Eine polyedrische Studie des Asymmetrischen Travelling Salesman
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Eine polyedrische Studie des Asymmetrischen Travelling Salesman
Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Eine polyedrische Studie des Asymmetrischen Travelling Salesman Problems mit Zeitfenstern von Maik Müller 8. Januar 2007/ Seminar ILP, Bayreuth Einleitung Notation und Modellierung Gliederung 1 Einleitung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Gliederung 1 Einleitung 2 Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Gliederung 1 Einleitung 2 Notation und Modellierung 3 Poyedrische Analyse Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Gliederung 1 Einleitung 2 Notation und Modellierung 3 Poyedrische Analyse 4 Klassen von gültigen Ungleichungen Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen Ein ”Lifting” Verfahren Verstärkte Vorgänger/Nachfolger-Ungleichungen Separation Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Überblick Basisform der Nebenbedingungen Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Überblick Basisform der Nebenbedingungen Herleitung anderer Klassen gültiger Ungleichungen aus ATSP Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Überblick Basisform der Nebenbedingungen Herleitung anderer Klassen gültiger Ungleichungen aus ATSP Studium des ATSP-TW-Polytops PTW Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Überblick Basisform der Nebenbedingungen Herleitung anderer Klassen gültiger Ungleichungen aus ATSP Studium des ATSP-TW-Polytops PTW Bestimmung von DimPTW ist N P-vollständiges Problem Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Überblick Basisform der Nebenbedingungen Herleitung anderer Klassen gültiger Ungleichungen aus ATSP Studium des ATSP-TW-Polytops PTW Bestimmung von DimPTW ist N P-vollständiges Problem Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Einrichtungszeit (Setup): ti,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Einrichtungszeit (Setup): ti,j ≥ 0 Prozesszeit: pi ≥ 0 ∀i ∈ V ∀ (i, j) ∈ A Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Einrichtungszeit (Setup): ti,j ≥ 0 Prozesszeit: pi ≥ 0 ∀i ∈ V Freigabezeit:ri ≥ 0 ∀i ∈ V ∀ (i, j) ∈ A Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Einrichtungszeit (Setup): ti,j ≥ 0 Prozesszeit: pi ≥ 0 ∀i ∈ V Freigabezeit:ri ≥ 0 ∀i ∈ V Deadline: di ≥ ri ∀i ∈ V ∀ (i, j) ∈ A Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Einrichtungszeit (Setup): ti,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Prozesszeit: pi ≥ 0 ∀i ∈ V Freigabezeit:ri ≥ 0 ∀i ∈ V Deadline: di ≥ ri ∀i ∈ V Zeitfenster (TW) für Knoten i: Intervall [ri , di ] aktiv : ri > 0 ∨ di < +∞ relaxiert : [0, +∞) Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Einrichtungszeit (Setup): ti,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Prozesszeit: pi ≥ 0 ∀i ∈ V Freigabezeit:ri ≥ 0 ∀i ∈ V Deadline: di ≥ ri ∀i ∈ V Zeitfenster (TW) für Knoten i: Intervall [ri , di ] aktiv : ri > 0 ∨ di < +∞ relaxiert : [0, +∞) Minimale Zeitverzögerung beim Abarbeiten von Knoten j direkt nach Knoten i: ϑi,j := pi + ti,j Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Einrichtungszeit (Setup): ti,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Prozesszeit: