Венгерский метод решения задачи о назначениях. Алгоритм венгерского метода решения задач о назначениях

Предположим, что у нас имеются $4$ склада $A_1,\ A_2,\ A_3,\ A_4$ и $4$ магазина $B_1,\ B_2,\ B_3,\ B_4$. Расстояния от каждого склада до каждого магазина заданы с помощью следующей матрицы:

Например, расстояние от $A_1$ до $B_1$ равно элементу $a_{11}=10$, расстояние от $A_2$ до $B_2$ равно элементу $a_{12}=20$, и т.д.

Требуется так прикрепить склады к магазинам, чтобы суммарное расстояние получилось минимальным. Такая задача называется задачей о назначениях. Решать ее можно с помощью так называемого венгерского алгоритма.

Венгерский алгоритм

1. В каждой строке матрицы назначения находим минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов строки.
2. В каждом столбце полученной матрицы находим минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов столбца.
3. Находим строку с одним нулем. Этот ноль заключаем в квадрат и называем отмеченным. В столбце, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваем и в дальнейшем не рассматриваем. Этот шаг продолжаем, пока возможно.
4. Находим столбец с одним нулем и этот ноль отмечаем. В строке, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваются. Этот шаг продолжаем, пока возможно.
5. Если после выполнения шагов $3$ и $4$ еще остаются неотмеченные нули, то отмечаем любой их них, а в строке и столбце, где стоит отмеченный ноль, все остальные нули зачеркиваются.
6. Если каждая строка и каждый столбец матрицы содержит ровно один отмеченный ноль, то получено оптимальное решение. Каждый из отмеченных нулей прикрепляет поставщика к потребителю. В противном случаем проводим минимальное количество пересекающихся вертикальных и горизонтальных прямых через все нули. Среди не зачеркнутых этими прямыми чисел ищем минимум. Этот минимум вычитаем их всех не зачеркнутых чисел и прибавляем ко всем числам на пересечении прямых. К полученной матрице применяем вышеприведенный алгоритм, начиная с шага $3$.

Пример решения

Находим минимальный элемент в каждой строке матрицы и вычитаем его из всех элементов строки.

В полученной матрице проделываем тоже самое со столбцами, то есть находим в каждом столбце минимальный элемент и вычитаем его из всех элементов столбца.

В первой строке полученной матрицы находится ровно один ноль. Отмечаем его, а в столбце, где стоит этот ноль все остальные нули зачеркиваем. Получим матрицу:

Следующая строка, в который находится ровно один ноль, это $4$-я. С ней поступаем точно так же. Больше нет строк, содержащих ровно один ноль, но имеются столбцы с одним нулем. Второй столбец содержит ровно один ноль, который мы и отметим. Поскольку этот ноль находится в $3$-й строке, то вычеркиваем все нули, находящиеся в $3$-й строке. Получим матрицу:

Видим, что в матрице больше нет нулей. Полученное распределение не является оптимальным, поскольку во второй строке нет отмеченных нулей. Проводим минимальное количество пересекающихся вертикальных и горизонтальных прямых через все нули.

Находим минимальный элемент среди не зачеркнутых этими прямыми чисел: ${\min \left(5,\ 13,\ 7,\ 2,\ 11,\ 8\right)\ }=2$. Вычитаем найденный минимум из всех не зачеркнутых чисел и прибавляем его ко всем числам, стоящими на пересечении прямых. Получим матрицу:

Полученное распределение не является оптимальным, поскольку в $4$-й строке нет отмеченных нулей. Проводим прямые:

${\min \left(11,\ 5,\ 9,\ 6,\ 6,\ 1\right)\ }=1$. Вычитаем найденный минимум из всех не зачеркнутых чисел и прибавляем его ко всем числам, стоящими на пересечении прямых. Получим матрицу:

К полученной матрицы применяем вышеописанный алгоритм:

Видим, что в каждой строке и в каждом столбце матрицы находится ровно один отмеченный ноль. Получено оптимальное распределение. $A_1$ прикрепляем к $B_4$, $A_2$ - к $B_1$, $A_3$ - к $B_2$, $A_4$ - к $B_3$. Для того, чтобы найти суммарное распределение, нужно сложить числа, расположенные в исходной матрице на месте отмеченных нулей. Получим: $5+3+8+8=24$.

Стоит отметить, что задача о назначениях может решаться и на максимум (чтобы суммарное расстояние было максимальным). В этом случае каждый элемент матрицы умножается на $-1$ и к полученной матрице применяется вышеописанный алгоритм.

• Tutorial

Привет, друзья! В этой статье хотел бы рассказать про интересный алгоритм из дисциплины «Исследование операций» а именно про Венгерский метод и как с его помощью решать задачи о назначениях. Немного затрону теории про то, в каких случаях и для каких задач применим данный алгоритм, поэтапно разберу его на мною выдуманном примере, и поделюсь своим скромным наброском кода его реализации на языке R. Приступим!

