Задача побудови найкоротших радіальних маршрутів між вузлами мережі перевезень пошти

В поштовому зв’язку радіальні маршрути використовуються, в основному, як магістральні та регіональні маршрути, а в разі нестачі часу для проходження кільцевих маршрутів – також як окружні маршрути.

Задача формулюється так: заданий зв’язний зважений граф, вершини якого відповідають вузлам мережі перевезень пошти, ребра – шляхам, що з’єднують ці вузли, а ваги ребер – протяжностям відповідних шляхів. Знайти найкоротші шляхи, що з’єднують задану початкову вершину з рештою вершин графа.

Розв’язання задачі засновано на формуванні так званого рельєфу графа у виді ваг вершин графа, значення яких дорівнюють значенням протяжностей найкоротших шляхів між ними і початковою вершиною графа.

Початковій вершині В_і надається вага Р_і = 0, решті вершин – нескінченні ваги Р_j = ¥.

На кожному кроку формування рельєфу графа знаходиться раніше неперевірена вершина мінімальної ваги, відносно якої формуються ваги тих неперевірених вершин, що безпосередньо з’єднані з перевірною вершиною. Вага неперевіреної вершини замінюється вагою перевірної вершини, збільшеної на вагу ребра, що з’єднує зазначені вершини, якщо перша перевищує другу.

Разом з формуванням рельєфу формується інформація про значення ваги кожної вершини і про номер вершини, від якої ця вага отримана.

Найкоротші шляхи формуються як послідовності записів зазначеної інформації, прочитані в порядку, зворотному до їхнього формування.

Алгоритм формування рельєфу графа наведений на рис. 2.5.

Початок

1. Присвоєння початковій вершині

ваги Р_i = 0, присвоєння решті

вершин ваг Р_j = 999

2. Вибір серед неперевірених вершин

графа вершини В_k мінімальної ваги

3. Обчислення ваги = l_k + P_(k,j)

чергової неперевіреної вершини

B_j графа, безпосередньо пов’язаної

з перевірною вершиною B_k

Ні

4. < Р_j

Так

5. Р_j = , запис B_k

6. Всі

вершини B_j, безпосередньо Ні

пов’язані з вершиною B_k,

перевірені

Так

7. Присвоєння перевірній вершині

B_k позначки “перевірена” (*)

Ні 8. Перевірено

n - 1 вершин графа

Так

Кінець

Рисунок 2.5. Алгоритм формування рельєфу графа

Алгоритм містить 8 блоків.

У блоці 1 створюється початковий рельєф графа. Початковій вершині В_і присвоюється мінімальна вага Р_і = 0, решті вершин графа B_j (j = 1, 2, … n, j ¹ i) – нескінченні ваги Р_j = ¥, які подаються як надмірні ваги Р_j = 999.

У блоці 2 серед неперевірених вершин вибирається вершина В_k мінімальної ваги Р_k.

У блоці 3 обчислюється вага = Р_k + Р_(k,j) чергової неперевіреної вершини B_j відносно перевірної вершини B_k, що безпосередньо пов’язана з вершиною B_j графа.

У блоці 4 обчислена вага порівнюється з вагою Р_j вершини B_j. При < Р_j виконується перехід до блоку 5, при ³ Р_j – до блоку 6.

У блоці 5 вага Р_j замінюється вагою , тобто значення ваги вершини B_j знижується, і запам’ятовується вершина B_k, від якої одержано значення ваги Р_j.

У блоці 6 перевіряється, чи всі вершини В_j графа, безпосередньо пов’язані з перевірною вершиною B_k, перевірені. Якщо так – здійснюється перехід до блоку 7, якщо ні – повернення до блоку 3.

У блоці 7 перевірній вершині B_k присвоюється позначка “перевірена” (*) і вона виключається з подальшого розгляду.

У блоці 8 перевіряється кількість вершин графа, що вже перевірені. Якщо таких вершин менше n - 1 – здійснюється повернення до блоку 2, і процес формування рельєфу графа повторюється, якщо їх n - 1 – рельєф графа сформований і робота алгоритму закінчується.

Алгоритм формування найкоротших шляхів за сформованим рельєфом графа наведено на рис. 2.6.

Алгоритм містить 5 блоків.

У блоці 1 фіксується поточна перевірна вершина B_l = B_j (j = 1, 2, … n,

j ¹ i).

