Graphes et réseaux. Michel Bierlaire. EPFL - Laboratoire Transport et Mobilité - ENAC. Graphes et réseaux p.

Transcription

1 Graphes et réseaux p. 1/44 Graphes et réseaux Michel Bierlaire EPFL - Laboratoire Transport et Mobilité - ENAC

2 Graphes et réseaux p. 2/44 Réseaux Réseaux routiers

3 Graphes et réseaux p. 3/44 Réseaux Réseaux de transports en commun

4 Graphes et réseaux p. 4/44 Réseaux Réseaux de gaz

5 Graphes et réseaux p. 5/44 Réseaux Réseaux d eau

6 Graphes et réseaux p. 6/44 Réseaux Réseaux d ordinateurs

7 Graphes et réseaux p. 7/44 Réseaux Réseaux de neurones

8 Graphes et réseaux p. 8/44 Réseaux Réseaux sociaux

9 Graphes et réseaux p. 9/44 Réseaux Formalisation mathématique du concept de réseaux Graphe Un graphe orientég = (N,A) est constitué d un ensemblen de noeuds et d un ensemble A de paires de noeuds distincts, appelées arcs

10 Graphes et réseaux p. 10/44 Réseaux Arête Une arête est un arc dont on ignore l orientation. Chaîne Une suite consécutive d arêtes est appelée une chaîne. Chemin Une suite consécutive d arcs est appelée un chemin. Graphe connexe Un graphe G = (N,A) est connexe si, quelque soit i,j N, il existe une chaîne deiàj. Graphe fortement connexe Un graphe G = (N,A) est fortement connexe si, quelque soit i,j N, il existe un chemin deiàj.

11 Graphes et réseaux p. 11/44 Graphe non connexe

12 Graphes et réseaux p. 12/44 Graphe connexe mais pas fortement

13 Graphes et réseaux p. 13/44 Graphe fortement connexe

14 Graphes et réseaux p. 14/44 Réseaux Cycle Une chaîne dont les deux sommets extrémités sont identiques est un cycle Circuit Un chemin dont les deux sommets extrémités sont identiques est un circuit

15 Graphes et réseaux p. 15/44 Réseaux Forêt Un graphe sans cycle est appelé une forêt

16 Graphes et réseaux p. 16/44 Réseaux Arbre Un graphe connexe sans cycle est appelé un arbre

17 Graphes et réseaux p. 17/44 Réseaux On supposera qu il existe au plus un seul arc reliant deux noeuds dans une même direction. Dans ce cours, un graphe est un graphe orienté. Réseau Un réseau est un graphe, pour lequel des valeurs numériques ont été associées aux noeuds et/ou aux arcs. Longueur d une route. Capacité d un tuyau. Nombre de personnes habitants en un endroit. Flot de véhicules empruntant une autoroute. etc.

18 Graphes et réseaux p. 18/44 Flots Notations: Noeuds : i et j. Arc : (i,j). Flot sur l arc (i,j) : x ij. Si x ij < 0, le flot va à contre sens. Vecteur de flots: {x ij tel que (i,j) A}. Divergence : bilan des flots en un noeud i y i = j (i,j) A x ij j (j,i) A x ji, i N.

19 Graphes et réseaux p. 19/44 Flots x 12 = 1 2 x 24 = 2 1 x 13 = 0 x 32 = 0 x 23 = 1 x 34 = 2 4 3

20 Graphes et réseaux p. 20/44 Flots x 12 = 1 y 2 = 2 2 x 24 = 2 y 1 = 1 1 x 13 = 0 x 32 = 0 x 23 = 1 x 34 = 2 4 y 4 = 0 3 y 3 = 1

21 Graphes et réseaux p. 21/44 Flots x 12 = 1 y 2 = 2 2 x 24 = 2 y 1 = 1 1 x 13 = 0 x 32 = 0 x 23 = 1 x 34 = 2 4 y 4 = 0 Sources : y i > 0 Puits : y i < 0 3 y 3 = 1

22 Graphes et réseaux p. 22/44 Flots On a toujours y i = 0. i N Si y i = 0, i N, on dit que le vecteur de flots est une circulation.

23 Graphes et réseaux p. 23/44 Flots : exemple de circulation x 12 = 1 y 2 = 0 2 x 24 = 1 y 1 = 0 1 x 13 = 1 x 32 = 1 x 23 = 1 x 34 = 1 4 y 4 = 0 3 y 3 = 0

24 Graphes et réseaux p. 24/44 Problème de transbordement Une entreprise doit transporter ses produits de ses usines (lieux de production) vers ses clients. Elle désire minimiser ses coûts. Elle doit se plier aux contraintes de capacité du système de transport. Elle peut éventuellement transborder les marchandises en tout noeud du réseau.

25 Graphes et réseaux p. 25/44 Problème de transbordement Trouver un vecteur de flots : qui minimise une fonction de coût (linéaire), qui produise un vecteur de divergence donné, qui vérifie les contraintes de capacité.

