append(int(value))
                self.matrix.append(temp)

    #  獲取數據下界  最小值之和
    def get_low_limit(self):
        for i in range(self.n):
            self.min += min(self.matrix[i])

    #  獲取數據上界  貪心算法
    def get_up_limit(self):
        #  初始化工人使用標記
        worker_mark = []
        for i in range(self.n):
            worker_mark.append(0)
        # 貪心算法 取得 近似最優解
        for i in range(self.n):
            temp = self.matrix[i]
            min_value = 5000
            index = 0
            for k in range(self.n):
                if worker_mark[k] == 0 and min_value > temp[k]:
                    min_value = temp[k]
                    index = k
            worker_mark[index] = 1  # 標記工人是否被分配
            self.max += min_value  # 累積上限值

    #  分支界限算法
    def branch_limit(self):
        if self.pt_flag == 0:  # 從第一層開始
            for i in range(self.n):
                time = self.matrix[0][i]
                if time <= self.max:  # 沒達到上限，創建節點，加入隊列
                    node = Node()
                    node.deep = 0
                    node.cost = time
                    node.value = time
                    node.worker = i
                    self.pt_nodes.append(node)
            self.pt_flag = 1

            while self.pt_flag == 1:  # 永久循環 等隊列空了在根據條件判斷來結束
                if len(self.pt_nodes) == 0:
                    break
                temp = self.pt_nodes.pop(0)  # 先進先出
                present_node = temp
                total_cost = temp.cost
                present_deep = temp.deep
                #  初始化工人分配標記
                worker_mark = []
                for i in range(self.n):
                    worker_mark.append(0)

                #  檢查本節點下的作業分配情況

                worker_mark[temp.worker] = 1
                while temp.father is not None:
                    temp = temp.father
                    worker_mark[temp.worker] = 1

                if present_deep + 1 == self.n:  # 最後一排的葉子節點 直接分配結果
                    if self.min_leaf_node is None:
                        self.min_leaf_node = present_node
                    else:
                        if self.min_leaf_node.cost > present_node.cost:
                            self.min_leaf_node = present_node
                else:
                    children = self.matrix[present_deep + 1]
                    #  檢查本節點的子節點是否符合進入隊列的要求
                    for k in range(self.n):
                        if children[k] + total_cost <= self.max and worker_mark[k] == 0:
                            node = Node()
                            node.deep = present_deep + 1
                            node.cost = children[k] + total_cost
                            node.value = children[k]
                            node.worker = k
                            node.father = present_node
                            self.pt_nodes.append(node)

    #  輸出算法執行的結果
    def output_result(self):
        file = open(self.output_file,'a')
        temp = self.min_leaf_node
        file.write('最少的消耗爲：' + str(temp.cost) + '\n')
        file.write('第'+str(temp.worker+1) + '位工人完成第'+str(temp.deep+1) + '份工作\n')
        while temp.father is not None:
            temp = temp.father
            file.write('第' + str(temp.worker + 1) + '位工人完成第' + str(temp.deep + 1) + '份工作\n')
        print('算法執行結果以及寫入到文件：', self.output_file)


#  分支節點類
class Node:
    def __init__(self):
        self.deep = 0  # 標記該節點的深度
        self.cost = 0  # 標記到達該節點的總消費
        self.father = None  # 標記該節點的父節點
        self.value = 0  # 本節點的消費值
        self.worker = None  # 本節點的該任務由第幾位工人完成

#  主邏輯
# input_file = 'input_assign05_01.dat'
# input_file = 'input_assign05_02.dat'
input_file = 'input_assign05_03.dat'
# output_file = 'output_01.dat'
# output_file = 'output_02.dat'
output_file = 'output_03.dat'

#  初始化算法執行類
worker = Worker(input_file, output_file)
#  執行分支界限算法
worker.branch_limit()
#  輸出結果
worker.output_result()

輸入數據：

10,12,20,30,18
23,30,8,12,22
11,21,23,40,16
33,34,23,19,20
21,32,11,14,21

輸出結果：

最少的消耗爲：65
第4位工人完成第5份工作
第5位工人完成第4份工作
第1位工人完成第3份工作
第3位工人完成第2份工作
第2位工人完成第1份工作