「基礎OR」/「OR演習」
第1回
09/27/2011
森戸 晋
1
2
OR=Operations Research
モデルを用いた分析技術
• モデル=特定の目的のもとに、ものごとの本質
的なところに着目して本質部分を抜き出し、残り
を棄て去ったもの
• 物を考える→頭にイメージ→モデル
皆、頭の中には「モデル」を持っている。このモ
デルは、「自分の見た世界」と言ってよい。
• 各人の頭の中のモデルは、以下に欠ける
正確性、客観性、操作性、伝達可能性
• そこで、「頭の中のモデル」を、白日の下に晒す
==> オペレーションズ・リサーチ(OR)
3
巡回セールスマン問題の一例
53
1
6
85
99 58
30
18
46
88
2
45
52
5
57
35
95
42
4
3
30
距離(費用)行列
点1
99
点2
58
42
点3
57
52
30
点4
18
88
35
95
点5
53
30
45
46
85
点6
4
巡回セールスマン問題(TSP)
Traveling Salesman Problem
• 都市がn 個存在
• セールスマンの営業拠点は都市1に存在
• セールスマンは各都市を1回ごと(正確には、
ちょうど1回)訪問
• 都市i から都市 j への移動「コスト」はcij
• セールスマンの総移動「コスト」を最小化する訪
問順序を決定したい
5
平面TSP(の拡張): 配送計画
7
ドリル穴あけ順序決定問題
電子基盤に穴をあける (部品を埋め込む)順序
を決定する問題.
総移動距離を最小化する
= 単位時間当たりの生産量最大化.
8
PCBマスク配線
9
塗料工場の生産順序決定
• 要求の多い顧客
→多品種少量生
産
• 同一設備で複数
の品種を生産
4
• 品種切替時に「段
取り」ロスが発生
→段取りロス
を最小化する生
産順序の決定
– 段取りロスが前
後の生産品種に
依存すると、問題
は非対称TSP
2
6
3
3
7
7
1
3
5
10 3
6
4
7
9
4
3
2
8
10
11
非対称TSPの応用例
製鉄所における圧延順序決定
12
非対称TSPの応用例
製鉄所における圧延順序決定
13
非対称TSPの応用例
製鉄所における圧延順序決定
8
厚さ
1
4
6
10
2
3
7
8
9
5
4
幅
14
鉄道における車両運用計画
15
車両運用計画とは
与えられた列車ダイヤに対し、各列車に対する車両の割当と使
用順序を決定する問題
列車:ダイヤによって始発・終着駅とそれらの時刻が
定められたもの
仕業:ある車両の一日の遂行列車のつながり
交番:全ての仕業を一日ずつ推移する仕業のつながり
A駅
1 仕業
列車
2
B駅
3
C駅
D駅
3
時刻
2
1
16
ダイヤのおける「列車」
D駅
C駅
B駅
A駅
6:00
時刻
24:00
17
仕業:1日単位の編成の使用計画
D駅
C駅
B駅
A駅
時刻
6:00
A駅
D駅
A駅
24:00
C駅
1日単位のある編成の使用計画
18
交番:仕業の順番
使用順序
編成 A1 A2 A3 A4
仕業1
仕業2
仕業3
仕業4
A駅
C駅
A駅
B駅
D駅
A駅
A駅
C駅
A駅
C駅
D駅
A駅
A駅
C駅
B駅
A駅
1
4
3
2
2
1
4
3
3
2
1
4
4
3
2
1
複数日にわたる車両の循環的な使用計画
19
TSPの応用例
•
•
•
•
•
•
•
•
文字通り、巡回セールスマン
Vehicle Routing Problem(配送/配車計画)
穴あけ順序、プロッタの描画順序
ペイントショップの生産順序
製鉄所における圧延順序
鉄道における列車への車両(編成)の割当
航空会社における遅延フライトの再計画
...
