PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 1/43 Obsah 1 Plánování projektu Neomezené zdroje Variabilní doba trvání 2 Barvení grafu Popis problému a jednoduché řešení Přiřazení místností Rezervační problém Rozvrhování operátorů PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 2/43 Plánování projektu Základní problém plánování projektu precedenční podmínky paralelní stroj s neomezeným počtem strojů minimalizace maximálního času konce úloh (makespan) relativně jednoduché na řešení: metoda kritické (nejdelší) cesty princip: nalezneme kritickou cestu a ta určuje makespan 21 4 6 3 5 7 1 12 3 4 2 3 Rozšíření: variabilní doba trvání doba trvání úlohy spojena s cenou provádění optimalizace: kompromis mezi cenou na ukončení projektu a cenou za zkrácení délky úloh PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 3/43 Popis problému Popis problému paralelních stroj n úloh s precedenčními omezeními doba provádění pj objektivní funkce: minimalizace maximálního času konce úloh (makespan) P∞|prec|Cmax m ≥ n metoda kritické cesty Pm|prec|Cmax 2 ≤ m < n NP úplný problém Značení Sj nejdřívější startovní čas úlohy j Cj = Sj + pj nejdřívější koncový úlohy j Sj nejpozdější startovní čas úlohy j Cj nejpozdější koncový čas úlohy j Precj (přímí) předchůdci úlohy j ∀k ∈ Precj všechny úlohy k, které předcházejí úlohu j ∀j : k ∈ Precj všechny úlohy j, které následují úlohu k PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 4/43 Metoda kritické cesty (critical path method CPM) Popis algoritmu pro nalezení kritických cest dopředná procedura start v čase 0 výpočet nejdřívějšího startovního času každé úlohy čas dokončení poslední úlohy je makespan zpětná procedura start v čase rovném makespan výpočet nejpozdějšího startovního času, aby byl realizován tento makespan Úloha s rezervou (slack job) její startovní čas může být odložen aniž je navýšen makespan úloha, jejichž nejdřívější startovní čas menší než nejpozdější startovní čas Kritická úloha úloha, která nesmí být odložena úloha, jejíž nejdřívější startovní čas je roven nejpozdějšímu start. času Kritická cesta řetěz úloh začínající v čase 0 a končící v čase Cmax v grafu může existovat více kritických cest kritické cesty se mohou částečně překrývat graf kritických cest GCP : podgraf daný množinou kritických úloh a kritických cest Cvičení: Jaký je rozdíl mezi kritickou cestou a grafem kritických cest? Ukažte rozdíl na příkladu. PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 5/43 Kritická cesta: zadání příkladu j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pj 5 6 9 12 7 12 10 6 10 9 7 8 7 5 2 7 10 12 14 4 1 3 6 9 5 8 1311 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 6/43 Příklad: dopředná procedura 2 7 10 14 4 1 3 6 9 5 8 1311 12 j legenda j j jS’ + p = C’ 0+5=5 5+6=11 5+9=14 11+12=23 14+12=26 14+7=21 26+6=32 23+10=33 26+10=36 36+7=43 33+9=42 43+8=51 43+7=50 51+5=56 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 7/43 Příklad: zpětná procedura 2 7 10 14 4 1 3 6 5 8 1311 12 9 legenda j j j j C’’ − p = S’’ 56−5=5151−8=43 51−7=44 43−9=34 43−7=36 34−10=24 36−6=30 36−10=26 24−12=12 26−7=19 26−12=14 14−9=5 12−6=6 5−5=0 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 8/43 Výsledky dopředné a zpětné procedury 51+5=56 43+8=51 43+7=50 36+7=43 33+9=42 26+6=32 23+10=33 26+10=36 11+12=23 14+12=26 14+7=21 5+6=11 5+9=14 0+5=5 2 7 10 14 4 1 3 6 9 5 8 1311 12 j legenda j j jS’ + p = C’ 5−5=0 14−9=5 12−6=6 24−12=12 26−7=19 26−12=14 34−10=24 36−6=30 36−10=26 43−9=34 43−7=36 51−8=43 51−7=44 56−5=51 2 7 10 14 4 1 3 6 5 8 1311 12 9 legenda j j j j C’’ − p = S’’ PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 9/43 Porovnání S’j a S”j 5 11 14 26 23 33 S’j 2 7 10 14 4 1 3 6 9 5 8 1311 120 5 5114 26 36 43 43 6 12 24 30 j S’’ 19 34 2 7 10 14 4 1 3 6 5 8 1311 12 9 0 5 14 26 36 43 51 44 