حل کننده CP-SAT

OR-Tools دو ابزار اصلی را برای حل مسائل برنامه نویسی عدد صحیح ارائه می دهد:

• MPSolver ، که در بخش قبلی توضیح داده شد.
• حل کننده CP-SAT که در ادامه توضیح می دهیم.

برای مثالی که یک مشکل برنامه‌نویسی عدد صحیح را با استفاده از حل‌کننده CP-SAT و بسته‌بندی MPSolver حل می‌کند، به حل مسئله انتساب مراجعه کنید.

نکته: برای افزایش سرعت محاسباتی، حل کننده CP-SAT روی اعداد صحیح کار می کند. این بدان معنی است که شما باید مشکل بهینه سازی خود را فقط با استفاده از اعداد صحیح تعریف کنید. اگر با مسئله ای شروع می کنید که دارای محدودیت هایی با عبارت های غیر صحیح است، ابتدا باید آن محدودیت ها را در یک عدد صحیح به اندازه کافی بزرگ ضرب کنید تا همه عبارت ها اعداد صحیح باشند. برای مثال حل مسئله بهینه سازی را ببینید.

بخش های زیر نمونه هایی را ارائه می دهند که نحوه استفاده از حل کننده CP-SAT را نشان می دهد.

مثال: یافتن یک راه حل عملی

بیایید با یک مثال ساده شروع کنیم که در آن موارد زیر وجود دارد:

• سه متغیر x، y و z که هر کدام می توانند مقادیر 0، 1 یا 2 را به خود بگیرند.
• یک محدودیت: x != y

ما با نشان دادن نحوه استفاده از حل کننده CP-SAT برای یافتن یک راه حل امکان پذیر در همه زبان های پشتیبانی شده شروع خواهیم کرد. در حالی که یافتن یک راه‌حل عملی در این مورد بی‌اهمیت است، در مسائل برنامه‌نویسی محدودیت‌های پیچیده‌تر، تعیین اینکه آیا یک راه‌حل امکان‌پذیر وجود دارد یا خیر، می‌تواند بسیار دشوار باشد.

برای مثالی از یافتن راه حل بهینه برای یک مسئله CP، به حل مسئله بهینه سازی مراجعه کنید.

کتابخانه ها را وارد کنید

کد زیر کتابخانه مورد نیاز را وارد می کند.

پایتون

from ortools.sat.python import cp_model

C++

#include <stdlib.h>

#include "ortools/base/logging.h"
#include "ortools/sat/cp_model.h"
#include "ortools/sat/cp_model.pb.h"
#include "ortools/sat/cp_model_solver.h"
#include "ortools/util/sorted_interval_list.h"

جاوا

import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.sat.CpModel;
import com.google.ortools.sat.CpSolver;
import com.google.ortools.sat.CpSolverStatus;
import com.google.ortools.sat.IntVar;

سی شارپ

using System;
using Google.OrTools.Sat;

مدل را اعلام کنید

کد زیر مدل CP-SAT را اعلام می کند.

پایتون

model = cp_model.CpModel()

C++

CpModelBuilder cp_model;

جاوا

CpModel model = new CpModel();

سی شارپ

CpModel model = new CpModel();

متغیرها را ایجاد کنید

کد زیر متغیرهای مشکل را ایجاد می کند.

پایتون

num_vals = 3
x = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "x")
y = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "y")
z = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "z")

C++

const Domain domain(0, 2);
const IntVar x = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("x");
const IntVar y = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("y");
const IntVar z = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("z");

جاوا

int numVals = 3;

IntVar x = model.newIntVar(0, numVals - 1, "x");
IntVar y = model.newIntVar(0, numVals - 1, "y");
IntVar z = model.newIntVar(0, numVals - 1, "z");

سی شارپ

int num_vals = 3;

IntVar x = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "x");
IntVar y = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "y");
IntVar z = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "z");

حل کننده سه متغیر x، y و z ایجاد می کند که هر کدام می توانند مقادیر 0، 1 یا 2 را داشته باشند.