20
「モデルは皆の公約数」
公約数を扱う意義
•
•
•
•
•
解いたり動かすことが可能(操作可能性)
問題の構造化(構造化)
簡素な姿(KISS)(単純化)
理想形を見極めること(理想化)
俺の悩みは皆の悩みなんだ(共通性)
これらは、モデル化に伴う抽象化(abstraction)
により達成される
21
ORの定義
• 「ORはモデルに基づく科学的な方法、
手法をシステムの設計・管理・運用に
関する問題に適用して、システムを管
理する人に問題に対する適切な解を
提供する方法である」
チャーチマン、エイコフ、アーノフの古
典的教科書の定義
22
ORの特徴
(1)合理的な意思決定のための科学的方法
(2)モデルを基礎とする問題の理解と解決
(3)問題解決の方法・技術に関する学問分
野
(4)学際的科学
(5)技術をうまく活用する技術
23
ORによる問題解決の基本要素
問題
ロジスティクス
(輸配送、
立地等)
スケジューリング
(順序づけ、
資源配分等)
生産
(FMS)
モデル
最適化モデル(数理
計画モデル)
線形計画モデル
組合せ最適化
モデル
(巡回セールスマン
ナップザック、
施設配置、・・・)
非線形計画モデル
シミュレーション
モデル
解法
最適解法
(分枝限定法、
切除平面法)
メタ解法
(タブー探索、
アニーリング、
ニューラルネット、
遺伝的解法、
・・・)
離散型
シミュレーション
24
問題解決のサイクル
理念
(虚)
解析
解
モデル
抽象化
解釈
現実
(実)
解決策
現象
評価
25
「OR」で勉強すること
• モデルとは何か、モデルを用いた分析技
術(=OR)とは何かを理解する
(「モデルは皆の公約数」)
• ORの基本ステップを理解する
問題→定式化→解法(→問題解決)
• いろいろなモデルを学ぶ
• いろいろな解法を学ぶ
• いろいろな応用を知る
26
関連する授業科目
• 基礎OR(2年後期・ 必修)
逆瀬川・森戸・本間
• OR演習(2年後期・必修)
逆瀬川・森戸・本間
• 確率モデル(2年・ 必修) 逆瀬川
• OR-A(3年・選択) 森戸・椎名
• OR-B(3年・選択) 逆瀬川
27
モデル分類の視点
•
•
•
•
•
•
予測/評価/最適化
確定的/確率的
線形/非線形
静的(時間要因を含まず)/動的(含む)
連続/離散
解析解存在/解法(アルゴリズム)存在/
シミュレーション
28
生産計画問題(2製品、3リソース)
• 早稲田工場では、鉄鋼、電力、労働力という3種類の
リソースを使って、2種類の製品を生産している
• 来週の生産計画を立案したい
• 限られたリソースの範囲内で、利益最大の製品の生
産単位数(非負実数ならよいものと仮定)を決めたい
製品1 製品2 来週使えるリソース許容上限
鉄鋼
電力
労働力
1
1
3
2
1
1
利益
2
3
14
8
18
30
数理計画問題(最適化問題)の定式化
• (決定)変数(variables)の定義
なにが制御可能か。なにを動かして最適
化を達成しようとするのか。
• 目的関数(objective function)の定義
計画をどう評価するのか。評価値を大きく
したいのか、小さくしたいのか。
• 制約条件(constraints)の定義
どのような制約条件があるのか。
31
生産計画問題の定式化
線形計画問題
• (決定)変数(決めること)
– 製品1の生産量
– 製品2の生産量
x1
x2
• 最大化 z =2 x1 + 3 x 2 (目的関数:利益)
• 制約(条件) x1 + 2 x 2 ≦ 14 (鉄鋼)
x1 + x 2 ≦ 8 (電力)
3 x1 + x 2 ≦ 18 (労働力)
x1、x2≧0
32
生産計画問題の幾何学的表現
x2
z=一定
0
x1
33
線形計画問題(LP)
(Linear Programming)
• 目的関数、制約条件がすべて線形関数からな
る
• 変数は(原則として非負の)実数(連続変数)
• 最大化 z = Σj=1,…,n cj xj
制約条件
Σj=1,…,n aij xj = bi , i=1,...,m
xj ≧0 , j=1,...,n
• 制約条件は,≧または≦の不等式の場合あり
• 効率のよい解法が存在(単体法、内点法)
34
線形関数とは
• 生産量が倍になれば、必要となるリソースの量
も倍になる
• 購入量が倍になれば、購入費用も倍になる
– 世の中は必ずしも線形でないが、多くの実際問題が
線形モデルで表現、あるいは、近似できる
z
線形関数
z
非線形関数 log x , x2 , x 1x 2
z = c 1x 1
規模の経済
(非線形性
の要因)
x1
x 1 35
整数計画問題(IP)
(Integer Programming Problem)
• 整数計画問題 =
線形計画問題 + 変数の整数条件