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 10/43 Kritická cesta 2 7 10 12 14 4 1 3 6 9 5 8 1311 maxC = 56 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 11/43 Graf kritických cest GCP j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pj 5 6 9 12 7 12 10 6 10 9 7 8 8 5 2 7 10 12 14 4 1 3 6 9 5 8 1311 maxC = 56 GCP: dvě kritické cesty {1,3,6,9,11,12,14}, {1,3,6,9,11,13,14}, které se částečně překrývají PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 12/43 Metoda kritické cesty 1 Dopředná procedura 1 t = 0 2 pro všechny úlohy j bez předchůdce: Sj = 0, Cj = pj 3 vypočítej postupně pro všechny zbývající úlohy j: k1 jk2 k3 Sj = max ∀k∈Precj Ck , Cj = Sj + pj 4 optimální makespan je Cmax = max(C1, . . . , Cn) 2 Zpětná procedura t = Cmax pro všechny úlohy j bez následníka: Cj = Cmax , Sj = Cmax − pj vypočítej postupně pro všechny zbývající úlohy j: k3 j k1 k2 Cj = min ∀k:j∈Preck Sk , Sj = Cj − pj ověř, že 0 = min(S1 , . . . , Sn ) PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 13/43 Cvičení 1 Jaká je grafová reprezentace rozvrhovacího problému zadaného tabulkou: úloha doba trvání předchůdci 1 1 - 2 2 1 3 3 1 4 4 2,5,6 5 5 1,2 6 2 3 7 4 - 8 1 7,9 9 5 4 10 2 8 2 Nalezeněte graf kritických cest v tomto grafu. 3 Jaký má tento rozvrh makespan? 4 Existují v problému úlohy s rezervou? Pokud ano, uveďte o které úlohy se jedná. PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 14/43 Kompromis mezi časem a cenou Lze uvažovat variabilní dobu trvání úloh za předpokladu vyšší ceny lze zkrátit dobu provádění Lineární cena Doba trvání pmin j ≤ pj ≤ pmax j Marginální cena: cena za zkrácení doby trvání úlohy o 1 časovou jednotku cj = ca j − cb j pmax j − pmin jcj a cj b pj min pj max doba provádění prostředky (peníze) ⇒ cena provádění úlohy j po dobu pj : cb j + cj (pmax j − pj ) PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 15/43 Cena za provádění projektu Fixní režijní náklady c0 celkem: Cmaxc0 na časovou jednotku doby provádění projektu Cena F(pj ) za provádění projektu při době provádění úloh pj určena jako součet ceny za provádění všech úloh fixních režijních nákladů F(pj ) = Cmaxc0 + j cb j + cj (pmax j − pj ) Cíl: ∀j nalézt pj a Sj tak, aby byla F(pj ) minimální cj a cj b pj min pj max doba provádění prostředky (peníze) PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 16/43 Variabilní doba trvání: metody řešení Objektivní funkce: minimální cena projektu Kompromisní heuristika mezi časem a cenou dobrá kvalita rozvrhu použitené i pro nelineární cenu Další přístupy: formulace lineárního programování systém lineárních nerovnic s lineárním optimalizačním kritériem simplexová metoda optimální rozvrh nelineární verze obtížně řešitelné PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 17/43 Řez, minimální řez Orientovaný graf G = (V , E) Počáteční uzel: zdroj s ∈ V Koncový uzel: stok t ∈ V Řez: ... také mluvíme o vrcholovém řezu množina uzlů V , jejíž smazáním z grafu se rozpojí zdroj a stok E množina hran incidentních s V tj. v G’=(V-V’,E-E’) neexistuje orientovaná cesta z s to t Minimální řez: řez U takový, že neexistuje řez W ⊂ U tj. vrácení libovolného uzlu z U do grafu znovu spojí zdroj a stok řez zdroj stok minimální řez PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 18/43 Řez, minimální řez II. Uvažujme orientovaný graf G0 = (V0, E0) Do grafu přidáme zdroj: nový vrchol s a hrany S vedoucí z s do všech vrcholů G0 bez předchůdců Do grafu přidáme stok: nový vrchol t a hrany T vedoucí ze všech vrcholů G0 bez následníků do t Nový graf G = (V , E): V = V0 ∪ {s, t}, E = E0 ∪ S ∪ T Budeme hledat řezy a minimální řezy z s do t v G řez zdroj stok minimální řez př. graf má 4 minimální řezy PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 19/43 Cvičení: minimální řez Kolik minimálních řezů a které mají následující grafy? 