Cplex求解教程(基于OPL语言,可作为大规模运算输入参考)

发布时间 2023-09-21 00:37:20作者: 码头牛牛

最近导导让牛牛改篇论文,牛牛在她的指导下把非线性问题化成了线性。然鹅,化成线性后的模型决策变量和约束条件均达到上百甚至上千个,这让牛牛犯了难,以下方法或许能为这样大规模模型的变量和约束输入提供思路(๑•́₃ •̀๑)

一、问题描述及模型建立

  • 指派问题: 分配\(n\)人去做\(n\)项工作;每人做且只做一项工作;若分配第\(i\)人去做第\(j\)项工作,需花费\(c_{ij}\)成本。问应如何分配工作使总成本最小?

  • 模型建立:

\[min\quad\sum^n_{i=1}\sum^n_{j=1}c_{ij}x_{ij} \]

\(s.t.\)

\[\sum^n_{j=1}x_{ij}=1,\forall{i=1,2,\dots,n} \]

\[\sum^n_{i=1}x_{ij}=1,\forall{j=1,2,\dots,n} \]

二、模型参数变量及对应OPL语法

  • 参数(已知量):\(n\)\(c_{ij}\),均为整型;

    • OPL定义参数(int/float):int n=5或者n=...,如果为连续型变量,int改为float即可定义小数;

    • n=...允许n先不定义它是多少,用三个点表示。这种写法实现的是模型文件和数据文件分开写。

  • 集合(已知量):\([1..n]\)

    • OPL定义集合(range):语法为range 变量名=1..n

    • 上面问题可以写成range worker=1..n1..n中的两个点也是CPLEX语法,指从1到n,注意一定是两个点。

    • 定义好了集合,模型中再遇到i∈1..n时,就可以简写成i in worker了;也可以直观写成i in 1..n,看个人编程喜好。

  • 变量:\(x_{ij}\),为0-1布尔型;

    • OPL定义变量(dvar):语法为dvar 数据类型 变量

    • 上面问题可定义为dvar boolean x[Worker][Job]dvar bool x[1..n][1..n]

    • 此外,数据类型除了boolean,还有整型(int),正整数(int+)、连续型(float)等。如定义一个正整数x则为: dvar int+ x

  • 定义模型时的符号有

    • 最小化问题(minmize)

      • OPL语法:minimize
    • 约束(subject to)

      • OPL语法:subject to
  • 定义约束时的符号有:

    • 求和号\(\sum\),OPL中可表示为sum

    • 任意号\(\forall\),OPL中可表示为forall,如\(\forall{i}\in{1,..n}\)可表示为forall(i in 1..n)

CPLEX编程思想: 先定义已知量(参数、集合),再定义未知量(决策变量),然后采用"集合语言"写目标和约束。

三、Cplex求解(OPL语言)

基于上面的模型进行求解:

  • 首先编写已知量\(n,c_{ij}、1..n\)
int n=...; // 参数n
range Worker=1..n; // 工人集合
range Job=1..n; // 任务集合
int c[Worker][Job]=...; // 成本参数
  • 编写决策变量\(x_{ij}\)
dvar boolean x[Worker][Job];  // 决策变量
  • 编写目标函数
minimize sum(i in Worker)sum(j in Job) c[i][j]*x[i][j];
  • 编写约束条件
subject to
{ forall(i in 1..n)
    sum(j in 1..n) x[i][j] == 1;//约束1
  forall(j in 1..n) 
    sum(i in 1..n) x[i][j] == 1;//约束2
}
  • 写入Cplex中.mod文件如下:

再将参数\(n,c_{ij}\)数据写入.dat文件:

n=3; // 3个工人去完成3个任务
c=[[3,8,2],[8,4,6],[6,2,10]]; // 成本矩阵

最后将这两个文件放入同一个运行配置中进行求解。本文分别将上面两个文件命名为demo1.moddemo1_data.dat,运行配置命名为confit_demo(运行配置必须为英文名,不能为中文)

得出的求解结果如下:

\(x_{11},x_{22},x_{33}=1\),其余决策变量为\(0\)