Python实现分配问题常见求解算法——竞拍算法(Auction Algorithm)

竞拍算法(Auction Algorithm)原理及工作过程分析 因一些项目工作需要对竞拍算法进行深入了解。但百度了大部分资料都未找到一篇文章能对此算法进行较为深入的介绍。在一番努力之下,终于找打了最初提出该算法的论文,本文内容主要结合该论文对竞拍算法进行分析。 竞拍算法简介 竞拍算法(Auction Algorithm)是一种用于解决分配问题的分布式算法,经相关文献查询,最早由麻省理工学院信息和决策系统实验室的Bertsekas(教授?)提出 1,于1988年发表于期刊Annals of Operations Research。 顾名思义,竞拍算法本质就是模拟人类拍. 阅读详情
AI摘要

本文介绍了如何使用Python编写竞拍算法(AuctionAlgorithm)来解决单一分配问题和完全分配问题,通过实例演示了N人竞拍N物的策略,包括报价函数、分配函数和主函数的详细代码。参考了Bertsekas的经典论文,提供了解决实际竞拍问题的完整步骤。

基于python语言,实现竞拍算法(Auction Algorithm)对分配(指派)问题(Assignment Problem)进行求解。

1. 适用场景

  • 单一分配问题
  • 完全分配问题

2. 案例

假设N个人对N个物品进行竞拍,每个人对每个物品的估值如下表。寻求使得整体利益最大化的分配策略。

商品B1商品B2商品B3商品B4
竞拍者A1481710
竞拍者A21418177
竞拍者A3951410
竞拍者A41718146

3. 代码实现

(1)报价函数

#根据最新价格确定下一轮报价
def bidding(current_assignment,current_prices):
    new_bid={}
    for bidder in bidder_set:
        if bidder in current_assignment:
            continue
        #未竞拍到物品的继续报价
        else:
            v_ij=[]
            available_object_list=copy.deepcopy(available_objects_for_bidders[bidder])
            for object in available_object_list:
                v_ij.append(value_matrix[bidder,object]-current_prices[object])
            max_v=max(v_ij) #最大收益
            bid_target=available_object_list[v_ij.index(max_v)] #最大收益对象
            v_ij.remove(max_v)
            available_object_list.remove(bid_target)
            sub_max_v=max(v_ij) #次大收益
            bid_price=value_matrix[bidder,bid_target]-sub_max_v+epsilon #下次报价
            if bid_target in new_bid:
                new_bid[bid_target][0].append(bidder)
                new_bid[bid_target][1].append(bid_price)
            else:
                new_bid[bid_target]=[[bidder],[bid_price]]
    return new_bid

(2)分配函数

#根据最新报价重新分配竞拍结果
def assigning(bid_prices,current_assignment,current_prices):
    new_prices={}
    for object in object_set:
        #收到报价的物品重新竞拍
        if object in bid_prices:
            bidders,prices=bid_prices[object]
            max_price=max(prices)
            bidder=bidders[prices.index(max_price)]
            new_prices[object]=max_price
            for people,object_ in current_assignment.items():
                if object_ == object:
                    current_assignment.pop(people)
                    current_assignment[bidder]=object
                    break
            if bidder not in current_assignment:
                current_assignment[bidder]=object
        else:
            new_prices[object]=current_prices[object]
    return new_prices,current_assignment

(3)主函数

这里采用固定ε值,为提高效率也可采用变动值,具体可阅读文末参考1.

if __name__=='__main__':
    #价格矩阵
    value_matrix={
        ('A1', 'B1'): 4 , ('A1', 'B2'): 8 , ('A1', 'B3'): 17, ('A1', 'B4'): 10,
        ('A2', 'B1'): 14, ('A2', 'B2'): 18, ('A2', 'B3'): 17, ('A2', 'B4'): 7,
        ('A3', 'B1'): 9 , ('A3', 'B2'): 5 , ('A3', 'B3'): 14, ('A3', 'B4'): 10,
        ('A4', 'B1'): 17, ('A4', 'B2'): 18, ('A4', 'B3'): 14, ('A4', 'B4'): 6,
    }
    #竞拍者集合
    bidder_set=['A1','A2','A3','A4']
    #竞拍对象集合
    object_set = ['B1', 'B2', 'B3', 'B4']
    #每个竞拍者可竞拍对象集合
    available_objects_for_bidders={
        'A1': ['B1', 'B2', 'B3', 'B4'],
        'A2': ['B1', 'B2', 'B3', 'B4'],
        'A3': ['B1', 'B2', 'B3', 'B4'],
        'A4': ['B1', 'B2', 'B3', 'B4'],
    }
    #初始竞拍结果(满足ε互补松弛条件)
    current_assignment = {'A1': 'B3', 'A2': 'B2'}
    #初始报价
    current_prices = {'B1': 0, 'B2': 0, 'B3': 0, 'B4': 0}
    #ε阈值
    epsilon=1.0
    #竞拍过程
    k=1
    while True:
        new_bid=bidding(current_assignment,current_prices)
        if len(new_bid)>0:
            new_price,new_assignment=assigning(new_bid,current_assignment,current_prices)
            current_assignment=new_assignment
            current_prices=new_price
        else:
            break
        k += 1
        print("第{}次竞拍:".format(k))
        print("\t竞拍结果为:")
        print("\t",current_assignment)
        print("\t最新定价为:")
        print("\t",current_prices)

参考

  1. Bertsekas, D.P. The auction algorithm: A distributed relaxation method for the assignment problem. Ann Oper Res 14, 105–123 (1988). https://doi.org/10.1007/BF02186476
  2. https://blog.youkuaiyun.com/weixin_47546390/article/details/108470396
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