Пару слов о методе

Для того чтобы не расписывать много теории с математическими терминами и определениями, предлагаю рассмотреть пару вариантов построения задачи о назначениях, и я думаю Вы сразу поймете в каких случаях применим Венгерский метод:

• Задача о назначении работников на должности. Необходимо распределить работников на должности так, чтобы достигалась максимальная эффективность, или были минимальные затраты на работу.
• Назначение машин на производственные секции. Распределение машин так, чтобы при их работе производство было максимально прибыльным, или затраты на их содержание минимальны.
• Выбор кандидатов на разные вакансии по оценкам. Этот пример разберем ниже.

Как Вы видите, вариантов для которых применим Венгерский метод много, при этом подобные задачи возникают во многих сферах деятельности.

В итоге задача должна быть решена так, чтобы один исполнитель (человек, машина, орудие, …) мог выполнять только одну работу, и каждая работа выполнялась только одним исполнителем.

Необходимое и достаточное условие решения задачи – это ее закрытый тип. Т.е. когда количество исполнителей = количеству работ (N=M). Если же это условие не выполняется, то можно добавить вымышленных исполнителей, или вымышленные работы, для которых значения в матрице будут нулевыми. На решение задачи это никак не повлияет, лишь придаст ей тот необходимый закрытый тип.

Step-by-step алгоритм на примере

Постановка задачи: Пусть намечается важная научная конференция. Для ее проведения необходимо настроить звук, свет, изображения, зарегистрировать гостей и подготовиться к перерывам между выступлениями. Для этой задачи есть 5 организаторов. Каждый из них имеет определенные оценки выполнения той, или иной работы (предположим, что эти оценки выставлены как среднее арифметическое по отзывам их сотрудников). Необходимо распределить организаторов так, чтобы суммарная их оценка была максимальной. Задача имеет следующий вид:

Если задача решается на максимум (как в нашем случае), то в каждой строке матрицы необходимо найти максимальный элемент, его же вычесть из каждого элемента соответствующей строки и умножить всю матрицу на -1. Если задача решается на минимум, то этот шаг необходимо пропустить.

В каждой строке и в каждом столбце должен быть только один выбранный ноль. (т.е. когда выбрали ноль, то остальные нули в этой строке или в этом столбце уже не берем в расчет). В этом случае это сделать невозможно:

(Если задача решается на минимум, то необходимо начинать с этого шага ). Продолжаем решение далее. Редукция матрицы по строкам (ищем минимальный элемент в каждой строке и вычитаем его из каждого элемента соответственно):

Т.к. все минимальные элементы – нулевые, то матрица не изменилась. Проводим редукцию по столбцам:

Опять же смотрим чтобы в каждом столбце и в каждой строке был только один выбранный ноль. Как видно ниже, в данном случае это сделать невозможно. Представил два варианта как можно выбрать нули, но ни один из них не дал нужный результат:

Продолжаем решение дальше. Вычеркиваем строки и столбцы, которые содержат нулевые элементы (ВАЖНО! Количество вычеркиваний должно быть минимальным ). Среди оставшихся элементов ищем минимальный, вычитаем его из оставшихся элементов (которые не зачеркнуты) и прибавляем к элементам, которые расположены на пересечении вычеркнутых строк и столбцов (то, что отмечено зеленым – там вычитаем; то, что отмечено золотистым – там суммируем; то, что не закрашено – не трогаем):

Как теперь видно, в каждом столбце и строке есть только один выбранный ноль. Решение задачи завершаем!

Подставляем в начальную таблицу месторасположения выбранных нулей. Таким образом мы получаем оптимум, или оптимальный план, при котором организаторы распределены по работам и сумма оценок получилась максимальной:

Если же вы решаете задачу и у вас до сих пор невозможно выбрать нули так, чтобы в каждом столбце и строке был только один, тогда повторяем алгоритм с того места где проводилась редукция по строкам (минимальный элемент в каждой строке).

Реализация на языке программирования R

Венгерский алгоритм реализовал с помощью рекурсий. Буду надеяться что мой код не будет вызывать трудностей. Для начала необходимо скомпилировать три функции, а затем начинать расчеты.