محدودیت را ایجاد کنید

کد زیر محدودیت x != y را ایجاد می کند.

پایتون

model.add(x != y)

C++

cp_model.AddNotEqual(x, y);

جاوا

model.addDifferent(x, y);

سی شارپ

model.Add(x != y);

با حل کننده تماس بگیرید

کد زیر حل کننده را فراخوانی می کند.

پایتون

solver = cp_model.CpSolver()
status = solver.solve(model)

C++

const CpSolverResponse response = Solve(cp_model.Build());

جاوا

CpSolver solver = new CpSolver();
CpSolverStatus status = solver.solve(model);

سی شارپ

CpSolver solver = new CpSolver();
CpSolverStatus status = solver.Solve(model);

CP-SAT مقادیر را برمی گرداند

حل کننده CP-SAT یکی از مقادیر وضعیت نشان داده شده در جدول زیر را برمی گرداند. در این مثال، مقدار بازگشتی OPTIMAL است.

وضعیت	توضیحات
OPTIMAL	یک راه حل عملی بهینه پیدا شد.
FEASIBLE	یک راه حل عملی پیدا شد، اما نمی دانیم که آیا بهینه است یا خیر.
INFEASIBLE	مشکل غیرقابل اجرا ثابت شد.
MODEL_INVALID	CpModelProto داده شده از مرحله اعتبار سنجی عبور نکرد. می توانید با فراخوانی ValidateCpModel(model_proto) یک خطای دقیق دریافت کنید.
UNKNOWN	وضعیت مدل ناشناخته است زیرا هیچ راه حلی پیدا نشد (یا مشکل ثابت نشد غیرممکن است) قبل از اینکه چیزی باعث توقف حل کننده شود، مانند محدودیت زمانی ، محدودیت حافظه، یا محدودیت سفارشی تعیین شده توسط کاربر.

اینها در cp_model.proto تعریف شده اند.

راه حل اول را نمایش دهید

کد زیر اولین راه حل عملی یافت شده توسط حل کننده را نمایش می دهد. توجه داشته باشید که کد بررسی می کند که آیا مقدار status FEASIBLE است یا OPTIMAL است.

پایتون

if status == cp_model.OPTIMAL or status == cp_model.FEASIBLE:
    print(f"x = {solver.value(x)}")
    print(f"y = {solver.value(y)}")
    print(f"z = {solver.value(z)}")
else:
    print("No solution found.")

C++

if (response.status() == CpSolverStatus::OPTIMAL ||
    response.status() == CpSolverStatus::FEASIBLE) {
  // Get the value of x in the solution.
  LOG(INFO) << "x = " << SolutionIntegerValue(response, x);
  LOG(INFO) << "y = " << SolutionIntegerValue(response, y);
  LOG(INFO) << "z = " << SolutionIntegerValue(response, z);
} else {
  LOG(INFO) << "No solution found.";
}

جاوا

if (status == CpSolverStatus.OPTIMAL || status == CpSolverStatus.FEASIBLE) {
  System.out.println("x = " + solver.value(x));
  System.out.println("y = " + solver.value(y));
  System.out.println("z = " + solver.value(z));
} else {
  System.out.println("No solution found.");
}

سی شارپ

if (status == CpSolverStatus.Optimal || status == CpSolverStatus.Feasible)
{
    Console.WriteLine("x = " + solver.Value(x));
    Console.WriteLine("y = " + solver.Value(y));
    Console.WriteLine("z = " + solver.Value(z));
}
else
{
    Console.WriteLine("No solution found.");
}

برنامه را اجرا کنید

برنامه های کامل در بخش بعدی نشان داده شده است. هنگامی که یک برنامه را اجرا می کنید، اولین راه حل یافت شده توسط حل کننده را برمی گرداند:

x = 1
y = 0
z = 0

برنامه های کامل

برنامه های کامل در زیر نشان داده شده است.