• 多くの、重要な、組み合わせ「最適化問題」
(Combinatorial Optimization Problem)が整数
計画問題として表現可能
• 一般に、線形計画問題より解きにくい
37
数理計画法(数理計画問題)あれこれ
• 線形計画法(Linear Programming)
– 数理計画の基本
• 非線形計画法(NonLinear Programming)
– 2次計画法(Quadratic Programming)
•
•
•
•
•
ネットワーク計画法(Network Programming)
整数(線形)計画法(Integer Programming)
確率計画法(Stochastic Programming)
動的計画法(Dynamic Programming)
・・・
38
数理計画モデルをどう解くか
• 解析解 → ほとんど期待できない
例:根の公式、連立方程式のクラメルの公式
• 最適解法 → 反復的アルゴリズムによる求解
与えられた問題(モデル)に対して最適性を保
証する解法 (この授業では最適解法を扱う)
• 近似解法、ヒューリスティックス解法 → 実用
的、どれぐらい最適に近いかは分からない場合
が多い;最適性の保証はないが、そこそこの解
を出してくれる解法
39
(3製品版)生産計画問題
• 早稲田工場では、3つの製品、製品1、製品2、
製品3を生産)
• 原料として、鉄鋼、電力、労働力を使用
• 1個当たり 製品1 製品2 製品3 保有量
利益
2万円 3万円 4万円
鉄鋼
1
2
3
14
電力
1
1
2
8
労働力
3
1
2
18
40
生産計画問題の定式化
• 変数(決めること) → 変化させるセル
– 製品1、2、3の生産量
x1,x2,x3
• 最大化 z=2 x1+3 x 2+4 x 3 (目的関数:利益)
→ 目的セル
• 制約条件
x1+2 x 2+3 x 3 ≦ 14(鉄鋼)
x1+ x 2+2 x 3 ≦ 8 (電力)
3 x1+ x 2+2 x 3 ≦ 18(労働力)
x1,x2 ,x3≧0
41
ソルバーの求解手順(1)シート設定
製品1 製品2 製品3
0.問題を定式化
z=2 x +3 x +4 x
≦ 14
1a.係数行列 (鉄鋼) 1 x +2 x +3 x
(電力)
1 x +1 x +2 x
≦ 8
作成
(労働力) 3 x +1 x +2 x
≦ 18
1b.変数セルと目的セルの位置決定
1c.その他説明用の文字列等入力
1d.制約左辺の値と目的関数値の計
算式定義(SUMPRODUCT利用)
1
2
1
3
2
3
1
2
3
1
2
3
42
ソルバーの求解手順(2) ソルバー設定
2a.目的セル定義
2b.変数セル定義
2c.制約条件定義
3.オプション設定(「線形モデル」と「非負
数」にチェック)
(4.実行)
43
手順1 EXCELシートの設定
変数(変化さ
せるセル)
目的関数値
(目的セル)
計算式の設定
SUMPRODUCT
手順2 ソルバーパラメータ設定
手順2 ソルバーパラメータ設定
手順3 ソルバーオプション設定
手順4 実行とレポート生成(1)
手順4 実行とレポート生成(2)
手順4 実行とレポート生成(3)
手順4 実行とレポート生成(4)
ソルバー使用上の留意点
• 「変化させるセル」(変数セル)はなるべく一箇
所にまとめる
– 複数の部分に分かれている場合はコンマ区切り
• 式をコピーする場合は、セルの相対参照と絶
対参照を使いわける(セルの絶対参照切替はF4)
• 「オプション」で、「線形モデルで計算」と「非負
数を仮定する」にチェックを忘れずに
• 整数条件や0-1条件が必要なときは、制約
条件の指定の中で、変化させるセルを「区間」
(=整数)または「デー」(0-1)に
52
限界コスト、被約費用(reduced cost)
• 変数(列)に対応
• 二つの解釈が可能
①xj=0である変数を無理に正にしようとしたと
きの、xj単位当たりの目的関数値の増加の度合
い
②xj=0である変数を正にする可能性が生じる
(つまり、最適解が最適でなくなる)目的関数の
係数cjの変化量
53
潜在価格(shadow price),双対価格(dual price)
• 制約条件式(行)に対応(別名: 単体乗数
(simplex multiplier), 双対変数(dual variable))
• 当該制約条件の右辺定数以外のすべての係数
を元の問題のままにした上で、当該制約条件の
右辺定数を微小量増加させたときの、増加単位
量当たりの最適目的関数値の改善/改悪の度
合い
54
生産計画問題の幾何学的表現
x2
z=一定
0
x1
55
数理計画法の有効性
• 大規模な線形計画問題(LP)を高速に解く解法とパッ
ケージが存在
どれぐらいの問題が解ける?