Данные для решения задачи берутся из файла example.csv который имеет вид:

#Подключаем библиотеку для удобства расчетов library(dplyr) #Считываем csv фаил (первый столбик - названия строк; первая строка - названия столбцов) table <- read.csv("example.csv",header=TRUE,row.names=1,sep=";") #Проводим расчеты unique_index <- hungarian_algorithm(table,T) #Выводим cat(paste(row.names(table)," - ",names(table)),sep = "\n") #Считаем оптимальный план cat("Оптимальное значение -",sum(mapply(function(i, j) table, unique_index$row, unique_index$col, SIMPLIFY = TRUE))) #____________________Алгоритм венгерского метода__________________________________ hungarian_algorithm <- function(data,optim=F){ #Если optim = T, то будет искаться максимальное оптимальное значение if(optim==T) { data <- data %>% apply(1,function(x) (x-max(x))*(-1)) %>% t() %>% as.data.frame() optim <- F } #Редукция матрицы по строкам data <- data %>% apply(1,function(x) x-min(x)) %>% t() %>% as.data.frame() #Нахождение индексов всех нулей zero_index <- which(data==0, arr.ind = T) #Нахождение всех "неповторяющихся" нулей слева-направо unique_index <- from_the_beginning(zero_index) #Если количество "неповторяющихся" нулей не равняется количеству строк в исходной таблице, то.. if(nrow(unique_index)!=nrow(data)) #..Ищем "неповторяющиеся" нули справа-налево unique_index <- from_the_end(zero_index) #Если все еще не равняется, то продолжаем алгоритм дальше if(nrow(unique_index)!=nrow(data)) { #Редукция матрицы по столбцам data <- data %>% apply(2,function(x) x-min(x)) %>% as.data.frame() zero_index <- which(data==0, arr.ind = T) unique_index <- from_the_beginning(zero_index) if(nrow(unique_index)!=nrow(data)) unique_index <- from_the_end(zero_index) if(nrow(unique_index)!=nrow(data)) { #"Вычеркиваем" строки и столбцы которые содержат нулевые элементы (ВАЖНО! количество вычеркиваний должно быть минимальным) index <- which(apply(data,1,function(x) length(x)>1)) index2 <- which(apply(data[-index,],2,function(x) length(x)>0)) #Среди оставшихся элементов ищем минимальный min_from_table <- min(data[-index,-index2]) #Вычитаем минимальный из оставшихся элементов data[-index,-index2] <- data[-index,-index2]-min_from_table #Прибавляем к элементам, расположенным на пересечении вычеркнутых строк и столбцов data <- data+min_from_table zero_index <- which(data==0, arr.ind = T) unique_index <- from_the_beginning(zero_index) if(nrow(unique_index)!=nrow(data)) unique_index <- from_the_end(zero_index) #Если все еще количество "неповторяющихся" нулей не равняется количеству строк в исходной таблице, то.. if(nrow(unique_index)!=nrow(data)) #..Повторяем весь алгоритм заново hungarian_algorithm(data,optim) else #Выводим индексы "неповторяющихся" нулей unique_index } else #Выводим индексы "неповторяющихся" нулей unique_index } else #Выводим индексы "неповторяющихся" нулей unique_index } #_________________________________________________________________________________ #__________Функция для нахождения "неповторяющихся" нулей слева-направо___________ from_the_beginning <- function(x,i=0,j=0,index = data.frame(row=numeric(),col=numeric())){ #Выбор индексов нулей, которые не лежат на строках i, и столбцах j find_zero <- x[(!x[,1] %in% i) & (!x[,2] %in% j),] if(length(find_zero)>2){ #Записываем индекс строки в вектор i <- c(i,as.vector(find_zero)) #Записываем индекс столбца в вектор j <- c(j,as.vector(find_zero)) #Записываем индексы в data frame (это и есть индексы уникальных нулей) index <- rbind(index,setNames(as.list(find_zero), names(index))) #Повторяем пока не пройдем по всем строкам и столбцам from_the_beginning(find_zero,i,j,index)} else rbind(index,find_zero) } #_________________________________________________________________________________ #__________Функция для нахождения "неповторяющихся" нулей справа-налево___________ from_the_end <- function(x,i=0,j=0,index = data.frame(row=numeric(),col=numeric())){ find_zero <- x[(!x[,1] %in% i) & (!x[,2] %in% j),] if(length(find_zero)>2){ i <- c(i,as.vector(find_zero)) j <- c(j,as.vector(find_zero)) index <- rbind(index,setNames(as.list(find_zero), names(index))) from_the_end(find_zero,i,j,index)} else rbind(index,find_zero) } #_________________________________________________________________________________

Результат выполнения программы:

Рассмотрим следующий пример. Пусть для выполнения пяти различных работ имеется пять человек. Из отчетных данных известно, какое время требуется каждому из них для выполнения каждой работы. Эти данные приведены в таблице.

исполнители
потребности

В данном случае величины представляют собой затраты времени каждого работника на выполнение каждой из работ, а величины равны либо 1, либо 0, причем равен 1, если работник i назначен на работу j, и 0 во всех остальных случаях. Таким образом задача сводится к минимизации функции. стоимость маршрут линейный программирование

при следующих ограничениях.

Ясно, что если отбросить последнее условие и заменить его условием

То получается транспортная задача, в которой все потребности и все ресурсы равны единице. В оптимальном решении все равны либо целому числу, либо нулю, причем единственным возможным целым является единица. Таким образом, решение транспортной задачи при этих условиях всегда приводит к равенству.

