分割・割当の最適化(Cutting Stock Problem)¶
固定長 \(L\) の同一の棒が \(M\) 本と、ペア \((l_j,c_j)~(0 \leq j \leq N-1)\) で指定される \(N\) 件の注文が与えられるとします。ここで \(l_j\) は必要な長さ、\(c_j\) は注文 \(j\) の必要数量です。 分割・割当の問題は、\(M\) 本の棒をどのように切断すればすべての注文を満たせるかを決定することを目的とします。
一般に、分割・割当の問題は使用する棒の本数を最小化する最小化問題として定式化されます。 簡単のため、この例では \(M\) 本の棒で \(N\) 件のすべての注文を満たせるかどうかを判定する実行可能性問題を考えます。
\(x_{ij}~(0 \leq i \leq M-1,~0 \leq j \leq N-1)\) を棒 \(i\) から切り出す注文 \(j\) のピース数とします。 以下の制約を満たす必要があります。
注文制約： 各注文 \(j\) について、すべての棒に割り当てられたピースの合計は \(c_j\) に等しくなければなりません：
棒制約 : 各棒 \(i\) について、割り当てられたピースの合計長は \(L\) を超えてはなりません：
QUBO++プログラム
以下のQUBO++プログラムは、長さ \(L=60\) の \(M=6\) 本の棒と以下の \(N=4\) 件の注文に対する実行可能な切断計画を求めます：
pyQBPPプログラム
以下のpyQBPPプログラムは、長さ \(L=60\) の \(M=6\) 本の棒と以下の \(N=4\) 件の注文に対する実行可能な切断計画を求めます：
注文 \(j\) |
長さ \(l_j\) |
数量 \(c_j\) |
|---|---|---|
0 |
13 |
10 |
1 |
23 |
4 |
2 |
8 |
8 |
3 |
11 |
6 |
この切出し問題のQUBO++プログラムは以下のとおりです：
#define MAXDEG 2
#include <qbpp/qbpp.hpp>
#include <qbpp/easy_solver.hpp>
int main() {
const int L = 60;
const qbpp::Vector<int> l = {13, 23, 8, 11};
const qbpp::Vector<int> c = {10, 4, 8, 6};
const size_t N = l.size();
const size_t M = 6;
auto x = qbpp::var_int("x", M, N) == 0;
for (size_t i = 0; i < M; i++) {
for (size_t j = 0; j < N; j++) {
x[i][j] = 0 <= qbpp::var_int() <= c[j];
}
}
auto order_fulfilled_count = qbpp::vector_sum(x, 0);
auto order_constraint = order_fulfilled_count == c;
auto bar_length_used = qbpp::expr(M);
for (size_t i = 0; i < M; i++) {
bar_length_used[i] = qbpp::sum(x[i] * l);
}
auto bar_constraint = 0 <= bar_length_used <= L;
auto f = qbpp::sum(order_constraint) + qbpp::sum(bar_constraint);
f.simplify_as_binary();
auto solver = qbpp::easy_solver::EasySolver(f);
qbpp::Params params;
params.set("time_limit", "10.0");
params.set("target_energy", "0");
auto sol = solver.search(params);
for (size_t i = 0; i < M; i++) {
std::cout << "Bar " << i << ": ";
for (size_t j = 0; j < N; j++) {
std::cout << sol(x[i][j]) << " ";
}
std::cout << " used = " << sol(bar_length_used[i])
<< ", waste = " << L - sol(bar_length_used[i]) << std::endl;
}
for (size_t j = 0; j < N; j++) {
std::cout << "Order " << j
<< " fulfilled = " << sol(order_fulfilled_count[j])
<< ", required = " << c[j] << std::endl;
}
}
このプログラムは整数変数の \(M \times N\) 行列 x を作成し、定数値0で初期化します。 ネストされたforループにより、各エントリ x[i][j] に上限付き整数変数 0 <= qbpp::var_int(...) <= c[j] が割り当てられ、x[i][j] は c[j] 以下の非負整数値をとります。
制約は以下のように定義されます：
order_fulfilled_count: \(N\) 個の式のベクトルで、order_fulfilled_count[j]は注文 \(j\) について生産されたピースの合計数を表します。order_constraint: すべての \(j\) に対してorder_fulfilled_count[j] == c[j]を強制する \(N\) 個の制約式のベクトルです。bar_length_used: \(M\) 個の式のベクトルで、bar_length_used[i]は棒 \(i\) で使用された合計長を表します。bar_constraint: すべての \(i\) に対して0 <= bar_length_used[i] <= Lを強制する \(M\) 個の制約式のベクトルです。f: すべての制約式の和です。f.simplify_as_binary()を呼び出した後、Easy Solverはターゲットエネルギー0（すなわちすべての制約が満たされた状態）の解を探索します。
import pyqbpp as qbpp
L = 60
l = [13, 23, 8, 11]
c = [10, 4, 8, 6]
N = len(l)
M = 6
# Create integer variables x[i][j] for pieces of order j cut from bar i
x = [[qbpp.between(qbpp.var_int(), 0, c[j]) for j in range(N)] for i in range(M)]
# Order constraint: total pieces for each order must equal c[j]
order_constraint = 0
for j in range(N):
col_sum = 0
for i in range(M):
col_sum += x[i][j]
order_constraint += col_sum == c[j]
# Bar constraint: total length used in each bar must not exceed L
bar_length_used = []
bar_constraint = 0
for i in range(M):
used = 0
for j in range(N):
used += x[i][j] * l[j]
bar_length_used.append(used)
bar_constraint += qbpp.between(used, 0, L)
f = order_constraint + bar_constraint
f.simplify_as_binary()
solver = qbpp.EasySolver(f)
solver.time_limit(10.0)
solver.target_energy(0)
sol = solver.search()
for i in range(M):
pieces = " ".join(str(sol(x[i][j])) for j in range(N))
used = sol(bar_length_used[i])
print(f"Bar {i}: {pieces} used = {used}, waste = {L - used}")
for j in range(N):
fulfilled = 0
for i in range(M):
fulfilled += sol(x[i][j])
print(f"Order {j} fulfilled = {fulfilled}, required = {c[j]}")
以下の出力は実行可能解の例です：
Bar 0: 2 0 0 3 used = 59, waste = 1
Bar 1: 4 0 1 0 used = 60, waste = 0
Bar 2: 1 1 3 0 used = 60, waste = 0
Bar 3: 0 0 4 2 used = 54, waste = 6
Bar 4: 2 1 0 1 used = 60, waste = 0
Bar 5: 1 2 0 0 used = 59, waste = 1
Order 0 fulfilled = 10, required = 10
Order 1 fulfilled = 4, required = 4
Order 2 fulfilled = 8, required = 8
Order 3 fulfilled = 6, required = 6
\(N=4\) 件のすべての注文が \(M=6\) 本の棒で満たされていることがわかります。
\(M=5\) に設定すると、ソルバーは以下の実行不可能な解を返し、すべての注文が満たされていません：
Bar 0: 4 0 1 0 used = 60, waste = 0
Bar 1: 0 0 6 1 used = 59, waste = 1
Bar 2: 2 1 0 1 used = 60, waste = 0
Bar 3: 2 0 0 3 used = 59, waste = 1
Bar 4: 1 2 0 0 used = 59, waste = 1
Order 0 fulfilled = 9, required = 10
Order 1 fulfilled = 3, required = 4
Order 2 fulfilled = 7, required = 8
Order 3 fulfilled = 5, required = 6