1 2 3 4 5 6 5 7 8 1 2 3 4 6 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 20/43 Kompromisní heuristika: příklad j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pmax j 5 6 9 12 7 12 10 6 10 9 7 8 7 5 pmin j 3 5 7 9 5 9 8 3 7 5 4 5 5 2 cb j 20 25 20 15 30 40 35 25 30 20 25 35 20 10 cj 7 2 4 3 4 3 4 4 4 5 2 2 4 8 fixní režijní náklady na časovou jednotku c0=6 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 21/43 Algoritmus kompromisní heuristiky 1 Nastav doby provádění na jejich maximum: pj = pmax j Urči všechny kritické cesty s těmito dobami provádění Zkonstruuj graf GCP kritických cest 2 Urči všechny minimální řezy v GCP Najdi řezy, jejichž doba provádění je větší než jejich minimum: pj > pmin j ∀j ∈ GCP Pokud takový řez neexistuje STOP, jinak běž na krok 3 3 Pro každý minimální řez: spočítej cenu redukující všechny doby provádění o 1 časovou jednotku Vyber minimální řez s nejnižší cenou Jestliže je menší než fixní režijní náklady c0 za časovou jednotku běž na krok 4, jinak STOP 4 Redukuj všechny doby provádění v minimálním řezu o 1 časovou jednotku Urči novou množinu kritických cest Reviduj graf GCP a běž na krok 2 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 22/43 Příklad (pokračování): maximální doba provádění 2 7 10 12 14 4 1 3 6 9 5 8 1311 maxC = 56 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 23/43 Kompromisní heuristika: příklad c0=6 j 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pmax j 5 6 9 12 7 12 10 6 10 9 7 8 7 5 pmin j 3 5 7 9 5 9 8 3 7 5 4 5 5 2 cb j 20 25 20 15 30 40 35 25 30 20 25 35 20 10 cj 7 2 4 3 4 3 4 4 4 5 2 2 4 8 Náklady na provedení projektu při maximální době trvání úloh F(pmax j ) = Cmaxc0 + j cb j + cj (pmax j − pmax j ) = = Cmaxc0 + j cb j = = 56 × 6 + 20 + 25 + 20 + 15 + 30 + 40 + 35 + 25+ +30 + 20 + 25 + 35 + 20 + 10 = = 336 + 350 = 686 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 24/43 Graf kritických cest GCP Kandidáti na redukci: uzel 11 a uzel 12, vybereme uzel 12 12 141 3 6 9 11 c = 36 c = 49 c = 212 c = 814c = 71 c = 43 Rezy: {1},{3},{6},{9} {11},{12},{14} c = 211 minimální řez s nejnižší cenou ³ ulohy 12 z 8 na 7 redukce doby provádení Fixní režijní náklady se redukují z 56 × 6 na 55 × 6 = 330 Cena za provádění úloh naroste o c12 = 2, tj. 350 + 2 = 352 Celková cena klesla z 686 na 330 + 352 = 682 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 25/43 Graf kritických cest GCP 12 141 3 6 9 1311 c = 36 c = 49 c = 413 c = 212 c = 814c = 71 c = 211c = 43 Rezy: {1},{3},{6},{9} {11},{12,13},{14} minimální řez s nejnižší cenou ¬ 5 9 12 10 7 7 77 na 6 redukce doby trvání ulohy 11 ze 7 na 6 Fixní režijní náklady se redukují z 55 × 6 na 54 × 6 = 324 Cena za provádění úloh naroste o c11 = 2, tj. 352 + 2 = 354 Celková cena klesla z 682 na 324 + 354 = 678 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 26/43 Graf kritických cest GCP 12 141 3 6 9 1311 C = 36 C = 49 C = 413 C = 212 C = 814 C = 211C = 43 2 7 10 12 141 3 6 9 1311 C = 71 C = 22 C = 47C = 34 C = 510 4 5−2 10−7 5−3 6−5 12−9 10−8 9−5 7−5 12−9 9−7 8−5 další redukce: pro uzel 2 na 5 a pro uzel 11 na 5, ... 7−4 Fixní režijní náklady se redukují z 54 × 6 na 53 × 6 = 318 Cena za provádění úloh naroste o c2 + c11 = 2 + 2, tj. 354 + 4 = 358 Celková cena klesla z 678 na 318 + 358 = 676 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 27/43 Kompromisní heuristika: cvičení Jaká je cena za provádění projektu, pokud jsou doby trvání úloh maximální, tj. čemu se rovná F(pmax j ) za následujících předpokladú? fixní režijní náklady na časovou jednotku jsou c0 = 4 pmax j maximální doba trvání úlohy j pmin j minimální doba trvání úlohy j cj marginální cena cb j cena za provádění úlohy j při maximální době jejího trvání Precj předchůdci úlohy j j 1 2 3 4 5 6 7 8 pmax j 4 4 4 4 4 4 3 6 pmin j 3 2 2 2 2 2 2 6 cb j 20 25 20 15 30 40 