pi ≥ 0 ∀i ∈ V Freigabezeit:ri ≥ 0 ∀i ∈ V Deadline: di ≥ ri ∀i ∈ V Zeitfenster (TW) für Knoten i: Intervall [ri , di ] aktiv : ri > 0 ∨ di < +∞ relaxiert : [0, +∞) Minimale Zeitverzögerung beim Abarbeiten von Knoten j direkt nach Knoten i: ϑi,j := pi + ti,j (1.1) Dreiecksungleichung auf ϑ : ϑi,j ≤ ϑi,k + ϑk ,j ∀i, j, k ∈ V Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 1. Einleitung ATSP-TW ”open path” Version: Daten: vollständiger Digraph G=(V,A) Anzahl der Knoten: n = |V | Kosten: ci,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Einrichtungszeit (Setup): ti,j ≥ 0 ∀ (i, j) ∈ A Prozesszeit: pi ≥ 0 ∀i ∈ V Freigabezeit:ri ≥ 0 ∀i ∈ V Deadline: di ≥ ri ∀i ∈ V Zeitfenster (TW) für Knoten i: Intervall [ri , di ] aktiv : ri > 0 ∨ di < +∞ relaxiert : [0, +∞) Minimale Zeitverzögerung beim Abarbeiten von Knoten j direkt nach Knoten i: ϑi,j := pi + ti,j (1.1) Dreiecksungleichung auf ϑ : ϑi,j ≤ ϑi,k + ϑk ,j ∀i, j, k ∈ V Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Problem: Finde Minimale-Kosten-Hamilton-Pfad, der die TW-Restriktionen erfüllt: d.h.(Startzeit am Knoten i ∈ V ) ∈ [ri , di ] Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Problem: Finde Minimale-Kosten-Hamilton-Pfad, der die TW-Restriktionen erfüllt: d.h.(Startzeit am Knoten i ∈ V ) ∈ [ri , di ] Varianten: Einführung eines zusätzlichen Knotens (Depot), d.h. Transformation des Problems in seine Geschlossene-Tour-Version Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Problem: Finde Minimale-Kosten-Hamilton-Pfad, der die TW-Restriktionen erfüllt: d.h.(Startzeit am Knoten i ∈ V ) ∈ [ri , di ] Varianten: Einführung eines zusätzlichen Knotens (Depot), d.h. Transformation des Problems in seine Geschlossene-Tour-Version TW relaxiert, d.h. ATSP-TW reduziert sich auf Standart ATSP Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Anwendung: Ziel der Industrie, die Zeit zu minimieren, die für die Entladevorgänge eines Stabler-Krans in einem automatischen Lagersystem (Hochregallager) gebraucht wird Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Anwendung: Ziel der Industrie, die Zeit zu minimieren, die für die Entladevorgänge eines Stabler-Krans in einem automatischen Lagersystem (Hochregallager) gebraucht wird Version des ATSP-TW: 1-Fahrzeug-Routen-Problem Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Anwendung: Ziel der Industrie, die Zeit zu minimieren, die für die Entladevorgänge eines Stabler-Krans in einem automatischen Lagersystem (Hochregallager) gebraucht wird Version des ATSP-TW: 1-Fahrzeug-Routen-Problem weiche TW, d.h. Verletzung der TW erlaubt, aber Strafkosten Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 2. Notation und Modellierung hier: Vermeidung zusätzlicher Variablen wie ”Big M” Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse 2. Notation und Modellierung hier: Vermeidung zusätzlicher Variablen wie ”Big M” TW-NBen werden implizit durch eine Klasse von unzulässige-Pfade-NBen modelliert Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 2. Notation und Modellierung hier: Vermeidung zusätzlicher Variablen wie ”Big M” TW-NBen werden implizit durch eine Klasse von unzulässige-Pfade-NBen modelliert die Unzulässigkeit ist nicht nur auf den Fall von