• かなりの規模の整数計画問題(IP)/組合せ最適化問
題も解ける
• 単に最適解を得るだけでなく、問題の情報(具体的に
は、制約条件や目的関数の係数)が変化した場合の
「感度分析」が容易
• 線形計画問題や整数計画問題として把握可能な問題
が多く存在(線形計画は石油業界、鉄鋼業界等、整数
計画や組合せ最適化の応用領域は極めて広範)
56
第1回のキーワード
• 数理計画法(数理計画問題)、変数、制約条件、
目的関数(評価関数)
• 線形関数とはなにか
• 定式化
• 線形計画問題の定式化
• EXCELソルバーによる求解
• 最適解、最適(目的関数)値、限界コスト、潜在
コスト
57
鉄鉱石配合問題(Blending Problem)
• 4鉱山から鉄鉱石を購入し、配合して使用
• 配合されたものは、一定の品質基準を満たす必
要あり(ここでは、元素A,B,C)
• 最小費用の配合割合を決めたい(具体的に「何
ton必要」という情報はなし)
• この種の配合問題は、いろいろなシナリオで
しょっちゅう発生する(dog foodの配合、農薬の
配合、金属の配合、...)
58
鉄鉱石配合 問題データ
元素
1
A
10
B
90
C
45
コスト 800
($/ton)
鉱山
2
3
3
8
150
75
25
20
400 600
4
2
175
37
500
必要
最小量
5
100
30
59
鉄鉱石配合問題のLP定式化
• 変数: Ti=鉱山iの配合比率 (≧0)
• 目的関数:最小化 ton当たりの費用
• 制約条件:各元素(A-C)の品質基準満足
配合比率の合計は1
• Min z=800T1+400T2+600T3+500T4 (費用)
• s.t. 10T1+ 3T2 + 8T3+ 2T4≧ 5 (元素A)
90T1+150T2+75T3+175T4≧100 (元素B)
45T1+ 25T2+20T3+ 37T4≧ 30 (元素C)
T1,
T2, T3,
T4 ≧ 0(非負条件)
この解答は間違い!!!60
鉄鉱石配合問題のLP定式化
• 変数: Ti=鉱山iの配合比率 (≧0)
• 目的関数:最小化 ton当たりの費用
• 制約条件:各元素(A-C)の品質基準満足
配合比率の合計は1
• Min z=800T1+400T2+600T3+500T4 (費用)
• s.t. 10T1+ 3T2 + 8T3+ 2T4≧ 5 (元素A)
90T1+150T2+75T3+175T4≧100 (元素B)
45T1+ 25T2+20T3+ 37T4≧ 30 (元素C)
T1+
T2+ T3+
T4= 1 (合計1)
T1,
T2, T3,
T4 ≧ 0(非負条件)
61
「最適(目的関数)値」関数
生産計画問題の鉄鋼リソースを例に
(問題の)他の条件が変わらないとしたときに、○○(例:鉄鋼)リ
ソースが変化したときの最適(目的関数)値の変化を示したグラフ
最
適
値 24
22
19
0
1
赤字は傾き
1.4
12
2
6
11
14 16
鉄鋼リソース許容量
62
農場経営(Buster Sod) 問題
•
•
•
•
灌漑設備付1,200acresの農場の年間計画
wheat, alfalfa, beefの生産
2,000 acre feet(水量の単位)の用水割当
beef($600/t)
wheat($1.60/bushel; 50 bushel/acre)
alfalfa(sell $34/t, buy $36/t; 3t/acre)
• 「技術的」条件(問題文中の表)
• 最大利益(または、最小費用)の計画立案
63
農場経営問題 「技術的」データ
農場経営(Buster Sod)問題の技術的条件
労働・機械 水
土地 alfalfa
Activity 等コスト($) (acre ft)(acres)(tons)
1 acre wheat
8
1.5
1
1 acre alfalfa 30
2.5
1
1 ton of beef 40
0.1 0.05
4
64
農場経営問題のLP定式化
• ①変数(variables)
②目的関数(objective function)
③制約条件(constraints)
• (決定)変数:wheat、alfalfa、beefの生産量
alfalfaの販売・購入量
• 目的関数:「収益ー費用」最大
• 制約条件:土地の許容上限
用水の許容上限
alfalfaのバランス
65
農場経営問題 変数・目的関数
• 変数(variables):(単位の設定は一例)
W=wheat raised and sold (acres)
A=alfalfa raised (tons)
B=beef raised and sold (tons)
Ab=alfalfa bought (tons)
As=alfalfa sold (tons)
• 目的関数(objective function):
最大化 72Wー30/3A+560Bー36Ab+34As
66
農場経営問題 制約条件
制約条件
• 土地 (単位acres)
W+(1/3)A+0.05B≦1,200
• 灌漑用水 (単位acre feet)
1.5W+(2.5/3)A+0.1B≦2,000
• alfalfa (単位tons)
ーA+4BーAb+As=0
• 非負条件 (コンピュータモデルでは省略可)
W, A, B, Ab, As ≧ 0
67
ダウンロード

第1回授業 スライド