小白零基础学数学建模应用系列(五）：任务分配问题优化与求解

文章目录

- [一. 分配问题](#一. 分配问题)
- - [1.1 问题背景](#1.1 问题背景)
  - [1.2 假设条件](#1.2 假设条件)
  - [1.3 问题要求](#1.3 问题要求)
  - [1.4 数学建模](#1.4 数学建模)
- [二. 实际案例](#二. 实际案例)
- - [2.1 问题背景](#2.1 问题背景)
  - [2.2 假设条件](#2.2 假设条件)
  - [2.3 问题要求](#2.3 问题要求)
  - [2.4 模型建立](#2.4 模型建立)
  - [2.5 求解代码](#2.5 求解代码)
  - [2.6 结果分析](#2.6 结果分析)
  - - [2.6.1 分配方案的解释](#2.6.1 分配方案的解释)
    - [2.6.2 总时间的优化](#2.6.2 总时间的优化)
    - [2.6.3 潜在的现实应用](#2.6.3 潜在的现实应用)

一. 分配问题

1.1 问题背景

分配问题（Assignment Problem）是运筹学中的经典问题之一，广泛应用于生产调度、任务分配、人员调度等领域。其核心思想是将一定数量的资源合理分配到一定数量的任务中，以达到最优的效果。在实际应用中，资源和任务的分配通常是基于某种目标，例如最小化总成本、时间或最大化总效率等。

在本文中，我们研究的是一个典型的分配问题：设有 (m) 件工作和 (m) 个人员，每个人只能完成一项工作，且每项工作只能分配给一个人。已知第 (i) 个人完成第 (j) 项工作的时间（或费用）为 c i j c_{ij} cij，我们的目标是如何分配这些工作，使得总时间（或总费用）最少。

1.2 假设条件

在求解这个问题之前，我们需要作出以下假设条件：

工作数量与人员数量相同：即有 (m) 件工作和 (m) 个人员，确保每个工作都有人负责且每个人只负责一项工作。
每个人都有能力完成分配的工作 ：假设每个任务对于被分配的人员都是可行的，即每个 c i j c_{ij}\ cij 是一个有限值。
工作独立性：各项工作之间是独立的，完成某一项工作所需的时间或费用不会因其他工作的分配而改变。
分配不可拆分：每项工作只能由一个人完成，不能将工作拆分给多个人员。

1.3 问题要求

根据上述背景和假设，问题的要求可以表述为：

给定一个 m × m m \times m\ m×m 的矩阵 C = [ c i j ] C = [c_{ij}] C=[cij]，其中 c i j c_{ij} cij 表示第 (i) 个人完成第 (j) 项工作的时间（或费用）。需要找到一个分配方案，使得总的完成时间（或总费用）最小化。

好的，我们将基于你提供的截图内容，采用0-1规划来建立模型，并给出相应的求解代码。

1.4 数学建模

首先，我们定义决策变量：

x i j = { 1 如果第 i 个人被分配做第 j 件工作， 0 否则。 x_{ij} = \begin{cases} 1 & \text{如果第 } i \text{ 个人被分配做第 } j \text{ 件工作，}\\ 0 & \text{否则。} \end{cases} xij={10如果第 i 个人被分配做第 j 件工作，否则。

目标函数为：

minimize z = ∑ i = 1 m ∑ j = 1 m c i j x i j \text{minimize } z = \sum_{i=1}^{m} \sum_{j=1}^{m} c_{ij}x_{ij} minimize z=i=1∑mj=1∑mcijxij

约束条件为：

∑ j = 1 m x i j = 1 , i = 1 , 2 , ... , m \sum_{j=1}^{m} x_{ij} = 1, \quad i = 1, 2, \dots, m j=1∑mxij=1,i=1,2,...,m

∑ i = 1 m x i j = 1 , j = 1 , 2 , ... , m \sum_{i=1}^{m} x_{ij} = 1, \quad j = 1, 2, \dots, m i=1∑mxij=1,j=1,2,...,m

x i j ∈ { 0 , 1 } , i , j = 1 , 2 , ... , m x_{ij} \in \{0, 1\}, \quad i, j = 1, 2, \dots, m xij∈{0,1},i,j=1,2,...,m

二. 实际案例

为了更好地理解和展示该问题的实际应用，我们将假设一个具体的场景，并给出相应的参数值用于建模和求解。

2.1 问题背景

假设某公司正在进行一个项目，需要分配任务给不同的员工。公司有4个任务和4名员工，每个员工完成每个任务所需的时间（或成本）是已知的。公司希望通过合理分配任务，使得所有任务的总完成时间最短。

具体任务与员工的时间表如下：

任务A、B、C、D
员工1、2、3、4

下表为每个员工完成每项任务所需的时间（单位：小时）：

	任务A	任务B	任务C	任务D
员工1	13	4	7	6
员工2	1	11	5	4
员工3	6	7	2	8
员工4	1	3	5	9

2.2 假设条件

我们沿用之前提到的假设条件：

公司有4个任务和4名员工，确保每个任务都能被完成，且每个员工只负责一项任务。
每个员工都有能力完成分配给他的任何任务，时间表中的数值表示了完成任务所需的时间。
各项任务之间是独立的，完成某一项任务的时间不会因其他任务的分配而改变。
每个任务只能由一个员工完成，不能将任务拆分给多个人员。

