列生成(Column Generation)算法

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列生成算法的背景

  列生成算法通常被应用于求解大规模整数规划问题的分支定价算法(branch-and-price algorithm)中,其理论基础由Danzig等于1960年提出。当求解一个最小化问题时,列生成算法主要的作用是为每个搜索树节点找到一个较优的下界(lower bound)本质上而言,列生成算法就是单纯形法的一种形式,是用来求解线性规划问题的

列生成算法已被应用于求解如下著名的NP-hard优化问题:机组人员调度问题(Crew Assignment Problem)、切割问题(Cutting Stock Problem)、车辆路径问题(Vehicle Routing Problem)、单资源工厂选址问题(The single facility location problem )等。

列生成算法的基本思想

  在某些线性优化问题的模型中,约束的数目有限,但是变量的数目随着问题规模的增长会爆炸式的增长,因此不能把所有的变量都显性的在模型中表达出来。在用单纯形法求解这类线性规划问题时,基变量(basic variable)只与约束的个数相关,每次迭代只会有一个新的非基变量(non-basic variable)进基,因此,在整个求解过程中其实只有很少一部分变量会被涉及到。

  简单来说,列生成算法通过求解子问题(pricing problem),来找到可以进基的非基变量,该非基变量在模型中并没有显性的写出来(可以看成是生成了一个变量,每个变量其实等价于一列,所以该方法被称为列生成算法)。如果找不到一个可以进基的非基变量,那么就意味着所有的非基变量的检验数(reduced cost)都满足最优解的条件,也就是说,该线性规划的最优解已被找到,即使很多变量没有在模型中写出来。

列生成算法实例——板材切割问题(Cutting Stock Problem)

问题描述

木材厂卖木材,某顾客需要25根3英尺的木材、20根5英尺的木材和15根9英尺的木材,木材厂通过切17英尺的木材来满足顾客的需求。为了尽量减少木材的浪费,可以用线性规划方法来实现这个目标,同时用列生成来解这个线性规划问题。

切割方案

切割过程中,木材厂要确定木材的切割方案(cutting combination)。举例说明,一根17英尺的木材可以切成3根5英尺的,这种切割方案将造成2英尺木材的浪费,实际过程中有很多种可能的切割方案,但是不合理的切割方案不需要被考虑。例如,只把17英尺木材切成一根9英尺,然后扔掉8英尺的方案明显不合理,因为我们可以把它切成一根9英尺、5英尺和3英尺的木材。总的来说,任何一种切割方案浪费木材量超过3英尺,我们都认为是不合理的,因为可以用浪费的木材去获得一根或多根3英尺的木材。不合理的切割方案不会在最优解中出现,因此不需要考虑。根据以上规则,我们可以枚举出以下六种切割方案

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求解过程

1. 建立模型

(1)x_l:    选用第 i 个方案

(2)等量关系式:

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(3)目标:

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(4)板材切割问题约束:

          

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结合(1)(2)(3)(4)得到最终线性规划模型

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2. 模型求解

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     定义第七种切割方法(只切出一个“9英尺”)

                 列生成(Column Generation)算法_第8张图片                                         初始基为(x 1,6,7)

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        由上到下依次是:目标值z,和 对应尺寸的个数 a3,a5,a9 (分支定价法

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     找到最大的正检测数,从而找到对应需要进基的变量(x5)

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    计算需要出基的变量(x7),(保证所有检测数均大于0,选择最小比值)

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        变量值为整数(向上取整,允许适当浪费)

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