35 25 cj 3 5 5 1 2 5 3 5 j 1 2 3 4 5 6 7 8 Precj - 2 4,5 2 2 3,7 5 6 Jak lze cenu za projekt zlepšit, pokud provedeme dva kroky kompromisní heuristiky? Kterým úlohám upravíte dobu trvání v jednotlivých krocích? PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 28/43 Obsah 1 Plánování projektu Neomezené zdroje Variabilní doba trvání 2 Barvení grafu Popis problému a jednoduché řešení Přiřazení místností Rezervační problém Rozvrhování operátorů PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 29/43 Barvení grafu Problém barvení grafu Je možné obarvit vrcholy grafu s použitím n barev tak, aby žádné dva sousední vrcholy nebyly obarveny stejnou barvou? Chromatické číslo grafu Minimální počet barev n nutný k obarvení grafu tak, by žádné dva sousední vrcholy nebyly obarveny stejnou barvou. NP-úplný problém Barvení grafu a rozvrhování Rezervační problémy Přiřazení místností Rozvrhování operátorů PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 30/43 Heuristiky pro barvení grafu se saturací Stupeň uzlu počet hran spojených s uzlem Úroveň saturace počet různých barev spojených s uzlem Intuice obarvi uzly s vyšším stupněm dříve obarvi uzly s vyšší úrovní saturace dříve Algoritmus 1 uspořádej uzly v klesajícím pořadí podle jejich stupně 2 použij barvu 1 pro první uzel 3 vyber neobarvený uzel s maximální úrovní saturace v případě volby z nich vyber uzel s maximálním stupněm v neobarveném podgrafu 4 obarvi vybraný uzel s nejmenší možnou barvou 5 jestliže jsou všechny uzly obarveny STOP jinak běž na krok 3 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 31/43 Přiřazení místností Problém přiřazení místností úloha = předmět s několika schůzkami týdně zdroj = místnost dva předměty nesmí být zároveň vyučovány ve stejné místnosti všechny schůzky předmětu musí být vyučovány ve stejné místnosti rozvrh: přiřazení místnosti každému předmětu možné řešení: nalezení rozvrhu vzhledem k danému počtu místností nalezení rozvrhu s minimálním počtem místností Přiřazení místností jako barvení grafu vrchol: předmět hrana: mezi předměty, které vyžadují stejný čas výuky barva vrcholu: odpovídá vybrané místnosti (zdroji) sousedící vrcholy/předměty musí mít různé barvy/místnosti, protože vyžadují stejný čas PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 32/43 Přiřazení místností: příklad Kolik místností je třeba k rozvrhování těchto předmětů? předmět A B C D E časy (1,4) (1,3) (2,4) (3,5) (2,5) stupeň 2 2 2 2 2 Řešení: místnost červená žlutá žlutá červená šedá čas/předmět A B C D E 1 + + - - - 2 - - + - + 3 - + - + - 4 + - + - - 5 - - - + + PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 33/43 Přiřazení místností: příklad (pokračování) předmět A B C D E saturace - 1 1 0 0 stupeň neob. - 1 1 2 2 předmět A B C D E saturace - - 1 1 0 stupeň neob. - - 1 1 2 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 34/43 Přiřazení místností: příklad (dokončení) předmět A B C D E saturace - - - 1 1 stupeň neob. - - - 1 1 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 35/43 Rezervační problém Příklady rezervace aut rezervace pokojů v hotelu rezervace strojů v továrně Určen časový interval pro každou rezervaci pj = dj − rj pj doba trvání úlohy rj termín dostupnosti dj termín dokončení Každá rezervace vyžaduje zdroj (auto, pokoj, stroj) Možné řešení lze rezervace realizovat s daným počtem zdrojů? kolik zdrojů je třeba ke splnění rezervací? PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 36/43 Rezervační problém jako barvení grafu Vrchol: rezervace Hrana: pokud se dvě rezervace překrývají v čase Barva vrcholu: odpovídá vybranému zdroji sousedící vrcholy/rezervace musí mít různé barvy/zdroje, protože se překrývají v čase kolik zdrojů je třeba ke splnění rezervací = chromatické číslo lze rezervace realizovat s daným počtem zdrojů = existuje barvení s daným počtem