【发布时间】:2019-04-30 01:04:39
【问题描述】:
下面详细介绍了我无法解决的优化问题的简化版本。
目标是最小化通过卡车运送水的组织的成本函数,并使用该等式生成最小化成本的卡车交付时间表。
该组织全年向约 10,000 个家庭水箱供水。
油箱的最大容量为 300 加仑,所需的最小限制为 100 加仑——也就是说,油箱在低于 100 之前应加满 300。
例如,如果油箱在第 2 周为 115 加仑,预计在第 3 周使用 20 加仑,则需要在第 3 周重新填充。
费用包括:
每次送货费 10 美元
卡车的每周成本。一辆卡车每周的成本是 1,000 美元。因此,如果一周内交付 200 次,则成本为 3,000 美元
(200 * 10 + 1000 * 1)。如果交付 201 次,则成本将大幅上升至 4,010 美元(201 * 10 + 1000 * 2)。
用水量因家庭和周而异。夏季用水高峰。如果我们盲目地遵循规则在达到 100 加仑的最低限度之前重新加注,那么如果交货分散到夏天的“肩膀”,那么卡车的高峰数量可能会超过所需的数量。
我为每个家庭创建了每周用水量的估算值。此外,我对类似家庭进行了分组以减少优化问题的规模(约 10k 家庭减少到 8 组)。
重申目标:此优化器的输出应该是:对于每个家庭组,在一年中的 52 周中的每一周是否交付。
简化数据(即 8 组 12 周):
df.usage <- structure(list(reduction.group = c(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 3, 3,
3, 3, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 4, 5, 5, 5,
5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 5, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6, 6,
7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8, 8,
8, 8, 8), week = c(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 1,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
10, 11, 12, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 1, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,
12, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 1, 2, 3, 4, 5, 6,
7, 8, 9, 10, 11, 12), water_usage = c(46, 50, 42, 47, 43, 39,
38, 32, 42, 36, 42, 30, 46, 50, 42, 47, 43, 39, 38, 32, 42, 36,
42, 30, 46, 50, 43, 47, 43, 39, 38, 32, 42, 36, 42, 30, 46, 50,
43, 47, 43, 39, 38, 32, 42, 36, 42, 30, 29, 32, 27, 30, 27, 25,
24, 20, 26, 23, 27, 19, 29, 32, 27, 30, 27, 25, 24, 20, 26, 23,
27, 19, 29, 32, 27, 30, 28, 25, 25, 21, 27, 23, 27, 19, 29, 32,
27, 30, 28, 25, 25, 21, 27, 23, 27, 20), tank.level.start = c(115,
NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, 165, NA, NA, NA,
NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, 200, NA, NA, NA, NA, NA, NA,
NA, NA, NA, NA, NA, 215, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA,
NA, NA, 225, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, 230,
NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, 235, NA, NA, NA,
NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, NA, 240, NA, NA, NA, NA, NA, NA,
NA, NA, NA, NA, NA)), row.names = c(NA, 96L), class = "data.frame")
油箱等级补充规则
以下是一组嵌套循环,用于使用“重新填充”逻辑确定罐液位随时间的变化:
library(dplyr)
reduction.groups <- unique(df.usage$reduction.group)
df.after.refill.logic <- list()
for (i in reduction.groups) {
temp <- df.usage %>% filter(reduction.group == i)
temp$refilled <- 0
temp$level <- temp$tank.level.start
n <- nrow(temp)
if (n > 1) for (j in 2:n) {
temp$level[j] <- ( temp$level[j-1] - temp$water_usage[j] )
if(temp$level[j] < 100) {
temp$level[j] <- 300
temp$refilled[j] <- 1
}
}
df.after.refill.logic <- bind_rows(df.after.refill.logic, temp)
}
决策变量
一年中的每个星期是否向每个组交付或不交付(二进制)
约束
没有部分卡车:卡车的数量必须是整数
卡车容量:卡车交付/周
坦克不能低于 100 加仑:level >= 100
交付必须是二进制的
常量
1600 # truck_weekly_costs
10 # cost_per_delivery
200 # weekly_delivery_capacity_per_truck
成本函数示例
weekly_cost_function <- function(i){
cost <- (ceiling(sum(i)/200)) * 1600 + (sum(i) * 10)
cost
}
**example cost for one week with i = 199 deliveries:**
weekly_cost_function(i = 199)
[1] 3590
尝试使用 OMPR 对问题进行建模
以下是使用 OMPR 包创建的模型的开头(尽管使用其他包也可以):
我对如何使用上述数据进行设置感到困惑。 三个明显的问题:
- 如何在 OMPR 代码中包含 示例成本函数 中表达的上限逻辑?
- 下面的模型没有将数据合并到上面的数据框中 (df.usage)。目标是优化器根据四个变量(reduction.group、week、water_usage、tank_level_start)以及常量生成“refill”和“level”变量的值。
- 我在上面的“确定油箱液位”循环中编写的加注逻辑未包含在内。是否应该将其添加为约束?如果有,怎么做?
num_groups <- length(unique(df.usage$reduction.group))
num_weeks <- length(unique(df.usage$week))
MIPModel() %>%
add_variable(x[i,w], # create decision variable: deliver or not by...
i = 1:num_groups, # group,
w = 1:num_weeks, # in week.
type = "integer", # Integers only
lb = 0, ub = 1) %>% # between 0 and 1, inclusive
set_objective(sum_expr( x[i,w]/200 * 1600 + x[i,w] * 10,
i = 1:num_groups,
w = 1:num_weeks),
sense = "min") %>%
# add constraint to achieve ceiling(x[i,w]/200), or should this be in the set_objective call?
add_constraint(???) %>%
solve_model(with_ROI("glpk"))
期望的输出
这是head() 输出的示例:
reduction.group week water.usage refill level
1 1 46 0 115
1 2 50 1 300
1 3 42 0 258
1 4 47 0 211
1 5 43 0 168
1 6 39 0 129
重要的是,refill 值将最小化成本函数并使level 保持在 100 以上。
【问题讨论】:
标签: r optimization linear-programming nonlinear-optimization lpsolve