26 Graphes et réseaux p. 26/44 Problème de transbordement Données a ij : coût unitaire de transport sur l arc (i,j), b ij : flot minimum sur l arc (i,j) (souvent 0), c ij : capacité de l arc (i,j), s i : divergences désirées. Si s i > 0 alors s i est l offre en i, c.-à-d. ce qui est produit par l usine située en i. Si s i < 0 alors s i est la demande en i, c.-à-d. ce qui est commandé par le client situé en i.

27 Graphes et réseaux p. 27/44 Problème de transbordement sous contraintes x ij j (i,j) A j (j,i) A min x (i,j) A a ij x ij x ji = s i i N offre/demande b ij x ij c ij (i,j) A capacités

28 Graphes et réseaux p. 28/44 Problème de transbordement Il s agit un problème d optimisation linéaire. Il peut donc être résolu par l algorithme du simplexe. Il généralise de nombreux problèmes dans les réseaux.

29 Graphes et réseaux p. 29/44 Le plus court chemin Le problème du plus court chemin consiste à déterminer le chemin de coût minimum reliant un noeud a à un noeud b. On peut le voir comme un problème de transbordement. Idée: on envoie une seule unité de flot de a à b.

30 Graphes et réseaux p. 30/44 Le plus court chemin Données a ij : longueur de l arc (i,j), b ij : 0, c ij : 1, s i : Origine : s a = 1. Destination : s b = 1. Autres noeuds : s i = 0, si i a et i b.

31 Graphes et réseaux p. 31/44 Affectation Je possède 4 chefs d oeuvre que je désire vendre Renoir Van Gogh Monet Bierlaire

32 Graphes et réseaux p. 32/44 Affectation J ai contacté quatre acheteurs qui ont fait des offres (en kchf) Van Gogh Renoir Monet Bierlaire Christie s Drouot COOP Metropolitan

33 Graphes et réseaux p. 33/44 Affectation Je désire vendre exactement une peinture à chaque acheteur. Quelle peinture dois je vendre à quel acheteur pour gagner un maximum? On peut le voir comme un problème de transbordement. Représentation en réseau.

34 Graphes et réseaux p. 34/44 Affectation Van Gogh Christies Renoir Drouot Monet COOP Bierlaire Metro

35 Graphes et réseaux p. 35/44 Affectation Données a ij : valeur de l offre, changée de signe, b ij : 0, c ij : 1. s i : Noeud i oeuvre : s i = 1. Noeud j acheteur : s j = 1.

36 Graphes et réseaux p. 36/44 Flot maximal Une société pétrolière désire envoyer un maximum de pétrole via un réseau de pipelines entre un lieu a et un lieu b. Combien de litres par heure pourra-t-elle faire passer par le réseau? Les capacités des pipelines (en kilolitres/heure) sont indiquées sur les arcs.

37 Graphes et réseaux p. 37/44 Flot maximal 3 c 13 = 4 c 3b = 1 c a1 = 2 c 12 = 3 c 2b = 2 a 1 2 b c a2 = 3

38 Graphes et réseaux p. 38/44 Flot maximal On peut le voir comme un problème de transbordement. Il faut ajouter un arc artificiel. Idée : chaque unité de flot qui a réussi à passer à travers le réseau est ramenée artificiellement à a, en rapportant des bénéfices (coût négatif).

39 Graphes et réseaux p. 39/44 Flot maximal 3 c 13 = 4 c 3b = 1 c a1 = 2 c 12 = 3 c 2b = 2 a 1 2 b c a2 = 3 c ba = +, a ba = 1

40 Graphes et réseaux p. 40/44 Flot maximal Données { a ij : 0 pour les arc réels 1 pour l arc artificiel b ij : 0, c ij : capacités, s i = 0 i: on désire une circulation.

41 Graphes et réseaux p. 41/44 Problème de transport Une société électrique possède trois générateurs pour fournir 4 villes en électricité. Les générateurs produisent resp. 35, 50 et 40 MKWh. Les villes consomment resp. 45, 20, 30 et 30 MKWh. Les coûts de transport d un MKWh d un générateur à une ville sont repris dans le tableau suivant. Ville 1 Ville 2 Ville 3 Ville 4 Gén Gén Gén Comment approvisionner les villes à moindre coût?

42 Graphes et réseaux p. 42/44 Problème de transport Ville 4 Gén Ville 3 Gén Ville 2 Gén Ville 1

43 Graphes et réseaux p. 43/44 Problème de transport Données a ij : prix entre générateur i et ville j, b ij : 0, c ij : +, s i : offre et demande { capacité de production s i = demande si i = générateur si i = ville

44 Graphes et réseaux p. 44/44 Résumé Le problème de transbordement généralise beaucoup de problèmes dans les réseaux. Il s agit d un problème d optimisation linéaire. L algorithme du simplexe peut être utilisé. Dans de nombreux cas, il est possible d exploiter mieux la structure du problème afin d obtenir un algorithme plus efficace. Exemple : problème du plus court chemin.