Однако вследствие вырожденности методы решения транспортных задач в случае задачи о назначении оказываются малоэффективными. При любом назначении всегда автоматически совпадают поставки по строке со спросом по столбцу и поэтому вместо 2n-1 получаем n ненулывых значений. В связи с этим необходимо заполнить матрицу n-1 величинами е, и может оказаться, что ненулевые значения определяют оптимальное решение, однако проверка его не обнаруживает, так как величины е расставлены неверно.

Метод решения задачи о назначении основан на двух довольно очевидных теоремах. Первая из них утверждает, что решение не изменится, если прибавить к любому столбцу или строке матрицы некоторую константу или вычесть ее из них. Эта теорема точно формулируется следующим образом:

Теорема 1.

Если минимизирует

по всем, таким что и

то минимизирует также функционал

где при всех

Теорема 2.

Если все и можно отыскать набор такой, что

то это решение оптимально.

Вторая теорема очевидна. Для доказательства первой теоремы заметим, что

Вследствие того что величины, вычитаемые из Z с целью получения, не зависят от, достигает минимума всегда, когда минимизируется Z, и наоборот.

Разработанный метод решения сводится к прибавлению констант к строкам и столбцам и вычитанию их из строк и столбцов до тех пор, пока достаточное число величин не обращается в нуль, что дает решение, равное нулю.

Отыскание решения начинают, вычитая наименьший элемент из каждой строки, а затем из каждого столбца. В таблице даны результаты для приведенного выше примера.

Таблица А)

исполнители		вычитается

Таблица Б)

исполнители
вычитается

Из столбцов и строк было вычтено всего 10 единиц. Поэтому для правильной оценки любого решения, получаемого при использовании таблицы (Б), необходимо прибавить к результату 10 единиц

Прежде всего стремятся отыскать решение, включающее лишь те клетки таблицы (Б),в которых стоят нулевые элементы, поскольку такое решение, если его удается найти, будет наилучшим из всех возможных. Однако встречаются случаи, когда несколько решений имеют одинаковое качество. Допустимое решение помечено в таблице (Б) скобками. Однако, для того чтобы определить, возможно ли улучшение решения, применяется следующий алгоритм.

Заметим предварительно, что любое дальнейшее вычитание из строки или столбца, хотя и может приводить к появлению новых нулей, неизбежно приводит в появлению отрицательных элементов, так что нулевое решение теперь не обязательно будет оптимальным. Однако отрицательные элементы можно исключить, прибавляя соответствующие числа к строкам или столбцам. Так например, если вычесть 2 из столбца 1 в таблице (Б), то в строке 1 появится элемент - 2. Если теперь прибавить 2 к строке 1, то вновь получим матрицу с неотрицательными элементами. Задача заключается в том, чтобы получать новые нули указанным способом, но вместе с тем в конечном счете получить матрицу, содержащую решение среди одних нулей. Можно доказать, что описываемый ниже алгоритм обеспечивает решение этой задачи.

1. Провести минимальное число горизонтальных и вертикальных прямых, пересекающих по крайней мере один раз все нули. Выполнение этого шага для таблицы (Б) дает результат в таблице 1.

Таблица 1

Заметим, что в данном случае используется только четыре линии, а следовательно, нулевые клетки не содержат оптимального решения.

• 2. Выбрать наименьший элемент, через который не проведена линия. В примере это 1 в клетке (5,2).
• 3. Вычесть это число из всех элементов, через которые не проведена ни одна линия, и прибавить его ко всем элементам, через которые проведены две линии. В данном примере получается результат, показанный в таблице 2.

Таблица 2

Этот шаг должен приводить к появлению нуля в клетке, где его ранее не было. В рассматриваемом примере это клетка (5,2).

4. Определить, имеется ли решение среди нового набора нулей. Если решение не обнаруживается (в данном примере оно отсутствует), то вернуться к шагу 1 и выполнить все последующие шаги, пока не будет найдено решение. продолжая рассматривать данный пример, получаем результат, приведенный в таблице 3.

Таблица 3

В этой таблице уже содержится решение, помеченное скобками и имеющее значение 13, что на 1 лучше исходного допустимого решения. , .

Пример 2.

Представлено четыре студента и четыре вида работ. Следующая таблица соответствует матрице стоимостей для этой задачи.

Выполним первый шаг алгоритма.

Теперь вычтем минимальные стоимости из элементов соответствующих строк.

На втором шаге алгоритма находим минимальные значения по столбцам и вычитаем их из элементов соответствующих столбцов. В результате получим матрицу, представленную в следующей таблице.

В последней матрице расположение нулевых элементов не позволяет назначить каждому ребенку одну работу. Например, если мы назначим Даше уборку гаража, из дальнейшего рассмотрения исключается первый столбец и тогда, в строке Аллы не окажется нулевых элементов.