barev Příklad: j 1 2 3 4 5 6 7 8 rj 0 1 1 3 4 5 6 6 dj 5 3 4 7 6 7 9 8 Odpovídající problém barvení grafu: 3 28 7 6 5 1 4 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 37/43 Rozvrhování operátorů Zadáno několik různých operátorů Úloha potřebuje jeden nebo více specifických operátorů Úlohy vyžadující stejného operátora nemohou běžet zároveň Jednotková doba trvání úlohy Možné řešení: rozvržení všech úloh v rámci časového horizontu nalezení minimálního času (=makespan) tak, aby byly provedeny všechny úlohy Rozvrhování operátorů jako barvení grafu vrchol: úloha hrana: mezi úlohami, které potřebují stejného operátora barva vrcholu: čas pro realizaci úlohy sousedící úlohy/vrcholy musí mít různý čas/barvu, protože vyžadují stejného operátora rozvržení všech úloh v rámci časového horizontu = existuje barvení s daným počtem barev makespan = chromatické číslo grafu PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 38/43 Příklad: plánování schůzek Vytvoř rozvrh pro 5 schůzek se 4 lidmi schůzka = úloha, člověk = operátor všechny schůzky trvají jednu hodinu 1 2 3 4 5 Joe 1 1 0 1 1 Lisa 1 1 1 0 0 Jane 1 0 1 0 0 Larry 0 1 0 1 1 2 1 5 3 4 stupen=4 stupen=3 stupen=4 stupen=2 stupen=3 5 1 3 2 4 Můžeme vybrat buď úlohu 1 nebo úlohu 2 Např. vybereme 1 a obarvíme barvou 1 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 39/43 Příklad: plánování schůzek (dokončení) 5 1 3 2 4 Úroveň saturace = 1 pro všechny úlohy Vyber 2 vzhledem k nejvyššímu stupni                                     ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 5 1 3 2 4 Úroveň saturace = 2 pro všechny uzly Vyber 4 vzhledem k nejvyššímu stupni                                     ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ £ 5 1 3 2 4 Úroveň saturace = 2 pro uzel 3 Úroveň saturace = 3 pro uzel 5 Vyber 5 na obarvení 5 1 3 2 4 5 1 3 2 4 V posledním kroku obarvi 3 stejnou barvou jako 4 ⇒celkem 4 barvy, tj. makespan=4 PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 40/43 Shrnutí Přiřazení místností vrchol: předmět úloha hrana: mezi předměty vyžadujími stejný čas průnik časových bodů barva vrcholu: odpovídá vybrané místnosti zdroj sousedící vrcholy/předměty musí mít různé barvy/místnosti, protože vyžadují stejný čas Rezervační problém vrchol: rezervace úloha hrana: pokud se dvě rezervace překrývají v čase průnik intervalů barva vrcholu: odpovídá vybranému zdroji zdroj sousedící vrcholy/rezervace musí mít různé barvy/zdroje, protože se překrývají v čase Rozvrhování operátorů vrchol: úloha úloha hrana: mezi úlohami vyžadujícími stejného operátora průnik zdrojů barva vrcholu: čas pro realizaci úlohy časový bod sousedící úlohy/vrcholy musí mít různý čas/barvu, protože vyžadují stejného operátora PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 41/43 Cvičení Jakou grafovou reprezentaci mají následující problémy? Problémy vyřešte a ukažte postup řešení. 1 Určete, ve kterých místnostech se mají konat schůzky tak, aby byla v každé místnosti nejvýše jedna schůzka a přitom byly schůzky organizovány v uvedených termínech. předmět A B C D E časy (1,3,5) (2,4) (1,2) (3,4) (1,5) Nápověda: problém přiřazení místností 2 Stroje v továrně mají být využívány uvedenými operacemi v následujících časových intervalech. Určete, kolik strojů je třeba a které stroje budou využívat jednotlivé operace v případě, že stroj může zpracovávat nejvýše jednu operaci. operace A B C D E F interval 1-3 2-4 1-4 4-5 5-8 5-6 Nápověda: rezervační problém PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 42/43 Cvičení (pokračování) 3 Určete, kolik času je potřeba pro realizaci operací na uvedených strojích, jestliže může být na každém stroji zpracovávána nejvýše jedna operace. operace 1 2 3 4 5 6 7 stroje A,B C,D A,C,E E,F E,G D,G G Nápověda: rozvrhování operátorů PB165 Grafy a sítě: Plánování projektu 43/43