混合整数规划基础

本文介绍了混合整数规划的基础知识,包括MILP、MIQP和MIQCP模型,并详细阐述了分支定界算法,如总述、Fathomed和Incumbent Nodes的概念,以及Best Bound和Gap的计算。此外,讨论了MIP算法的改进技术,如Presolve、Cutting Planes、Huristics和Parallelism,旨在提高求解效率。

混合整数规划基础-整理自Gurobi

整数规划模型分类

MILP

混合整数线性规划
Objective: minimize cT x
Constraints: A x = b (linear constraints)
l ≤ x ≤ u (bound constraints)
some or all xj must take integer values (integrality constraints)

MIQP和MIQCP

Objective: minimize xT Q x + qT x
Constraints: A x = b (linear constraints)
l ≤ x ≤ u (bound constraints)
xT Qi x + qiT x ≤ bi (quadratic constraints)
some or all x must take integer values (integrality constraints)
MIQP混合整数二次规划:目标中包含二次项,约束中无二次项
MIQCP混合整数二次约束规划:约束中包含二次项

分支定界算法

混合整数线性规划通常采用基于线性规划的分支定界算法来求解

总述

算法的总体思路是首先将混合整数规划问题通过忽略所有的整数约束松弛为线性规划问题进行求解,如果得到的结果刚好满足整数约束,那么所得解即为原始混合整数线性规划的解。如果不满足,那么不满足的实数解比如 x = 3.4 x=3.4

混合整数规划(Mixed Integer Programming, MIP)是解决切割方案优化问题的一种有效方法,尤其适用于变量中部分或全部需要取整数的场景。在板材下料、木板切割等实际应用中,MIP模型能够通过合理利用有限资源以达到最优效益目标[^2]。 ### 模型构建 #### 1. 定义决策变量 对于切割方案优化问题,通常需要定义两类变量:一类是连续变量,表示某种切割方案使用的原材料数量;另一类是整数变量,表示特定产品的生产数量或者具体的切割方式选择。例如,在一个板材下料问题中,可以设定如下变量: - $x_i$ 表示第 $i$ 种切割方案所用的原材料数量(通常是整数)。 - $y_{ij}$ 表示使用第 $i$ 种切割方案时,获得的产品 $j$ 的数量。 #### 2. 目标函数 目标函数通常是为了最大化材料利用率或最小化成本。比如,在追求最高材料利用率的情况下,目标函数可以是所有切割方案产生的有用产品面积之和的最大化: $$\text{Maximize } Z = \sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{m} a_{ij} x_i$$ 其中,$a_{ij}$ 是第 $i$ 种切割方案产生产品 $j$ 的单个面积,$n$ 是切割方案总数,$m$ 是产品种类数。 #### 3. 约束条件 约束条件包括但不限于以下几项: - **需求约束**:确保每种产品的总产量满足需求。 $$\sum_{i=1}^{n} y_{ij} x_i \geq d_j,\quad \forall j$$ 其中,$d_j$ 表示产品 $j$ 的需求量。 - **非负性和整数性约束**:保证所有变量为非负值,并且某些变量必须为整数值。 $$x_i \in \mathbb{Z}_{\geq0},\quad y_{ij} \in \mathbb{R}_{\geq0}$$ - **其他工艺限制**:如“一刀切”约束等特殊要求,这可能需要额外的逻辑来处理。 ### 求解策略 由于MIP问题本质上属于NP难问题,直接求解大规模实例可能会非常耗时。因此,实践中常采用启发式算法和精确算法相结合的方法。例如,LINGO软件提供了强大的工具来处理这类问题,它内置了分支定界法、割平面法等多种高效求解技术[^3]。 ### 应用实例 考虑一个简化版的板材下料问题,假设我们有三种不同的产品尺寸和一块标准尺寸的原材料板。我们的任务是确定如何在这块板上安排切割,使得材料利用率最高同时满足各产品的需求数量。建立相应的MIP模型后,可以通过调用LINGO中的优化求解器来进行计算,从而得到最优解或近似最优解。 ```lingo ! Example LINGO code for cutting stock problem; MODEL: SETS: PRODUCTS /P1, P2, P3/: DEMAND, WIDTH, HEIGHT; PATTERNS /1..5/: X; LINKS(PRODUCTS, PATTERNS): A; ! A(i,j) is number of product i in pattern j; ENDSETS DATA: DEMAND = 10 20 30; WIDTH = 4 5 6; HEIGHT = 3 4 5; ! Pattern details would be defined here based on possible cuts; ENDDATA ! Objective: Minimize the total number of sheets used; MIN = @SUM(PATTERNS: X); ! Ensure that the demand for each product is met; @FOR(PRODUCTS(I): @SUM(PATTERNS(J): A(I,J)*X(J)) >= DEMAND(I); ); ! Additional constraints to ensure patterns fit within sheet dimensions... ! And integrality constraints on X variables if necessary; END ``` 这段LINGO代码提供了一个基础框架,具体参数和额外约束需要根据实际情况调整和完善。 ---
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