1. Особенности решения задачи коммивояжера
1.1 Задача коммивояжера: сущность и применение на практике
Задача коммивояжера – задача математического программирования по определению оптимального маршрута движения коммивояжера, цель которого состоит в том, чтобы посетить все объекты, записанные в задании, за кратчайший срок и с наименьшими затратами. В теории графов – это поиск пути, связывающего два или более узла, с использованием критерия оптимальности1.
Задача коммивояжера является типичной задачей оптимизации, которая широко применяется при разработке программного обеспечения. Задача о коммивояжере является упрощенной моделью для многих других задач дискретной оптимизации, а также часто является подзадачей. В своей области (оптимизации дискретных задач) она служит своеобразным катализатором, стимулирующим разработку наиболее эффективных методов, алгоритмов и способов их машинной реализации.
Задача коммивояжера формулируется очень просто: на плоскости (в пространстве) расположены N городов, заданы расстояния между каждой парой городов. Требуется найти маршрут минимальной длины с посещением каждого города ровно один раз и с возвращением в исходную точку.
В задаче коммивояжера целевой функцией, которую надо минимизировать, является стоимость обхода.
Особенностью задачи о коммивояжере является необходимость дополнительно учитывать расстояния от города до города, которые предполагаются известными. Эти «расстояния» можно заменить на количество затраченного времени, стоимость проезда или предполагать другие произвольные значения. В общем случае мы даже не предполагаем, что стоимость проезда из I в J обязательно совпадает со стоимостью обратного проезда из I в J. Данная задача соединяет в себе простоту условия и сложность решения, обусловленную большими размерами поискового пространства.
На графах задача формулируется следующим образом: требуется найти гамильтонов цикл наименьшей стоимости во взвешенном полном графе. Т.е. выйдя из стартовой вершины, посетить каждую вершину графа ровно один раз и вернуться в начальную по кратчайшему пути.
Гамильтонов путь (или гамильтонова цепь) – путь (цепь), содержащий каждую вершину графа ровно один раз. Гамильтонов путь, начальная и конечная вершины которого совпадают, называется гамильтоновым циклом.
Гамильтоновы путь, цикл и граф названы в честь ирландского математика У. Гамильтона, который впервые определил эти классы, исследовав задачу «кругосветного путешествия» по додекаэдру, узловые вершины которого символизировали крупнейшие города Земли, а ребра – соединяющие их дороги2.
Существует несколько частных случаев общей постановки задачи, в частности3:
геометрическая задача коммивояжёра (также называемая планарной или евклидовой, когда матрица расстояний отражает расстояния между точками на плоскости);
треугольная задача коммивояжёра (когда на матрице стоимостей выполняется неравенство треугольника);
симметричная и асимметричная задачи коммивояжёра.
Также существует обобщение задачи, так называемая обобщённая задача коммивояжёра.
Общая постановка задачи и большинство её частных случаев, относится к классу NP-сложных задач. Поэтому алгоритмы решения этой задачи делятся на точные и приближенные. Все точные алгоритмы фактически представляют собой оптимизированный полный перебор вариантов. В некоторых случаях эти алгоритмы достаточно быстро находят решения, но в общем случае приходится перебирать все n! циклов.
При постановке задачи коммивояжера для k коммивояжеров на множестве из n+1 городов строится k замкнутых маршрутов по следующим правилам:
один из городов, называемый базой входит во все маршруты;
каждый из городов, исключая базу входит в ровно один из маршрутов;
суммарная длина всех маршрутов минимальна.
Задача коммивояжера может быть решена с применением любой процедуры исчерпывающего поиска (полного перебора), однако на практике для ускорения процесса поиска необходимы и другие соображения, использующие специфику этой задачи. Решение задачи посредством полного перебора возможно лишь при наличии общих сведений о задаче или пространстве поиска. В общем случае задача разрешима в той степени, в которой исследование части пространства поиска дает существенную информацию о характере оставшейся части этого пространства. При попытке охарактеризовать пространство поиска может быть задано множество вопросов:
Разбивается ли задача достаточно хорошо на совокупность более мелких подзадач?
Существует ли точная, непротиворечивая информация о задаче?
Ожидается ли, что в процессе решения задачи человек будет взаимодействовать с вычислительной машиной?
Задача коммивояжера имеет ряд практических применений.
Как правило, речь идет либо о простом перемещением по заданным точкам, либо с развозом груза небольшого формата или веса на транспортном средстве, вмещающем большое количество единиц, что создает предпосылки для применения задачи коммивояжера. Примером реализации задачи на практике является составление оптимального маршрута человека для доставки продуктов в магазины с оптового склада; доставки бутилированной воды; обновления программных продуктов автоматизированного учета на предприятии; пополнения банкоматов наличными деньгами; сбора сотрудников для доставки вахтовым методом; расклейки афиш; сбора наличных денежных средств их терминалов и др. В этом случае вершинами являются места установки терминалов (банкоматов и т.д.) и «базовый пункт». Стоимостью каждого ребра (отрезка маршрута) является время в пути между двумя точками (вершинами) на маршруте.
Еще одно применение задачи коммивояжера – это задача о сверлильном станке. Данное применение задачи является сугубо специализированным приложением, которое заключается в оптимизации движений сверлильного станка ЧПУ для создания большого количества нерегулярно расположенных отверстий или сварочного робота. Сверлильный станок изготавливает металлические листы с некоторым количеством отверстий. Координаты отверстий известны. Необходимо найти кратчайший путь через все отверстия, а значит, и наименьшее время, затрачиваемое на изготовление одной детали. В данном случае, если такой станок делает миллион деталей в год, то даже миллиметровая выгода может сэкономить приличные средства. Этим объясняется стремление развитых стран затрачивать огромные финансовые ресурсы на инвестиции в информационные технологии.
Внимание исследователей к этой задаче привлекает благодаря: большому количеству практических задач, которые к ней сводятся; сосредоточению характерных математических, алгоритмических вычислительных сложностей; простоте и прозрачности формулирования.