У блоці 2 виконується зчитування рядка l таблиці рельєфу графа.

У блоці 3 фіксується значення номера попередньої вершини B_k графа та ваги Р_l.

У блоці 4 значення l замінюється значенням k, тобто поточна вершина B_l замінюється поточною вершиною B_k графа.

У блоці 5 порівнюються значення l і i. При l ¹ i виконується повернення до блоку 2 і формування шляху між вершинами B_i та B_j графа продовжується. При l = i шлях між вершинами B_i та B_j графа сформований і робота алгоритму закінчується.

Початок

1. l = j (j = 1, 2 …, n, j ¹ i)

2. Зчитування рядка l таблиці

рельєфу графа

3. Запис номера попередньої

вершини B_k графа і ваги P_l

4. l = k

Ні 5. l = i

Так

Кінець

Рисунок 2.6. Алгоритм формування найкоротших шляхів

Послідовність кроків формування рельєфу графа рис. 2.3 відносно вершини 4 наведено в табл. 2.3 … 2.10 (B_i – будь-яка вершина, Р_i – вага вершини B_i, * - позначка вершини “перевірена”, B_k – вершина, від якої одержана вага Р_i).

Таблиця 2.3. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.4. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.5. Формування рельєфу графа

Крок 0: початковий		Крок 1: Р_i = 0, B_i = 4		Крок 2: Р_i = 2, B_i = 3
B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k


									*
					*				*

Таблиця 2.6. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.7. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.8. Формування рельєфу графа

Крок 3: Р_i = 3, B_i = 1		Крок 4: Р_i = 3, B_i = 7		Крок 5: Р_i = 4, B_i = 6
B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k
	*				*				*

	*				*				*
	*				*				*

									*
					*				*

Крок 6: Р_i = 6, B_i = 8		Крок 7: Р_i = 7, B_i = 2
B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k
	*				*
					*
	*				*
	*				*

	*				*
	*				*
	*				*

Таблиця 2.9. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.10. Формування рельєфу графа

Сформовані найкоротші шляхи між вершиною 4 та рештою вершин графа наведено у табл. 2.11 (в дужках зазначені протяжності відповідних шляхів або їх частин)

Таблиця 2.11. Перелік найкоротших шляхів

4 (0) – 3 (2) – 1 (3)

4 (0) – 3 (2) – 1 (3) – 2 (7)

4 (0) – 3 (2)

4 (0) – 6 (4) – 8 (6) – 5 (9)

4 (0) – 6 (4)

4 (0) – 7 (3)

4 (0) – 6 (4) – 8 (6)

Наведені алгоритми формування рельєфу графа (рис. 2.5) і формування найкоротших шляхів за сформованим рельєфом графа (рис. 2.6) можуть бути використані також для формування шляхів, найкоротших за числом проміжних вершин.

У задачах поштового зв’язку такі шляхи використовуються для перевезень важкої (посилочної) пошти з метою скорочення витрат, пов’язаних з її перевантаженням у транзитних вузлах.

Для одержання зазначених шляхів достатньо прийняти ваги усіх ребер графа рівними одиниці.

У табл. 2.12 … 2.18 наведена послідовність кроків формування рельєфу графа рис. 2.3 відносно вершини 4 за умови рівності ваг усіх його ребер одиниці (позначення – такі ж самі, що в табл. 2.3 … 2.10).

Таблиця 2.12. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.13. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.14. Формування рельєфу графа

Крок 0: початковий		Крок 1: Р_i = 0, B_i = 4		Крок 2: Р_i = 2, B_i = 3
B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k
									*


					*				*

Таблиця 2.15. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.16. Формування рельєфу графа

Таблиця 2.17. Формування рельєфу графа

Крок 3: Р_i = 3, B_i = 1		Крок 4: Р_i = 3, B_i = 7		Крок 5: Р_i = 4, B_i = 6
B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k	B_i	*	Р_i	B_k
	*				*				*

	*				*				*
	*				*				*

					*				*
									*

Оскільки на кроці 6 всі вершини отримали ваги, формування рельєфу закінчується.

У табл. 2.19 наведено найкоротші за числом проміжних вершин шляхи між вершиною 4 та рештою вершин графа.

Таблиця 2.19. Перелік найкоротших шляхів

4 – 1

4 – 1 – 2

4 – 3

4 – 1 – 2 – 5

4 – 6

4 – 7

4 – 6 – 8