پایتون

"""Simple solve."""
from ortools.sat.python import cp_model


def simple_sat_program():
    """Minimal CP-SAT example to showcase calling the solver."""
    # Creates the model.
    model = cp_model.CpModel()

    # Creates the variables.
    num_vals = 3
    x = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "x")
    y = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "y")
    z = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "z")

    # Creates the constraints.
    model.add(x != y)

    # Creates a solver and solves the model.
    solver = cp_model.CpSolver()
    status = solver.solve(model)

    if status == cp_model.OPTIMAL or status == cp_model.FEASIBLE:
        print(f"x = {solver.value(x)}")
        print(f"y = {solver.value(y)}")
        print(f"z = {solver.value(z)}")
    else:
        print("No solution found.")


simple_sat_program()

C++

#include <stdlib.h>

#include "ortools/base/logging.h"
#include "ortools/sat/cp_model.h"
#include "ortools/sat/cp_model.pb.h"
#include "ortools/sat/cp_model_solver.h"
#include "ortools/util/sorted_interval_list.h"

namespace operations_research {
namespace sat {

void SimpleSatProgram() {
  CpModelBuilder cp_model;

  const Domain domain(0, 2);
  const IntVar x = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("x");
  const IntVar y = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("y");
  const IntVar z = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("z");

  cp_model.AddNotEqual(x, y);

  // Solving part.
  const CpSolverResponse response = Solve(cp_model.Build());

  if (response.status() == CpSolverStatus::OPTIMAL ||
      response.status() == CpSolverStatus::FEASIBLE) {
    // Get the value of x in the solution.
    LOG(INFO) << "x = " << SolutionIntegerValue(response, x);
    LOG(INFO) << "y = " << SolutionIntegerValue(response, y);
    LOG(INFO) << "z = " << SolutionIntegerValue(response, z);
  } else {
    LOG(INFO) << "No solution found.";
  }
}

}  // namespace sat
}  // namespace operations_research

int main() {
  operations_research::sat::SimpleSatProgram();
  return EXIT_SUCCESS;
}

جاوا

package com.google.ortools.sat.samples;
import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.sat.CpModel;
import com.google.ortools.sat.CpSolver;
import com.google.ortools.sat.CpSolverStatus;
import com.google.ortools.sat.IntVar;

/** Minimal CP-SAT example to showcase calling the solver. */
public final class SimpleSatProgram {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Loader.loadNativeLibraries();
    // Create the model.
    CpModel model = new CpModel();

    // Create the variables.
    int numVals = 3;

    IntVar x = model.newIntVar(0, numVals - 1, "x");
    IntVar y = model.newIntVar(0, numVals - 1, "y");
    IntVar z = model.newIntVar(0, numVals - 1, "z");

    // Create the constraints.
    model.addDifferent(x, y);

    // Create a solver and solve the model.
    CpSolver solver = new CpSolver();
    CpSolverStatus status = solver.solve(model);

    if (status == CpSolverStatus.OPTIMAL || status == CpSolverStatus.FEASIBLE) {
      System.out.println("x = " + solver.value(x));
      System.out.println("y = " + solver.value(y));
      System.out.println("z = " + solver.value(z));
    } else {
      System.out.println("No solution found.");
    }
  }

  private SimpleSatProgram() {}
}

سی شارپ

using System;
using Google.OrTools.Sat;

public class SimpleSatProgram
{
    static void Main()
    {
        // Creates the model.
        CpModel model = new CpModel();

        // Creates the variables.
        int num_vals = 3;

        IntVar x = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "x");
        IntVar y = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "y");
        IntVar z = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "z");

        // Creates the constraints.
        model.Add(x != y);

        // Creates a solver and solves the model.
        CpSolver solver = new CpSolver();
        CpSolverStatus status = solver.Solve(model);

        if (status == CpSolverStatus.Optimal || status == CpSolverStatus.Feasible)
        {
            Console.WriteLine("x = " + solver.Value(x));
            Console.WriteLine("y = " + solver.Value(y));
            Console.WriteLine("z = " + solver.Value(z));
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("No solution found.");
        }
    }
}

یافتن همه راه حل ها

در مرحله بعد، نحوه اصلاح برنامه بالا را برای یافتن همه راه حل های امکان پذیر نشان خواهیم داد.