• 1) В последней матрице проведем минимальное число горизонтальных и вертикальных прямых по строкам и столбцам с тем, чтобы вычеркнуть все нулевые элементы.
• 2) Найдем наименьший невычеркнутый элемент и вычтем его из остальных невычеркнутых элементов и прибавим к элементам, стоящим на пересечении проведенных прямых.

В задаче данного примера требуется провести три прямых, это приводит к следующей таблице:

Наименьший невычеркнутый элемент равен 1. Этот элемент вычитаем из остальных невычеркнутых элементов и прибавляем к элементам, стоящим на пересечении прямых. В результате получим матрицу, представленную в следующей таблице.

Оптимальное решение, показанное в таблице, предлагает Даше убрать гараж, Кате стричь газоны, Алле мыть машины, а Саше выгуливать собак. Соответствующее значение целевой функции равно 1+10+5+5=21. Такое же значение можно получить путем суммирования значений и и значения элемента, наименьшего среди всех невычеркнутых.

Получился - граф . Вершины слева – разработчики, вершины справа – технологии (задачи). Ребра, которые их соединяют – означают то, насколько разработчик в ней разбирается. Эти цифры, т.е. степень владения разработчиком данной технологией, очень важны, но к ним обратимся чуть позже. А пока мы уже верно наметили направление, в котором эффективно решается данная задача:

3. Графы

Самые основы графов были изложены в статье (), поэтому сразу перейду к терминологии, касающейся данной задачи:

Двудольный граф – граф, у которого существует такое разбиение множества вершин на две части (доли), что концы каждого ребра принадлежат разным долям. В нашей задаче тоже есть четкое разделение: одни вершины – это разработчики, другие – задачи, и связи (эффективность владения) есть только между разработчиками и задачами.
Паросочетанием неориентированного графа G называется подмножество M его ребер E, выбранное так, что никакие два ребра из M не являются смежными, т.е. не имеют общей вершины. В терминах нашей задачи синонимом этому будет «назначение» , чтобы каждый задействованный разработчик взял на себя отдельную задачу. И не получилось такого, что два разработчика прорабатывают одну проблему, или один «бедняга» отвечал за две задачи.

В теории графов наша проблема, как это ни странно, называется Задачей о Назначениях (ЗН) . =) Она является частным случаем задачи нахождения максимального паросочетания. В самом деле, мы ведь стремимся максимально задействовать ресурсы, чтобы одновременно прорабатывалось максимальное число технологий, поэтому в терминах графов - пытаемся найти «максимальное паросочетание», составить максимальное количество пар разработчик-задача.

4. Максимальное паросочетание

Чтобы упростить себе жизнь, мы пока не обращаем внимания на способности людей. Просто хотим каждому подыскать работу. Нескольким первым попавшимся под руку разработчикам предложить работать со знакомой им технологией не составит проблем. Продолжая в том же духе, мы распределим еще несколько задач, но построенное таким образом паросочетание вряд ли будет максимальным. Возможна ситуация как та, что изображена на рисунке:

Как же увеличить паросочетания (назначения)?

Выберем незадействованного разработчика, которому еще не назначена задача. Посмотрим, с чем бы он мог справиться, т.е. знакомые ему технологии. Если нашли среди них свободную – отлично, это то, что мы и искали. Назначаем. А если задача уже «занята» другим разработчиком? Попробуем занятому разработчику подыскать другую свободную технологию, ведь в таком случае эту - мы бы назначили нашему незадействованному подопечному. В общем, из вершины незадействованного разработчика или разработчика, которому мы пытаемся переназначить задачу, мы просматриваем все знакомые ему технологии на наличие свободной:

• если нашли свободную – поиск завершен
• если задача уже кому-то назначена, то пройдя по этому ребру паросочетания, попытаемся «переназначить» технологию разработчику, участвующему в данном назначении

В ходе такого обхода графа мы пытаемся из «незадействованного разработчика» попасть в «свободную задачу». Таким образом поиск «разворачивается» в следующее дерево:

Добавим еще немного терминологии из теории графов, простыми словами:

Экспонированная вершина – это вершина, которая не участвует в текущем паросочетании. Т.е. либо «незадействованный разработчик», либо «свободная задача».
Альтернирующая цепь – это цепь, ребра которой попеременно лежат или не лежат в паросочетании. (…- владение технологией – назначенная задача – владение технологией – назначенная задача - …)
Альтернирующее дерево – дерево, состоящее из альтернирующих цепей
Аугментальная цепь – это такая альтернирующая цепь, начальная и конечная вершины которой экспонированы. Вот как называется то, что мы и ищем! =)
Аугментальное дерево – соответственно дерево, в котором хотя бы одна из веток – это аугментальная цепь.

Вот и нашли способ наращивать паросочетание, стремясь получить максимальное. Нужно строить альтенирующее дерево. Когда оно станет аугментальным, искать аугментальные цепи из «незадействованного разработчика» в «свободную задачу» и потом «переназначать» задачи вдоль них. Это выгодно, т.к. увеличивает количество «задач в обработке» на 1:

Теперь мы уже сможем задействовать наибольшее количество технологий в проекте. Самое время принять во внимание еще одно важное условие поставленной перед нами проблемы: эффективность владения технологиями. Мы ведь хотим оптимально назначить всем задачи.