TW beschränkt: Kapazitäts-NBen könnten z.B. auch in der selben Art und Weise modelliert werden Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Nachfolgend benutzte Notation: Knotenmenge W ⊆ V : A (W ) := {(i, j) ∈ A|i, j ∈ W } Menge aller Bögen mit Start und Ziel in W Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Nachfolgend benutzte Notation: Knotenmenge W ⊆ V : A (W ) := {(i, j) ∈ A|i, j ∈ W } Menge aller Bögen mit Start und Ziel in W 2 Knotenmengen U, W ⊆ V : (U : W ) := {(i, j) ∈ A|i ∈ U, j ∈ W } Menge der Bögen mit Start in U und Ziel in W Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Nachfolgend benutzte Notation: Knotenmenge W ⊆ V : A (W ) := {(i, j) ∈ A|i, j ∈ W } Menge aller Bögen mit Start und Ziel in W 2 Knotenmengen U, W ⊆ V : (U : W ) := {(i, j) ∈ A|i ∈ U, j ∈ W } Menge der Bögen mit Start in U und Ziel in W geg. Knotenmenge W ⊂ V , W 6= ∅ : δ − (W ) = {(i, j) ∈ A|i ∈ V \ W , j ∈ W } Bögen nach W δ + (W ) = {(i, j) ∈ A|i ∈ W , j ∈ V \ W } Bögen aus W heraus δ (W ) = δ − (W ) ∪ δ + (W ) heißt cut Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen P = (v1 , v2 , ..., vk ) Pfad bestehend aus der Knotenmenge {(vi , vi+1 ) |i = 1, ..., k − 1} |P| = k − 1, vi 6= vj für i 6= j Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen P = (v1 , v2 , ..., vk ) Pfad bestehend aus der Knotenmenge {(vi , vi+1 ) |i = 1, ..., k − 1} |P| = k − 1, vi 6= vj für i 6= j [P] := {(vi , vj ) ∈ A|1 ≤ i < j ≤ k } transitiver Abschluss von P Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen P = (v1 , v2 , ..., vk ) Pfad bestehend aus der Knotenmenge {(vi , vi+1 ) |i = 1, ..., k − 1} |P| = k − 1, vi 6= vj für i 6= j [P] := {(vi , vj ) ∈ A|1 ≤ i < j ≤ k } transitiver Abschluss von P tvi früheste Startzeit an Knoten vi (i = 1, ..., k ) in P : tv1 := rv1 , tvi := max tvi−1 + ϑvi−1 vi , rvi i = 2, ..., k Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen P = (v1 , v2 , ..., vk ) Pfad bestehend aus der Knotenmenge {(vi , vi+1 ) |i = 1, ..., k − 1} |P| = k − 1, vi 6= vj für i 6= j [P] := {(vi , vj ) ∈ A|1 ≤ i < j ≤ k } transitiver Abschluss von P tvi früheste Startzeit an Knoten vi (i = 1, ..., k ) in P : tv1 := rv1 , tvi := max tvi−1 + ϑvi−1 vi , rvi i = 2, ..., k dies führt Wartezeiten ein: wvi := max 0, rvi−1 − tvi−1 + ϑvi−1 vi wi = 0 ∀i = 2, ..., k , dann ist der Pfad minimal Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen P = (v1 , v2 , ..., vk ) Pfad bestehend aus der Knotenmenge {(vi , vi+1 ) |i = 1, ..., k − 1} |P| = k − 1, vi 6= vj für i 6= j [P] := {(vi , vj ) ∈ A|1 ≤ i < j ≤ k } transitiver Abschluss von P tvi früheste Startzeit an Knoten vi (i = 1, ..., k ) in P : tv1 := rv1 , tvi := max tvi−1 + ϑvi−1 vi , rvi i = 2, ..., k dies führt Wartezeiten ein: wvi := max 0, rvi−1 − tvi−1 + ϑvi−1 vi wi = 0 ∀i = 2, ..., k , dann ist der Pfad minimal ϑ (P) := tvk ist früheste Startzeit am letzten Knoten von P = (v1 , v2 , ..., vk ), für einen minimalen Pfad gilt: Pk −1 ϑ (P) = rv1 + i=1 ϑvi vi+1 Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Definition: Ein Hamilton-Pfad P = (v1 , ..., vn ) heißt zulässig, wenn jeder Knoten innerhab der TW besucht wird, d.h. rvi ≤ tvi ≤ dvi (i = 1, ..., n) Ein Pfad P = (v1 , ..., vk ) mit 2 ≤ k ≤ n heißt unzulässig, wenn er nicht als Teilpfad in einem bel. zulässigen Hamilton-Pfad vorkommt. Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Lemma (2.1): Ein Pfad P = (v1 , ..., vk ) ist unzulässig, wenn mind. eine der folgenden Bedingungen erfüllt sind: 1 P verletzt die Deadline für seinen letzten Knoten vk , d.h. ϑ (P) > dvk . 2 Die Dreiecksungleichung (1.1) auf ϑ ist erfüllt und es gibt einen Knoten w, der nicht zu P gehört, so dass beide Pfade P1 = (w, v1 , ..., vk ) und P2 = (v1 , ..., vk , w) die geg. Deadlines ihres letzten Knotens verletzen, d.h. ϑ (P1 ) > dvk und ϑ (P2 ) > dw . Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Basis-Modell für ”open-path”-Version: ∀ Bögen (i,j)∈ A sei xij ∈ {0, 1} mit 1 , wenn (i, j) ∈ A gew ählt wird xij = 0 , sonst Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Basis-Modell für ”open-path”-Version: ∀ Bögen (i,j)∈ A sei xij ∈ {0, 1} mit 1 , wenn (i, j) ∈ A gew ählt wird xij = 0P , sonst x (Q) = (i,j)∈Q xij für bel. Q ⊆ A Folgendes Modell garantiert, dass die gewählten Bögen einen zulässigen Hamiltonpfad formen: Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Basis-Modell für ”open-path”-Version: ∀ Bögen (i,j)∈ A sei xij ∈ {0, 1} mit 1 , wenn (i, j) ∈ A gew ählt wird xij = 0P , sonst x (Q) = (i,j)∈Q xij für bel. Q ⊆ A Folgendes Modell garantiert, dass die gewählten Bögen einen zulässigen Hamiltonpfad formen: X min cij xij (i,j)∈A (1) Einleitung Notation und Modellierung s.t. x(A) = n − 1 Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen (2) Einleitung Notation und Modellierung s.t. Poyedrische Analyse x(A) = n − 1 x(δ − (i)) ≤ 1 Klassen von gültigen Ungleichungen (2) ∀i ∈ V (3) Einleitung Notation und Modellierung s.t. Poyedrische Analyse x(A) = n − 1 Klassen von gültigen Ungleichungen (2) x(δ − (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (3) x(δ + (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (4) Einleitung Notation und Modellierung s.t. Poyedrische Analyse x(A) = n − 1 Klassen von gültigen Ungleichungen (2) x(δ − (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (3) x(δ + (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (4) x(A(W )) ≤ |W | − 1 ∀W ⊂ V , |W | ≥ 2 (5) Einleitung Notation und Modellierung s.t. Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen x(A) = n − 1 (2) x(δ − (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (3) x(δ + (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (4) x(A(W )) ≤ |W | − 1 ∀W ⊂ V , |W | ≥ 2 (5) x(P) ≤ |P| − 1 (6) ∀ unzulaessigen Pfade P Einleitung Notation und Modellierung s.t. Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen x(A) = n − 1 (2) x(δ − (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (3) x(δ + (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (4) x(A(W )) ≤ |W | − 1 ∀W ⊂ V , |W | ≥ 2 (5) x(P) ≤ |P| − 1 (6) xij ∈ {0, 1} ∀ unzulaessigen Pfade P ∀(i, j) ∈ A (7) Einleitung Notation und Modellierung s.t. Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen x(A) = n − 1 (2) x(δ − (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (3) x(δ + (i)) ≤ 1 ∀i ∈ V (4) x(A(W )) ≤ |W | − 1 ∀W ⊂ V , |W | ≥ 2 (5) x(P) ≤ |P| − 1 (6) xij ∈ {0, 1} ∀ unzulaessigen Pfade P ∀(i, j) ∈ A (7) Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen (5) Subtourverbot (2)...