اضافه شدن اصلی به برنامه، چاپگر راه حلی است که به حل کننده ارسال می کنید و هر راه حل را همانطور که پیدا می شود نمایش می دهد.

چاپگر محلول را اضافه کنید

کد زیر چاپگر راه حل را ایجاد می کند.

پایتون

class VarArraySolutionPrinter(cp_model.CpSolverSolutionCallback):
    """Print intermediate solutions."""

    def __init__(self, variables: list[cp_model.IntVar]):
        cp_model.CpSolverSolutionCallback.__init__(self)
        self.__variables = variables
        self.__solution_count = 0

    def on_solution_callback(self) -> None:
        self.__solution_count += 1
        for v in self.__variables:
            print(f"{v}={self.value(v)}", end=" ")
        print()

    @property
    def solution_count(self) -> int:
        return self.__solution_count

C++

Model model;

int num_solutions = 0;
model.Add(NewFeasibleSolutionObserver([&](const CpSolverResponse& r) {
  LOG(INFO) << "Solution " << num_solutions;
  LOG(INFO) << "  x = " << SolutionIntegerValue(r, x);
  LOG(INFO) << "  y = " << SolutionIntegerValue(r, y);
  LOG(INFO) << "  z = " << SolutionIntegerValue(r, z);
  num_solutions++;
}));

جاوا

static class VarArraySolutionPrinter extends CpSolverSolutionCallback {
  public VarArraySolutionPrinter(IntVar[] variables) {
    variableArray = variables;
  }

  @Override
  public void onSolutionCallback() {
    System.out.printf("Solution #%d: time = %.02f s%n", solutionCount, wallTime());
    for (IntVar v : variableArray) {
      System.out.printf("  %s = %d%n", v.getName(), value(v));
    }
    solutionCount++;
  }

  public int getSolutionCount() {
    return solutionCount;
  }

  private int solutionCount;
  private final IntVar[] variableArray;
}

سی شارپ

public class VarArraySolutionPrinter : CpSolverSolutionCallback
{
    public VarArraySolutionPrinter(IntVar[] variables)
    {
        variables_ = variables;
    }

    public override void OnSolutionCallback()
    {
        {
            Console.WriteLine(String.Format("Solution #{0}: time = {1:F2} s", solution_count_, WallTime()));
            foreach (IntVar v in variables_)
            {
                Console.WriteLine(String.Format("  {0} = {1}", v.ToString(), Value(v)));
            }
            solution_count_++;
        }
    }

    public int SolutionCount()
    {
        return solution_count_;
    }

    private int solution_count_;
    private IntVar[] variables_;
}

با حل کننده تماس بگیرید

کد زیر حل کننده را فراخوانی می کند و چاپگر راه حل را به آن ارسال می کند.

پایتون

solver = cp_model.CpSolver()
solution_printer = VarArraySolutionPrinter([x, y, z])
# Enumerate all solutions.
solver.parameters.enumerate_all_solutions = True
# Solve.
status = solver.solve(model, solution_printer)

C++

SatParameters parameters;
parameters.set_enumerate_all_solutions(true);
model.Add(NewSatParameters(parameters));
const CpSolverResponse response = SolveCpModel(cp_model.Build(), &model);

جاوا

CpSolver solver = new CpSolver();
VarArraySolutionPrinter cb = new VarArraySolutionPrinter(new IntVar[] {x, y, z});
// Tell the solver to enumerate all solutions.
solver.getParameters().setEnumerateAllSolutions(true);
// And solve.
solver.solve(model, cb);