2.3 问题要求

基于上述背景，问题的要求是找到一个最优的任务分配方案，使得所有任务的总完成时间最短。

2.4 模型建立

我们可以根据上表的具体数据构建0-1规划模型。具体来说，设定 ( m = 4 ) 和 ( n = 4 )（即4个任务和4名员工），然后我们将每个员工完成每项任务的时间用一个4x4的矩阵表示：

c i j = ( 13 4 7 6 1 11 5 4 6 7 2 8 1 3 5 9 ) c_{ij} = \begin{pmatrix} 13 & 4 & 7 & 6 \\ 1 & 11 & 5 & 4 \\ 6 & 7 & 2 & 8 \\ 1 & 3 & 5 & 9 \\ \end{pmatrix} cij= 131614117375256489

目标函数为：

minimize z = ∑ i = 1 4 ∑ j = 1 4 c i j x i j \text{minimize } z = \sum_{i=1}^{4} \sum_{j=1}^{4} c_{ij}x_{ij} minimize z=i=1∑4j=1∑4cijxij

约束条件为：

∑ j = 1 4 x i j = 1 , i = 1 , 2 , 3 , 4 \sum_{j=1}^{4} x_{ij} = 1, \quad i = 1, 2, 3, 4 j=1∑4xij=1,i=1,2,3,4

∑ i = 1 4 x i j = 1 , j = 1 , 2 , 3 , 4 \sum_{i=1}^{4} x_{ij} = 1, \quad j = 1, 2, 3, 4 i=1∑4xij=1,j=1,2,3,4

x i j ∈ { 0 , 1 } , i , j = 1 , 2 , 3 , 4 x_{ij} \in \{0, 1\}, \quad i, j = 1, 2, 3, 4 xij∈{0,1},i,j=1,2,3,4

2.5 求解代码

我们Python代码进行求解：

python 复制代码

import pulp

# 定义cij矩阵，表示第i个人完成第j项工作的时间
c = [
    [13, 4, 7, 6],
    [1, 11, 5, 4],
    [6, 7, 2, 8],
    [1, 3, 5, 9]
]

# 初始化问题
prob = pulp.LpProblem("Assignment_Problem", pulp.LpMinimize)

# 决策变量定义
x = pulp.LpVariable.dicts("x", (range(4), range(4)), cat='Binary')

# 目标函数
prob += pulp.lpSum([c[i][j] * x[i][j] for i in range(4) for j in range(4)])

# 约束条件：每个人只能被分配到一项工作
for i in range(4):
    prob += pulp.lpSum([x[i][j] for j in range(4)]) == 1

# 约束条件：每项工作只能分配给一个人
for j in range(4):
    prob += pulp.lpSum([x[i][j] for i in range(4)]) == 1

# 求解问题
prob.solve()

# 输出结果
print("Optimal Assignment:")
for i in range(4):
    for j in range(4):
        if x[i][j].value() == 1:
            print(f"Person {i+1} assigned to Job {j+1} with time {c[i][j]} hours")

print("Total minimum time:", pulp.value(prob.objective), "hours")

运行结果如下：

Optimal Assignment:
Person 1 assigned to Job 2 with time 4 hours
Person 2 assigned to Job 4 with time 4 hours
Person 3 assigned to Job 3 with time 2 hours
Person 4 assigned to Job 1 with time 1 hours
Total minimum time: 11.0 hours

2.6 结果分析

通过运行线性规划模型，我们得到了最优的任务分配方案，目标是使所有任务的总完成时间最短。最终的最优分配结果如下：

员工1 被分配完成 任务B ，所需时间为 4小时。
员工2 被分配完成 任务D ，所需时间为 4小时。
员工3 被分配完成 任务C ，所需时间为 2小时。
员工4 被分配完成 任务A ，所需时间为 1小时。

总的最小完成时间为 11小时。

2.6.1 分配方案的解释

员工1 被分配到 任务B，所需时间为4小时。在给定的时间矩阵中，员工1的其他任务选项中时间更长（13小时、7小时、6小时），因此选择4小时的任务B是最佳选择。
员工2 被分配到 任务D，所需时间为4小时。虽然员工2完成任务A仅需1小时，但由于任务A已经被分配给了更合适的员工4，员工2只能选择任务D。相比其他选项（11小时和5小时），选择任务D的4小时是最优的。
员工3 被分配到 任务C，所需时间为2小时。对于员工3来说，这是所有可选任务中时间最短的，因此是最优的选择。
员工4 被分配到 任务A，所需时间为1小时。对于员工4来说，任务A是耗时最短的，尽管其他任务的时间相对较长（3小时、5小时、9小时），因此这是最佳分配。

2.6.2 总时间的优化

该分配方案达到了最小化总时间的目标，总时间为 11小时。相比于其他可能的分配组合，这个方案有效地利用了每个员工的优势，并合理地分配了任务。以下几点进一步说明了方案的优越性：

最小化完成时间：通过合理分配，所有任务的完成时间被压缩到最小。这确保了项目在最短的时间内完成，提高了整体效率。
任务和资源的匹配：每个员工都被分配到最适合的任务，这不仅降低了总完成时间，还有效减少了可能的资源浪费和时间超支。

2.6.3 潜在的现实应用

在实际应用中，这种任务分配方法可以用于多个场景，比如生产调度、人力资源管理、项目管理等。在这些场景中，合理的资源分配不仅能够节省时间，还能提高整体效率和生产力。

总之，本文所提供的分配方案和分析展示了如何通过线性规划技术，优化资源分配，解决复杂的现实问题。这种方法简单有效，具有广泛的应用前景。