(5),(7) zwingt die Lösung einen Hamilton-Pfad zu repräsentieren (6) unzulässige-Pfade-NBen: verbietet unzulässige Pfade als Teil der Lösung, hier: schwache Formulierung, Verstärkung in Abschnitt 4.1 Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 3. Polyedrische Analyse Ziel: Analysieren der Dimension des ATSP-TW-Polytops PTW := conv x ∈ R A |x erf üllt (2) − (7) Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 3. Polyedrische Analyse Ziel: Analysieren der Dimension des ATSP-TW-Polytops PTW := conv x ∈ R A |x erf üllt (2) − (7) hier: Fall, dass nur TW [r1 , d1 ] verbunden mit Knoten 1 aktiv ist und alle anderen TW zu [0, +∞) relaxiert sind Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 3. Polyedrische Analyse Ziel: Analysieren der Dimension des ATSP-TW-Polytops PTW := conv x ∈ R A |x erf üllt (2) − (7) hier: Fall, dass nur TW [r1 , d1 ] verbunden mit Knoten 1 aktiv ist und alle anderen TW zu [0, +∞) relaxiert sind Dreiecksungleichung (1.1) auf ϑ sei erfüllt Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 3. Polyedrische Analyse Ziel: Analysieren der Dimension des ATSP-TW-Polytops PTW := conv x ∈ R A |x erf üllt (2) − (7) hier: Fall, dass nur TW [r1 , d1 ] verbunden mit Knoten 1 aktiv ist und alle anderen TW zu [0, +∞) relaxiert sind Dreiecksungleichung (1.1) auf ϑ sei erfüllt Partitionierung der Knotenmenge: V = {1} ∪ Q ∪ W Q := j ∈ V \ {1} |ϑ(j, 1) = rj + ϑj1 > d1 Knoten, die nicht vor Knoten 1 kommen können ohne dessen TW zu verletzen (sind isoliert in GF ) W := V \ ({1} ∪ Q) Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen 3. Polyedrische Analyse Ziel: Analysieren der Dimension des ATSP-TW-Polytops PTW := conv x ∈ R A |x erf üllt (2) − (7) hier: Fall, dass nur TW [r1 , d1 ] verbunden mit Knoten 1 aktiv ist und alle anderen TW zu [0, +∞) relaxiert sind Dreiecksungleichung (1.1) auf ϑ sei erfüllt Partitionierung der Knotenmenge: V = {1} ∪ Q ∪ W Q := j ∈ V \ {1} |ϑ(j, 1) = rj + ϑj1 > d1 Knoten, die nicht vor Knoten 1 kommen können ohne dessen TW zu verletzen (sind isoliert in GF ) W := V \ ({1} ∪ Q) definiere einen ungerichteten Zulässigkeitsgraph: GF = (V \ {1} , E) mit E := {(i, j)|i, j ∈ V \ {1} , i 6= j, min {ϑ(i, j, 1), ϑ(j, i, 1)} ≤ d1 } enthält alle Knotenpaare i,j, so dass entweder (i,j,1) oder (j,i,1) oder beide zulässige Pfade sind. Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Betrachte folgende Gleichungen: xj1 = 0 ∀j ∈ Q(3.1) Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Betrachte folgende Gleichungen: xj1 = 0 ∀j ∈ Q(3.1) x(δ + (1)) = 1, wenn Knoten 1 nicht der letzte Knoten eines zulässigen Hamilton-Pfades sein kann (3.2) Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Betrachte folgende Gleichungen: xj1 = 0 ∀j ∈ Q(3.1) x(δ + (1)) = 1, wenn Knoten 1 nicht der letzte Knoten eines zulässigen Hamilton-Pfades sein kann (3.2) P − x(δ (j)) = |Sh | − x(Sh : 1), h=1,...,m (3.3) j∈Sh S1 , ..., Sm sind die m Zusammenhangs-Komponenten von GF Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Betrachte folgende Gleichungen: xj1 = 0 ∀j ∈ Q(3.1) x(δ + (1)) = 1, wenn Knoten 1 nicht der letzte Knoten eines zulässigen Hamilton-Pfades sein kann (3.2) P − x(δ (j)) = |Sh | − x(Sh : 1), h=1,...,m (3.3) j∈Sh S 1 , ..., Sm sind die m Zusammenhangs-Komponenten von GF Pm P Pm Pm − h=1 ( h=1 |Sh | − h=1 x(Sh : 1) j∈Sh x(δ (j))) = ⇔ x(A) = n − 1 Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Lemma (3.4): Die Gleichungen (3.1)-(3.3) sind gültig für PTW . Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Lemma (3.5): Die Gleichungen (3.1)-(3.3) sind linear unabhängig. Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Jetzt wird gezeigt, dass (3.1)-(3.3) ein minimales Gleichungssystem für das Polytop PTW definiert, d.h. es gibt keine andere linear unabhängige, gültige Gleichung. 1 , wenn Bed. (3.2) erf üllt ist Sei µ = 0 , sonst Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Theorem (3.6) Betrachte ein bel. ATSP-TW, definiert auf einem vollständigen Digraph G=(V,A) mit n ≥ 4 Knoten. Wenn das TW nur für einen Knoten aktiv ist, dann gilt: dim(PTW ) = |A| − (|Q| + m + µ) Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Problem ”Dimension”: Theorem (3.6) ⇒Bestimmung der Dimension von PTW ist ein schwieriges Problem. Folgendes Entscheidungsproblem: Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Problem ”Dimension”: Theorem (3.6) ⇒Bestimmung der Dimension von PTW ist ein schwieriges Problem. Folgendes Entscheidungsproblem: Fall: Ein bel. ATSP-TW definiert auf einem vollständigen Digraph G=(V,A) mit ganzzahligen Bogenlängen ϑij ≥ 0, das die ∆-Ungleichung erfüllt. Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Problem ”Dimension”: Theorem (3.6) ⇒Bestimmung der Dimension von PTW ist ein schwieriges Problem. Folgendes Entscheidungsproblem: Fall: Ein bel. ATSP-TW definiert auf einem vollständigen Digraph G=(V,A) mit ganzzahligen Bogenlängen ϑij ≥ 0, das die ∆-Ungleichung erfüllt. Frage: dim(PTW ) = |A| − 1? Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Theorem (3.7): Das Problem ”Dimension” ist stark N P-vollständig, sogar wenn alle TW bis auf eines relaxiert sind. Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen 4. Klassen von gültigen Ungleichungen 4.1 Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen 4.1.1 Tournament-Nebenbedingungen Klassen von gültigen Ungleichungen Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen Lemma (4.1): Für alle unzulässigen einfachen Pfade P = (v1 , ..., vk ) ist die Pk −1 Pk Tournament-NB x([P]) := i=1 j=i+1 xvi vj ≤ k − 2 (= |P| − 1) (4.2) gültig für PTW . Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen Theorem (4.3): Für jede Knotenmenge Q = {v1 , ..., vk −1 } ⊂ V und jeden Knoten vk ∈ V \ Q, so dass alle Pfade der Form (Φ [Q] , vk ) unzulässig sind, ist die Ungleichung x(A(Q)) + x(Q : vk ) ≤ k − 2 (= |Q| − 1) (4.4) gültig für PTW . Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen Theorem (4.5): Für jede Knotenmenge S = {v2 , ..., vk −1 } ⊂ V und 2 beliebigen Knoten v1 , vk ∈ V \ S, v1 6= vk , so dass alle Pfade der Form (v1 , Φ [S] , vk ) unzulässig sind, ist die Ungleichung x(v1 : S) + x(A(S)) + x(S : vk ) + xv1 vk ≤ k − 2 (4.6) gültig für PTW . Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen Lemma (4.7): (a) Wähle ein bel. vk ∈ V \ Q. Wenn P Q ⊂ V und minvi ∈Q {rvi } + vi ∈Q min ϑvi vj |vj ∈ Q ∪ {vk } > dk , dann sind alle Pfade der Form (Φ [Q] , vk ) unzulässig. (b) Wähleein bel. S ⊂ V und V \ S, v1 6= vk . Wenn P v1 , vk ∈ rv1 + min ϑv1 vj |vj ∈ S + vi ∈S min ϑvi vj |vj ∈ S ∪ {vk } > dk , dann sind alle Pfade der Form (v1 , Φ [S] , vk ) unzulässig. Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen 4.1.2 Verallgemeinernde Tournament-Nebenbedingungen Theorem (4.8): Seien S1 , ..., Sk k ≥ 2 disjunkte Knotenmengen und setze voraus, dass ein bel. Pfad der Form (Φ [S1 ] , ..., Φ [Sk ]) Pk −1 Pk unzulässig ist. Dann ist die Ungleichung i=1 j=i+1 x(Si : Pk Pk P k Sj ) + i=1 x(A(Si )) ≤ k − 2 + i=1 (|Si | − 1) = i=1 |Si | − 2 gültig für PTW . Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen Theorem (4.9): Sei P = {P1 , P2 , ..., Pk } eine Familie von Knotendisjunkten einfachen Pfaden und setze voraus, dass die Dreiecksungleichung (1.1) auf ϑ erfüllt ist. Wenn ϑ(P) > dw für eine bel. Konkatenation P=(...,w) der Pk Pk Pfade in P, dann ist die Ungleichung i=1 x([Pi ]) ≤ i=1 |Pi | − 1 gültig für PTW . Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Unzulässige Pfade-Elimination Nebenbedingungen 4.1.3 Andere ”Lifted”-Pfad-Ungleichungen Theorem (4.10): Wenn P = (v1 , ..., vk ) ein unzulässiger Pfad ist, dann sind die folgenden Ungl. gültig für PTW : P −2 P −2 Pj−1 (a) x(P) + kj=1 xvj vk + kj=2 xv v ≤ k − 2 Pk Pk −1 Pkl=1 j l (b) x(P) + j=3 xv1 vj + j=3 l=j+1 xvl vj ≤ k − 2 P −1 Pj−1 (c) x(P) + kj=2 xvj vl ≤ k − 2 Pk −1 Pl=1 k (d) x(P) + j=2 l=j+1 xvl vj ≤ k − 2. Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Ein ”Lifting” Verfahren 4.2 Ein ”Lifting” Verfahren Das ”V-Lifting” wird zur Konstruktion neuer Familien von gültigen Unzulässige-Pfade-Eliminations-Ungleichungen für das ATSP-TW benutzt. Annahme: geg. 2 Ungleichungen mit ganzzahligen Koeffizienten: αx ≤ α0 βx ≤ β0 β0 = α0 + 1 βij ≥ αij ∀(i, j) ∈ A. 3 versch. Knoten u,w,h geg. mit: βuh ≥ αuh + 1 βhw ≥ αhw + 1 xuh + xhw + 2xuw ≤ 2 aufaddieren und gewichten mit 0.5: αx + xuh + xhw + xuw ≤ α0 + 32 = α0 + 1 ⇒ α-Koeffizient der 3 Bögen (u,h),(h,w),(u,w) um 1 erhöht auf Kosten einer Erhöhung um 1 auf der rechten Seite. Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Verstärkte Vorgänger/Nachfolger-Ungleichungen 4.3 Verstärkte Vorgänger/Nachfolger-Ungleichungen π(v ) := {i ∈ V |(i, v ) ∈ A} Vorgänger, σ(v ) := {j ∈ V |(v , j) ∈ A} Nachfolger V S eines Knotens v ∈ S π(X ) := v ∈X π(v ), σ(X ) := v ∈X σ(v ) ∀X ⊆ V ; x(S \ W : S \ W ) ≥ 1 (π, σ)-Ungl. (4.11) Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Verstärkte Vorgänger/Nachfolger-Ungleichungen Theorem (4.12): Seien X und Y zwei disjunkte Knotenmengen, so dass i < j ∀i ∈ X , j ∈ Y , und definiere W := π(X ) ∪ σ(Y ). Setze voraus, dass die Dreiecksungleichung (1.1) auf ϑ erfüllt ist und definiere f := W ∪ {k ∈ V \ (X ∪ Y )|∃i ∈ X , j ∈ Y : ϑ(i, k , j) > dj } und W Q := {(u, v ) ∈ δ + (S)|∃i ∈ X , j ∈ Y : ϑ(i, u, v , j) > dj }. Dann ist für alle S ⊂ V , so dass X ⊆ S und Y ⊆ S := V \ S, die Ungleichung f ) \ Q) ≥ 1 (4.13) gültig für PTW . f :S\W x((S \ W Einleitung Notation und Modellierung Poyedrische Analyse Klassen von gültigen Ungleichungen Separation 4.4 Separation Separationsproblem für allgem. Klassen von Ungleichungen schwer zu lösen Tournament-NBen (4.2) u. spezielle Versionen d. verstärkten (π, σ)-Ungleichungen (4.13) in polynomialer Zeit trennbar