سی شارپ

CpSolver solver = new CpSolver();
VarArraySolutionPrinter cb = new VarArraySolutionPrinter(new IntVar[] { x, y, z });
// Search for all solutions.
solver.StringParameters = "enumerate_all_solutions:true";
// And solve.
solver.Solve(model, cb);

برنامه را اجرا کنید

برنامه کامل در بخش بعدی نشان داده شده است. هنگامی که برنامه را اجرا می کنید، تمام 18 راه حل امکان پذیر را نمایش می دهد:

x=1 y=0 z=0
x=2 y=0 z=0
x=2 y=1 z=0
x=2 y=1 z=1
x=2 y=1 z=2
x=2 y=0 z=2
x=2 y=0 z=1
x=1 y=0 z=1
x=0 y=1 z=1
x=0 y=1 z=2
x=0 y=2 z=2
x=1 y=2 z=2
x=1 y=2 z=1
x=1 y=2 z=0
x=0 y=2 z=0
x=0 y=1 z=0
x=0 y=2 z=1
x=1 y=0 z=2
Status = FEASIBLE

برنامه های کامل

برنامه های کامل در زیر نشان داده شده است.

پایتون

from ortools.sat.python import cp_model


class VarArraySolutionPrinter(cp_model.CpSolverSolutionCallback):
    """Print intermediate solutions."""

    def __init__(self, variables: list[cp_model.IntVar]):
        cp_model.CpSolverSolutionCallback.__init__(self)
        self.__variables = variables
        self.__solution_count = 0

    def on_solution_callback(self) -> None:
        self.__solution_count += 1
        for v in self.__variables:
            print(f"{v}={self.value(v)}", end=" ")
        print()

    @property
    def solution_count(self) -> int:
        return self.__solution_count


def search_for_all_solutions_sample_sat():
    """Showcases calling the solver to search for all solutions."""
    # Creates the model.
    model = cp_model.CpModel()

    # Creates the variables.
    num_vals = 3
    x = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "x")
    y = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "y")
    z = model.new_int_var(0, num_vals - 1, "z")

    # Create the constraints.
    model.add(x != y)

    # Create a solver and solve.
    solver = cp_model.CpSolver()
    solution_printer = VarArraySolutionPrinter([x, y, z])
    # Enumerate all solutions.
    solver.parameters.enumerate_all_solutions = True
    # Solve.
    status = solver.solve(model, solution_printer)

    print(f"Status = {solver.status_name(status)}")
    print(f"Number of solutions found: {solution_printer.solution_count}")


search_for_all_solutions_sample_sat()

C++

#include <stdlib.h>

#include "ortools/base/logging.h"
#include "ortools/sat/cp_model.h"
#include "ortools/sat/cp_model.pb.h"
#include "ortools/sat/cp_model_solver.h"
#include "ortools/sat/model.h"
#include "ortools/sat/sat_parameters.pb.h"
#include "ortools/util/sorted_interval_list.h"

namespace operations_research {
namespace sat {

void SearchAllSolutionsSampleSat() {
  CpModelBuilder cp_model;

  const Domain domain(0, 2);
  const IntVar x = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("x");
  const IntVar y = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("y");
  const IntVar z = cp_model.NewIntVar(domain).WithName("z");

  cp_model.AddNotEqual(x, y);

  Model model;

  int num_solutions = 0;
  model.Add(NewFeasibleSolutionObserver([&](const CpSolverResponse& r) {
    LOG(INFO) << "Solution " << num_solutions;
    LOG(INFO) << "  x = " << SolutionIntegerValue(r, x);
    LOG(INFO) << "  y = " << SolutionIntegerValue(r, y);
    LOG(INFO) << "  z = " << SolutionIntegerValue(r, z);
    num_solutions++;
  }));