5. Венгерский метод.

Найти решение с максимальной суммарной эффективностью (стоимостью). Звучит, в некотором смысле, похоже на задачу об оптимальной упаковке рюкзака. Наводит на мысль. Вот если бы нам представилась возможность действовать по принципу «жадных алгоритмов».

Мы бы для начала всем разработчикам до упора назначили задачи в соответствии с их максимальными способностями. Если всем разработчикам удалось сразу же распределить задачи - отлично. Но такое происходит не часто. Вдруг два человека, оптимально владеют одной и той же технологией, кому она достанется и что делать в этой ситуации? Одному из разработчиков нужно будет подыскать иную свободную задачу, так же наиболее соответствующую его способностям. Если при текущих (максимальных требованиях) условиях не найдется свободной задачи, то нужно будет попробовать подыскать среди задач, предварительно немного занизив наши требования. Как бы искусственно занизить способности разработчиков в графе. Если в таких условиях обнаружим свободную задачу – получим аугментальное дерево. «Поменяем» по цепочке паросочетания, после чего будет +1. И продолжим назначать таким вот оптимальным образом, пока всем не подыщем работу.

Стратегия ясна.

Мы почти разгадали принцип Венгерского алгоритма. Но как все же построить решение по принципу «жадных алгоритмов»: до упора назначить по max способностям, потом чуть занизить способности и добавив к рассмотрению новые задач, до упора назначить их, занизить… и.т.д.? Как оценить способности и оптимальность текущего назначения?

Вся «фишка» этого алгоритма заключается в следующем. Нам дан всего один параметр в графе – эффективность решения определенной задачи разработчиком, что указано на ребрах. Эта величина присвоена парам разработчик-задача. Мы же «разделим» (отделим от пар) эти величины на две. Искусственно добавим два дополнительных параметра. Одни величины будут приписаны вершинам задач, другие - вершинам разработчиков.

Попробую привести такую интерпретацию:

• у разработчиков мы укажем их «способности» , допустим в единицах «сил», просто указывающие на то, насколько эффективно мы можем их задействовать или задействовали.
• у задач мы укажем их «изученность» , или, если можно так выразиться, «переизбыток внимания». Этот параметр будем так же измерять в «силе». Переизбыток внимания к задаче возникает в следующей ситуации. Если мы какого-то разработчика «недогрузили», т.е. он способен решать задачу на 5, а ему досталась всего на 3. То у него остается еще 2 «силы» которые он, в принципе, может уделить какой-то из знакомых ему задач. Бегать между кабинетов, консультировать по телефону, давать советы тем, кто занимается любимой ему технологией.

Таким образом, величины указанные на ребрах мы «разделим» на 2 значения, приписанных уже вершинам: эффективность решения задачи = способность разработчика + изученность задачи. В принципе, логично. Чем способней разработчик или чем более известна технология, тем лучше будет реализована эта часть в проекте. Эффективней.

В конце, после того как мы найдем решение, мы конечно будем учитывать только величины на ребрах, но сейчас эта «фишка» поможет нам найти решение. =)

6. Описание алгоритма

Инициализируем граф. Будучи «упертыми оптимистами », мы для каждого разработчика рассчитаем его максимальную «способность» по знакомым ему технологиям, и присвоим ему это число. Everyone enjoys doing the kind of work for which he is best suited . О задачах пока ничего неизвестно, поэтому их «изученность» инициализируем нулями.

При поиске «свободной задачи» для «незадействованного разработчика» мы ограничимся теперь только (назовем их) оптимальными ребрами графа, т.е. теми, для которых выполняется равенство: эффективность решения задачи (ребро) = способность разработчика (вершина) + изученность задачи (вершина) .

Далее мы поступаем так же, как и при поиске максимального паросочетания. Хватаем по очереди незадействованных разработчиков и, подыскивая им свободные задачи, строим альтернирующее дерево (состоящее из чередующихся цепей), но уже только по оптимальным ребрам. Далее возможно 2 ситуации:

• Удалось обнаружить свободную задачу. Дерево стало аугментальным. «Переназначаем» задачи, наращиваем паросочетание. Начинаем строить альтернирующее дерево заново, т.к. мало ли как там граф изменился
• Мы не нашли (не достигли) свободную задачу по оптимальным ребрам. А она есть, т.к. начинали ведь мы со свободного разработчика, а в графе у нас одинаковое количество задач и разработчиков. Полученное альтернирующее дерево становится, так называемым, Венгерским (весь метод так же называется). В данном случае нам нужно будет немного понизить наши требования к разработчикам и начать поиски заново. Failure is simply the opportunity to begin again, this time more intelligently (с) .

Вот и подошли к последнему моменту Венгерского метода для чего все эти дополнительные параметры и «способности» задумывались. Допустим, что, наращивая альтернирующее дерево, мы в конечном итоге получили - Венгерское дерево. Рассмотрим, какие вершины попадут в это дерево:

• Незадействованные разработчики, т.к. именно с них мы начинаем стоить дерево
• Разработчики и задачи, до которых можно дотянуться по оптимальным ребрам из незадействованных разработчиков. Т.к. именно через их «переназначение» мы пытаемся трудоустроить последних.

Снаружи этого дерева, в оставшемся графе будут присутствовать:

• Разработчики и задачи, находящиеся в паросочетании, но недоступные из свободных вершин (разработчиков). Нашли им работу – нечего их пока трогать.
• Задачи, недостижимые по оптимальным ребрам – до них нам и нужно будет добраться. Поэтому при построении дерева мы будем отмечать вершины, в которые удалось попасть. А эти задачи, соответственно, останутся неотмеченными.

Далее в цикле мы пробежим по «границе» дерева: по тем ребрам, которые соединяют незадействованных разработчиков или разработчиков, достижимых из них (может их удастся «переназначить»), со смежными задачами (по неоптимальным ребрам). По этим ребрам мы вычислим минимальное на текущий момент «несоответствие» способностей разработчика, чтобы он смог приступить к этой задаче: delta = min(способность разработчика (вершина) + изученность задачи (вершина) - эффективность решения задачи (ребро)) .

После чего внутри венгерского дерева мы:

• Понизим способности разработчиков на delta, чтобы «присоединить» наименее безболезненным способом, по крайней мере, одно ребро к альтернирующему дереву, по которому в следующий раз будем продолжать поиски свободной задачи
• Повысим «изученность» задач на delta, чтобы внутри уже сейчас построенного аугментального графа ребра - остались оптимальными. Т.е. чтобы сохранилось равенство: эффективность решения задачи (ребро) = способность разработчика (вершина) + изученность задачи (вершина)

Мини-интерпретация: мы понижаем способности разработчикам, чтобы впоследствии «пристроить» хотя бы одного из них. Мы его пристроим, но он будет работать не в соответствии со своей квалификацией. Он бы смог большего. Поэтому у него высвобождается некоторое количество времени, чтобы проконсультировать коллег по задаче, в которой он наиболее компетентен. Она становится более изученной в команде. Ей в свою очередь наверняка занимался другой разработчик, который теперь тоже сможет подменяться в случае чего. Можно понизить и его компетенцию на изученность задачи. И так далее «по цепочке» в команде повышается «изученность» задач и немного понижаются способности разработчиков, чтобы найти им назначения.

Все. Все шаги данного метода рассмотрены. Продолжаем в том же духе… Success is not final, failure is not fatal: it is the courage to continue that counts .

7. Алгоритм словами, очень кратко

Соберем теперь все до кучи:

• Инициализация. Разработчикам – max способности. Задачи – не изучены.
• Пока не всем разработчикам нашли задачи.
  • Пока удается построить аугментальное дерево (находить свободные задачи) по оптимальным ребрам
    • «Переназначаем» задачи, увеличивая паросочетания
  • Не достигли свободной задачи. Венгерское дерево.
    • Понижаем способности разработчиков на min величину

8. Листинг

Код, конечно, будет покороче, чем все мое описание. =)

Я взял его . На мой взгляд, очень хорошая реализация. Единственное отличие, у автора приведен код метода минимизации назначений (если, допустим, на ребрах – зарплата), а в статье мы распределяли задачи с целью получения максимальной эффективности. Поэтому, слегка модифицировав код, приведу ниже реализацию максимального метода:

int n;
vector < vector > a; // Матрица эффективности a[разраб][задача]
vector xy, yx; // Паросочетания: xy[разраб], yx[задача]
vector vx, vy; // Альтернирующее дерево vx[разраб], vy[задача]
vector maxrow, mincol; // Способности, изученность

bool dotry (int i) {
if (vx[i]) return false ;
vx[i] = true ;
for (int j=0; jif (a[i][j]-maxrow[i]-mincol[j] == 0)
vy[j] = true ;
for (int j=0; jif (a[i][j]-maxrow[i]-mincol[j] == 0 && yx[j] == -1) {
xy[i] = j;
yx[j] = i;
return true ;
}
for (int j=0; jif (a[i][j]-maxrow[i]-mincol[j] == 0 && dotry (yx[j])) {
xy[i] = j;
yx[j] = i;
return true ;
}
return false ;
}

int main() {

// ... чтение a ...