  // Tell the solver to enumerate all solutions.
  SatParameters parameters;
  parameters.set_enumerate_all_solutions(true);
  model.Add(NewSatParameters(parameters));
  const CpSolverResponse response = SolveCpModel(cp_model.Build(), &model);

  LOG(INFO) << "Number of solutions found: " << num_solutions;
}

}  // namespace sat
}  // namespace operations_research

int main() {
  operations_research::sat::SearchAllSolutionsSampleSat();

  return EXIT_SUCCESS;
}

جاوا

package com.google.ortools.sat.samples;

import com.google.ortools.Loader;
import com.google.ortools.sat.CpModel;
import com.google.ortools.sat.CpSolver;
import com.google.ortools.sat.CpSolverSolutionCallback;
import com.google.ortools.sat.IntVar;

/** Code sample that solves a model and displays all solutions. */
public class SearchForAllSolutionsSampleSat {
  static class VarArraySolutionPrinter extends CpSolverSolutionCallback {
    public VarArraySolutionPrinter(IntVar[] variables) {
      variableArray = variables;
    }

    @Override
    public void onSolutionCallback() {
      System.out.printf("Solution #%d: time = %.02f s%n", solutionCount, wallTime());
      for (IntVar v : variableArray) {
        System.out.printf("  %s = %d%n", v.getName(), value(v));
      }
      solutionCount++;
    }

    public int getSolutionCount() {
      return solutionCount;
    }

    private int solutionCount;
    private final IntVar[] variableArray;
  }

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    Loader.loadNativeLibraries();
    // Create the model.
    CpModel model = new CpModel();

    // Create the variables.
    int numVals = 3;

    IntVar x = model.newIntVar(0, numVals - 1, "x");
    IntVar y = model.newIntVar(0, numVals - 1, "y");
    IntVar z = model.newIntVar(0, numVals - 1, "z");

    // Create the constraints.
    model.addDifferent(x, y);

    // Create a solver and solve the model.
    CpSolver solver = new CpSolver();
    VarArraySolutionPrinter cb = new VarArraySolutionPrinter(new IntVar[] {x, y, z});
    // Tell the solver to enumerate all solutions.
    solver.getParameters().setEnumerateAllSolutions(true);
    // And solve.
    solver.solve(model, cb);

    System.out.println(cb.getSolutionCount() + " solutions found.");
  }
}

سی شارپ

using System;
using Google.OrTools.Sat;

public class VarArraySolutionPrinter : CpSolverSolutionCallback
{
    public VarArraySolutionPrinter(IntVar[] variables)
    {
        variables_ = variables;
    }

    public override void OnSolutionCallback()
    {
        {
            Console.WriteLine(String.Format("Solution #{0}: time = {1:F2} s", solution_count_, WallTime()));
            foreach (IntVar v in variables_)
            {
                Console.WriteLine(String.Format("  {0} = {1}", v.ToString(), Value(v)));
            }
            solution_count_++;
        }
    }

    public int SolutionCount()
    {
        return solution_count_;
    }

    private int solution_count_;
    private IntVar[] variables_;
}

public class SearchForAllSolutionsSampleSat
{
    static void Main()
    {
        // Creates the model.
        CpModel model = new CpModel();

        // Creates the variables.
        int num_vals = 3;

        IntVar x = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "x");
        IntVar y = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "y");
        IntVar z = model.NewIntVar(0, num_vals - 1, "z");

        // Adds a different constraint.
        model.Add(x != y);

        // Creates a solver and solves the model.
        CpSolver solver = new CpSolver();
        VarArraySolutionPrinter cb = new VarArraySolutionPrinter(new IntVar[] { x, y, z });
        // Search for all solutions.
        solver.StringParameters = "enumerate_all_solutions:true";
        // And solve.
        solver.Solve(model, cb);

        Console.WriteLine($"Number of solutions found: {cb.SolutionCount()}");
    }
}