Mincol.assign (n, 0);
minrow.assign (n, 0);
for (int i=0; ifor (int j=0; j maxrow[i] = max (maxrow[i], a[i][j]);

Xy.assign (n, -1);
yx.assign (n, -1);
for (int c=0; c vx.assign (n, 0);
vy.assign (n, 0);
int k = 0;
for (int i=0; iif (xy[i] == -1 && dotry (i))
++k;
c += k;
if (k == 0) {
int z = INF;
for (int i=0; iif (vx[i])
for (int j=0; jif (!vy[j])
z = min (z, maxrow[i]+mincol[j]-a[i][j]);
for (int i=0; iif (vx[i]) maxrow[i] -= z;
if (vy[i]) mincol[i] += z;
}
}
}

int ans = 0;
for (int i=0; i ans += a[i]];
printf ("%d\n" , ans);
for (int i=0; i printf ("%d " , xy[i]+1);
}

* This source code was highlighted with Source Code Highlighter .

9. Итого

Если кто-то видит Венгерку впервые. И после прочтения описания, а за ним листинга – возникнет уверенное впечатление «да тут по листингу и без этих описаний все понятно, что было распинаться». Буду все же надеяться, что хоть отчасти описание добавило понимания в работу алгоритма. Буду искренне рад за Вас! а мне, в свою очередь, это немного даст почувствовать, что писал, наверное, не зря. =)

Теги:

• задача о назначениях
• венгерский алгоритм
• алгоритм Куна

Добавить метки

Алгоритм решения:

1. Решаемзадачу на минимум. Цель данного шага - получение максимально возможного числа нулей в матрице С. Для этого находим в матрице С в каждой строке минимальный элемент и вычитаем его из каждого элемента соответствующей строки. Аналогично в каждом столбце вычитаем соответствующий минимальный элемент.

Если задана не квадратная матрица, то делаем её квадратной, проставляя стоимости равными максимальному числу в заданной матрице.

2. Если после выполнения первого шага можно произвести назначения, то есть в каждой строке и столбце выбрать нулевой элемент, то полученное решение будет оптимальным. Если назначения провести не удалось, то переходим к третьему шагу.

3. Минимальным числом прямых вычёркиваем все нули в матрице и среди не вычеркнутых элементов выбираем минимальный, его прибавляем к элементам, стоящим на пересечении прямых и отнимаем от всех не вычеркнутых элементов. Далее переходим к шагу 2.

Венгерский метод наиболее эффективен при решении транспортных задач с целочисленными объемами производства и потребления.

Пример

Задача о назначениях является частным случаем транспортной задачи, в которой ai = bj = 1. Поэтому ее можно решать алгоритмами транспортной задачи. Рассмотрим другой метод, который является более эффективным, учитывающим специфику математической модели. Этот метод называется венгерским алгоритмом.

Он состоит из следующих шагов:

1) преобразования строк и столбцов матрицы ;

2) определение назначения;

3) модификация преобразованной матрицы.

1-й шаг . Цель данного шага — получение максимально возможного числа нулевых элементов в матрице С. Для этого из всех элементов каждой строки вычитаем минимальный элемент соответствующей строки, а из всех элементов каждого столбца вычитаем минимальный элемент соответствующего столбца.

2-й шаг. Если после выполнения 1-го шага в каждой строке и каждом столбце матрицы С можно выбрать по одному нулевому элементу, то полученное решение будет оптимальным назначением.

3-й шаг . Если допустимое решение, состоящее из нулей, не найдено, то проводим минимальное число прямых через некоторые столбцы и строки так, чтобы все нули оказались вычеркнутыми. Выбираем наименьший невычеркнутый элемент. Этот элемент вычитаем из каждого невычеркнутого элемента и прибавляем к каждому элементу, стоящему на пересечении проведенных прямых.

Если после проведения 3-го шага оптимальное решение не достигнуто, то процедуру проведения прямых следует повторять до тех пор, пока не будет получено допустимое решение.

Пример .

Распределить ресурсы по объектам.

Решение. 1-й шаг. Значения минимальных элементов строк 1, 2, 3 и 4 равны 2, 4, 11 и 4 соответственно. Вычитая из элементов каждой строки соответствующее минимальное значение, получим

Значения минимальных элементов столбцов 1, 2, 3 и 4 равны 0, 0, 5, 0 соответственно. Вычитая из элементов каждого столбца соответствующее минимальное значение, получим

2-й шаг. Ни одно полное назначение не получено, необходимо провести модификацию матрицы стоимостей.

3-й шаг. Вычеркиваем столбец 1, строку 3, строку 2 (или столбец 2). Значение минимального невычеркнутого элемента равно 2:

Вычитаем его из всех невычеркнутых элементов и, складывая его со всеми элементами, расположенными на пересечении двух линий, получим

Ответ. Первый ресурс направляем на 3-й объект, второй — на 2-й объект, четвертый — на 1-й объект, третий ресурс — на 4-й объект. Стоимость назначения: 9 + 4 + 11 + 4 = 28.

Примечания. 1. Если исходная матрица не является квадратной, то нужно ввести фиктивные ресурсы или фиктивные объекты, чтобы матрица стала квадратной.